کشف سه سیاهچاله غول پیکر در یک کهکشان

به گزارش اطلاعات آنلاین به نقل از ساینس دیلی، ستاره‌شناسان سه سیاه‌چاله فعال و در حال تغذیه را در درون یک کهکشان واحد در فاصله بیش از ۱۲.۵ میلیارد سال نوری کشف کرده‌اند که صحنه‌ای قابل توجه از دوران کودکی جهان را آشکار می‌کند. دو تا از این سیاه‌چاله‌ها تنها ۶۲۰ سال نوری از هم فاصله دارند و انتظار می‌رود که در نهایت با هم ادغام شوند؛ در حالی که سومی در فاصله دورتری کمین کرده است. یکی از آنها به طرز شگفت‌آوری ۸۰ میلیون برابر خورشید وزن دارد و دیگری سریع‌تر از آنچه نظریه‌های مرسوم پیش‌بینی می‌کنند، در حال رشد است.

این یافته که توسط یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی به سرپرستی موسسه فیزیک فرازمینی ماکس پلانک (MPE) انجام شده است، نگاهی نادر به چگونگی رشد و تعامل سیاه‌چاله‌های عظیم در مراحل اولیه جهان ارائه می‌دهد.

این سیاه‌چاله‌ها در کهکشانی به نام J۰۱۴۸-۴۲۱۴ واقع شده‌اند. هر سه سیاه‌چاله به طور فعال در حال تجمع ماده هستند که از طریق دیسک‌های اطراف گاز و سایر مواد به سمت آنها می‌چرخد. از آنجا که این کهکشان بسیار دور است، نور آن تقریباً ۱۲.۵ میلیارد سال قبل از رسیدن به زمین در فضا سفر کرده است. این بدان معناست که ستاره‌شناسان آن را در حالی مشاهده می‌کنند که تنها ۱.۲ میلیارد سال پس از انفجار بزرگ وجود داشته است.

در چنین فواصل وسیعی، انبساط جهان، نور را به طول موج‌های بلندتر و قرمزتر می‌کشد. ستاره‌شناسان این اثر را از طریق خاصیتی به نام انتقال به سرخ اندازه‌گیری می‌کنند. برای کهکشان J۰۱۴۸-۴۲۱۴، محققان انتقال به سرخ z=۵.۰۲ را اندازه‌گیری کردند که به آنها اجازه می‌دهد فاصله قابل توجه آن را تعیین کنند.

سه سیاه‌چاله در یک کهکشان باستانی

«هانا اوبلر»، سرپرست گروه تحقیقاتی در MPE و محقق اصلی این مطالعه، می‌گوید: «این اولین مدرک از سه سیاه‌چاله فعال در یک کهکشان واحد در جهان دوردست است.»

دو تا از سیاه‌چاله‌ها در نزدیکی مرکز کهکشان قرار دارند و با فاصله پیش‌بینی ‌شده تنها ۶۲۰ سال نوری از هم جدا شده‌اند. سومی بسیار دورتر است، تقریباً ۵۵۰۰ سال نوری از مرکز.

این کشف شواهد مهمی در مورد چگونگی گرد هم آمدن سیاه‌چاله‌های عظیم در جهان جوان ارائه می‌دهد.

اوبلر می‌گوید: «این نشان می‌دهد که فرآیندهای جهان اولیه در گرد هم آوردن سیاه‌چاله‌های عظیم کارآمد بوده‌اند و زمینه را برای ادغام سیاه‌چاله‌های عظیم فراهم کرده‌اند که انتظار داریم با رصدخانه‌های امواج گرانشی آینده شناسایی کنیم.»

ستاره‌شناسان معتقدند که برخوردها و ادغام‌های کهکشانی در طول تاریخ اولیه جهان رایج بوده‌اند. با ترکیب کهکشان‌ها، سیاه‌چاله‌های مرکزی آنها نیز می‌توانند به هم نزدیک‌تر شده و در نهایت ادغام شوند. این ادغام‌ها، سیاه‌چاله‌های به طور فزاینده‌ بزرگی را در مراکز کهکشان‌های تازه تشکیل شده ایجاد می‌کنند که به طور بالقوه به توضیح چگونگی رشد برخی از آنها به اندازه‌های عظیم در مدت کوتاهی پس از بیگ بنگ کمک می‌کند.

چگونگی شناسایی سیاه‌چاله‌های پنهان توسط ستاره‌شناسان

محققان با بررسی الگوهای متمایز در نور ساطع شده از گاز هیدروژن، این سه سیاه‌چاله را شناسایی کردند. در نزدیکی یک سیاه‌چاله، نیروهای گرانشی قدرتمند باعث می‌شوند گاز با سرعت‌های بسیار بالا حرکت کند. این حرکات، نشانه‌های قابل تشخیصی را در طیف نور به جا می‌گذارند و به ستاره‌شناسان اجازه می‌دهند فعالیت سیاه‌چاله را حتی زمانی که خود اشیاء به طور مستقیم دیده نمی‌شوند، تشخیص دهند.

در مرکز J۰۱۴۸-۴۲۱۴، این تیم یک الگوی انتشار هیدروژن به ویژه پیچیده پیدا کرد. بهترین توضیح، وجود دو سیاه‌چاله نزدیک به هم به جای یک منبع واحد بود.

