معمای حل شده: تغذیه و بازخورد سیاهچاله در مرکز یک کهکشان فعال

این موفقیت اولین اندازه گیری کمی در جهان را در این مقیاس از جریان گاز و ساختار آنها از یک سیاهچاله بسیار پرجرم در نزدیکی همه گازهای فاز، از جمله پلاسما، اتمی و مولکولی نشان می دهد. چنین وضوح بالایی به تیم اجازه داد تا جریان برافزایشی را که به سمت سیاهچاله عظیم می رود، ثبت کند، و نشان داد که این جریان برافزایشی توسط مکانیزم فیزیکی به نام “ناپایداری گرانشی” ایجاد می شود. علاوه بر این، تیم همچنین دریافت که بخش قابل توجهی از این جریان برافزایشی به رشد سیاهچاله کمک نمی کند. در عوض، بیشتر گاز از محیط اطراف سیاه‌چاله به‌عنوان جریان‌های اتمی یا مولکولی خارج می‌شود و به دیسک گاز باز می‌گردد تا دوباره به جریان برافزایشی به سمت سیاه‌چاله بپیوندد، مشابه نحوه بازیافت آب در یک چشمه آب. این یافته‌ها نشان‌دهنده پیشرفتی حیاتی در جهت درک بهتر مکانیسم‌های رشد سیاه‌چاله‌های کلان جرم است.

این نتایج مشاهداتی در منتشر شده است علوم پایه در 2 نوامبر 2023

در مرکز بسیاری از کهکشان‌ها «سیاهچاله‌های بسیار پرجرم» وجود دارند که جرم آنها بیش از یک میلیون برابر خورشید است. اما اخترشناسان مدت‌هاست درباره مکانیسم‌های مسئول شکل‌گیری آنها فکر کرده‌اند. یک مکانیسم پیشنهادی، همانطور که در تحقیقات قبلی توضیح داده شد، نشان می دهد که گاز در بالای سیاهچاله در حالی که به سمت مرکز کهکشان میزبان می کشد، تجمع می یابد.

با نزدیک شدن گاز به سیاهچاله های پرجرم، کشش گرانشی شدید سیاهچاله باعث شتاب گاز می شود. در نتیجه افزایش اصطکاک بین ذرات گاز، گاز را تا دمای چند میلیون درجه گرم می کند و منجر به انتشار نور روشن می شود. روشنایی که به عنوان هسته فعال کهکشانی (AGN) شناخته می شود، گاهی اوقات می تواند از نور ترکیبی همه ستارگان کهکشان فراتر رود. جالب اینجاست که تصور می‌شود مقداری از گازی که به سمت سیاه‌چاله می‌افتد (یک جریان برافزایشی) توسط انرژی عظیم این هسته فعال کهکشانی منفجر شده و منجر به خروجی می‌شود.

مطالعات نظری و مشاهده‌ای قبلی بینش دقیقی را در مورد مکانیسم‌های برافزایش گاز از مقیاس 100000 سال نوری تا مقیاس چند صد سال نوری در مرکز ارائه کرده‌اند. با این حال، برافزایش گاز در فاصله چند ده سال نوری از مرکز کهکشانی رخ می دهد. این مقیاس فضایی محدود مانع درک بیشتر فرآیند انباشتگی می شود. به عنوان مثال، برای درک کمی رشد سیاهچاله ها، اندازه گیری میزان جریان برافزایش (میزان گاز ورودی) و تعیین مقادیر و انواع گازها (پلاسما، گاز اتمی، گاز مولکولی) ضروری است. به عنوان جریان خروجی در این مقیاس کوچک خارج می شود. متأسفانه درک مشاهدات تاکنون پیشرفت چشمگیری نداشته است.

ایزومی خاطرنشان می کند: مشاهدات گازهای چند فازی می توانند درک جامع تر و عمیق تری از توزیع و دینامیک ماده در اطراف یک سیاهچاله ارائه دهند و مشاهدات ما بالاترین وضوحی است که تاکنون برای مشاهدات گازهای چند فازی در یک هسته فعال کهکشانی به دست آمده است.

