سیاه چاله ای کوچک که به فانوس رادیویی پایدار بدل شد

تصور کنید فانوسی دریایی در لبه کیهان روشن شود و هرگز کم‌نور نشود. این همان معمایی است که اخترشناسان اکنون با آن روبه‌رو هستند، پس از آنکه یک سیاه‌چاله در یک کهکشان مارپیچی نزدیک، ناگهان به منبعی رادیویی و فوق‌العاده پرقدرت تبدیل شد و بیش از هشت سال روشن باقی ماند.

این کهکشان که با نام SDSS J110546.07+145202.4 فهرست‌بندی شده و در صورت فلکی شیر، در فاصله حدود ۱.۸ میلیارد سال نوری از زمین قرار دارد، از یک منبع رادیویی معمولی به جرمی با صدای رادیویی بسیار بلند تبدیل شد. سیاه‌چاله مرکزی آن شروع به گسیل امواج رادیویی کرد که بیش از ۲۰ برابر قوی‌تر از گذشته بود. در بسیاری از سامانه‌های گذرا، چنین فورانی به‌سرعت محو می‌شود. اما اینجا چنین اتفاقی نیفتاده است. سیگنال همچنان ادامه دارد. سال‌ها گذشته‌اند. درخشندگی رادیویی هنوز پابرجاست.

رفتاری شگفت‌انگیز از یک نیروگاه کوچک

این جرم به رده کهکشان‌های فعال سیفرت ۱ با خطوط باریک تعلق دارد. این رده‌بندی نشان می‌دهد با سیاه‌چاله‌ای با جرم نسبتا کم روبه‌رو هستیم که ماده را با نرخ بالایی می‌بلعد. چنین سیاه‌چاله‌هایی اغلب در پرتو ایکس و نور مرئی پرانرژی‌اند، اما فواره‌های رادیویی نیرومند و دیرپا در میان آن‌ها نادر است. خروجی رادیویی پایدار در SDSS J110546.07+145202.4 به نظر می‌رسد نخستین نمونه روشن از یک رویداد «تغییرچهره» رادیویی بلندمدت در این نوع کهکشان باشد.

چه چیزی چنین چراغی را تغذیه می‌کند؟ ایده اصلی آشناست: گاز و غبار به سوی سیاه‌چاله سقوط می‌کنند و یک قرص برافزایشی چرخان می‌سازند. اصطکاک و نیروهای مغناطیسی، ماده در حال ورود را گرم می‌کنند و در شرایطی خاص، بخشی از آن را به فواره‌هایی باریک و نسبیتی هدایت می‌کنند. این فواره‌ها زمانی که ذرات باردار در امتداد خطوط میدان مغناطیسی مارپیچ‌وار حرکت می‌کنند، می‌توانند تابش رادیویی قدرتمندی تولید کنند.

در این مورد، پژوهشگران گمان می‌کنند افزایش ناگهانی در ذخیره گاز، قرص برافزایشی را تغذیه کرده است. همین تغییر در تأمین ماده ممکن است امکان شکل‌گیری یک فواره و فعال ماندن آن را فراهم کرده باشد. درخشندگی رادیویی برآوردشده بسیار عظیم است. این تابش حدود ۱۰ کوادریلیون برابر خروجی رادیویی خورشید است. با این حال، خود سیاه‌چاله مرکزی در مقایسه با هیولاهای موجود در کهکشان‌های بیضوی عظیم، نسبتا سبک‌وزن به شمار می‌آید.

مشاهدات تازه، در کنار داده‌های بایگانی‌شده از طول موج‌های رادیویی تا پرتو ایکس، هیچ فوران همزاد آشکاری را در باندهای نور مرئی یا فروسرخ نشان نمی‌دهند که با افزایش رادیویی همخوان باشد. این نبودِ نشانه، توضیح‌های ساده‌ای مانند رویداد اختلال کشندی را پیچیده‌تر می‌کند، رویدادی که در آن یک ستاره از هم دریده می‌شود و برای مدت کوتاهی هسته کهکشان را در طول موج‌های مختلف روشن‌تر می‌کند. این رفتار همچنین با بلازارها متفاوت است؛ اجرامی که فواره‌هایشان تقریبا مستقیم به سوی زمین نشانه رفته و معمولا نشانه‌های تابشی سریع و متغیر نشان می‌دهند.

اندازه‌گیری‌های پیگیری با مجموعه‌ای از ابزارها انجام شد: رادیوتلسکوپ ۱۰۰ متری افلسبرگ، آرایه فشرده تلسکوپ استرالیا متعلق به سی‌اس‌آی‌آر‌او و در کنار آن‌ها تلسکوپ‌های فضایی پرتو ایکس. هر مجموعه داده از همان نتیجه شگفت‌آور پشتیبانی می‌کند: این یک درخشش رادیویی کوتاه‌عمر نیست. بلکه یک تغییر حالت پایدار است.

مقاله کشف این پدیده، به سرپرستی استفانی کوموسا در مؤسسه اخترشناسی رادیویی ماکس پلانک، SDSS J110546.07+145202.4 را به‌عنوان نمونه اولیه‌ای از یک رده احتمالا تازه از کهکشان‌های رادیویی با تغییر سریع معرفی می‌کند. اگر این رده‌بندی تأیید شود، اخترشناسان ناچار خواهند شد نظریه‌های خود را درباره اینکه سیاه‌چاله‌های کوچک و سریع‌الرشد چگونه می‌توانند فواره بسازند و آن را پایدار نگه دارند، دوباره بررسی کنند.

