8 دقیقه
تصور کنید خوشهای شل و گسسته از ستارگان کهن که مانند خرده نان در آسمان پراکنده شدهاند — و سپس کشف کنید که هستهٔ آن نه با خورشیدهای درخشان که با باقیماندههای تاریک و فشرده پر است: بیش از صد سیاهچالهٔ با جرم ستارهای. این تصویر برجسته از پژوهشهای تازه دربارهٔ پالومار ۵ (Palomar 5)، یک خوشهٔ کروی پراکنده و جریان کشندی دورافتاده در هالهٔ راه شیری، پدیدار شده است.
پالومار ۵ یک استثناست. گروهی از ستارگان که این نام را به دوش میکشند، تا دهها درجه در آسمان کشیده شدهاند و تقریباً ۳۰٬۰۰۰ سال نوری در طول خود امتداد دارند؛ خود سامانه در حدود ۸۰٬۰۰۰ سال نوری از زمین قرار گرفته است. در حالی که بسیاری از خوشههای کروی فشرده، کروی و متراکم و حاوی صدها هزار ستارهٔ پیر هستند، پالومار ۵ شل است و در حال حاضر توسط گرانش کهکشان در حال از هم پاشیدن است. این شکنندگی، به نظر میرسد کلید آن چیزی باشد که در درونش پنهان کرده است.
برای دههها، اخترشناسان خوشههای کروی را بهعنوان سوابق فسیلشدهای از جهانِ اولیه میدیدند: آزمایشگاههای ستارهای متراکم که در آن هر ستاره تقریباً در یک زمان و از یک ابر شکل گرفته بود. اما وقتی مأموریت گایا (Gaia) آژانس فضایی اروپا شروع به نقشهبرداری از راه شیری با دقتی بیسابقه کرد، جریانهای کشندی طولانی و شبیه رودخانه — بقایای تکهتکهشدهٔ خوشهها و کهکشانهای کوتوله — نمایان شد. پالومار ۵ هم یک خوشهٔ قابل رؤیتِ پدیدآورنده دارد و هم دم کشندی گستردهای از ستارگان فراری؛ همین ویژگی آن را به آزمایشگاهی ایدهآل برای بررسی چگونگی شکلگیری و تکامل جریانها تبدیل کرده است.
شبیهسازیها، سیاهچالهها و اخراج ستارگان
پژوهشگران از شبیهسازیهای با وضوح بالا و روش N-body برای بازگرداندن و بازپخش تاریخهای ممکن پالومار ۵ استفاده کردند، و تعاملات گرانشی تکتک ستارگان را در بازههای زمانی میلیاردها سال دنبال کردند. وقتی در هستهٔ خوشه جمعیتهایی از سیاهچالههای با جرم ستارهای را وارد مدلها کردند، شبیهسازیها ساختار فعلیِ بسیار پراکنده و یک دم کشندی بلند و قوی را بازتولید کردند. اما زمانی که سیاهچالهها حذف شدند، خوشهٔ شبیهسازیشده بیش از حد فشرده باقی ماند و نتوانست تعداد و توزیع ستارگان فراری را توضیح دهد.
چرا سیاهچالهها در اینجا اهمیت دارند؟ زیرا آنها مانند توپهای بیلیارد سنگین در یک میز شلوغ عمل میکنند. برخوردها و تعاملات بین ستارگان و سیاهچالهها انرژی جنبشی را به ستارگان سبکتر منتقل میکند و آنها را به مدارهای وسیعتری پرتاب یا به جریان اخراج میکند. با گذشت زمان ستارگان سبکتر بهطور ترجیحی فرار میکنند و کسر بزرگتری از باقیماندههای سنگین و فشرده در هستهٔ فشردهشونده باقی میماند. شبیهسازیها نشان میدهند رفتار پالومار ۵ بهترین توضیح را دارد اگر تقریباً یک پنجم جرم خوشه در قالب سیاهچاله باشد — جمعیتی که حدود سه برابر برآوردهای ساده بر اساس تعداد ستارگان قابل رؤیت است.
