معمای مرغ یا تخم مرغ فضا چیست؟

اینکه ابتدا کهکشان‌ها بوده‌اند یا ابرسیاه‌چاله‌ها پرسشی است که سال‌هاست ذهن ستاره شناسان را مشغول کرده و اکنون تلسکوپ فضایی جیمز وب که توسط ناسا در سال ۲۰۲۱ به فضا پرتاب شد، ممکن است کلید پاسخ به این سوال را در دست داشته باشد.

به گزارش پرتو جنوب به نقل از ایسنا، کهکشان‌ها از اجرام مختلف نجومی از جمله سیاهچاله‌ها، سیارات و ستاره‌ها تشکیل شده‌اند. در هسته هر کهکشان، یک سیاهچاله کلان‌جرم(SMBH) یا به اصطلاح ابرسیاه‌چاله که یکی از قوی‌ترین و خطرناک‌ترین موجودات در کیهان است، قرار دارد.

یک سوال گیج کننده برای دانشمندان همواره این بوده است که آیا ابرسیاه‌چاله‌ها کهکشان‌ها را به وجود آورده‌اند یا این کهکشان‌ها هستند که ابرسیاه‌چاله‌ها را تشکیل می‌دهند. رویدادهای کیهان آغازین ممکن است کلید این راز را داشته باشد.

تلسکوپ فضایی جیمز وب(JWST) که توسط ناسا در سال ۲۰۲۱ به فضا پرتاب شد، با استفاده از فناوری رصد فروسرخ و جمع‌آوری داده‌ها و تصاویر بهتر این طیف که تلسکوپ فضایی هابل قادر به انجام آن نبود، شاید بتواند پاسخی به این سوال بدهد.

مطالعه‌ای که به تازگی در مجله The Astrophysical Journal Letters منتشر شده است، از داده‌های تلسکوپ جیمز وب استفاده کرده است تا چگونگی نقش هسته‌های فعال کهکشانی(AGN) در کیهان اولیه را در شکل‌گیری ستارگان و سیاه‌چاله‌ها بررسی کند.

در ادامه، مصاحبه پروفسور جوزف سیلک نویسنده اول این مطالعه از دانشگاه جان هاپکینز و موسسه اخترفیزیک پاریس را می‌خوانید.

پروفسور سیلک در رابطه با این مطالعه گفت: نتایج گیج‌کننده تلسکوپ فضایی جیمز وب در کهکشان‌های دوردست و ابرسیاه‌چاله‌ها شگفت‌انگیز بود. نتایجی که توسط شبیه‌سازی‌های قبلی شکل‌گیری کهکشان‌ها پیش‌بینی نشده بود.

ابتدا اجازه دهید بفهمیم که تلسکوپ فضایی جیمز وب به دنبال چه چیزی است. به گفته محققان این تلسکوپ در اصل به دنبال هسته‌های فعال کهکشانی است.

ابرسیاه‌چاله و هسته فعال کهکشانی

ناحیه مرکزی اطراف یک کهکشان، فشرده است و مقدار زیادی تشعشع از تمام طول موج‌های مختلف در سراسر طیف الکترومغناطیسی ساطع می‌کند. این ناحیه که به نام هسته فعال کهکشانی شناخته می‌شود، درخشندگی بالایی دارد و بسیار درخشان‌تر از هر چیزی است که یک ستاره می‌تواند تولید کند.

همه کهکشان‌ها دارای هسته فعال کهکشانی نیستند، اما اکثر کهکشان‌های بزرگ در مرکز خود ابرسیاه‌چاله دارند. ابرسیاه‌چاله‌ها بسیار سنگین‌تر از سیاه‌چاله‌های معمولی هستند که ممکن است در یک کهکشان پراکنده باشند.

رابطه بین هسته فعال کهکشانی و ابرسیاه‌چاله مهم است و ممکن است به این پرسش پاسخ دهد که کدام یک اول ایجاد شده است.

گفتنی است که هسته‌های فعال کهکشانی از تجمع مواد(برافزایش) در ابرسیاهچاله‌ها تغذیه می‌شوند. برافزایش پدیده‌ای است که در آن کشش گرانشی ابرسیاه‌چاله باعث می‌شود ذرات ماده مانند غبار یا گازها در اطراف آن جمع شوند و هسته فعال کهکشانی را تشکیل دهند.

هسته‌های فعال کهکشانی مسئول شکل دادن به محیط کهکشان میزبان خود هستند که در نهایت ستارگان و سیارات را شکل می‌دهند. هسته‌های فعال کهکشانی را «فعال» می‌نامند، زیرا دائماً فواره‌ها، جریان‌های خروجی و درخشندگی شدید را منتشر می‌کنند و از آنجایی که یکی از پدیده‌های متلاطم و پویا در کهکشان‌هاست، می‌تواند به ما در درک تکامل ابرسیاه‌چاله و چگونگی کمک آنها به شکل‌گیری کهکشان‌ها کمک کند.