چرا این موضوع فراتر از یک کهکشان اهمیت دارد

دلیل عمیق‌تری وجود دارد که نشان می‌دهد چرا همین یک جرم اهمیت دارد. در جهان آغازین، سیاه‌چاله‌های کم‌جرم‌تر و سریع‌الرشد بسیار رایج‌تر بودند. آن‌ها احتمالا منابع درخشانی را نیرو می‌دادند که با تابش و فواره‌های خود محیط اطرافشان را شکل می‌دادند. اما آن سامانه‌های دوردست کم‌نورند و تفکیک آن‌ها دشوار است. یک نمونه مشابه نزدیک، آزمایشگاهی در اختیار پژوهشگران می‌گذارد تا شکل‌گیری فواره، انتشار فواره و برهم‌کنش میان فواره و گاز کهکشان میزبان را با جزئیاتی بسیار بیشتر بررسی کنند.

تصویربرداری رادیویی با وضوح بالا می‌تواند کمک‌کننده باشد. آرایه‌های تداخل‌سنجی خط پایه بسیار بلند می‌توانند سیگنال‌های آنتن‌هایی را که با فاصله زیاد از هم قرار دارند ترکیب کنند و وضوح زاویه‌ای معادل یک بشقاب واحد در اندازه یک قاره به دست آورند. مشاهدات برنامه‌ریزی‌شده با آرایه خط پایه بسیار بلند ممکن است ساختار، جهت و تحول فواره را آشکار کند و کمک کند مشخص شود تابش رادیویی از یک هسته فشرده، یک گره تازه در فواره یا برهم‌کنش‌هایی در مقیاس بزرگ‌تر با گاز پیرامونی سرچشمه می‌گیرد.

در ادامه، نسل آینده تأسیسات رادیویی مانند آرایه کیلومتر مربعی، آسمان را با حساسیتی بی‌سابقه پیمایش خواهد کرد. این تلسکوپ‌ها باید گذراهای رادیویی و تغییرات بلندمدت بسیار بیشتری را آشکار کنند و به اخترشناسان امکان دهند بفهمند آیا SDSS J110546.07+145202.4 یک مورد عجیب و یگانه است یا نخستین عضو شناخته‌شده از جمعیتی بزرگ‌تر و پیش‌تر پنهان از گذراهای رادیویی دیرپا.

این کهکشان از نظر بصری نیز چشمگیر است. آن‌قدر به ما نزدیک است که دو بازوی مارپیچی‌اش در تصاویر نوری و فروسرخ نزدیک به‌وضوح دیده می‌شوند و زمینه‌ای برای فعالیت پرانرژی هسته فراهم می‌کنند. نمای ترکیبی، به پیوند دادن موتور مرکزی با کهکشان میزبان آن کمک می‌کند.

کهکشان SDSS J110546.07+145202.4 آن‌قدر به زمین نزدیک است که شکل آن، همراه با دو بازوی مارپیچی‌اش، در تصاویر به‌روشنی دیده می‌شود. این عکس ترکیبی از نور مرئی و تابش فروسرخ نزدیک است. 

دیدگاه کارشناس

«این جرم یک نمونه آزمایشی نزدیک و کمیاب برای فرایندهایی در اختیار ما می‌گذارد که در جهان جوان رایج بودند»، دکتر النا مورالس، اخترفیزیک‌دان رصدی که با گروه کاشف این پدیده همکاری ندارد، می‌گوید. «ما می‌توانیم ببینیم یک فواره تازه چگونه خود را تثبیت می‌کند و چگونه بر کهکشان اثر می‌گذارد. این موضوع درباره بازخورد، درباره اینکه سیاه‌چاله‌ها چگونه شکل‌گیری ستارگان را تنظیم می‌کنند و درباره شرایط لازم برای پایدار نگه داشتن یک فواره در بازه‌ای چندساله به جای چند روز یا چند ماه، به ما اطلاعات می‌دهد.»

نکته او به قلب اهمیت تابش رادیویی پایدار اشاره دارد. فواره‌ها فقط تلسکوپ‌ها را روشن نمی‌کنند. آن‌ها انرژی را به مقیاس‌هایی منتقل می‌کنند که در آن می‌توانند گاز را گرم کنند، آن را جابه‌جا کنند و شکل‌گیری ستارگان را سرکوب یا تحریک کنند. مشاهده تولد و پایداری یک فواره در زمان واقعی، داده‌هایی فراهم می‌کند تا مدل‌های رایانه‌ای این فرایندهای بازخوردی آزموده شوند.

جمع‌بندی

SDSS J110546.07+145202.4 به یک مطالعه موردی کمیاب و ارزشمند تبدیل شده است. این جرم انتظارات درباره رفتار سیاه‌چاله‌های کم‌جرم‌تر و با برافزایش سریع را به چالش می‌کشد. همچنین نمونه‌ای نزدیک از هسته‌های فعال کهکشانی ارائه می‌دهد که احتمالا کیهان آغازین را شکل داده‌اند. پایش پیوسته در سراسر طیف الکترومغناطیسی، تصویربرداری رادیویی با وضوح بالاتر و پیمایش‌های حساس آسمان در آینده نشان خواهند داد که آیا این کهکشان یک شگفتی منفرد است یا نخستین نشانه از جمعیتی بزرگ‌تر و پیش‌تر پنهان از گذراهای رادیویی دیرپا.

تا آن زمان، این فانوس روشن می‌ماند. اخترشناسان به تماشای آن ادامه خواهند داد.