۱۴۰ میلیون خورشید! چگونه دانشمندان یک سیاهچاله را "وزن کردند"؟

* اخترشناسان با بهره از ترفندی تازه و به کمک یک تلسکوپ در سطح جهانی، جرم یک سیاهچاله ی ابَرپُرجرم در مرکز کهکشان مارپیچی میله ای NGC ۱۰۹۷ را اندازه گرفتند.

این تصویر همنهاده، گستره ای به پهنای حدود ۵۵۰۰ سال نوری از بخش درونی کهکشان مارپیچی میله ای NGC ۱۰۹۷ را نشان می دهد و در آن، داده های آلما از HCO+ به رنگ سرخ و از HCN به رنگ سبز/نارنجی، بر روی یک تصویر از این کهکشان که توسط تلسکوپ فضایی هابل در طیف نور دیدنی (مریی)گرفته شده افکنده شده است. این کهکشان با ۴۵ میلیون سال نوری از زمین، در راستای صورت فلکی کوره جای دارد. تصویر بزرگ تر

معمولا هر گاه که پای وزن سیاهچاله های ابرپرجرم (ابرسیاهچاله ها) به میان می آید، اخترشناسان از یک میلیون تا یک میلیارد برابر جرم خورشید می گویند. ولی وزن کردن این اجرام غول پیکر به آن اندازه که فکر می کنید هم ساده نیست. هیولای مرکز راه شیری (سیاهچاله ی کمان آ*) را در نظر بگیرید که با گرانش خود باعث شده ستارگان با سرعت هایی باورنکردنی به گِردَش بچرخند. 

تصویر طیف دیدنی (مریی) تلسکوپ هابل
از بخش درونی کهکشان مارپیچی میله‌ای
NGC ۱۰۹۷ که در این پژوهش بررسی
شد. تصویر بزرگ تر 

ولی حتی با وجود چنین چیزی هم اخترشناسان ناچارند ۱۷ سال صبر کنند تا یک تک ستاره، یک دور کامل به گرد کمان آ* بزند و پس از آن، دیگر تنها کاری که نیازست همان محاسبه هایی است که یوهان کپلر در سده ی ۱۷ برای اندازه گیری دقیق جرم انجام می داد، و بدین ترتیب، پاسخ برای ابرسیاهچاله ی مرکز کهکشان راه شیری می شود ۴.۱ میلیون برابر جرم خورشید.

ولی در بیرون از کهکشان راه شیری، اندازه گیری جرم با چنین روش سرراستی امکان پذیر نیست و اخترشناسان به جای آن، به ردگیری گازهای یونیده، مگامِیزرها (۱)، و یا جنبش های توده ای ستارگان تکیه می کنند. اکنون آرایه ی بزرگ آلما (ALMA) سنجه ی اندازه گیری تازه ای برای اخترشناسان فراهم کرده: گازهای سرد مولکولی.

در مشاهده ای که برای اثبات مفهوم انجام شد، کیوکو اونیشی (از دانشگاه تحصیلات تکمیلی پژوهش های پیشرفته ی ژاپن، و رصدخانه ی ملی اخترشناسی ژاپن) با بهره از آرایه ی بزرگ میلیمتری/زیرمیلیمتری آتاکاما (آلما،ALMA)، حرکت های گاز سرد در فاصله های کمتر از ۴۴۰ سال نوریِ سیاهچاله ی مرکزی کهکشان مارپیچی NGC ۱۰۹۷ را زیر نظر گرفت.

نمای کامل کهکشان NGC ۱۰۹۷ از چشم
تلسکوپ هابل. تصویر بزرگ تر

این مشاهدات در سال ۲۰۱۲ انجام شد، در آغاز کار آرایه ی آلما و زمانی که تنها ۱۶ آنتن آن بر پا شده بود، از همین رو بیشینه ی وضوح تصاویر آن از بخش های نزدیک هسته ی کهکشان، تنها تا ۱.۳ ثانیه ی قوس را آشکار می کرند. (این برای اخترشناسی در طول موج های میلیمتری شاهکاری حیرت آور بود ولی اکنون که همه ی ۶۶ آنتن آلما بر پا شده، وضوح این آرایه از این هم بهتر شده.)

