کشف مکانیسم جدیدی برای «تغذیه» ابرسیاهچاله‌ها

 تیمی از اخترشناسان آمریکایی و اروپایی از دانشگاه‌های ییل و MIT، اخیراً با بهره‌گیری از قابلیت‌های منحصربه‌فرد رصدخانه «آرایه بزرگ [امواج] میلیمتری/زیرمیلیمتری آتاکاما» (اختصاراً ALMA) موفق شده‌اند که از نخستین شواهد قاطع تجربی در دفاع از یک فرضیه تعیین‌کننده پرده بگیرند. فرضیه‌ای که می‌تواند حلقه مفقوده نظریات موجود در توضیح نحوه رشد ابرسیاهچاله‌های واقع در هسته کهکشان‌ها، و همچنین طریقه فعّال ماندن «هسته‌های فعال کهکشانی» (اختصاراً AGNها) به شمار آید – هسته‌هایی که به نظر می‌رسد از کهکشان میزبان‌ خود منزوی‌اند، و لذا مشخص نیست که کوره مرکزی‌شان با کدامین سوخت همچنان سرپاست.

بالغ بر چهل سال از تشخیص نخستین سیاهچاله به شکل یک منبع قوی پرتو ایکس می‌گذرد؛ و ما از همان زمان تاکنون همین پرتوهای ایکس ناشی از گرمای شدید گرداگرد سیاهچاله‌های فعّال را به عنوان رد پای این هیولاهای کیهانی می‌شناخته‌ایم. قدر مسلّم آنکه سیاهچاله‌ها را نمی‌توان مستقیماً «دید»، و به همین‌واسطه هم در تصاویر و طرح‌های آشنایی که در آن‌ها یک سیاهچاله به نمایش درآمده، سعی می‌شود تا تصویری هرچه‌دقیق‌تر از نه ماهیت فیزیکی خود سیاهچاله، بلکه از مکانیسم تولید همین پرتوهای ایکس عرضه شود.

در جریان این مکانیسم ساده، گازی که به زودی طعمه سیاهچاله خواهد شد، ابتدا به شکل یک قرص گازی چرخان (موسوم به «قرص برافزایشی») در اطراف سیاهچاله به چرخش درمی‌آید؛ و هرچه لایه‌های متحدالمرکز آن به مرکز این گرداب کیهانی نزدیک و نزدیک‌تر می‌شوند، سرعت چرخش و همچنین تراکم‌‌ آن‌ها، و بدین‌وسیله شدّت اصطکاک مابین‌شان، رو به افزایش می‌گذارد. این اصطکاک فزاینده، منجر به تولید گرمای چنان شدیدی می‌‌شود که نواحی مرکزی قرص برافزایشی در پرتو ایکس شروع به درخشش می‌کنند (تصویر).

به نظر می‌رسد این تنها مکانیسم «تغذیه» سیاهچاله‌های نسبتاً کوچک باشد؛ یعنی سیاهچاله‌های به‌جامانده از مرگ ستارگان سنگین‌وزن (با جرمی در حدود حداقل ۵ برابر جرم خورشید). اما «ابرسیاهچاله»های واقع در مرکز کهکشان‌های بالغ (که جرمی دست‌کم حدود یکصدهزار برابر جرم خورشید، اما معمولاً بیش از این دارند)، از طریق مکانیسمی به غیر از مرگ یک ستاره سنگین‌وزن ایجاد شده‌اند. اگرچه چند و چون این مکانیسم هنوز از معماهای حل‌ناشده اخترفیزیک به شمار می‌رود، اما معمایی به همان اهمّیت نیز حول نحوه برهم‌کنش این ابرسیاهچاله‌ها با محیط پیرامون‌شان وجود دارد؛ چراکه حتی برای پاسخ‌گویی به معمای پیدایش این ابرسیاهچاله‌ها باید ابتدا مکانیسم‌های «تغذیه» احتمالی‌شان را مشخّص ساخت. آیا ابرسیاهچاله‌ها هم فقط از طریق یک قرص برافزایشی تغذیه می‌شوند؟

شبیه‌سازی‌های اخیر اخترشناسان حاکی از آن بود  که تحت شرایط خاص، امکان این وجود دارد که فرآیند برافزایش گاز، نه از طریق یک قرص داغ و فشرده در پیرامون سیاهچاله و به طریقی منظم و خطّی، بلکه بعضاً از طریق «بارش» آشوبناک توده‌های سرد گازی رقم بخورد – احتمالی که می‌تواند آهنگ برافزایش جرم را تا حدود یکصد برابر میزان متعارف افزایش بدهد.

