فوری: یافته‌های حیرت‌انگیز XRISM از سیاه‌چاله‌ها، معمای کهکشان‌ها را حل می‌کند؟

تایید یافته‌های تازه درباره‌ی سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم

مقداری از اولین داده‌ها از یک ماموریت فضایی بین‌المللی، تاییدکننده‌ی سال‌ها حدس و گمان در مورد دوروبر کهکشان‌هایی با سیاهچاله‌های کلان‌جرم است. اما چیزی که این داده‌ها رو هیجان‌انگیزتر کرده، اینه که ماهواره‌ی منتظر، که اسمش هست ماموریت تصویربرداری و طیف‌سنجی اشعه‌ی ایکس (XRISM)، تازه داره این دیدهای بی‌نظیر رو نشون می‌ده. جان میلر، که استاد اخترشناسی دانشگاه میشیگانه، درمورد XRISM گفت: «ما ابزار مناسبی رو برای درست‌کردن یه تصویر دقیق از مقیاس‌های ناشناخته در اطراف سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم پیدا کردیم. داریم کم‌کم نشانه‌هایی از اینکه اون محیط، واقعاً چه شکلیه رو می‌بینیم.»

سازمان فضایی ژاپن (JAXA)، که با ناسا و آژانس فضایی اروپا برای ساختن و راه‌اندازی XRISM همکاری داشته، نتایج جدیدی رو اعلام کرد که توی نامه‌های مجله‌ی اخترفیزیک هم منتشر شده. میلر، نویسنده‌ی اصلی این تحقیقه. اون و بیش از صدتا نویسنده‌ی دیگه از سراسر دنیا، روی چیزی که به اسم هسته‌ی کهکشان فعال شناخته می‌شه کار کردن. این هسته شامل یک سیاه‌چاله‌ی کلان‌جرم و محیط‌های خشن اون هست. برای این کار، اونا به توانایی خاص XRISM در جمع‌آوری و اندازه‌گیری طیف اشعه‌ی ایکس که از پدیده‌های کیهانی پخش می‌شه، تکیه کردن.

قرص‌های برافروخته

دوستداران اکتشافات فضایی شاید بدونن که رصدخانه‌ی اشعه‌ی ایکس چاندرا – که ناسا بهش می‌گه تلسکوپ پرچم‌دار اشعه‌ی ایکسش – به‌تازگی ۲۵ سالی توی فضا رو جشن گرفت. اما کمتر کسی می‌دونه که توی این ۲۵ سال، یه گروه بین‌المللی از دانشمندا، مهندس‌ها و مقام‌های آژانس‌های فضایی، سخت تلاش می‌کردن که ماموریت‌های مشابه و پیشرفته‌تری رو برای اشعه‌ی ایکس راه‌اندازی کنن. هدف از این تلاش‌ها این بود که داده‌های باکیفیت بالا و مکمل برای درک بهتر چیزی که چاندرا و بقیه‌ی تلسکوپ‌ها دارن می‌بینن، ارائه بدن. حالا XRISM این داده‌ها رو داره می‌ده.

میلِر، کورالس و همکاراش، با دستاوردهای جدیدشون، فرضیه‌ای در مورد ساختارهایی به اسم قرص‌های برافروخته نزدیک سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در هسته‌ی کهکشان‌های فعال، تقویت کردن. می‌شه این قرص‌ها رو مثل صفحه‌های وینیل از جنس گاز و بقیه‌ی ذرات آزاد از یک کهکشان تصور کرد که با جاذبه‌ی خیلی زیاد سیاهچاله‌ها در مرکزشون درحال چرخیدن هستن. پژوهشگرا، با مطالعه‌ی قرص‌های برافروخته، می‌تونن درک بهتری از اتفاقاتی که دور تا دور سیاهچاله می‌افته به دست بیارن و این‌که چه‌جوری روی چرخه‌ی عمر کهکشان میزبان تاثیر داره.

همکاری XRISM، با بررسی مرکز کهکشان NGC 4151 که بیشتر از ۵۰ میلیون سال نوری با ما فاصله داره، تایید کرد که شکل قرص، ساده‌تر از اون چیزی بوده که قبلا فکر می‌کردیم. میلر گفت: «چیزی که می‌بینیم اینه که صفحه صاف نیست، بلکه پیچ و تاب یا انحنا داره.» اون همچنین اضافه کرد: «به‌نظر می‌رسه که به سمت بیرون ضخیم‌تر می‌شه.» گرچه نشانه‌هایی از این هندسه‌ی پیچیده‌تر توی داده‌های دیگه در طول دو و نیم دهه‌ی گذشته دیده شده، اما نتایج XRISM قوی‌ترین مدرک مستقیم براش هست. میلر گفت: «ما یه چیزایی دیده بودیم، اما هیچ‌کس توی علم جرم‌شناسی نمی‌تونست یه نفر رو با اون چیزایی که داشتیم محکوم کنه.»

