کشف سیاه چاله خاموش شش میلیارد خورشیدی در جهان آغازین

اکنون همه‌چیز آرام است. این جرم شاید روزگاری مانند یک اختروش می‌درخشیده و از تمام کهکشان خود پرنورتر بوده است. امروز اما غولی خفته است: سیاه‌چاله‌ای عظیم با جرمی نزدیک به شش میلیارد برابر جرم خورشید، در زمانی دیده شده که سن جهان به‌سختی به سه میلیارد سال می‌رسید.

ستاره‌شناسان چگونه یک سنگین‌وزن پنهان را یافتند

ستاره‌شناسان معمولا برای دیدن جهان آغازین به جست‌وجوی نور می‌روند: اختروش‌های درخشان نشانه سیاه‌چاله‌های کلان‌جرمی هستند که با شدت در حال بلعیدن گازند. اما هر سیاه‌چاله عظیمی ردپایی نورانی از خود باقی نمی‌گذارد. برخی زمانی که سوختشان تمام می‌شود یا بازخورد پرانرژی، گازهای اطراف را گرم و پراکنده می‌کند، خاموش می‌شوند. آشکارسازی این غول‌های آرام بسیار دشوارتر است. پس چگونه می‌توان چیزی را وزن کرد که دیده نمی‌شود؟

این گروه پژوهشی هم‌زمان از دو ابزار کیهانی بهره برد: چشمان تیزبین فروسرخ تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا و توان بزرگ‌نمایی عدسی گرانشی. یک کهکشان نزدیک‌تر درست در امتداد خط دید به سوی MRG-M0138 قرار دارد و نور کهکشان پس‌زمینه را خم کرده و حدود ۳۰ برابر تقویت می‌کند. این تلسکوپ طبیعی تصویر را کشیده است و به جیمز وب امکان داده جزئیاتی را تفکیک کند که در حالت عادی به لکه‌هایی کم‌نور و محو تبدیل می‌شدند.

با این نمای تقویت‌شده، پژوهشگران حرکت ستارگان را در سراسر هسته کهکشان دنبال کردند. ستارگان گرانش همه چیزهایی را که درون مدارشان قرار دارد حس می‌کنند. اگر جرمی بسیار عظیم و فشرده در مرکز پنهان باشد، ستارگان نزدیک به آن سریع‌تر از ستارگان دورتر حرکت خواهند کرد. این تیم با نقشه‌برداری از الگوهای سرعت و ساخت مدل‌های دینامیکی، وجود یک سیاه‌چاله کلان‌جرم را استنباط کرد و جرم آن را نزدیک به شش میلیارد جرم خورشیدی به دست آورد. این اندازه‌گیری از روش دینامیک ستاره‌ای استفاده کرد، روشی آشنا از مطالعات راه شیری و کهکشان‌های نزدیک، اما این بار در فاصله‌ای کیهان‌شناختی و بی‌سابقه به کار رفت.

چرا این اندازه‌گیری اهمیت دارد

یافتن یک سیاه‌چاله خاموش در چنین فاصله‌ای، تغییر بزرگی در نگاه ما ایجاد می‌کند. پیش از این، دورترین سیاه‌چاله خاموشی که با حرکت ستارگان اندازه‌گیری شده بود در فاصله‌ای حدود ۷۰۰ میلیون سال نوری قرار داشت. MRG-M0138 بیش از ۱۰ میلیارد سال نوری از ما دور است و این روش را به ژرفای بیشتری از تاریخ کیهان می‌برد و رکورد فاصله را تقریبا ۱۵ برابر افزایش می‌دهد.