ایزومی و همکارانش در ابتدا برای اولین بار جریان برافزایشی را که به سمت سیاهچاله بسیار پرجرم در قرص گازی با چگالی بالا می رود، ثبت کردند که چندین سال نوری از مرکز کهکشان امتداد دارد. شناسایی این جریان برافزایشی به دلیل مقیاس کوچک منطقه و حرکات پیچیده گاز در نزدیکی مرکز کهکشانی یک چالش بوده است. با این حال، تیم تحقیقاتی مکان هایی را که گاز مولکولی در پیش زمینه، نور هسته فعال کهکشانی را جذب می کند و در پس زمینه درخشان می درخشد، مشخص کردند. تجزیه و تحلیل دقیق نشان داد که این ماده جذب کننده در حال دور شدن از زمین است. از آنجایی که ماده جذب کننده به طور مداوم بین هسته فعال کهکشانی و زمین قرار دارد، این نشان می دهد که تیم با موفقیت جریان برافزایشی را که به سمت هسته فعال کهکشانی می رود، ضبط کرده است.

این مطالعه همچنین مکانیسم فیزیکی مسئول ایجاد این تجمع گاز را روشن می کند. دیسک گاز مشاهده شده نیروی گرانشی زیادی از خود نشان می دهد که نمی توان آن را با فشار محاسبه شده از حرکت دیسک گاز پشتیبانی کرد. هنگامی که این وضعیت رخ می دهد، دیسک گاز تحت وزن خود فرو می ریزد و ساختارهای پیچیده ای را تشکیل می دهد و توانایی خود را برای حفظ حرکت پایدار در مرکز کهکشانی از دست می دهد. در نتیجه، گاز به سرعت به سمت سیاهچاله مرکزی سقوط می کند، پدیده ای که به نام “ناپایداری گرانشی” در قلب کهکشان شناخته می شود.

علاوه بر این، این مطالعه درک کمی از جریان گاز در اطراف هسته فعال کهکشانی را ارتقا داد. با در نظر گرفتن چگالی گاز مشاهده شده و سرعت جریان برافزایشی، محققان توانستند سرعت تحویل گاز به سیاهچاله را محاسبه کنند. با کمال تعجب، این نرخ 30 برابر بیشتر از میزان مورد نیاز برای حفظ یک هسته فعال کهکشانی است. به عبارت دیگر، بیشتر جریان برافزایشی در مقیاس 1 سال نوری در اطراف مرکز کهکشانی به رشد سیاهچاله کمک نمی کند.

پس آن گاز اضافی کجا رفت؟ مشاهدات با حساسیت بالا از تمام گازهای فاز با ALMA خروجی از هسته فعال کهکشانی را تشخیص داد. تجزیه و تحلیل کمی نشان داد که بیشتر گازی که به سمت سیاهچاله جریان دارد به صورت جریان های اتمی یا مولکولی خارج می شود. با این حال، به دلیل سرعت کم، آنها نتوانستند از کشش گرانشی سیاهچاله بگریزند و در نهایت دوباره به داخل صفحه گاز سقوط کردند. در آنجا، آنها در جریان برافزایشی به سمت سیاهچاله بازیافت شدند و یک فرآیند جذاب بازیافت گاز در مرکز کهکشانی را تکمیل کردند.

تاکوما ایزومی با تأمل در دستاوردها تکرار می‌کند: «کشف جریان‌های برافزایشی و خروجی‌ها در منطقه‌ای که فقط چند سال نوری دورتر از یک سیاه‌چاله بسیار پرجرم در حال رشد است، به‌ویژه در گازهای چند فازی، و حتی رمزگشایی خود مکانیسم برافزایش، دستاوردهای عظیمی هستند. او با نگاهی به آینده ادامه می‌دهد: «برای به دست آوردن درک جامعی از رشد سیاه‌چاله‌های کلان پرجرم در تاریخ کیهانی، مطالعه انواع مختلف سیاه‌چاله‌های کلان پرجرم ضروری است. این امر مستلزم مشاهدات با وضوح و حساسیت بالا است و ما انتظارات زیادی برای استفاده مداوم از ALMA و همچنین تداخل سنج های رادیویی بزرگ آینده در نسل بعدی داریم.”