«تعداد سیاهچالهها تقریباً سه برابر بیش از آن چیزی است که از شمار ستارگان در خوشه انتظار میرفت، و این به این معناست که بیش از ۲۰ درصد جرم کل خوشه را سیاهچالهها تشکیل میدهند،» مارک گیلز (Mark Gieles)، رهبر این مطالعه، گفت. «هر کدام جرمی در حدود ۲۰ برابر جرم خورشید دارند و در انفجارهای ابرنواختری در پایان عمر ستارگان پرجرم شکل گرفتند، وقتی خوشه هنوز بسیار جوان بود.» این برآوردها با توزیع جرم ستارگان اولیه، نرخهای مرگ و میر ستارهای و ریختشناسی اولیهٔ خوشهها سازگار است، اما تأکید میکند که برآوردهای مستقیم بر اساس ستارگان قابل رؤیت میتواند مقدار قابل ملاحظهای کمبرآورد کند.
نقشهٔ صفحهٔ کهکشان راه شیری بهدستآمده از دادههای کاتالوگ گایا (eDR3). بخش بالایی ناحیهای را نشان میدهد که خوشهٔ ستارهای پالومار ۵ و دمهای کشندی آن در آن مشاهده شدهاند (DESI Legacy Imaging Survey, DECaLS/E. Balbinot, Gaia, DECaLS-DESI)
چرا این مسئله اهمیت دارد: امواج گرانشی و سرنوشت خوشهها
دو دستاورد علمی فوری وجود دارد. اول: اگر خوشههای کروی مانند پالومار ۵ جمعیت بزرگی از سیاهچالهها را نگهدارند، میتوانند پرورشگاههای کارآمدی برای سیاهچالههای دوتایی باشند که بعدها به هم میپیوندند و امواج گرانشی تولید میکنند — امواجی که توسط رصدخانههایی مانند لیگو (LIGO) و ویراگو (Virgo) قابل شناساییاند. دینامیک درون هستههای متراکم خوشهها میتواند از طریق برخوردهای نزدیک دوتاییهایی را شکل دهد؛ آن دوتاییها سپس سختتر میشوند و در نهایت با هم ادغام مییابند. این فرایندها (شامل اختلاط دینامیکی، تبادل اجزا، و تقویت برخوردی) نرخهای ادغام و ویژگیهای موج گرانشی تولیدشده را تحت تأثیر قرار میدهند، که برای مدلسازی منشاء منابع امواج گرانشی اهمیت کلیدی دارد.
دوم: داستان زندگی بسیاری از خوشهها ممکن است با باقیماندهای تحت سلطهٔ سیاهچالهها که به تدریج در هالهٔ کهکشان حل میشود، به پایان برسد. در شبیهسازیها پالومار ۵ بهطور پیوسته جرم خود را از دست میدهد و احتمالاً ظرف حدود یک میلیارد سال بهطور کامل تبخیر خواهد شد. درست پیش از حلشدن، جسم بندشدهٔ باقیمانده تقریباً بهطور کامل از سیاهچالهها تشکیل میشود که به دور کهکشان میگردند — پژواکی شبحوار از خوشهٔ ستارهای اولیه. این تحولات دینامیکی نقش مهمی در ساختار هالهٔ کهکشان و توزیع مادهٔ تاریک مشاهدهشده ایفا میکنند، زیرا جریانهای کشندی و بقایای خوشهها نور و جنبشهایی را فراهم میکنند که میتوان با آنها ساختار جرم و تاریخ ادغام کهکشان را بازسازی کرد.
