چه چیزی کهکشان ها را به حرکت در می آورد؟ سیاهچاله راه شیری ممکن است کلید باشد.

در 12 می، در نه کنفرانس مطبوعاتی همزمان در سراسر جهان، اخترفیزیکدانان اولین تصویر را فاش کرد سیاهچاله در قلب کهکشان راه شیری. در ابتدا، هر چند عالی بود، تصویری که با زحمت از حلقه نور در اطراف گودال تاریکی مرکزی کهکشان ما تولید شد، صرفاً آنچه را کارشناسان قبلاً انتظار داشتند ثابت می کرد: سیاهچاله عظیم راه شیری وجود دارد، در حال چرخش است، و از آلبرت انیشتین پیروی می کند. نظریه نسبیت عام

و با این حال، با بررسی دقیق تر، همه چیز به خوبی روی هم نمی رود.

محققان از درخشندگی کیسه نور تخمین زده اند چقدر سریع ماده بر روی کمان A* - نامی که به سیاهچاله مرکزی کهکشان راه شیری داده شده است. پاسخ این است: به هیچ وجه سریع نیست. گفت: "تا قطره ای کوچک مسدود شده است." پریا ناتاراجانکیهان شناس در دانشگاه ییل، کهکشان را با سر دوش شکسته مقایسه می کند. به نوعی فقط یک هزارم موضوع است به کهکشان راه شیری می ریزد از محیط بین کهکشانی اطراف آن را به سمت پایین و به داخل سوراخ می رساند. ناتاراجان گفت: «این یک مشکل بزرگ را آشکار می کند. «این گاز کجا می رود؟ چه اتفاقی برای جریان می افتد؟ بسیار واضح است که درک ما از رشد سیاهچاله مشکوک است.»

در ربع قرن گذشته، اخترفیزیکدانان متوجه شده‌اند که چه رابطه‌ای محکم و پویا بین بسیاری از کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌های مرکز آنها وجود دارد. می‌گوید: «یک انتقال واقعاً عظیم در این زمینه رخ داده است رامش نارایان، اخترفیزیکدان نظری در دانشگاه هاروارد. شگفتی این بود که سیاهچاله ها به عنوان شکل دهندگان و کنترل کننده های چگونگی تکامل کهکشان ها مهم هستند.

این حفره‌های غول‌پیکر - غلظت ماده به قدری متراکم که گرانش حتی از فرار نور هم جلوگیری می‌کند - مانند موتورهای کهکشان‌ها هستند، اما محققان تازه شروع به درک نحوه عملکرد آنها کرده‌اند. گرانش گرد و غبار و گاز را به سمت مرکز کهکشان می کشد، جایی که یک قرص برافزایشی چرخان را در اطراف سیاهچاله عظیم تشکیل می دهد، گرم می شود و به پلاسمای سفید داغ تبدیل می شود. سپس، زمانی که سیاهچاله این ماده را در خود فرو می‌برد (چه به صورت فرورفته و چه در فوران ناگهانی)، انرژی در یک فرآیند بازخورد به کهکشان بازگردانده می‌شود. زمانی که شما یک سیاهچاله را رشد می دهید، نسبت به هر فرآیند دیگری که در طبیعت می شناسیم، انرژی تولید می کنید و آن را به محیط اطراف می ریزید. الیوت کواتارت، اخترفیزیکدان نظری در دانشگاه پرینستون. این بازخورد بر نرخ تشکیل ستاره و الگوهای جریان گاز در سراسر کهکشان تأثیر می گذارد.

اما محققان فقط ایده های مبهمی در مورد اپیزودهای "فعال" سیاهچاله های کلان جرم دارند که آنها را به هسته های به اصطلاح فعال کهکشانی (AGNs) تبدیل می کند. «مکانیسم تحریک چیست؟ کلید خاموش چیست؟ اینها سؤالات اساسی هستند که ما هنوز در تلاش برای رسیدن به آنها هستیم.» کرستن هال مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونیان

بازخورد ستاره ای، که زمانی رخ می دهد که یک ستاره به عنوان یک ابرنواختر منفجر شود، اثرات مشابهی مانند بازخورد AGN در مقیاس کوچکتر دارد. این موتورهای ستاره ای به راحتی به اندازه کافی بزرگ هستند تا کهکشان های کوچک "کوتوله" را تنظیم کنند، در حالی که فقط موتورهای غول پیکر سیاهچاله های بزرگ می توانند بر تکامل بزرگترین کهکشان های "بیضوی" تسلط داشته باشند.