این دستاورد آنچه را ستاره‌شناسان می‌توانند درباره رشد مشترک کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌ها بیازمایند، تغییر می‌دهد. کهکشان‌های نزدیک همبستگی محکمی نشان می‌دهند: برآمدگی‌های بزرگ‌تر معمولا میزبان سیاه‌چاله‌های سنگین‌ترند. اما هنوز نمی‌دانیم آیا این رابطه از همان دوران اولیه برقرار بوده یا سیاه‌چاله‌ها و کهکشان‌ها ابتدا در مسیرهایی متفاوت تکامل یافته‌اند و بعد به الگویی رسیده‌اند که امروز می‌بینیم.

نتیجه تازه یک نقطه داده نادر از دورانی فراهم می‌کند که به طور میانگین هم ستاره‌زایی و هم رشد سیاه‌چاله‌ها پرشتاب‌تر بود. نکته مهم این است که هم سیاه‌چاله و هم کهکشان میزبان آن به نظر آرام و کم‌فعال می‌رسند. این کهکشان نشانه اندکی از ستاره‌زایی جاری دارد و این یعنی فرایندی، تولد ستارگان را مدت‌ها پیش از امروز متوقف کرده است. یک توضیح محتمل این است که سیاه‌چاله زمانی با سرعت رشد کرده و انرژی آزادشده در آن مرحله، گاز لازم برای شکل‌گیری ستارگان را گرم یا از کهکشان بیرون رانده است؛ فرایندی که خاموش‌سازی نام دارد. این سناریو فیزیک سیاه‌چاله را به شکلی علّی با تکامل کهکشان پیوند می‌دهد.

روش و فناوری

دینامیک ستاره‌ای از نظر مفهومی ساده است، اما در عمل نیازمند دقت بسیار بالاست. رصدگران به تفکیک فضایی بالا و طیف‌سنجی حساس نیاز دارند تا بسنجند سرعت ستاره‌ها چگونه با فاصله از مرکز تغییر می‌کند. جیمز وب حساسیت و پوشش فروسرخ لازم برای مطالعه کهکشان‌های دور و سرخ را فراهم می‌کند. عدسی گرانشی نیز بزرگ‌نمایی فضایی را در اختیار می‌گذارد. این دو در کنار هم به تیمی به رهبری اندرو نیومن از مؤسسه کارنگی ساینس، با همکاری کالج دانشگاهی لندن و دیگر نهادها، امکان دادند تا به کره نفوذ سیاه‌چاله بنگرند؛ آن هم در زمانی که جهان کمتر از یک‌چهارم سن کنونی خود را داشت.

مدل‌سازی دینامیکی دقیق همچنین مستلزم در نظر گرفتن محتاطانه توزیع جرم کهکشان است، از جمله ستارگان و ماده تاریک، همراه با درکی از ناهمسانگردی‌های مداری. پژوهشگران مجموعه‌ای از مدل‌ها را اجرا کردند تا جرم نقطه‌ای مرکزی، یعنی سیاه‌چاله، را از جرم گسترده جمعیت ستاره‌ای جدا کنند. نتیجه پایدار ماند: یک سیاه‌چاله کلان‌جرم، اما در حال حاضر غیرفعال، بر هسته کهکشان مسلط است.

جیمز وب و عدسی گرانشی به یک تیم بین‌المللی از ستاره‌شناسان به رهبری اندرو نیومن از کارنگی ساینس امکان دادند برای نخستین بار جرم یک سیاه‌چاله خاموش را از جهان آغازین اندازه‌گیری کنند. 

پیامدها برای پیمایش‌های آینده و نظریه‌ها

این کشف یک مسیر رصدی تازه می‌گشاید. اگر ترکیب جیمز وب و عدسی گرانشی بتواند سیاه‌چاله‌های خاموش را در فاصله‌های کیهان‌شناختی آشکار کند، پیمایش‌هایی که کهکشان‌های پرجرم و عدسی‌شده را هدف می‌گیرند می‌توانند نمونه‌ای آماری در طول زمان کیهانی گردآوری کنند. این کار به نظریه‌پردازان اجازه می‌دهد بررسی کنند آیا سیاه‌چاله‌ها در جهان آغازین به طور پیوسته از رشد ستاره‌ای پیشی گرفته‌اند یا این دو مؤلفه هم‌گام با هم رشد کرده‌اند.