این فرآیند عملاً شبیه به وقتی‌ست که در یک وضعیت متلاطم و نابهنگام جوّی، شانس برخورد قطرات تشکیل‌دهنده ابرهای کومولوس (و هم‌افزایی‌شان تا مرتبه ایجاد قطرات باران) افزایش یابد، و بدین‌وسیله یک «رگبار» به وقوع بپیوندد. این رگبارهای موضعی معمولاً از فواصل دور به شکل ستون‌های تیره‌رنگی نمایان می‌شوند که ابرهای باران‌زای افق را به زمین می‌دوزند. اخترشناسان پیش‌بینی می‌کردند که بتوان چنین ستون‌های «میانبر»ی از گاز را بر فراز ابرسیاهچاله‌ها هم مشاهده کرد.

البته در کهکشان‌های منفرد، انتظار بروز چنین وضعیت‌های آشوبناکی در گاز میان‌ستاره‌ایِ پیرامون ابرسیاهچاله‌ها نمی‌رود (چراکه فاصله نسبی ستاره‌های یک کهکشان بسیار بیشتر از آن است که ضامن برهم‌کنش گرانشی مداوم آن‌ها و بدین‌وسیله تزریق مستمر انرژی پتانسیل گرانشی به گاز میان‌ستاره‌ای باشد)، اما چنین اتّفاقی برای گاز «میان‌کهکشانی» امری کاملاً محتمل است. این گاز، همانطور که از نام‌اش پیداست، فضای مابین تجمّعات معمولاً چندده‌تایی از کهکشان‌های واقع در یک میدان مشترک گرانشی (موسوم به یک «خوشه کهکشانی») را  پُر کرده است، و به واسطه فعل و انفعالات گرانشی بسیار شایع این کهکشان‌ها و همچنین امواج شوکی ناشی از فعالیت هسته‌ کهکشان‌های فعّالِ عضو خوشه، همیشه در وضعیتی داغ و متلاطم به سر می‌برَد. به همین واسطه هم اگرچه خوشه‌های کهکشانی در نور مرئی به شکل تجمّعاتی از چند کهکشان پراکنده به نظر می‌رسند، اما در عکس‌های پرتوهای ایکس، همیشه حالت یک توده واحد – که از حجم عظیم گاز داغ میان‌کهکشانی نمایندگی می‌کند – را دارند (تصویر).

مورد عجیب خوشه کهکشانی «آبل ۲۵۹۷»

در اواسط سال گذشته میلادی که تیم بین‌المللی‌ای از اخترشناسان با استفاده از رصدخانه ALMA مشغول پیمایش گاز داغ واقع در خوشه کهکشانی «آبل ۲۵۹۷» (متشکّل از حدود ۵۰ کهکشان) بودند، به شواهد جالب توجّهی در دلالت بر فرضیه فوق دست پیدا کردند. از آنجاکه توده‌های غبار موجود در نواحی پیرامون هسته کهکشان‌ها باعث جذب نور مرئی تابش‌شده از آن نقاط می‌شود، اخترشناسان ناگزیرند تا برای نفوذ به این نواحی، رصدهای خود را در طول موج‌های بلندتر صورت بدهند؛ و رصدخانه ALMA در این بین، ابزار ایده‌آلی به شمار می‌رود.

