به لطف تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST)، اخترشناسان موفق شدهاند نگاهی دقیق به مکانیسمهایی بیندازند که به سیاهچالههای ابرجرم اجازه میدهد خود را تغذیه کنند. این مشاهدات میتواند پاسخگوی یکی از بزرگترین معماهای کیهانشناسی باشد: چگونه سیاهچالههایی با جرم میلیونها تا میلیاردها برابر خورشید، تنها چند صد میلیون سال پس از انفجار بزرگ به چنین اندازهای رسیدهاند؟
در حالی که تمام کهکشانهای بزرگ در مرکز خود یک سیاهچاله ابرجرم دارند، برخی از آنها غولهای خفتهای هستند که به ندرت گاز و غبار اطراف را مصرف میکنند. اما برخی دیگر با حرص و ولع تغذیه میکنند و به موتورهای درخشان مناطق مرکزی کهکشانها تبدیل میشوند که به هستههای کهکشانی فعال (AGN) شهرت دارند. این سیاهچالههای فعال همچنین از قطبهای خود جتهایی از ماده را پرتاب میکنند که میتواند گاز و غبار - مواد اولیه تشکیل ستاره - را از کهکشان میزبان بیرون براند و عملاً کهکشان را «بکشد».
معمای رشد سریع سیاهچالهها در جهان اولیه
این غولهای کیهانی زمانی به معمایی جدی تبدیل میشوند که جیمز وب آنها را در زمانی که جهان حتی ۱ میلیارد سال سن نداشته، رصد میکند. مدلهای نظری نشان میداد که فرایند بلعیدن ماده و ادغام برای رسیدن به وضعیت ابرجرم حداقل ۱ میلیارد سال زمان نیاز دارد. علاوه بر این، نظریهها پیشبینی میکنند که حریصترین سیاهچالهها (که سریعترین رشد را دارند) باید ماده را از خود دور کنند و عملاً خود را رژیم بدهند. پس چگونه توانستهاند در جهان اولیه چنین سریع رشد کنند؟
فرضیه چرخه خودتنظیم
یک فرضیه توضیح میدهد که سیاهچالههای ابرجرم ابتدا گاز را دور میرانند و خود را گرسنه نگه میدارند، اما سپس همین ماده خنک میشود و دوباره به سمت سیاهچاله بازمیگردد. با سرد شدن گاز، رشتههایی به عرض چند صد سال نوری و طول هزاران سال نوری تشکیل میشود. این رشتهها به مرکز کهکشان سقوط میکنند و یک دیسک چرخان در اطراف سیاهچاله ایجاد میکنند که بار دیگر آن را تغذیه کرده و دوره جدیدی از رشد را آغاز میکند. سپس جتهای سیاهچاله دوباره فعال میشوند و منبع غذایی را قطع میکنند تا چرخه دوباره تکرار شود.
این فرایند در اصل یک چرخه خودتنظیمکننده از ضیافت و روزهداری است. اما تا پیش از این، ارتباط میان این رشتهها و سیاهچالههای ابرجرم تأیید نشده بود.
«آنچه JWST آشکار میکند این است که سیاهچالهها ممکن است بازیافتکنندگان نهایی کیهانی باشند. آنها مقادیر عظیمی انرژی آزاد میکنند که محیط اطراف خود را گرم میکند، اما همان گاز بعداً میتواند به رشتههای نازکی خنک شود که به سمت داخل میافتند و دوباره سیاهچاله را تغذیه میکنند. ما سرانجام این چرخه خودپایدار را در عمل میبینیم.»
شواهد از کهکشان نزدیک NGC 4696
برای حل این معما، جیمز وب به یک AGN نسبتاً نزدیک در قلب کهکشان مرکزی خوشه قنطورس، یعنی NGC 4696 که تنها ۱۴۵ میلیون سال نوری از زمین فاصله دارد، چشم دوخت.
تلسکوپ فضایی هابل پیشتر یک چرخش گاز عجیب به شکل قلاب را در نزدیکی سیاهچاله مرکزی NGC 4696 شناسایی کرده بود. جیمز وب با دقتی بیسابقه نقشهای از جریان گاز در قلب کهکشان تهیه کرد و نشان داد که این ویژگی قلابشکل حدود ۸۰۰ سال نوری عرض دارد و گاز آن با سرعت باورنکردنی حدود ۱.۳ میلیون مایل در ساعت (حدود ۶۰۰ کیلومتر در ثانیه) حرکت میکند.
هیجانانگیزتر اینکه، این چرخش گاز به یک رشته عظیم از مواد متصل است که به سمت سیاهچاله مرکزی سقوط میکند. تیم تحقیقاتی مشاهدات JWST را با یک شبیهسازی رایانهای مقایسه کرد و دریافت که گاز در سناریوی رشته سقوطکننده دقیقاً شکلی مشابه آنچه در NGC 4696 دیده میشود به خود میگیرد.
«JWST اکنون حلقه نهایی این حلقه بسته را به ما نشان میدهد. شبکه گسترده رشتهای جریانهای گاز در نهایت گاز را به یک دیسک هدایت میکند که سیاهچاله را تغذیه میکند.»
اهمیت کشف برای کیهانشناسی
این نخستین بار است که اخترشناسان موفق به مشاهده مستقیم چرخه بازخورد (feedback cycle) در یک سیاهچاله ابرجرم میشوند. این کشف نهتنها نحوه رشد سیاهچالهها در جهان اولیه را توضیح میدهد، بلکه نشان میدهد که چگونه کهکشانها و سیاهچالههای مرکزی آنها در تعامل با یکدیگر تکامل مییابند.
تلسکوپ فضایی جیمز وب با قابلیتهای فروسرخ خود، دریچهای تازه به روی اسرار کیهان گشوده است. این رصدخانه قدرتمند به دانشمندان امکان میدهد تا فرایندهایی را که پیشتر تنها در نظریهها وجود داشتند، به طور مستقیم مشاهده کنند.
نتایج این تحقیق در مجله Science Advances منتشر شده است و گامی بزرگ در جهت درک چگونگی تغذیه و رشد سیاهچالههای ابرجرم در طول تاریخ کیهان به شمار میرود.
