داده‌های جدید از ماموریت XRISM: نگاهی تازه به سیاه‌چاله‌های غول‌آسا!

تأیید داده‌های جدید درباره سیاه‌چاله‌های فوق‌العاده‌جرم

برخی از نخستین داده‌ها از یک مأموریت فضایی بین‌المللی، تأییدکننده‌ی دهه‌ها حدس و گمان درباره همسایگی‌های کهکشانی سیاه‌چاله‌های فوق‌العاده‌جرم است. اما آنچه این داده‌ها را هیجان‌انگیزتر می‌کند، این است که ماهواره‌ی مورد انتظار، یعنی مأموریت تصویربرداری و طیف‌سنجی اشعه ایکس (XRISM)، تازه شروع به ارائه‌ی این بینش‌های بی‌نظیر کرده است. جان میلر، استاد نجوم در دانشگاه میشیگان، درباره‌ی XRISM گفت: “ما ابزار مناسبی برای توسعه‌ی تصویری دقیق از مقیاس‌های ناشناخته در اطراف سیاه‌چاله‌های فوق‌العاده‌جرم پیدا کرده‌ایم. ما در حال شروع به دیدن نشانه‌هایی از اینکه آن محیط واقعاً چگونه به نظر می‌رسد، هستیم.”

سازمان فضایی ژاپن (JAXA) که با ناسا و آژانس فضایی اروپا برای ایجاد و راه‌اندازی XRISM همکاری کرده است، نتایج جدیدی را اعلام کرد که همچنین در نامه‌های مجله نجوم‌فیزیکی منتشر شده است. میلر نویسنده‌ی اصلی این مطالعه بود. او و بیش از ۱۰۰ نویسنده‌ی همکار از سراسر جهان، به بررسی آنچه که به عنوان هسته کهکشان فعال شناخته می‌شود، پرداخته‌اند. این هسته شامل یک سیاه‌چاله فوق‌العاده‌جرم و محیط‌های شدید آن است. برای انجام این کار، آن‌ها به توانایی بی‌نظیر XRISM در جمع‌آوری و اندازه‌گیری طیف‌های اشعه ایکس منتشر شده توسط پدیده‌های کیهانی تکیه کردند.

دیسک‌های انباشت با پیچ و تاب

علاقه‌مندان به اکتشافات فضایی ممکن است بدانند که رصدخانه اشعه ایکس چاندرا – که ناسا آن را تلسکوپ پرچمدار اشعه ایکس خود می‌نامد – به تازگی ۲۵ سالگی خود را در فضا جشن گرفت. اما کمتر شناخته شده است که در طول ۲۵ سال گذشته، گروهی بین‌المللی از دانشمندان، مهندسان و مقامات آژانس‌های فضایی در تلاش بودند تا مأموریت‌های اشعه ایکس مشابه و پیشرفته‌تری را راه‌اندازی کنند. هدف از این تلاش‌ها ارائه داده‌های با کیفیت بالا و مکمل برای درک بهتر آنچه چاندرا و سایر تلسکوپ‌ها مشاهده می‌کنند، بود. اکنون XRISM این داده‌ها را ارائه می‌دهد.

با مجموعه داده‌های خود، میلر، کُرالِس و همکارانشان فرضیه‌ای را درباره ساختارهایی به نام دیسک‌های انباشت در نزدیکی سیاه‌چاله‌های فوق‌العاده‌جرم در هسته‌های کهکشان‌های فعال تقویت کرده‌اند. این دیسک‌ها می‌توانند به عنوان صفحه‌های وینیل ساخته شده از گاز و دیگر ذرات آزاد از یک کهکشان تصور شوند که توسط گرانش فوق‌العاده سیاه‌چاله‌ها در مرکزشان چرخانده می‌شوند. با مطالعه دیسک‌های انباشت، پژوهشگران می‌توانند بهتر درک کنند که چه اتفاقی در اطراف سیاه‌چاله می‌افتد و این چگونه بر چرخه حیات کهکشان میزبان تأثیر می‌گذارد.

با بررسی مرکز کهکشان NGC 4151، که بیش از ۵۰ میلیون سال نوری دورتر است، همکاری XRISM تأیید کرد که شکل دیسک به سادگی آنچه قبلاً تصور می‌شد نیست. میلر گفت: “آنچه می‌بینیم این است که صفحه صاف نیست، بلکه پیچ و تاب یا انحنا دارد.” او همچنین افزود: “به نظر می‌رسد که به سمت بیرون ضخیم‌تر می‌شود.” اگرچه نشانه‌هایی از این هندسه پیچیده‌تر در داده‌های دیگر در طول دو و نیم دهه گذشته ظاهر شده است، اما نتایج XRISM قوی‌ترین شواهد مستقیم برای آن هستند. میلر گفت: “ما نشانه‌هایی داشتیم، اما کسی در علم جرم‌شناسی می‌گوید که نمی‌توانستیم کسی را با آنچه داشتیم، محکوم کنیم.”