این اخترشناسان، در طیف‌سنجی‌هایی که از نور هسته بزرگ‌ترین و درخشان‌ترین عضو خوشه آبل ۲۵۹۷ صورت دادند، به سه «عارضه جذبی» ژرف و باریک پی بردند. این بدین‌معنا بود که در حدفاصل ما (به عنوان ناظر) و گاز درخشان پیرامون ابرسیاهچاله واقع در مرکز این کهکشان (به عنوان نور پس‌زمینه)، سه توده‌گاز هیدروژنی سرد و سرگردان وجود دارد که انگار بر هسته «سایه» انداخته‌اند. (دقت کنید که رصدها در طول موج‌های میلیمتری صورت گرفته‌اند و لذا نور پس‌زمینه نمی‌تواند از قرص برافزایشی پیرامون سیاهچاله – که فقط در پرتوهای ایکس قابل مشاهده است – ناشی شده باشد، بلکه این نور، حاصل از دست رفتن انرژی الکترون‌هایی‌ست که در میدان مغناطیسی سیاهچاله سقوط می‌کنند؛ و به «تابش سنکروترونی» معروف است).

محاسبات دقیق‌تر، حکایت از آن داشت که خطوط طیفی مربوط به آن سه توده‌گاز فشرده هیدروژنی (با ابعاد تخمینی ده‌ها سال نوری)، نسبت به خط طیفی استاندارد گاز هیدروژن، اندکی به سمت قرمز طیف جابجا شده‌اند؛ و این بدین‌معنا بود که این توده‌ها به سرعت از ما دور و به ابرسیاهچاله نزدیک می‌شوند. سرعت دقیق حرکت (یا یه عبارت بهتر، «سقوط») این سه توده هم معادل اعداد سرسام‌آور ۲۴۵، ۲۷۵، و ۳۳۵ کیلومتر بر ثانیه به دست آمد.

با این‌همه، برای آنکه بتوان پیوند منطقی محکمی بین آن سه توده‌گاز و ابرسیاهچاله برقرار کرد، لازم بود تا برآوردی از سرعت سقوط گازهای پیرامون ابرسیاهچاله هم به دست آورد (چراکه ممکن بود آن توده‌گازها به سمت منبعی به غیر از سیاهچاله در حال سقوط باشند). اما رزولوشن تلسکوپ ALMA کفاف چنین محاسبه‌ای را نمی‌داد، و به همین واسطه هم اخترشناسان به آرشیو رصدهای آرایه‌‌ بین‌قاره‌ای رادیوتلسکوپ‌های سامانه VLBA رجوع کردند. تصاویر VLBA، با رزولوشنی ۵۰ بار بهتر از ALMA، نشان می‌دادند که سرعت سقوط گازها در سیاهچاله، با سرعت سقوط آن سه توده‌گاز همخوانی دارد.

حال، با در نظر گرفتن کلّیه حالت‌ها (حتی فرض بر اینکه این توده‌گازها در فواصلی بسیار دور از هسته قرار دارند، و تصادفاً در خط دید ما واقع شده‌اند)، دیگر محرز شده بود که فرضیات جایگزین بسیار بعیدتر از آن‌ هستند که توضیحی برای همخوانی داده‌های تلسکوپ ALMA و آرایه‌تلسکوپ‌های VLBA باشند. این سه توده‌گاز واقعاً در حال «باریدن» به سمت ابرسیاهچاله بودند.

بدین‌ترتیب، اوّلین مدرک تجربی مستقیمی که دلالت بر فرآیند «برافزایش سرد» می‌کند، از طریق همین رصدها حاصل شد. این توده‌گازها در واقع ستون‌هایی از گاز داغ میان‌کهکشانی بوده‌اند که تحت تأثیر میدان گرانشی ابرسیاهچاله، متراکم و سرد شده‌اند، و حال، همچون یک رگبار نامنظّم بهاری، و بی‌آنکه مسیر دشوار و جهنّمی یک قرص برافزایشی را در پیش بگیرند، بر سیاهچاله فرومی‌بارند. اگرچه اخترشناسان در جریان این رصدها تنها به وجود سه توده‌گاز سرد هیدروژنی پی بردند، اما معتقدند که می‌توان انتظار هزاران مورد از این ستون‌های سرد گازی را در اطراف ابرسیاهچاله‌های کهکشانی داشت – مکانیسمی که می‌تواند طریقه تجمّع چنین جرم سرسام‌آوری را در این سیاهچاله‌ها توضیح بدهد، و همچنین میانبری باشد برای توضیح نحوه فعّالیت هسته‌های کهکشانی‌ای که ظاهراً از هیچ گاز داغی تغذیه نمی‌شوند.