راز سوخت تمام‌نشدنی سیاهچاله‌ها فاش شد

ابرسیاه‌چاله‌ها در مرکز کهکشان‌ها، فوران‌های قدرتمندی آزاد می‌کنند که گاز اطراف را گرم می‌کنند؛ این سیاه‌چاله‌ها همچنین با مصرف ماده پیرامون خود رشد می‌کنند. اکنون پژوهش جدیدی با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب، رشته‌های گازی نشان داده است که سرد می‌شوند و دوباره به سمت سیاه‌چاله جریان می‌یابند و یک «سامانه بازیافت کیهانی» خودپایدار ایجاد می‌کنند.

به گزارش ایسنا، رصد کهکشان ان‌جی‌سی ۴۶۹۶ (NGC 4696) نشان داده است که میدان‌های مغناطیسی چگونه به گاز کمک می‌کنند تکانه زاویه‌ای خود را از دست بدهد و به درون یک دیسک چرخان سقوط کند و در نهایت سیاه‌چاله را تغذیه کند. این کشف نشان می‌دهد که سیاه‌چاله‌ها از طریق چنین چرخه‌ای، رشد کهکشان‌ها را کنترل می‌کنند.

به نقل از وایرد، گمان می‌رود تقریبا هر کهکشان بزرگ در جهان، در مرکز خود یک ابرسیاه‌چاله داشته باشد که جرم آن از میلیون‌ها تا میلیاردها برابر جرم خورشید است.

سیاه‌چاله‌ها با مصرف ماده اطراف خود رشد می‌کنند، اما در این فرایند، فوران‌های قدرتمند انرژی را نیز به بیرون پرتاب می‌کنند. این فوران‌ها، گاز اطراف را گرم می‌کنند و در نتیجه شکل‌گیری ستاره‌های جدید را به تاخیر می‌اندازند و بر رشد کل کهکشان تاثیر می‌گذارند.

این موضوع مدت‌هاست یک معما برای پژوهشگران ایجاد کرده است. وقتی یک سیاه‌چاله فوران‌هایی را منتشر می‌کند و گاز اطراف را گرم می‌کند، گازی که در شرایط عادی باید توسط سیاه‌چاله بلعیده شود به این معناست که منبع انرژی آن به مناطق بسیار دورتر پراکنده می‌شود. با این حال، چرا سیاه‌چاله‌ها «سوختشان تمام نمی‌شود» و همچنان به رشد خود ادامه می‌دهند؟

برای توضیح این معما، پژوهشگران این فرضیه را مطرح کردند: گازی که بر اثر گرما به بیرون رانده شده است، سرانجام در فضای میان‌ستاره‌ای سرد می‌شود و به شکل ساختارهای باریکی به نام رشته‌ (filaments) متراکم می‌شود. سپس این رشته‌ها دوباره به سمت سیاه‌چاله سقوط می‌کنند.

یک مطالعه جدید پژوهشگران را به تایید این ایده نزدیک‌تر کرده است. یک گروه بین‌المللی به سرپرستی جولی هلاواچک-لاروندو، استاد دانشگاه مونترال، کهکشان مرکزی ان‌جی‌سی ۴۶۹۶ در خوشه قنطورس را مشاهده کرده و ارتباط میان چنین رشته‌هایی و سیاه‌چاله مرکزی آن را نشان داده است.

یک «سامانه بازیافت کیهانی»  

کهکشان ان‌جی‌سی ۴۶۹۶ در فاصله حدود ۱۴۵ میلیون سال نوری از زمین قرار دارد. این کهکشان پیش‌تر نیز به‌ طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته بود و از جمله، ساختاری مارپیچی و S شکل در اطراف سیاه‌چاله مرکزی آن کشف شده بود.