از نظر اندازه، کهکشان راه شیری، یک کهکشان مارپیچی معمولی، در وسط قرار دارد. با اندک نشانه‌های آشکاری از فعالیت در مرکز آن، مدت‌ها تصور می‌شد که کهکشان ما تحت تسلط بازخورد ستاره‌ای است. اما چندین مشاهدات اخیر نشان می دهد که بازخورد AGN آن را نیز شکل می دهد. اخترفیزیکدانان امیدوارند با مطالعه جزئیات تعامل بین این مکانیسم های بازخورد در کهکشان خانگی ما - و دست و پنجه نرم کردن با معماهایی مانند تاریکی فعلی کمان A* - دریابند که کهکشان ها و سیاهچاله ها به طور کلی چگونه تکامل می یابند. ناتاراجان گفت کهکشان راه شیری "در حال تبدیل شدن به قوی ترین آزمایشگاه اخترفیزیکی است." با خدمت به عنوان یک عالم کوچک، "ممکن است کلید را نگه دارد."

 موتورهای کهکشانی

در اواخر دهه 1990، ستاره شناسان به طور کلی وجود سیاهچاله ها را در مراکز کهکشان ها پذیرفتند. در آن زمان آنها می توانستند به اندازه کافی نزدیک به این اجرام نامرئی ببینند تا جرم آنها را از حرکت ستارگان در اطراف آنها استنتاج کنند. آ همبستگی عجیبی پدیدار شد: هر چه جرم یک کهکشان بیشتر باشد، سیاهچاله مرکزی آن سنگین تر است. «این به خصوص تنگ بود، و کاملاً انقلابی بود. به نوعی سیاهچاله با کهکشان صحبت می کند تیزیانا دی ماتئواخترفیزیکدان دانشگاه کارنگی ملون.

این همبستگی زمانی تعجب آور است که شما در نظر بگیرید که سیاهچاله - به همان اندازه که هست - کسری ناچیز از اندازه کهکشان است. (به عنوان مثال، Sagittarius A* تقریباً 4 میلیون خورشید وزن دارد، در حالی که کهکشان راه شیری حدود 1.5 تریلیون جرم خورشیدی دارد.) به همین دلیل، گرانش سیاهچاله تنها با هر قدرتی بر درونی ترین ناحیه کهکشان می کشد.

به مارتین ریس، ستاره شناس سلطنتی بریتانیا، بازخورد AGN یک راه طبیعی برای اتصال سیاهچاله نسبتاً کوچک به کهکشان بزرگ ارائه می دهد. دو دهه قبل از آن، در دهه 1970، ریس به درستی این فرضیه را مطرح کرد که سیاهچاله های کلان جرم جت های نورانی را نیرو می دهد در برخی از کهکشان های دوردست و درخشان به نام اختروش مشاهده شده است. او حتی پیشنهاد شدههمراه با دونالد لیندن بل، یک سیاهچاله توضیح می دهد که چرا مرکز کهکشان راه شیری می درخشد. آیا اینها می توانند نشانه هایی از یک پدیده کلی باشند که بر اندازه سیاهچاله های کلان پرجرم در همه جا حاکم است؟

ایده این بود که هر چه سیاهچاله ماده بیشتری را ببلعد، روشن‌تر می‌شود و انرژی و تکانه افزایش یافته گاز را به بیرون می‌تاباند. در نهایت، فشار بیرونی مانع از سقوط گاز به داخل سیاهچاله می شود. "این رشد را خاتمه می دهد. ریس گفت: به روشی موج دار، این استدلال بود. یا به قول دی متئو، "سیاهچاله می خورد و سپس قورت می دهد." یک کهکشان بسیار بزرگ وزن بیشتری بر سیاهچاله مرکزی وارد می کند و دمیدن گاز به بیرون را سخت تر می کند و بنابراین سیاهچاله قبل از اینکه بلعیده شود بزرگتر می شود.