این تیم همچنین فهمید که قرص برافروخته انگار مقدار زیادی از گاز خودش رو داره از دست می‌ده. بازهم، دانشمندا نظریه‌هایی در مورد سرنوشت این ماده دارن، اما میلر گفت XRISM این امکان رو به پژوهشگرا می‌ده که جواب‌های مطمئن‌تری پیدا کنن. اون گفت: «گفتن این‌که سرنوشت اون گاز چی می‌شه، خیلی سخت بوده. واقعا پیداکردن مدرک مستقیم، یه کار سخت و دشواره که XRISM می‌تونه انجامش بده.»

رابطه‌ی گمشده

با وجود همه‌ی حرفا در مورد این‌که جاذبه‌ی سیاه‌چاله‌ها اونقدر قوی هست که حتی نور هم نمی‌تونه ازش فرار کنه، این سیاه‌چاله‌ها هنوز عامل تولید مقدار زیادی تابش الکترومغناطیس هستن که ما می‌تونیم شناساییش کنیم. مثلا، تلسکوپ افق رویداد – یه شبکه‌ای از ابزارها روی زمین که به تابش منتشرشده به عنوان امواج رادیویی حساسه – این امکان رو به ستاره‌شناسا داده که به لبه‌های دو سیاه‌چاله متفاوت نزدیک بشن. ابزارهای دیگه‌ای هم روی زمین و توی فضا وجود دارن که باندهای مختلفی از تابش، شامل اشعه‌ی ایکس و نور فروسرخ رو شناسایی می‌کنن تا یه دید وسیع‌تری از محیط سیاه‌چاله‌ها به دست بیاد.

اما دانشمندا از ابزارهای با وضوح بالا برای تشخیص این‌که بین این دو مقیاس، یعنی از نزدیکی سیاه‌چاله تا اندازه‌ی کهکشان میزبانش، چی می‌گذره، بی‌بهره بودن. و اون فاصله‌ای که بین این دو هست، جاییه که قرص‌های برافروخته و بقیه‌ی ساختارهای جالبِ آسمانی وجود دارن. اگه بخوای مقیاس نمایش بزرگشده‌ی یک سیاه‌چاله رو به نمایش نزدیکش تقسیم کنی، عددی نزدیک به ۱۰۰,۰۰۰ به دست میاری.

کشف‌های تازه در مطالعه‌ی سیاه‌چاله‌ها با XRISM

برای یک فیزیکدان، هر صفری به معنای یک مرتبه از بزرگیه، یعنی شکاف توی پوشش تصویری، به پنج مرتبه از بزرگی می‌رسه. میلر می‌گه: «وقتی به درک این می‌رسیم که گاز چه‌جوری وارد سیاهچاله می‌شه، چه‌طوری مقداری از اون گازها از دست می‌رن و سیاهچاله چه تاثیری روی کهکشان میزبانش داره، این‌ها مرتبه‌های بزرگی هستن که واقعا اهمیت دارن.» حالا XRISM به محققان این امکان رو می‌ده که با جست‌وجوی پرتوهای ایکس که از آهن در اطراف سیاه‌چاله‌ها ساطع می‌شن، به این مقیاس‌ها دسترسی پیدا کنن و به «S» تو خلاصه اسمش، یعنی طیف‌سنجی، تکیه کنن. ابزار طیف‌سنجی XRISM، به‌جای استفاده از نور پرتو ایکس برای درست‌کردن تصویر، انرژی پرتوهای ایکس تکی یا فوتون‌ها رو تشخیص می‌ده. محققان بعدش می‌تونن ببینن که چند فوتون با یه انرژی خاص، توی یک دامنه یا طیفی از انرژیا شناسایی شده. محققا با جمع‌آوری، مطالعه و مقایسه‌ی طیف‌ها از بخش‌های مختلف مناطق نزدیک به یک سیاه‌چاله، می‌تونن اطلاعات بیشتری در مورد فرآیندهای درحال وقوع به دست بیارن. میلر می‌گه: «ما شوخی می‌کنیم که طیف‌ها دارن «فیزیک» رو به «کیهان‌شناسی» اضافه می‌کنن.»

اگرچه ابزارهای طیف‌سنجی پرتو ایکس دیگه‌ای هم وجود دارن، اما ابزار XRISM پیشرفته‌ترینه و به یه ریزکالری‌متر به اسم «Resolve» تکیه داره. این ابزار انرژی پرتو ایکس ورودی رو به گرما تبدیل می‌کنه، نه به یک سیگنال الکتریکی معمولی. کورالس می‌گه: «Resolve این امکان رو به ما می‌ده که محیط چندساختاری و چنددمایی سیاه‌چاله‌های خیلی بزرگ رو به یه روشی توصیف کنیم که قبلاً ممکن نبود.» میلر می‌گه XRISM به محققا ۱۰ برابر بهتر اون‌ چیزی که قبلا داشتن، وضوح انرژی میده.

