راز چرخش گاز فلزی سنگین در قلب کهکشان راه شیری چیست؟

چیزی غیرمنتظره در قلب کهکشان ما در حال چرخش و مارپیچ شدن است. اخترشناسان در نزدیکی سیاهچاله کلان‌جرم معروف به کمان ای*، توده‌ای چرخان از گاز را یافته‌اند که به شکل غیرمعمولی از عناصر سنگین غنی است؛ همان فلزات کیهانی که درون ستارگان ساخته می‌شوند و پس از مرگ‌های پرانرژی و خشونت‌بار آن‌ها به فضا پرتاب می‌شوند.

این کشف حاصل پژوهش گروهی از مؤسسه فضایی تروتیه دانشگاه مک‌گیل است که با استفاده از چشم‌های فروسرخ تلسکوپ فضایی جیمز وب انجام شده است. وب می‌تواند اثر انگشت گرمایی چندین ابر گازی را به طور هم‌زمان از هم تفکیک کند و نمایی بی‌سابقه از ترکیب شیمیایی موادی ارائه دهد که تنها در فاصله چند ساعت نوری از Sgr A* به دور آن می‌چرخند. نتایج نشان می‌دهد این گاز دارای فراوانی بالایی از عناصری فراتر از هیدروژن و هلیوم است؛ عناصری که اخترشناسان آن‌ها را «فلزات» می‌نامند، از کربن و اکسیژن گرفته تا آهن و عناصر سنگین‌تر.

چرا این موضوع اهمیت دارد؟ چون ترکیب شیمیایی، رفتار ماده را شکل می‌دهد. فلزات به خنک شدن گاز کمک می‌کنند و فرایند خنک شدن تعیین می‌کند که ابرهای گازی با چه سهولتی فرو می‌ریزند یا به سمت درون، یعنی به سوی سیاهچاله، لغزش پیدا می‌کنند. در این مورد، امضای گاز غنی از فلزات به ترکیب بسیاری از ستارگانی شباهت دارد که به دور Sgr A* می‌گردند. این شباهت نشان می‌دهد که گاز و آن ستارگان شاید منشأ مشترکی داشته باشند؛ یا در محیطی یکسان و غنی‌شده متولد شده‌اند، یا از نسل‌های مشابهی از انفجارهای ستاره‌ای تغذیه شده‌اند.

سه نما از مرکز کهکشان ما در نور فروسرخ، در حالی که جایگاه سیاهچاله کمان ای* با یک ستاره سفید مشخص شده است. از چپ به راست، تصاویر بزرگ‌نمایی می‌شوند و این ناحیه را در طول موج‌های متفاوت نشان می‌دهند. 

در اینجا یک معما وجود دارد. Sgr A* خوراک‌خوار سخت‌پسندی است. برای یک سیاهچاله کلان‌جرم، این جرم در بلعیدن ماده کند و کم‌اشتها عمل می‌کند و بسیار کمتر از همتایان خود در بسیاری از کهکشان‌های دیگر ماده می‌بلعد. آیا دستور شیمیایی محیط اطراف آن می‌تواند بخشی از دلیل این رفتار باشد؟ نیکول فورد، نویسنده اصلی این پژوهش و دانشجوی دکتری در گروه پروفسور داریل هاگارد، می‌گوید: «برای فهمیدن اینکه چرا این سیاهچاله تا این حد کم تغذیه می‌کند، باید ویژگی‌های ماده در دسترس را بررسی کنیم.» ترکیب شیمیایی، میزان غبار و پویایی‌های محلی، همگی در این فرایند نقش دارند.

چنین مشاهداتی همچنین ما را وادار می‌کند که شیوه خواندن محیط پیرامون یک سیاهچاله را بازنگری کنیم. مطالعه‌ای مکمل که به تازگی به سرپرستی مایورا بالاکریشنان انجام شد، بررسی کرد که آیا گاز اطراف می‌تواند سابقه‌ای از فوران‌های پرانرژی گذشته Sgr A* را در خود حفظ کرده باشد یا نه. پاسخ چندان ساده نبود: شرایط محلی، از جمله چگالی، دما و شیمی خود گاز، نوری را که می‌بینیم شکل می‌دهند و نشانه‌های واضح فوران‌های باستانی را پنهان می‌کنند. به بیان ساده، گاز دفترچه خاطراتی روشن و قابل اعتماد از خشم‌های گذشته سیاهچاله نگه نمی‌دارد.

گازی که پیرامون مرکز کهکشان ما می‌چرخد. این پویانمایی گاز را در طول موج‌های مختلف فروسرخ نشان می‌دهد و آشکار می‌کند که چگونه به دور سیاهچاله کمان ای*، که با نماد یک ستاره سفید مشخص شده است، حرکت می‌کند.

کنار هم گذاشتن قطعات این پازل به چیزی فراتر از چند تصویر لحظه‌ای نیاز دارد. تلسکوپ جیمز وب اندازه‌گیری‌هایی چشمگیر و بسیار دقیق را در بازه‌های زمانی کوتاه فراهم می‌کند. برای نقشه‌برداری از رفتار این ماده غنی از فلزات در طول هزاران سال، پژوهشگران باید این مشاهدات را در شبیه‌سازی‌های بلندمدت پویایی گاز در نزدیکی سیاهچاله وارد کنند. تنها در آن صورت می‌توان آزمود که آیا آتش‌بازی‌های ستاره‌ای گذشته، گاز پیرامون هسته‌ای را که امروز مشاهده می‌کنیم بذرپاشی کرده‌اند یا نه، و آیا همین غنی‌شدگی می‌تواند اشتهای modest و محدود Sgr A* را توضیح دهد.

فراتر از پرسش‌های مربوط به تغذیه سیاهچاله، پیامد گسترده‌تری هم وجود دارد: اگر سیاهچاله‌های کلان‌جرم نزدیک، گازهای غنی از نظر شیمیایی را از جمعیت‌های ستاره‌ای اطراف خود به ارث ببرند، این فرایند می‌تواند بر شیوه آمیخته شدن و توزیع عناصر در سراسر کهکشان‌ها اثر بگذارد و در نهایت توضیح دهد سیاره‌هایی مانند زمین چگونه مواد خام لازم برای دنیاهای سنگی و حیات را به دست آورده‌اند.

این چرخش فلزی در مرکز کهکشان ما یادآوری می‌کند که سیاهچاله‌ها در انزوا وجود ندارند؛ آن‌ها در دل یک زیست‌بوم پیچیده و در حال تکامل جای گرفته‌اند که شیمی آن داستانی را روایت می‌کند که ما تازه خواندنش را آغاز کرده‌ایم.