با این حال، تعداد کمی از اخترفیزیکدانان متقاعد شده بودند که انرژی ناشی از فرورفتن ماده می تواند به این شکل چشمگیر به بیرون پرتاب شود. ناتاراجان، که به عنوان دانشجوی فارغ التحصیل ریس به توسعه اولین مدل های بازخورد AGN کمک کرد، گفت: «زمانی که پایان نامه ام را انجام می دادم، همه ما در مورد سیاهچاله ها به عنوان نقطه ای بدون بازگشت وسواس داشتیم - فقط گاز وارد می شد. همه باید با احتیاط و با جدیت این کار را انجام می دادند، زیرا بسیار رادیکال بود.

تایید ایده بازخورد چند سال بعد، از شبیه سازی های کامپیوتری توسعه یافته توسط دی متئو و اخترفیزیکدانان به دست آمد. فولکر اسپرینگل و لارس هرنکیست. دی متئو گفت: "ما می خواستیم باغ وحش شگفت انگیزی از کهکشان ها را که در جهان واقعی می بینیم بازتولید کنیم." آنها تصویر اصلی را می دانستند: کهکشان ها در جهان اولیه کوچک و متراکم شروع می شوند. ساعت را به جلو بپیچید و گرانش این کوتوله‌ها را در شعله‌ای از ادغام‌های تماشایی به هم در هم می‌کوبد و حلقه‌ها، گرداب‌ها، سیگار برگ‌ها و هر شکلی را در این بین تشکیل می‌دهد. کهکشان ها از نظر اندازه و تنوع رشد می کنند تا زمانی که پس از برخوردهای کافی، بزرگ و صاف شوند. دی ماتئو گفت: «در نهایت به یک لکه ختم می شود. در شبیه‌سازی‌ها، او و همکارانش می‌توانستند این حباب‌های بزرگ بدون ویژگی را که کهکشان‌های بیضوی نامیده می‌شوند، با ادغام چند بار کهکشان‌های مارپیچی، دوباره خلق کنند. اما یک مشکل وجود داشت.

در حالی که کهکشان های مارپیچی مانند کهکشان راه شیری ستارگان جوان زیادی دارند که به رنگ آبی می درخشند، کهکشان های بیضوی غول پیکر فقط حاوی ستارگان بسیار قدیمی هستند که قرمز می درخشند. اسپرینگل، از موسسه اخترفیزیک ماکس پلانک در گارچینگ، آلمان، گفت: «آنها قرمز و مرده هستند. اما هر بار که تیم شبیه‌سازی خود را اجرا می‌کرد، بیضی‌هایی که آبی می‌درخشیدند بیرون می‌پرداخت. هر چیزی که شکل‌گیری ستارگان را خاموش می‌کرد، در مدل کامپیوتری آنها ثبت نشده بود.

سپس اسپرینگل گفت: «ما این ایده را داشتیم که ادغام کهکشان‌های خود را با سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم در مرکز تقویت کنیم. اجازه می‌دهیم این سیاه‌چاله‌ها گاز را ببلعند و انرژی آزاد کنند تا جایی که همه چیز مانند دیگ زودپز از هم جدا شود. ناگهان کهکشان بیضوی شکل گیری ستاره را متوقف می کند و قرمز و مرده می شود.

او افزود: فکم افتاد. ما انتظار نداشتیم [تاثیر] اینقدر شدید باشد.»

با بازتولید بیضی های قرمز و مرده، شبیه سازی نظریه های بازخورد سیاهچاله ریس و ناتاراجان را تقویت کرد. یک سیاهچاله، علیرغم اندازه نسبتا کوچکش، می تواند از طریق بازخورد با کهکشان به عنوان یک کل صحبت کند. در طول دو دهه گذشته، مدل‌های رایانه‌ای برای شبیه‌سازی بخش‌های بزرگی از کیهان اصلاح و گسترش یافته‌اند، و به طور کلی با باغ‌وحش کهکشانی که در اطراف خود می‌بینیم مطابقت دارند. این شبیه‌سازی‌ها همچنین نشان می‌دهند که انرژی پرتاب‌شده از سیاه‌چاله‌ها فضای بین کهکشان‌ها را با گاز داغی پر می‌کند که در غیر این صورت باید قبلاً سرد شده و به ستاره تبدیل شده بود. اسپرینگل گفت: «مردم تا به حال متقاعد شده‌اند که سیاه‌چاله‌های پرجرم موتورهای بسیار قابل قبولی هستند. هیچکس مدل موفقی را بدون سیاهچاله ارائه نکرده است.

