سیاهچالهای غولپیکر در کمین کهکشان راه شیری؟ رقص پرشتاب ستارگان، پرده از راز برمیدارد!
سالهاست که اخترشناسان به وجود سیاهچالههای بسیار پرجرم در مرکز کهکشانهای بزرگ پی بردهاند. این فرضیه که در دهه 1980 میلادی مطرح شد، با مشاهدات تلسکوپ فضایی هابل که هسته کهکشانهای دوردست را رصد کرده بود، به اثبات رسید. سیاهچالههای “معمولی” که از انفجار ستارگان به وجود میآیند، جرمی بین 5 تا حدود 100 برابر جرم خورشید دارند. اما این هیولاهای مرکزی کهکشانی میلیونها برابر سنگینتر هستند و برخی حتی به جرمهای عظیم چند میلیارد برابر جرم خورشید هم رسیدهاند.
هنوز رازهای بسیاری در مورد این سیاهچالهها وجود دارد، از جمله اینکه چگونه در اوایل شکلگیری جهان به وجود آمدهاند، چگونه به این سرعت به این عظمت رسیدهاند و چه نقشی در شکلگیری کهکشان میزبان خود ایفا کردهاند. اما یک پرسش عجیب همچنان ذهن اخترشناسان را به خود مشغول کرده است: حد پایین اندازه کهکشان برای وجود این پدیدهها کجاست؟ به عبارت دیگر، آیا حداقل جرمی برای کهکشان وجود دارد که برای میزبانی یک سیاهچاله بسیار پرجرم لازم باشد؟
نشانههایی از پاسخ این پرسش در حال ظهور است، آن هم از یک مکان غیرمنتظره: مطالعه ستارگان نادری که با سرعتهای باورنکردنی در کهکشان ما حرکت میکنند.
کهکشان راه شیری ما را مجموعهای از کهکشانهای کوچکتر “کوتوله” احاطه کرده است، برخی آنقدر کوچک و کمنور که برای دیدن آنها به تلسکوپهای بسیار بزرگ نیاز است. اما دو کهکشان به نامهای ابرهای ماژلانی بزرگ و کوچک (Large and Small Magellanic Clouds) آنقدر بزرگ و نزدیک هستند که از نیمکره جنوبی زمین با چشم غیرمسلح هم دیده میشوند.
ابر ماژلانی بزرگ (LMC) بزرگتر و نزدیکتر از دیگری است، اما هنوز مشخص نیست که آیا یک سیاهچاله بسیار پرجرم (SMBH) را در خود جای داده است یا خیر. اگر چنین سیاهچالهای در آنجا وجود داشته باشد، باید غیرفعال باشد، به این معنی که به طور فعال مادهای را جذب نمیکند. زمانی که ماده به سمت یک سیاهچاله سقوط میکند، یک دیسک چرخان از پلاسمای فوقداغ را تشکیل میدهد که میتواند آنقدر بدرخشد که از تمام ستارگان کهکشان هم نورانیتر شود. از آنجایی که چنین درخشندگی شدیدی در LMC دیده نمیشود، نمیدانیم که آیا یک SMBH در آنجا وجود دارد که فعال نیست یا اینکه LMC اصلاً SMBH ندارد.
اما مطالعهای که اخیراً در مجله Astrophysical Journal منتشر شده، شواهد محکمی ارائه میدهد که یک SMBH در مرکز LMC قرار دارد و این نتیجهگیری بر اساس اندازهگیری حرکت ستارگان در کهکشان راه شیری به دست آمده است!
این مطالعه به بررسی ستارگان فراری یا ابرسرعتی (hypervelocity stars) پرداخته است، ستارگانی که با سرعتهای بسیار بالاتر از ستارگان اطراف خود در فضا حرکت میکنند. سرعت برخی از این ستارگان آنقدر زیاد است که به سرعت گریز کهکشانی رسیدهاند؛ گرانش کهکشان راه شیری نمیتواند آنها را نگه دارد و در اعصار آینده، به طور کامل از کهکشان فرار خواهند کرد. ما دلایل خوبی داریم که باور کنیم این ستارگان فراری توسط SMBHها پرتاب شدهاند، اما چگونه؟
چنین وضعیتی با یک سیستم دوتایی شروع میشود، دو ستاره که به دور یکدیگر میچرخند. این سیستمها مقدار قابل توجهی انرژی مداری دارند، یعنی مجموع انرژی جنبشی دو ستاره (انرژی حرکت آنها) و انرژی پتانسیل گرانشی آنها (مقدار انرژی آزاد شده در صورت نزدیکتر شدن آنها به یکدیگر).