تاریخچه‌ی تلاش برای رسیدن به این فناوری

دانشمندا ۲۵ سال منتظر یه ابزاری مثل این بودن، اما این انتظار به‌خاطر بی‌تلاشی نبوده. سال‌ها قبل از پرتابش در سال ۱۹۹۹، چاندرا در ابتدا به اسم «تاسیسات پیشرفته‌ی کیهان‌شناسی پرتو ایکس» طراحی شده بود، یه ماموریت واحد که با فناوری پیشرفته برا تصویربرداری و طیف‌سنجی پرتو ایکس پرواز می‌کرد. اما این پروژه خیلی هزینه‌بر بود، برای همین به تلسکوپ چاندرا و یه ماموریت طیف‌سنجی به‌اسم Astro-E تقسیم شد که توسعه‌ش برعهده‌ی JAXA بود. متاسفانه، Astro-E توی پرتابش در فوریه‌ی ۲۰۰۰ گم شد. میلر می‌گه: «JAXA، ناسا و آژانس فضایی اروپا همه فهمیدن که این ابزار چقدر مهمه و باهم کار کردن که ماموریت Astro-E رو تقریبا پنج سال بعد دوباره پرواز بدن.» این‌بار، ماموریت اسمش شد «سوزاکو» که اشاره‌ای داره به یه پرنده‌ی افسانه‌ای شبیه ققنوس.

میلر می‌گه: «سوزاکو به مدار رسید، اما سیستم خنک‌کننده‌ش نشتی داشت و همه‌ی خنک‌کنندش به فضا نشت کرد. ابزار علمی اصلیش هیچ‌وقت داده‌ی واقعی جمع نکرد.» با این‌حال، یه دوربین دیگه برا پرتو ایکس اونجا بود که حدود ۱۰ سال کارای خوبی انجام داد. چند ماه بعد از تموم‌شدن کار سوزاکو، آژانس‌های فضایی یه ماموریت سوم رو برای ارائه دادن طیف‌سنجی پرتو ایکس که جامعه دنبالش بود، راه‌اندازی کردن. این ماموریت توی فوریه‌ی ۲۰۱۶ به‌عنوان Astro-H شروع شد و بعد از این‌که وارد مدار شد و صفحات خورشیدیش رو مستقر کرد به Hitomi تغییر نام داد.

چالش‌های Hitomi و دستاوردهای XRISM

میلر برای یه جلسه درمورد Hitomi به فلوریدا سفر کرده بود که درست توی همون موقع یه فاجعه برای این ماموریت اتفاق افتاد. یه اشتباه حرکتی باعث شد Hitomi به چرخشی خارج از کنترل بیفته. میلر می‌گه: «اونقدر سریع چرخید که صفحات خورشیدیش از هم جدا شدن.» آژانس‌های فضایی، کمتر از ۴۰ روز بعد از پرتاب، ارتباطشون رو با Hitomi از دست دادن. میلر می‌گه: «می‌تونستی شب‌ها بری ساحل فلوریدا و اون رو توی آسمون ببینی که درحال چرخیدنه. اون نور به‌شکل منحصربه‌فردی چشمک می‌زد.»

ماموریت Hitomi، قبل از این‌که کارش تموم بشه، موفق شد کاری رو انجام بده که میلر به اسم یه و نیم مشاهده‌ی علمی توصیفش می‌کنه. این‌قدر کافی بود که روش فکرکردن محققا در مورد خوشه‌های کهکشانی که شامل صدها یا هزاران کهکشان هستن رو عوض کنه. برای همین می‌شه گفت که خیلی چیزا به XRISM بستگی داشت وقتی تو سپتامبر ۲۰۲۳ پرتاب شد. براساس بازخوردهای اولیه، به‌نظر می‌رسه XRISM آماده‌ی ارائه‌ی نتیجه هست. میلر و یه عده از همکارای جهانی‌ش، از جمله اولین کسایی بودن که داده‌هایی رو دیدن که منجر به گزارش جدیدشون شد.

میلر می‌گه: «توی ژاپن خیلی دیر شده بود، یه ساعت عجیب‌غریبی توی اروپا بود و همه‌ی ما هم توی زوم بودیم. هممون داشتیم توی پیداکردن کلمات مشکل داشتیم. اون لحظه، نفس‌گیر بود.» پروژه‌ی اصلی پایان‌نامه‌ی دکترای میلر برا مطالعه‌ی داده‌های ماموریت Astro-E طراحی شده بود، برای همین اون بیشتر از نیمی از عمرش و تقریبا تمام دوران علمیش رو روی این کار سرمایه‌گذاری کرده. توی این مدت، Hitomi و ماموریت‌های موفق‌تری مثل چاندرا داده‌هایی رو ارائه دادن که به اون و بقیه توی این زمینه کمک کرده تا درک بهتری از کیهان داشته باشن. اما محققا همچنین می‌دونستن که به چیزی شبیه کالیریمتر پرتو ایکس توی XRISM برای پیشرفت‌های موردنظرشون نیاز دارن. میلر می‌گه: «ما در جاهای زیادی به مشکل خوردیم، اما همیشه نشانه‌هایی از چیزی که ممکنه وجود داشته باشه رو دریافت کردیم. تقریبا غیرممکنه که این محیط‌ها رو توی آزمایشای زمینی تکرار کنیم و ما می‌خواستیم جزئیات زیادی از نحوه‌ی کار واقعیشون رو بدونیم. فکر می‌کنم بالاخره قراره توی این زمینه پیشرفت کنیم.»

“`