اسرار بازخورد

با این حال، شبیه‌سازی‌های کامپیوتری هنوز به طرز شگفت‌آوری بی‌پرده هستند.

همانطور که ماده به سمت داخل به سمت قرص برافزایشی در اطراف سیاهچاله می خزد، اصطکاک باعث می شود انرژی به عقب رانده شود. مقدار انرژی از دست رفته در این راه چیزی است که کدگذاران به صورت دستی از طریق آزمون و خطا در شبیه سازی های خود قرار می دهند. این نشانه آن است که جزئیات هنوز مبهم هستند. Quataert گفت: "این احتمال وجود دارد که در برخی موارد به دلیل اشتباهی پاسخ درست را دریافت کنیم." "شاید ما در واقع مهم ترین چیز در مورد چگونگی رشد سیاهچاله ها و چگونگی تخلیه انرژی آنها به محیط اطراف خود نیستیم."

حقیقت این است که اخترفیزیکدانان واقعاً نمی دانند بازخورد AGN چگونه کار می کند. ما می دانیم که چقدر مهم است. اما دقیقاً چه چیزی باعث این بازخورد می شود، از ما فرار می کند. "مشکل کلیدی و کلیدی این است که ما بازخورد را عمیقاً و به صورت فیزیکی درک نمی کنیم."

آنها می دانند که مقداری انرژی به صورت تابش ساطع می شود که به مراکز کهکشان های فعال درخشش درخشان مشخصه آنها می دهد. میدان‌های مغناطیسی قوی باعث می‌شوند که ماده از قرص برافزایش نیز به بیرون پرتاب شود، چه به صورت بادهای پراکنده کهکشانی یا در جت‌های باریک قدرتمند. مکانیسمی که تصور می‌شود سیاهچاله‌ها با آن جت‌هایی را به فضا پرتاب می‌کنند، نامیده می‌شود فرآیند بلندفورد-زناجکنارایان گفت که در دهه 1970 شناسایی شد، اما آنچه قدرت پرتو را تعیین می کند و اینکه چه مقدار از انرژی آن توسط کهکشان جذب می شود، "هنوز یک مشکل حل نشده باز است." باد کهکشانی، که به صورت کروی از قرص برافزایشی سرچشمه می‌گیرد و بنابراین تمایل به تعامل مستقیم‌تر با کهکشان نسبت به فواره‌های باریک دارد، حتی مرموزتر است. سوال میلیارد دلاری این است: انرژی چگونه به گاز متصل می شود؟ گفت اسپرینگل.

یکی از نشانه هایی که نشان می دهد هنوز مشکلی وجود دارد این است که سیاهچاله ها در شبیه سازی های کیهان شناسی پیشرفته به پایان می رسند. کوچکتر از اندازه های مشاهده شده سیاهچاله های کلان جرم واقعی در برخی سیستم ها. برای خاموش کردن شکل‌گیری ستاره‌ها و ایجاد کهکشان‌های قرمز و مرده، شبیه‌سازی‌ها به سیاه‌چاله‌هایی نیاز دارند تا انرژی زیادی را به بیرون پرتاب کنند تا جریان درونی ماده را خفه کنند تا رشد سیاهچاله‌ها متوقف شود. «بازخورد در شبیه‌سازی‌ها بسیار تهاجمی است. ناتاراجان گفت: این رشد زودرس را متوقف می کند.

کهکشان راه شیری مشکل مخالف را نشان می‌دهد: شبیه‌سازی‌ها معمولاً پیش‌بینی می‌کنند که کهکشانی به اندازه آن باید سیاه‌چاله‌ای بین سه تا ۱۰ برابر بزرگ‌تر از Sagittarius A* داشته باشد.

با نگاهی دقیق تر به کهکشان راه شیری و کهکشان های نزدیک، محققان امیدوارند که بتوانیم شروع به کشف دقیق نحوه عملکرد بازخورد AGN کنیم.