این یافته پیامدهای گسترده‌تری نیز برای مدل‌های بازخورد، خاموش‌سازی و چرخه زندگی هسته‌های کهکشانی فعال دارد. فهم اینکه سیاه‌چاله‌ها چه زمانی و چرا خاموش می‌شوند، برای پیش‌بینی تکامل جمعیت‌های کهکشانی حیاتی است. اگر غول‌های خاموش در انتقال به سرخ بالا رایج باشند، دوره‌هایی از برافزایش شدید و سپس آرامش طولانی می‌تواند مرحله‌ای معمول در زندگی یک کهکشان باشد. در مقابل، ممکن است این اجرام یادگارهای نادرتری از رویدادهای رشد استثنایی باشند.

رصدهای آینده همچنین می‌توانند بررسی کنند آیا سیاه‌چاله‌های خاموش قادر به شعله‌ور شدن دوباره هستند یا نه. ورود تازه‌ای از گاز سرد، برای نمونه از راه ادغام کهکشانی، می‌تواند موتور مرکزی را دوباره فعال کند و یک هسته خاموش را بار دیگر به اختروش تبدیل سازد. پایش محیط‌ها و تاریخچه ادغام کهکشان‌های عدسی‌شده بخشی از راهبرد آینده خواهد بود.

دیدگاه کارشناس

«این اندازه‌گیری نشان می‌دهد که ترکیب جیمز وب و عدسی گرانشی فقط یک قابلیت تازه و جذاب نیست، بلکه روشی عملی برای گسترش تکنیک‌های کلاسیک دینامیکی به جهان آغازین است»، این را دکتر النا مارکز، کارشناس فرضی اما نماینده دیدگاه متخصصان و اخترفیزیک‌دانی که شکل‌گیری کهکشان‌ها را مطالعه می‌کند، می‌گوید. «این روش به ما امکان می‌دهد جرم سیاه‌چاله‌ها را در جاهایی مستقیم بسنجیم که پیش‌تر تنها حدس‌های غیرمستقیم بر پایه روشنایی داشتیم. چنین داده‌هایی نظریه‌پردازان را وادار می‌کند شیوه مدل‌سازی هم‌تکاملی کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌های مرکزی آنها را دقیق‌تر کنند.»

دکتر مارکز می‌افزاید: «گام بعدی این است که کشف‌های منفرد را به نمونه‌های قابل بررسی تبدیل کنیم. با چند سامانه که جرمشان در دوره‌های مختلف کیهانی خوب اندازه‌گیری شده باشد، می‌توانیم آهنگ رشد سیاه‌چاله‌ها را در مقایسه با ستاره‌زایی ترسیم کنیم.»

جمع‌بندی

کشف یک سیاه‌چاله خاموش با جرم شش میلیارد برابر خورشید در MRG-M0138 بخشی از سرشماری سیاه‌چاله‌ها را بازتعریف می‌کند. این یافته ثابت می‌کند که سنگین‌وزن‌های کیهانی زمانی که جهان هنوز جوان بود وجود داشتند و پیش‌تر آرام گرفته بودند. مهم‌تر از آن، نشان می‌دهد ترکیب حساسیت جیمز وب با عدسی‌های گرانشی طبیعت به ستاره‌شناسان اجازه می‌دهد غول‌های نامرئی را بسیار فراتر از توان ابزارهای گذشته وزن کنند. با گسترش پیمایش‌ها و اصلاح مدل‌ها، این غول‌های خفته کمک خواهند کرد توضیح دهیم روشن‌ترین و تاریک‌ترین بخش‌های کهکشان‌ها چگونه در گذر زمان کیهانی بر یکدیگر اثر گذاشته‌اند.