«یک ناشناختهٔ بزرگ در این سناریو این است که در خوشهها چه تعداد سیاهچاله وجود دارد، که از راه رصد بسیار دشوار است زیرا ما خودِ سیاهچالهها را نمیبینیم،» فیبیو آنتونینی (Fabio Antonini)، اخترفیزیکدان، اشاره کرد. «روش ما راهی به ما میدهد تا از طریق ستارگانی که سیاهچالهها اخراج میکنند بفهمیم در یک خوشه چه تعداد سیاهچاله وجود دارد.» این رویکرد غیرمستقیم — استنباط جمعیتهای نامرئی از طریق جنبش و توزیع ستارگان قابل رؤیت — رو به تبدیل شدن به ابزاری قدرتمند در اخترفیزیک خوشههاست. با ترکیب استرومتری دقیق گایا، سرعتهای شعاعی از طیفسنجی و تصویربرداری عمیق، میتوان قیاسهای محکمتری انجام داد و عدم قطعیتها را کاهش داد.
دیدگاه تخصصی
دکتر لارا میچل (Dr. Laura Mitchell)، اخترفیزیکدانی از مؤسسهٔ دینامیک کهکشانی، اظهار داشت: «آنچه پالومار ۵ را جالب میکند ترکیب یک پدیدآورندهٔ قابل رؤیت و یک جریان کشندی گسترده است: مورد نادری که در آن مدلها میتوانند با هم ساختار داخلی و بقایای خارجی را آزمایش کنند. ایدهٔ اینکه ستارگان قابل رؤیت یک خوشه میتوانند تیغتیغی شوند در حالی که سیاهچالهها باقی میمانند، در پسنگری منطقی است، اما کمیگرایی دقیق آن فرایند نیازمند کار N-body مفصل و با دقت بالا است که عصر گایا اکنون امکان آن را فراهم کرده است. این یافته پیامدهایی در سراسر اخترفیزیک دارد — از تکامل ستارهای تا جمعیت منابع امواج گرانشی.»
فراتر از پالومار ۵، درس گستردهتر روشن است: جریانهای کشندی بیش از الگوهای زیبا در آسمان هستند. آنها مانند مدارک جرمشناسی اخترفیزیکیاند. شکل، چگالی و سرعتی که در آن ستارگان از دست میروند، جرم پنهان و گذشتهٔ دینامیکی سامانهٔ مادر را رمزگذاری میکند. با گایا و رصدهای نسل بعدی — از جمله رصدخانه روبین (Rubin Observatory/LSST)، طرحهای تصویربرداری عمیق و نقشهبرداری طیفی مانند DESI — اخترشناسان میتوانند جریانها را نقشهبرداری کنند و بسنجند آیا خوشههای دیگر نیز انبارهای نسبتاً بزرگی از سیاهچاله دارند یا خیر.
این مطالعه در نشریهٔ Nature Astronomy منتشر شده و متکی بر استرومتری دقیق گایا بههمراه رصدهای تصویربرداری عمیق و تکنیکهای شبیهسازی مدرن است. با گسترش فهرست جریانها و بهبود مدلها، اخترشناسان برآوردهای خود از اینکه خوشهها چه تعداد سیاهچاله تولید و نگه میدارند دقیقتر خواهند کرد — عددی که برای پیشبینی نرخهای امواج گرانشی، درک زمانهای بقا و ترسیم تاریخچهٔ تجمع راه شیری اهمیت دارد. همچنین این نتایج بهطور مستقیم بر مدلهای اولیهٔ تشکیل ستارگان، توزیع جرم اولیه (IMF)، و چگونگی رفتار سیستمهای چندجسمی در محیطهای چگال تأثیر میگذارند.
پالومار ۵، به نوعی، سنگنبشتهٔ روشنگر برای شکلگیری جریانهاست: آن مرئی و نامرئی را به هم پیوند میدهد و نشان میدهد چگونه باقیماندههای تاریک نور را که میبینیم شکل میدهند. اگر به خواندن الگوهایی که در ستارگان باقی میمانند ادامه دهیم، چه جمعیتهای پنهان دیگری را کشف خواهیم کرد؟ این پرسش مسیر تحقیقات آینده را مشخص میکند و اهمیت ترکیب دادههای رصدی با شبیهسازیهای دینامیک و تحلیلهای آماری پیشرفته را برجسته میسازد.
منبع: sciencealert
ارسال نظر