همانطور که پروفسور سیلک توضیح داد، ابرسیاه‌چاله‌ها در جهان اولیه حداقل ۱۰ برابر بیشتر از زمان فعلی ما رایج بوده‌اند. علاوه بر این، نسبت به جرم ستارگان کهکشان میزبان در مقایسه با آنچه امروز می‌بینیم، غالب‌تر بوده‌اند. همه اینها نشان می‌دهد که ابرسیاه‌چاله‌ها در مراحل اولیه شکل‌گیری کهکشان‌ها شکل گرفته‌اند.

نور انتقال به سرخ و کیهان اولیه

برای مطالعه کهکشان اولیه و تشکیل سیاه‌چاله ابتدا باید داده‌های جمع‌آوری شده توسط جیمز وب را درک کنیم.

نوری که به سوی ما می‌آید، اطلاعات مهمی در مورد کیهان برای ما به ارمغان می‌آورد. هرچه منشأ نور دورتر باشد، ما زمان دورتری را مشاهده می‌کنیم، زیرا طول می‌کشد تا نور از اجسام دور به ما برسد.

بیایید بیشتر به این موضوع بپردازیم. همین طور که جهان در حال منبسط شدن است، نور ساطع شده در کیهان اولیه باید مسافت بیشتری را طی کند تا به ما برسد و در نتیجه نور کشیده می‌شود یا به اصطلاح به سمت طیف سرخ منتقل می‌شود.

نور انتقال به سرخ، نوری است که طول موج آن به سمت قسمت سرخ طیف الکترومغناطیسی تغییر کرده است که نشان دهنده سن نور است.

تمرکز جیمز وب بر جمع‌آوری داده‌های مربوط به هسته فعال کهکشانی در کهکشان‌های دارای جابه‌جایی بالا به سمت طیف سرخ است که برخی از قدیمی‌ترین ساختارهای کیهان هستند. این ساختارهای اولیه اطلاعاتی در مورد کیهان اولیه و فرآیندهای پیرامون تشکیل سیاه‌چاله‌ها و کهکشان‌ها دارند.

محققان بر روی کهکشان‌های فوق فشرده سرخ شده از غبار متمرکز شده‌اند که اغلب به آنها «نقاط سرخ کوچک» می‌گویند.

پروفسور سیلک دلیل این نام مستعار را اینگونه توضیح داد: اغلب کهکشان‌های با جابجایی بالا به سرخ مشاهده شده توسط جیمز وب، «نقاط سرخ کوچک» نامیده می‌شوند. «سرخ» به دلیل غبارآلود بودن و «نقطه» به دلیل فشرده بودن. آنها اغلب حاوی ابرسیاه‌چاله هستند.

به دلیل وجود ابرسیاه‌چاله‌ها، این کهکشان‌ها برای تعیین تکامل کهکشان‌ها در کیهان اولیه مورد توجه هستند.

محققان با استفاده از شبیه‌سازی‌ها و داده‌های رصدی جیمز وب، رابطه نزدیکی را بین تکامل کهکشان‌ها و ابرسیاه‌چاله‌ها در اوایل کیهان پیشنهاد کردند. این باعث شد که آنها سه دوره متمایز را بر اساس انتقال به سرخ کهکشان‌ها با استفاده از پارامتر z برای توضیح شکل‌گیری هر دو تعریف کنند.

تعریف دوره‌ها

پارامتر انتقال به سرخ تحت عنوان z به ما می‌گوید که نورِ یک جرم آسمانی چقدر کشیده شده است. به زبان ساده، به ما می‌گوید که یک جرم آسمانی چقدر دور است و به طور موثر به ما امکان می‌دهد به گذشته نگاه کنیم.

دوره اول: جهان اولیه (z > ۱۵)

در این زمان، کیهان جوان بوده و کهکشان‌ها تازه شروع به شکل‌گیری کرده بودند. این کهکشان‌های با جابه‌جایی بالا به سمت طیف سرخ در مرکز خود دارای خوشه‌های ستاره‌ای متراکم بودند که به آنها خوشه‌های ستاره‌ای هسته‌ای می‌گویند.

این ستارگان متراکم ناحیه فشرده‌ای را در نزدیکی مرکز کهکشان تشکیل دادند، از همین رو به نام کهکشان‌های فوق فشرده با جابجایی به سرخ بالا نام گرفتند، جایی که در نهایت مردند و سیاه‌چاله‌ها را تشکیل دادند.

پروفسور سیلک می‌گوید: سیاه‌چاله‌ها به سرعت با یکدیگر در این منطقه فوق‌العاده متراکم ادغام شدند و یک سیاه‌چاله با جرم متوسط(IMBH) یا حتی یک ابرسیاه‌چاله را تشکیل دادند. به این ترتیب ابرسیاه‌چاله به سرعت شکل گرفت. رشد آن به لطف تراکم مرکزی بسیار بالا افزایش یافت.