اکوسیستم راه شیری

در دسامبر 2020، محققان با تلسکوپ اشعه ایکس eROSITA گزارش دادند که این کار را انجام داده اند یک جفت حباب را مشاهده کرد ده ها هزار سال نوری در بالا و پایین کهکشان راه شیری کشیده شده است. حباب های وسیع پرتو ایکس شبیه حباب های به همان اندازه گیج کننده پرتوهای گاما بودند که 10 سال قبل، تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی نشات گرفته از کهکشان را تشخیص داد.

دو نظریه منشا حباب های فرمی هنوز به شدت مورد بحث بود. برخی از اخترفیزیکدانان معتقدند که آنها یادگاری از جتی هستند که میلیون ها سال پیش از قوس A* بیرون آمده است. دیگران فکر می‌کردند که حباب‌ها انرژی انباشته‌شده بسیاری از ستاره‌هایی هستند که در نزدیکی مرکز کهکشانی منفجر می‌شوند - نوعی بازخورد ستاره‌ای.

چه زمانی هسیانگ یی کارن یانگ از دانشگاه ملی Tsing Hua در تایوان، تصویر حباب های اشعه ایکس eROSITA را دید، او "شروع به بالا و پایین پریدن کرد." برای یانگ واضح بود که اگر هر دو توسط جت AGN یکسان تولید شوند، اشعه ایکس می تواند منشأ مشترکی با پرتوهای گاما داشته باشد. (اشعه ایکس از گاز شوکه شده در کهکشان راه شیری به جای خود جت می آید.) همراه با نویسندگان همکار الن زوایبل و ماتئوش روسکوفسکی، او شروع به ساخت یک مدل کامپیوتری کرد. نتایج، منتشر شده در اخترفیزیک طبیعت بهار گذشته، نه تنها شکل حباب‌های مشاهده‌شده و یک جبهه شوک درخشان را تکرار می‌کنند، بلکه پیش‌بینی می‌کنند که آنها در طول 2.6 میلیون سال شکل گرفته‌اند (از یک جت که 100,000 سال فعال بود به بیرون گسترش یافته‌اند) - خیلی سریع با بازخورد ستاره ای توضیح داده شد.

این یافته نشان می‌دهد که بازخورد AGN ممکن است در کهکشان‌های دیسکی مانند کهکشان راه شیری بسیار مهم‌تر از آن چیزی باشد که محققان قبلاً فکر می‌کردند. یانگ گفت، تصویری که در حال ظهور است شبیه به تصویر یک اکوسیستم است، جایی که AGN و بازخورد ستاره‌ای با گاز پراکنده و داغی که کهکشان‌ها را احاطه کرده است، به نام محیط اطراف کهکشانی در هم تنیده شده‌اند. اثرات و الگوهای جریان متفاوت در انواع کهکشان ها و در زمان های مختلف غالب خواهد بود.

مطالعه موردی گذشته و حال کهکشان راه شیری می تواند تأثیر متقابل این فرآیندها را آشکار کند. به عنوان مثال، تلسکوپ فضایی گایا اروپا، موقعیت ها و حرکات دقیق میلیون ها ستاره راه شیری را ترسیم کرده است و به اخترفیزیکدانان اجازه می دهد تا تاریخچه ادغام آن با کهکشان های کوچکتر را بررسی کنند. چنین رویدادهای ادغامی فرض شده است که سیاهچاله های کلان پرجرم را با تکان دادن ماده در آنها فعال می کند و باعث می شود که ناگهان آنها را درخشان کنند و حتی جت ها را پرتاب کنند. Quataert گفت: «بحث بزرگی در این زمینه وجود دارد که آیا ادغام مهم هستند یا نه. داده های ستاره گایا حاکی از کهکشان راه شیری در زمان شکل گیری حباب های فرمی و اروسیتا تحت ادغام قرار نگرفت و از ادغام ها به عنوان محرک های جت AGN استقبال نکرد.

از طرف دیگر، حباب های گاز ممکن است اتفاقی با سیاهچاله برخورد کرده و آن را فعال کنند. ممکن است بین غذا خوردن، آروغ زدن انرژی به صورت جت و بادهای کهکشانی و مکث به‌طور آشفته جابه‌جا شود.

