8 دقیقه
دانشمندان خوشهای از کهکشانها را در جهانِ اولیه کشف کردهاند که گاز بینخوشهای آن بهشکلی غیرمنتظره از مدلهای کنونی پیروی نمیکند. مشاهدات SPT2349-56، که تنها حدود ۱٫۴ میلیارد سال پس از مهبانگ دیده میشود، نشان میدهد که محیط بین کهکشانی (intracluster medium) این خوشه بهطور چشمگیری داغتر و پرانرژیتر از آن است که تنها با فروپاشی گرانشی قابل توجیه باشد.
چگونه یک سایهٔ ضعیف کیهانی یک ناهنجاری عظیم را آشکار کرد
SPT2349-56 برای نخستینبار در سال ۲۰۱۰ توسط تلسکوپ قطب جنوب (South Pole Telescope) شناسایی شد و بعدتر بهعنوان یک خوشه فشرده و افراطی متشکل از بیش از ۳۰ کهکشان تشخیص داده شد. مشاهدات پیگیری نشان دادند که نرخ شکلگیری ستاره در این سیستم بسیار بالا است — بهطور تقریبی هزار برابر نرخ خاموش کهکشان راه شیری — و همچنین گاز مولکولی فراوانی بین اعضای خوشه وجود دارد که آنها را به هم پیوند میدهد. برای بررسی گاز داغ بین کهکشانها، گروهی بینالمللی به سرپرستی داجی ژو (Dazhi Zhou) از آرایهٔ میلیمتری/زیرمیلیمتری آتاکاما (ALMA) استفاده کردند تا اعوجاجهای پسزمینهٔ تابش زمینهٔ کیهانی (CMB) را اندازهگیری کنند. در این تحلیلها از روشهای دقیق شناسایی سیگنال و جداسازی منابع فرعی استفاده شد تا اثرات مرتبط با سیستمِ متراکم SPT2349-56 بهطور جداگانه استخراج شوند.
این اعوجاجها به عنوان اثر حرارتی سانیاوف-زلدویچ (thermal Sunyaev–Zeldovich یا tSZ) شناخته میشوند: الکترونهای پرانرژی در گاز داغ و پراکنده، فوتونهای تابش زمینهٔ کیهانی را پراکنده میکنند و ردپای قابلاندازهگیریای بر جای میگذارند؛ بهعبارت دیگر، آنها یک «سایهٔ» ضعیف روی تابش پسزمینه ایجاد میکنند. مشاهدات ALMA سیگنال tSZ بسیار قوی و غیرقابلانکاری از SPT2349-56 ثبت کرد که نشاندهنده دماهایی در محیط بینخوشهای بالاتر از ده میلیون کلوین است. این نتیجه با پارامترهایی مانند پارامتر کومپتون (Compton-y) و توزیع فشار الکترونی همخوانی دارد و دلالت بر انرژی حرارتی بسیار بالای الکترونها دارد.
تصویر هنری از گاز مولکولی در محیط بینخوشهای SPT2349-56.
چرا این دما برای مدلهای تشکیل خوشه مشکلساز است
خوشههای کهکشانی عمدتاً از طریق فرایندهای گرانشی گاز خود را گرم میکنند: زمانی که اعضای یک خوشه بهسوی هم سقوط میکنند، انرژی پتانسیل گرانشی به انرژی جنبشی و سپس به انرژی گرمایی تبدیل میشود. انتظار میرود این گرمشدن بهصورت تدریجی رخ دهد و نیازمند چند میلیارد سال زمان باشد تا به سطوح دمایی دیدهشده در خوشههای امروزی برسد. اما مدلهایی که برای جهانِ اولیه تنظیم شدهاند، قادر به بازتولید اثر حرارتی شدید مشاهدهشده در SPT2349-56 در تنها حدود ۱٫۴ میلیارد سال پس از بیگبنگ نیستند. این تنگنای زمانی باعث میشود که منابع انرژی سریعتر و قدرتمندتر از گرمایش صرفاً گرانشی لازم باشد.