برای تمایز بین آنها، دانشمندان از یک تکنیک اندازه‌گیری دقیق به نام طیف‌سنجی-اخترسنجی استفاده کردند. با ردیابی تغییرات ظریف در موقعیت‌های انتشار طیفی در سراسر کهکشان، آنها توانستند مکان هر دو سیاهچاله مرکزی را شناسایی کنند؛ اگرچه تلسکوپ نتوانست آنها را به عنوان دو نقطه نورانی جداگانه تفکیک کند.

این مشاهدات همچنین سومین سیاهچاله فعال را در ناحیه بیرونی کهکشان آشکار کرد.

سه سیاه‌چاله با جرم‌های کاملاً متفاوت

این سه سیاه‌چاله از نظر اندازه به طرز چشمگیری متفاوت هستند. طبق محاسبات محققان، جرم آنها تقریباً ۸۰ میلیون، ۶۰۰۰۰۰ و ۲ میلیون برابر خورشید است.

به طرز شگفت‌آوری، بزرگترین سیاه‌چاله، سیاه‌چاله‌ای نیست که بیشترین شدت را در تغذیه دارد. همسایه کوچکتر آن، با جرمی تقریباً ۶۰۰۰۰۰ خورشید، با سرعت بسیار بیشتری در حال انباشت ماده است. در واقع، سرعت تغذیه تخمینی آن از حداکثر پیش‌بینی شده توسط مدل‌های پایه رشد سیاه‌چاله (حد ادینگتون) فراتر می‌رود.

این رشد غیرمعمول و سریع ممکن است سرنخ‌هایی در مورد چگونگی تبدیل شدن برخی از سیاه‌چاله‌ها به جرم فوق‌العاده زیاد در طول زمان نسبتاً کوتاه موجود در جهان اولیه ارائه دهد.

دکتر «جیووانی مازولاری»، محقق دوم این مطالعه و محقق در MPE، می‌گوید: "داده‌های JWST به ما اجازه داد تا نه تنها سه سیاه‌چاله را شناسایی کنیم، بلکه جرم آنها، نرخ برافزایش و جرم ستاره‌ای کهکشان را نیز تخمین بزنیم. ما جرم کل ستاره‌ای حدود ۱.۳ میلیارد خورشید را پیدا می‌کنیم و سیاه‌چاله‌ها بخش قابل توجهی از آن را تشکیل می‌دهند."

ادغام سیاه‌چاله‌ای باستانی در حال شکل‌گیری

انتظار می‌رود دو سیاه‌چاله نزدیک مرکز کهکشان در عرض چند صد میلیون سال آینده با هم ادغام شوند. برخورد نهایی آنها می‌تواند به تولید یک سیاه‌چاله حتی عظیم‌تر کمک کند و فرآیندی را نشان دهد که ممکن است برای رشد غول‌های کیهانی اولیه جهان ضروری بوده باشد.

«روبرتو مایولینو»، استاد دانشگاه کمبریج و یکی از محققان این مطالعه، می‌افزاید: «این نتایج بسیار هیجان‌انگیز هستند. آنها نشان می‌دهند که ادغام سیاه‌چاله‌ها ممکن است یک مسیر اضافی و سریع برای رشد سریع آنها در جهان اولیه باشد.»

سیاه‌چاله سوم، معمای جذاب دیگری را مطرح می‌کند. این سیاه‌چاله که در خارج از مرکز کهکشان واقع شده است، می‌تواند بقایای یک ادغام قبلی باشد که توسط یک پس‌زنی گرانشی قدرتمند به بیرون رانده شده است. چنین ضربه‌ای می‌تواند زمانی رخ دهد که سیاه‌چاله‌های در حال ادغام، امواج گرانشی را به طور ناهموار منتشر می‌کنند و سیاه‌چاله حاصل را در جهت مخالف می‌فرستند.

احتمال دیگر این است که سیاه‌چاله سوم به تدریج به سمت مرکز کهکشان در حال حرکت است؛ جایی که در نهایت ممکن است با دو سیاه‌چاله دیگر تعامل داشته باشد.

جیمز وب سیاه‌چاله‌هایی را آشکار می‌کند که در غیر این صورت ممکن است پنهان بمانند

این کشف، قابلیت‌های قابل توجه تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) را برای مطالعه سیاه‌چاله‌ها در کهکشان‌های دوردست برجسته می‌کند.

به طور خاص، یافته‌ها اهمیت طیف‌سنجی میدان انتگرالی را نشان می‌دهند که به ستاره‌شناسان اجازه می‌دهد تا بررسی کنند که چگونه نور و امضاهای طیفی آن در قسمت‌های مختلف یک کهکشان متفاوت است.

محققان با استفاده از طیف‌سنج مادون قرمز نزدیک وب در حالت طیف‌سنجی میدان انتگرالی (NIRSpec-IFS)، توانستند سیگنال‌هایی را جدا کنند که در غیر این صورت به نظر می‌رسید از یک سیاه‌چاله واحد می‌آیند.

بدون آن اطلاعات مکانی دقیق، ستاره‌شناسان احتمالاً فقط یکی از سه سیاه‌چاله فعال کهکشان را شناسایی می‌کردند.

نتایج نشان می‌دهد که سایر کهکشان‌های دوردست ممکن است حاوی چندین سیاه‌چاله در حال رشد باشند که تاکنون کشف نشده‌اند. یافتن تعداد بیشتری از این سیستم‌های پنهان می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا تاریخچه ادغام سیاه‌چاله‌ها را بازسازی کنند و درک بهتری از چگونگی تولید عظیم‌ترین سیاه‌چاله‌های جهان در اوایل تاریخ کیهانی داشته باشند.