این تیم همچنین دریافت که دیسک انباشت به نظر می‌رسد که مقدار زیادی از گاز خود را از دست می‌دهد. دوباره، دانشمندان نظریاتی درباره‌ی آنچه برای این ماده اتفاق می‌افتد دارند، اما میلر گفت XRISM به پژوهشگران این امکان را می‌دهد که پاسخ‌های قطعی‌تری پیدا کنند. او گفت: “گفتن اینکه سرنوشت آن گاز چه خواهد بود، بسیار دشوار بوده است. واقعاً پیدا کردن شواهد مستقیم، کار سختی است که XRISM می‌تواند انجام دهد.”

پیوند گمشده

با وجود تمام صحبت‌ها درباره اینکه جاذبه آن‌ها به قدری قوی است که حتی نور هم نمی‌تواند از آن فرار کند، سیاه‌چاله‌ها هنوز مسئول تولید مقدار زیادی تابش الکترومغناطیسی هستند که ما می‌توانیم آن را شناسایی کنیم. به عنوان مثال، تلسکوپ افق رویداد – یک شبکه از ابزارها در زمین که به تابش منتشر شده به عنوان امواج رادیویی حساس است – به نجوم‌دانان این امکان را داده است که به لبه‌ی دو سیاه‌چاله مختلف نزدیک شوند. ابزارهای دیگری نیز در زمین و فضا وجود دارند که باندهای مختلف تابش، از جمله اشعه ایکس و نور مادون قرمز را شناسایی می‌کنند تا نمای بزرگ‌تری از محیط سیاه‌چاله‌ها ارائه دهند.

اما دانشمندان از ابزارهای با وضوح بالا برای تعیین آنچه در بین این دو مقیاس، از نزدیک سیاه‌چاله تا اندازه کهکشان میزبان آن، می‌گذرد، محروم بوده‌اند. و آن فضای بین این دو است که دیسک‌های انباشت و دیگر ساختارهای جالب آسمانی وجود دارند. اگر بخواهید مقیاس نمای بزرگ‌نمایی شده یک سیاه‌چاله را با نمای نزدیک آن تقسیم کنید، عددی نزدیک به ۱۰۰,۰۰۰ به دست خواهید آورد.

دستاوردهای جدید در مطالعه سیاه‌چاله‌ها با XRISM

برای یک فیزیک‌دان، هر صفر به معنای یک مرتبه از بزرگی است، به این معنا که شکاف در پوشش به پنج مرتبه از بزرگی می‌رسد. میلر می‌گوید: “زمانی که به درک چگونگی ورود گاز به سیاه‌چاله، چگونگی از دست رفتن برخی از آن گازها و تأثیر سیاه‌چاله بر کهکشان میزبانش می‌رسیم، این مرتبه‌های بزرگی هستند که واقعاً اهمیت دارند.” اکنون XRISM به محققان این امکان را می‌دهد که با جستجوی پرتوهای ایکس ساطع‌شده از آهن در اطراف سیاه‌چاله‌ها، به این مقیاس‌ها دسترسی پیدا کنند و به “S” در اختصار خود، یعنی طیف‌سنجی، تکیه کنند. به جای استفاده از نور پرتو ایکس برای ساخت تصویر، ابزار طیف‌سنجی XRISM انرژی پرتوهای ایکس فردی یا فوتون‌ها را تشخیص می‌دهد. محققان سپس می‌توانند ببینند که چند فوتون با انرژی خاصی در یک دامنه یا طیف از انرژی‌ها شناسایی شده است. با جمع‌آوری، مطالعه و مقایسه طیف‌ها از بخش‌های مختلف مناطق نزدیک به یک سیاه‌چاله، محققان قادر به یادگیری بیشتر در مورد فرآیندهای در حال وقوع هستند. میلر می‌گوید: “ما شوخی می‌کنیم که طیف‌ها ‘فیزیک’ را به ‘کیهان‌شناسی’ اضافه می‌کنند.”

اگرچه ابزارهای طیف‌سنجی پرتو ایکس دیگری نیز وجود دارند، اما ابزار XRISM پیشرفته‌ترین است و به یک میکروکالری‌متر به نام “Resolve” تکیه دارد. این ابزار انرژی پرتو ایکس ورودی را به حرارت تبدیل می‌کند، نه به یک سیگنال الکتریکی معمولی. کُرالس می‌گوید: “Resolve به ما این امکان را می‌دهد که محیط چندساختاری و چنددمایی سیاه‌چاله‌های فوق‌العاده بزرگ را به روشی توصیف کنیم که قبلاً ممکن نبود.” میلر می‌گوید که XRISM به محققان ۱۰ برابر بهتر از آنچه قبلاً داشتند، وضوح انرژی ارائه می‌دهد.