این ایده توسط تعداد زیادی از این کهکشان‌ها که در جابه‌جایی‌های بالای سرخ توسط جیمز وب دیده می‌شوند، بیشتر از آنچه توسط مدل‌ها پیش‌بینی می‌شود، پشتیبانی می‌شود. علاوه بر این، اندازه این کهکشان‌ها یک دهم یا صدم یک کهکشان مشابه امروزی است.

سرانجام با تشکیل سیاه‌چاله‌ها، برافزایش منجر به تشکیل هسته فعال کهکشانی شده است.

دوره دوم: اوج شکل‌گیری ستارگان(۵۱ < ۵ < z)

هسته فعال کهکشانی اکنون برجسته و متلاطم است که منجر به خروج گازهایی می‌شود که منجر به تشکیل ستاره‌ها می‌شود. هر چه سیاه‌چاله بزرگتر شود، ستارگان بیشتری شروع به شکل‌گیری می‌کنند.

پروفسور سیلک توضیح داد که چگونه ابرهای گازی که در ابرسیاه‌چاله قرار می‌گیرند به دلیل کشش گرانشی قوی ابرسیاه‌چاله گرم می‌شوند که منجر به ایجاد یک توپ پرانرژی می‌شود.

وی افزود: به لطف چرخش سریع و میدان مغناطیسی ابرسیاه‌چاله، بیشتر جرم به سمت داخل سقوط می‌کند تا در سیاه‌چاله ناپدید شود، اما برخی از آنها به یک فواره بسیار پرانرژی خروجی تبدیل می‌شوند.

به گفته پروفسور سیلک، این فواره است که با ابرهای گازی در حال چرخش مجاور برخورد می‌کند و آنها را غرق می‌کند و فشار عظیمش آنها را فشرده می‌کند. این ابرها فرو می‌ریزند و به شکل ستاره‌ها تکه تکه می‌شوند.

دوره سوم: فرونشینی (z < ۵)

همانطور که جهان در حال گذار به انتقال سرخ کمتر است، تاکنون به خوبی گسترش یافته و منبسط شده است. بادهای نزدیک به هسته فعال کهکشانی باعث می شوند که گازهای لازم برای تشکیل ستاره پراکنده شوند.

اگر این مخزن گازی خالی شود، شکل‌گیری ستاره نیز فرونشین می‌شود که منجر به کاهش نرخ تشکیل ستاره در طول زمان در یک کهکشان می‌شود.

هم‌افزایی، تکامل مشترک و آینده جیمز وب

به نظر می‌رسد که یک رابطه نزدیک بین تکامل ابرسیاه‌چاله‌ها و کهکشان‌های میزبان آنها وجود دارد که بر رابطه هم‌افزایی بین فعالیت هسته فعال کهکشانی و فعالیت ستاره تکیه دارد.

این بدان معنی است که فعالیت هسته فعال کهکشانی که توسط تجمع و برافزایش ماده بر روی ابرسیاه‌چاله‌ها هدایت می‌شود، با آزاد کردن مقادیر زیادی انرژی بر شکل‌گیری ستاره تأثیر می‌گذارد.

برعکس، رشد ستارگان می‌تواند ابرسیاه‌چاله‌ها را با از دست دادن جرم ستاره‌ای تحت تاثیر قرار دهد که می‌تواند به قرص برافزایشی کمک کند.

این هم‌افزایی دووجهی یا دوگانه به ما می‌گوید که تکامل مشترک ابرسیاه‌چاله‌ها و میزبان‌های کهکشانی آنها پیچیده است. مطالعه هسته فعال کهکشانی می‌تواند بینش بیشتری در مورد این فرآیندهای پیچیده ارائه دهد، به همین دلیل است که داده‌های جمع‌آوری شده توسط جیمز وب بسیار اهمیت دارد.

پروفسور سیلک در رابطه با اندازه‌گیری‌های آینده جیمز وب گفت: در سال آینده مشاهدات جدیدی از تلسکوپ جیمز وب در دسترس خواهد بود که طیف‌سنجی بهبود یافته‌ای را ارائه می‌دهند که به ما امکان می‌دهد تا جرم ابرسیاه‌چاله و ستارگان را به ویژه در مراکز کهکشان‌هایی که میزبان ابرسیاه‌چاله هستند، با دقت بیشتری اندازه‌گیری کنیم.

با این حال، او همچنین عدم وجود شبیه‌سازی‌های با وضوح بالا را که برای درک کامل پدیده‌های خرد شدن ابرها(ابرهای گازی) و تشکیل ستاره‌ها مورد نیاز است، برجسته کرد.

بنابراین در پایان می‌توان گفت که آن پرسش اولیه مبنی بر اینکه ابرسیاه‌چاله‌ها ابتدا تشکیل شده‌اند یا کهکشان‌ها هنوز پاسخ روشنی دریافت نکرده است.