 تصویر اخیر تلسکوپ افق رویداد از Sagittarius A*، که قطرات جاری ماده در حال فرورفتن آن را نشان می دهد، معما جدیدی برای حل ارائه می دهد. اخترفیزیکدانان قبلاً می دانستند که همه گازهایی که به داخل کهکشان کشیده می شود به افق سیاه چاله نمی رسد، زیرا بادهای کهکشانی در برابر این جریان برافزایشی به بیرون فشار می آورند. اما قدرت بادهای مورد نیاز برای توضیح چنین جریان بسیار باریکی غیر واقعی است. نارایان گفت: "وقتی شبیه سازی می کنم، باد بزرگی نمی بینم." "این نوع باد نیست که شما برای توضیح کامل آنچه در حال وقوع است نیاز داشته باشید."

شبیه سازی تو در تو

بخشی از چالش در درک نحوه کار کهکشان‌ها، تفاوت بزرگ بین مقیاس‌های طولی موجود در ستاره‌ها و سیاه‌چاله‌ها و مقیاس کل کهکشان‌ها و محیط اطرافشان است. هنگام شبیه‌سازی یک فرآیند فیزیکی در رایانه، محققان مقیاسی را انتخاب می‌کنند و اثرات مرتبط را در آن مقیاس قرار می‌دهند. اما در کهکشان ها، جلوه های بزرگ و کوچک با هم تعامل دارند.

نارایان می‌گوید: «سیاهچاله در مقایسه با کهکشان بزرگ واقعاً کوچک است و نمی‌توان همه آن‌ها را در یک شبیه‌سازی عظیم قرار داد. هر رژیمی به اطلاعات طرف مقابل نیاز دارد، اما نمی‌داند چگونه ارتباط برقرار کند.»

نارایان، ناتاراجان و همکارانش برای تلاش برای پر کردن این شکاف، پروژه‌ای را راه‌اندازی می‌کنند که از شبیه‌سازی‌های تودرتو برای ایجاد یک مدل منسجم از نحوه جریان گاز در کهکشان راه شیری و کهکشان فعال مسیه 87 استفاده می‌کند. کهکشان به سیاهچاله بگوید که چه کاری انجام دهد، و سپس شما اجازه می‌دهید اطلاعات سیاهچاله به عقب برگردد و به کهکشان بگویید چه کاری انجام دهد. "این یک حلقه است که دور و بر و دور می شود."

شبیه‌سازی‌ها باید به شفاف‌سازی الگوی جریان گاز منتشر در داخل و اطراف کهکشان‌ها کمک کند. (مشاهدات بیشتر محیط اطراف کهکشانی توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب نیز کمک خواهد کرد.) کواتارت گفت: «این بخش مهمی از کل این اکوسیستم است. چگونه می‌توان گاز را به سیاه‌چاله برسانید تا تمام انرژی که به بیرون برمی‌گردد رانده شود؟»

مهمتر از همه، در طرح جدید، همه ورودی ها و خروجی ها بین شبیه سازی های مقیاس های مختلف باید سازگار باشند، و تعداد کمتری را برای چرخاندن باقی بگذارند. نارایان گفت: «اگر شبیه‌سازی به درستی تنظیم شود، به‌طور پیوسته تصمیم می‌گیرد که چه مقدار گاز باید به سیاه‌چاله برسد. می‌توانیم به آن نگاه کنیم و بپرسیم: چرا تمام گاز را نخورد؟ چرا اینقدر شلوغ بود و گاز موجود کم مصرف می‌کرد؟» این گروه امیدوار است که مجموعه ای از عکس های فوری از کهکشان ها در مراحل مختلف تکامل آنها ایجاد کند.

در حال حاضر، چیزهای زیادی در مورد این اکوسیستم های کهکشانی هنوز در حد گمانه زنی است. یانگ گفت: «این واقعاً یک دوره جدید است، جایی که مردم شروع به فکر کردن در مورد این سناریوهای همپوشانی می کنند. من پاسخ روشنی ندارم، اما امیدوارم چند سال دیگر جواب بدهم.»

 یادداشت سردبیر: پریا ناتاراجان در حال حاضر در هیئت مشاوره علمی Quanta خدمت می کند.