دازچی ژو (Dazhi Zhou)، نویسندهٔ اصلی، گزارش داده که پس از تردید اولیه در مورد قوت سیگنال، ماهها بررسیهای متقابل و تستهای سیستماتیک انجام شد تا از صحت نتیجه اطمینان حاصل شود. تحلیل تیم نشان میدهد که گاز بینخوشهای لااقل پنج برابر داغتر از مقدار پیشبینیشده توسط گرمایش گرانشی استاندارد است — و از لحاظ برخی پارامترها حتی داغتر از گازی که در بسیاری از خوشههای محلی مشاهده شده است. این اختلاف نشاندهندهٔ وجود منابع انرژی غیرگرانشی است که ساختار این خوشهٔ نوپا را شکل میدهند.
منابع احتمالی انرژی: سیاهچالههای کلانجرم و بازخورد انرژیزا
محتملترین توضیح برای این گرمشدن سریع، بازخورد پرانرژی از هستههای کهکشانی فعال (Active Galactic Nuclei یا AGN) است. مشاهدات نشان میدهند که SPT2349-56 احتمالاً لااقل سه سیاهچالهٔ فوقالعاده پرجرم را در خود جای داده که در حال بلع و جذب ماده و پرتاب جتهای نسبیتی هستند. این جتها میتوانند مقادیر عظیمی انرژی را به محیط بینخوشهای تزریق کنند و گاز را خیلی سریعتر از آنچه گرانش بتواند، گرم و آشفتـه کنند. چنین بازخوردهایی میتوانند شامل گرمایش شوکی، بادهای رادیویی-جت و انتشار تابشی پرقدرت باشند که فشار و دما را در مقیاسهای بزرگ افزایش میدهند.
«این به ما میگوید که در جهانِ اولیه عامل یا عواملی — احتمالاً سه سیاهچالهٔ پرجرمِ اخیراً شناساییشده در این خوشه — پیشاپیش مقادیر عظیمی انرژی به محیط اطراف تزریق میکردند و خوشهٔ جوان را زودتر و قویتر از آنچه تصور میکردیم شکل میدادند،» میگوید اسکات چپمن (Scott Chapman)، اخترفیزیکدانی که در این مطالعه مشارکت داشته است. اگر این سناریو تأیید شود، بازخورد قدرتمند AGN در مراحل بسیار ابتدایی رشد خوشهها نیازمند بازنویسی و بازتنظیم شبیهسازیهای تشکیل خوشه و تکامل کهکشانها خواهد بود. در چارچوب فیزیک گاز داغ، باید مکانیزمهای تبدیل انرژی جنبشی و ریلیتیویستی به انرژی گرمایی و نقش میدانهای مغناطیسی و شتابدهی ذرهای نیز با جزییات بیشتری گنجانده شود.
زمینهٔ علمی و پیامدهای گستردهتر
درک تعامل میان تشکیل ستاره، فعالیت سیاهچالهها و محیط بینخوشهای برای ترسیم چگونگی تجمع بزرگترین ساختارهای کیهان ضروری است. خوشههای کهکشانی میزبانِ سنگینترین کهکشانها هستند و تاریخ رشد آنها نسبت به فرایندهای گرمایی و سرماییِ محیط خوشهای حساس است. اگر گرمشدن شدید ناشی از AGN در جهانِ اولیه رایج بوده، این فرایند میتوانسته تشکیل ستاره را در کهکشانهای پرجرم سرکوب یا هدایت مجدد کند، ورود گاز را تغییر دهد و گذار خوشهها از پروتو-خوشههای آشفته به سامانههای آرامتر امروزی را تسریع نماید. تأثیرات بلندمدت شامل تغییرات در تابع جرم کهکشانها، فراوانی خوشهها و روند بازخورد ستارهای-AGN در مدلهای کهکشانی خواهد بود.
از نظر فنی، این نتایج مبتنی بر اندازهگیریهای دقیق اثر tSZ با ALMA است که حساسیت و رزولوشن زاویهای لازم را برای جدا کردن سیگنال از این سیستم متراکم و اولیه فراهم میآورد. در کنار مشاهدات گاز مولکولی (که اغلب از خطوط کوپِرونیوم یا CO و سایر خطوط مولکولی در باندهای میلیمتری و زیرمیلیمتری دنبال میشوند) و طیفسنجی نوری/مادونقرمز برای تعیین دقیق شیفتِ به سرخ (redshift) و نرخهای تشکیل ستاره، پژوهشگران تصویر روشنتر ولی پیچیدهتری از پویایی خوشههای اولیه را گردآوری میکنند. این ترکیب دادهها امکان تحلیل فشار، چگالی الکترونی، جرم باریونیک و سیر تکاملی خوشهها را فراهم میسازد.