برای این مطالعه، گروه پژوهشی منطقه مرکزی کهکشان را به مدت حدود هشت ساعت با استفاده از طیف‌نگار فروسرخ نزدیک (NIRSpec) تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) رصد کرد. این رصدها به وضوحی دست یافتند که امکان تشخیص ساختارهایی با عرض تنها حدود ۳۰ سال نوری را فراهم می‌کرد.

برای درک بهتر این مقیاس، اگر کهکشانی با پهنای ۳۰۰ هزار سال نوری را به اندازه یک زمین فوتبال کوچک کنیم، این وضوح معادل آن است که بتوانیم یک تیله را روی این زمین از فاصله ۵۰ کیلومتری شناسایی کنیم.

حرکت مشاهده‌ شده گاز نشان داد که ساختار مارپیچی S شکل در واقع یک دیسک چرخان از گاز است که به دور سیاه‌چاله می‌چرخد. قطر این دیسک حدود ۸۰۰ سال نوری است و گاز تحت تاثیر گرانش عظیم سیاه‌چاله با سرعتی چند صد کیلومتر بر ثانیه در حال چرخش است. پژوهشگران اختلاف سرعتی حدود ۶۰۰ کیلومتر بر ثانیه را میان دو لبه مقابل دیسک اندازه‌گیری کردند.

رصدها همچنین نشان دادند که رشته‌ها که از گاز متراکم‌شده تشکیل شده‌اند، مستقیما به لبه دیسک جریان پیدا می‌کنند. گاز در امتداد این رشته‌ها حرکت می‌کند، در دیسک انباشته می‌شود و در نهایت به‌عنوان «سوخت» در اختیار سیاه‌چاله قرار می‌گیرد. برای نخستین بار، کل این مسیر به‌ صورت مستقیم مشاهده شده است.

سیاه‌چاله‌ها رشد کهکشان‌ها را کنترل می‌کنند

علاوه بر رصدها، تیم پژوهشی شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نیز انجام داد که به نظریه‌ای درباره نحوه حرکت این گاز به سمت سیاه‌چاله منجر شد.

هنگامی که گاز رشته‌ای به سمت سیاه‌چاله سقوط می‌کند، میدان‌های مغناطیسی کشیده‌ شده مانند طناب عمل می‌کنند و با اعمال گشتاور، باعث می‌شوند گاز بخشی از تکانه زاویه‌ای خود را از دست بدهد. در نتیجه، گاز به جای پراکنده شدن، به درون دیسک سقوط می‌کند.

شبیه‌سازی‌ها همچنین نشان دادند دیسکی که رشته‌های گازی در حال سقوط را دریافت می‌کند، در طول زمان جهت ثابتی ندارد. از آنجا که گاز رشته‌ای از جهت‌های مختلف وارد می‌شود، محور دیسک دچار نوسان و تغییر جهت می‌شود و در نتیجه، جهت فوران‌های انرژی نیز تغییر می‌کند.

این فرایند باعث می‌شود فوران‌ها منطقه مرکزی خوشه کهکشانی را به شکل یکنواخت‌تری گرم کنند، به جای آنکه انرژی خود را تنها در یک جهت متمرکز کنند. در نتیجه، از سرد شدن بیش از حد گاز جلوگیری می‌شود.

پژوهشگران همچنین اشاره می‌کنند که در کهکشان‌های مرکزی دیگر خوشه‌های کهکشانی، که سیاه‌چاله‌هایشان فوران‌های انرژی بسیار قدرتمندتری تولید می‌کنند، این فوران‌ها ممکن است آن‌قدر پرانرژی باشند که اصلا دیسک گازی تشکیل نشود و گاز در وضعیتی آشفته باقی بماند. به بیان دیگر، شدت فعالیت یک سیاه‌چاله می‌تواند به‌طور اساسی رفتار گاز اطراف آن را تغییر دهد.

اکنون پژوهشگران جست‌وجوی شواهدی را که نشان می‌دهد آیا سامانه‌های مشابه بازیافت کیهانی در کهکشان‌های دیگر نیز وجود دارند یا خیر، سرعت بخشیده‌اند.