اگر یک ستاره دوتایی به یک جرم سوم نزدیک شود، بخشی از این انرژی میتواند منتقل شود. برای مثال، یک ستاره میتواند به جرم سوم متصل شود، در حالی که ستاره دیگر یک ضربه در انرژی جنبشی خود دریافت میکند و به بیرون پرتاب میشود. میزان این ضربه تا حدی به گرانش جرم سوم بستگی دارد. یک سیاهچاله بسیار پرجرم، البته، میدان گرانشی فوقالعاده قوی دارد که میتواند ستاره را با سرعت بالایی به بیرون پرتاب کند.
و منظورم از سرعت بالا، واقعاً بالاست؛ چنین ستارهای میتواند با سرعتی بیش از 1000 کیلومتر بر ثانیه از سیاهچاله دور شود. برای مثال، S5-HVS1 اولین ستاره ابرسرعتی تایید شده بود و با سرعت بیش از 1700 کیلومتر بر ثانیه حرکت میکند. لحظهای را به درک این واقعیت اختصاص دهید: یک ستاره کامل با سرعت بیش از 6 میلیون کیلومتر در ساعت از یک سیاهچاله به بیرون پرتاب شده است. انرژیهای درگیر در این فرآیند بسیار زیاد و وحشتناک هستند.
ما تعدادی از این ستارگان را در کهکشان خود دیدهایم و اندازهگیریهای دقیق نشان میدهد که آنها در حال دور شدن از مرکز کهکشان راه شیری هستند، که این یک مدرک قانعکننده است که Sagittarius A*، SMBH کهکشان راه شیری ما، مقصر است.
اما به نظر نمیرسد تمام ستارگان پرسرعتی که تاکنون شناسایی شدهاند از مرکز کهکشان ما آمده باشند. خوشبختانه، Gaia، رصدخانه فضایی آژانس فضایی اروپا که متاسفانه اکنون از رده خارج شده است، برای به دست آوردن اندازهگیریهای بسیار دقیق از موقعیت، فاصله، رنگ و سایر ویژگیهای بیش از یک میلیارد ستاره (از جمله سرعت آنها) طراحی شده بود.
در حاشیه کهکشان راه شیری 21 ستاره ابرسرعتی شناخته شده وجود دارد. اخترشناسان با استفاده از اندازهگیریهای بسیار دقیق Gaia، سرعت سهبعدی این ستارگان را در فضا بررسی کردند. آنها دریافتند که منشاء 5 ستاره نامشخص است، در حالی که 2 ستاره قطعاً از مرکز کهکشان راه شیری آمدهاند. از 14 ستاره باقیمانده، 3 ستاره به وضوح از سمت LMC آمدهاند.
مسیر حرکت این ستارگان به طور موثری به سمت منشاء خود اشاره دارد و بر اساس دانش فعلی ما، این منشاء باید یک سیاهچاله بسیار پرجرم باشد. حتی بهتر از آن، اگرچه مسیر حرکت 11 ستاره باقیمانده با منشاء کهکشان راه شیری و LMC سازگار است، اما محققان دریافتند که احتمال اینکه 5 ستاره از کهکشان خودمان و 6 ستاره دیگر از LMC آمده باشند، بیشتر است.
بنابراین ممکن است 9 ستاره ابرسرعتی شناخته شده وجود داشته باشند که در کهکشان ما شیرجه میزنند و توسط یک سیاهچاله بسیار پرجرم در کهکشانی دیگر به بیرون پرتاب شدهاند.
این گروه تحقیقاتی با استفاده از محاسبات پیچیده ریاضی، دریافتند که محتملترین جرم برای این سیاهچاله حدود 600,000 برابر جرم خورشید است. این جرم برای یک SMBH خیلی بزرگ نیست و در واقع در انتهای پایین مقیاس قرار دارد، اما از طرفی LMC یک کهکشان کوچک است و تنها حدود 1 درصد جرم کهکشان راه شیری را دارد. ما میدانیم که جرم یک سیاهچاله با جرم کهکشان میزبان آن متناسب است (زیرا آنها با هم شکل میگیرند و بر رشد یکدیگر تأثیر میگذارند)، بنابراین این جرم کمتر با این موضوع سازگار است.
اگر این درست باشد، پس کهکشان اقماری ما در حال شلیک ستارگان به سمت ماست! و ممکن است ستارگان بیشتری هم وجود داشته باشند که هنوز پیدا نشدهاند، ستارگانی که در طرف دیگر کهکشان ما در فضا پرواز میکنند یا آنقدر دور هستند که دیدن و مطالعه آنها دشوار است. و همه اینها به ما کمک میکند تا درک روشنتری (هرچند هنوز بسیار مبهم!) از اینکه تا چه اندازه در مقیاس کهکشانی میتوانیم انتظار داشته باشیم که سیاهچالههای بزرگ را پیدا کنیم، به دست آوریم.
سیاهچالهها خندهدار هستند. اکثر مردم نگران سقوط به داخل یکی از آنها و همچنین مجموعهای از وحشتهای دیگر هستند، اما اکنون میتوانید “اجتناب از گلولههای بین کهکشانی” را نیز به این لیست اضافه کنید.