مشاهدات، ابزارها و گامهای بعدی
کشف سیگنال قوی tSZ توسط ALMA برای SPT2349-56، مکمل نقشهبرداری میدانگستردهٔ تلسکوپ قطب جنوب و تصاویر پیگیری قبلی است که معماری فشردهٔ خوشه را آشکار کردند. کارهای آینده شامل کمپینهای چندطیفی عمیقتر خواهد بود: مشاهدات در پرتو ایکس میتواند تابشِ مستقیم گازِ داغ را اندازهگیری کند (با ابزارهایی مانند چاندرا یا XMM-Newton)، نقشهبرداری رادیویی میتواند ساختار جتهای AGN را دنبال کند (با تلسکوپهایی مانند VLA یا MeerKAT)، و شبیهسازیهای با وضوح بالای هیدرودینامیکی میتوانند بررسی کنند که آیا مجموعهای از جتهای چندگانهٔ سیاهچاله میتوانند گرمایش مشاهد شده را در بازههای زمانی کوتاه تولید کنند یا نه.
پژوهشگران همچنین به دنبال خوشههای اولیهٔ دیگری خواهند گشت که امضای tSZ قوی مشابهی دارند. اگر SPT2349-56 یک مورد منحصربهفرد باشد، ممکن است مسیر تکاملی نادری را نشان دهد؛ اما اگر خوشههای «بیشگرم» مشابهی معمول باشند، چارچوبهای نظری شکلگیری ساختار باید بهطور قابلتوجهی بازنگری شوند تا مکانیزمهای قدرتمند بازخورد اولیه را در بر گیرند. دستیابی به نمونههای آماری از چنین خوشههایی برای ارزیابی فراوانی و تنوع این پدیده امری کلیدی است.
دیدگاه کارشناسان
«یافتن گازی با این دما در دورهای اینقدر اولیه مثل این است که در مهدکودکی یک کورهٔ صنعتی پیدا کنیم،» میگوید دکتر آنجالی رائو (Anjali Rao)، یک اخترفیزیکدان نظری که عضو تیم پژوهش نیست. «این پرسش را مطرح میکند که آیا رشد اولیهٔ سیاهچالهها را کمارزشگذاری کردهایم یا روشهایی که AGN میتواند انرژی را به محیط اطراف انتقال دهد را اشتباه توصیف کردهایم. هر یک از این پاسخها پیامدهای مهمی برای مدلهای تکامل کهکشانها و خوشهها دارد.» چنین بازخورد تخصصی نشان میدهد که نه تنها اندازهگیریها بلکه چارچوبهای نظری و شبیهسازیهای عددی نیز باید برای گنجاندن فیزیک پیچیدهٔ بازخورد AGN و اثرات مرتبط بازنویسی شوند.
نتیجهگیری
SPT2349-56 بهعنوان یک استثنای تحریکآمیز مطرح است: خوشهای فشرده و فعال در تشکیل ستاره که محیط بینخوشهای آن بسیار داغتر از حد پیشبینیشده توسط مدلهای مبتنی بر گرمایش گرانشی است. آشکارسازی tSZ توسط ALMA نشانگر بازخورد قابلتوجه اولیه از AGN بهعنوان مکانیزم محتمل گرمایش است. تأیید و قراردادن این کشف در بستر کلی نیازمند هماهنگی مشاهدات در سراسر طیف الکترومغناطیسی و بهبود شبیهسازیهایی است که فرایندهای غیرگرانشی و بازخوردهای شدید اولیه را در خود بگنجانند. در نهایت، بررسیهای بیشتر میتواند نشان دهد که چگونه سیاهچالههای پرجرم اولیه و فعالیتهای پرانرژی آنها مسیر شکلگیری بزرگترین سازههای کیهانی را در دوران کودکی عالم بازنویسی کردهاند؛ موضوعی که برای فهم تحول کهکشانها، خوشهها و ساختارهای کیهانی ضروری است.
منبع: sciencealert
ارسال نظر