تاریخچه تلاش‌ها برای دستیابی به این فناوری

دانشمندان ۲۵ سال منتظر ابزاری مانند این بودند، اما این انتظار به دلیل عدم تلاش نبوده است. سال‌ها قبل از پرتاب آن در سال ۱۹۹۹، چاندرا در ابتدا به عنوان “تأسیسات پیشرفته کیهان‌شناسی پرتو ایکس” طراحی شده بود، یک مأموریت واحد که با فناوری پیشرفته برای تصویربرداری و طیف‌سنجی پرتو ایکس پرواز می‌کرد. اما این پروژه بسیار پرهزینه بود، بنابراین به تلسکوپ چاندرا و یک مأموریت طیف‌سنجی به نام Astro-E تقسیم شد که توسعه آن به عهده JAXA بود. متأسفانه، Astro-E در حین پرتاب در فوریه ۲۰۰۰ گم شد. میلر می‌گوید: “JAXA، ناسا و آژانس فضایی اروپا همه متوجه شدند که این ابزار چقدر مهم است و به طور مشترک کار کردند تا مأموریت Astro-E را تقریباً پنج سال بعد دوباره پرواز کنند.” این بار، مأموریت به نام “سوزاکو” نامگذاری شد که به یک پرنده افسانه‌ای شبیه به ققنوس اشاره دارد.

میلر می‌گوید: “سوزاکو به مدار رسید، اما سیستم خنک‌کننده‌اش نشتی داشت و تمام خنک‌کننده‌اش به فضا نشت کرد. ابزار علمی اصلی آن هرگز داده واقعی جمع‌آوری نکرد.” با این حال، یک دوربین دیگر برای پرتو ایکس در آنجا بود که به مدت حدود ۱۰ سال کارهای خوبی انجام داد. چند ماه پس از پایان کار سوزاکو، آژانس‌های فضایی مأموریت سومی را برای ارائه طیف‌سنجی پرتو ایکس که جامعه به دنبال آن بود، راه‌اندازی کردند. این مأموریت در فوریه ۲۰۱۶ به عنوان Astro-H آغاز شد و پس از ورود به مدار و استقرار پنل‌های خورشیدی‌اش به Hitomi تغییر نام داد.

چالش‌های Hitomi و دستاوردهای XRISM

میلر برای جلسه‌ای درباره Hitomi به فلوریدا سفر کرده بود که درست در همان زمان فاجعه‌ای برای این مأموریت رخ داد. یک خطای حرکتی باعث شد Hitomi به چرخش غیرقابل کنترلی بیفتد. میلر می‌گوید: “اینقدر سریع چرخید که پنل‌های خورشیدی‌اش جدا شدند.” کمتر از ۴۰ روز پس از پرتاب، آژانس‌های فضایی ارتباط خود را با Hitomi از دست دادند. میلر می‌گوید: “شما می‌توانستید در شب به ساحل فلوریدا بروید و آن را در آسمان تماشا کنید که در حال چرخش است. این نور به طرز منحصر به فردی چشمک می‌زد.”

قبل از پایان کار، مأموریت Hitomi موفق شد آنچه میلر به عنوان یک و نیم مشاهده علمی توصیف کرد، انجام دهد. این کافی بود تا نحوه تفکر محققان در مورد خوشه‌های کهکشانی که شامل صدها یا هزاران کهکشان هستند، تغییر دهد. بنابراین می‌توان گفت که خیلی چیزها به XRISM بستگی داشت زمانی که در سپتامبر ۲۰۲۳ پرتاب شد. بر اساس بازخوردهای اولیه، به نظر می‌رسد XRISM آماده ارائه است. میلر و چند تن از همکاران جهانی‌اش از جمله اولین کسانی بودند که داده‌هایی را دیدند که به گزارش جدیدشان منجر شد.

میلر می‌گوید: “در ژاپن خیلی دیر بود، زمان عجیبی در اروپا و همه ما در زوم بودیم. همه ما در پیدا کردن کلمات مشکل داشتیم. این لحظه نفس‌گیر بود.” پروژه اصلی پایان‌نامه دکتری میلر برای مطالعه داده‌های مأموریت Astro-E طراحی شده بود، بنابراین او بیش از نیمی از عمرش و تقریباً تمام دوران علمی‌اش را در این کار سرمایه‌گذاری کرده است. در این مدت، Hitomi و مأموریت‌های موفق‌تری مانند چاندرا داده‌هایی را ارائه داده‌اند که به او و دیگران در این زمینه کمک کرده‌اند تا درک بهتری از کیهان داشته باشند. اما محققان همچنین می‌دانستند که برای پیشرفت‌های مورد نظرشان به چیزی مانند کالیریمتر پرتو ایکس در XRISM نیاز دارند. میلر می‌گوید: “در بسیاری از نقاط دشوار بوده، اما ما همیشه نشانه‌هایی از آنچه ممکن است وجود داشته باشد، دریافت کرده‌ایم. تقریباً غیرممکن است که این محیط‌ها را در آزمایش‌های زمینی تکرار کنیم و ما می‌خواستیم جزئیات زیادی از نحوه کار واقعی آنها را بدانیم. فکر می‌کنم بالاخره قرار است در این زمینه پیشرفت کنیم.”