ولی وضوح یک تک تصویر همه چیز نیست: آلما در یک زمان می تواند بیش از یک تصویر را ببیند. اونیشی و همکارانش با تنظیم آلما برای ردیابی مولکول های سیانید هیدروژن (HCN) و رادیکال های آزاد فرمیل (HCO+)، وارد حیطه ی سرعت ها شدند: آن ها نخست به تصویربرداری از گازهای کم-سرعت پرداختند و پس از آن، گازهای پرسرعت. این دانشمندان با همسنجی (مقایسه ی) این نتایج با مدل های نظری، توانستند جرم نهفته در هسته ی کهکشان NGC ۱۰۹۷ را اندازه بگیرند: ۱۴۰ میلیون برابر جرم خورشید.

این سیاهچاله با وجود چنین جرمی، تنها می تواند بر گازهای مولکولیِ بسیار نزدیک به هسته ی کهکشان اثر بگذارد؛ در واقع، حلقه ی زیبایی از گاز که در این نماها می بینید فاصله ای میان ۲۶۰۰ تا ۳۳۰۰ سال نوری از سیاهچاله دارد (گستره ای به پهنای تقریبی ۵۵۰۰ سال نوری)، و کشش گرانشی سیاهچاله را به طور مستقیم حس نمی کند.

در این تصویر همنهاده، سرعت گازهای سیانید هیدروژن (HCN) در گستره ای به پهنای حدود ۵۵۰۰ سال نوری از بخش درونی کهکشان مارپیچی میله ای NGC ۱۰۹۷ نشان داده شده. رنگ سرخ نشانگر گازهاییست که از ما دور می شوند و رنگ آبی گازهایی که به ما نزدیک می شوند. با ردگیری همین جابجایی ها بود که پژوهشگران توانستند جرم ابرسیاهچاله ی مرکز این کهکشان را اندازه بگیرند. تصویر بزرگ تر

با این حال به نظر می رسد نفوذ سیاهچاله به گونه ای، تا ورای چنگال گرانشی آن گسترده شده. NGC ۱۰۹۷ همچنین یکی از کهکشان هاییست که از رابطه ای به نام ام-سیگما (M-sigma) پیروی می کند، چیزی که نشان می دهد سیاهچاله ی مرکزی این کهکشان و کوژی بسیار بزرگ تر آن که انباشته از ستاره است، فرگشتی همپا داشته اند، بدین معنا که پا به پای هم رشد کرده و تکامل یافته اند.

در چند سال گذشته، اخترشناسان دریافته اند که این وابستگی فرگشتی شاید برای کهکشان های بیضیگون که پیکره ای توده‌وار و همانند توپ فوتبال آمریکایی دارند، به روشی متفاوت از کهکشان های مارپیچی کار کند. آن چه از NGC ۱۰۹۷ دیده شده به خوبی با چیزی که برای مارپیچی ها انتظار می رود همخوانی دارد ولی با پیش بینی هایی که برای بیضیگون ها شده سازگار نیست. کارتیک شث از رصدخانه ی ملی رادیویی آمریکا (NARO) در یک گفتگوی رسانه ای گفت: «اندیشیدن به این که اکنون می توانیم همین ترفند را برای دیگر کهکشان های مارپیچی هم به کار ببریم و به شناخت بهتری از چگونگی تاثیر این اجرامِ بی‌اندازه پرجرم (ابرسیاهچاله ها) بر کهکشان های میزبانشان برسیم هیجان انگیز است.»

جزییات این پژوهش در شماره ی ۱۰ ژوئن ۲۰۱۵ نشریه ی آستروفیزیکال جورنال انتشار یافته است. در این جا هم ویدیویی را ببینید که رصدخانه ی ملی رادیواخترشناسی (NARO) درین باره منتشر کرده:

-------------------------

۱) چشمه ی بسیار پرانرژی، باریک-باند، و همدوس از تابش ریزموج انگیخته (تحریک شده)؛ چیزی مانند لیزر.

واژه نامه:

supermassive black hole - barred spiral galaxy - NGC 1097 - Milky Way - Sgr A* - star - Johannes Kepler - Suns - black hole - ionized gas - megamaser - bulk - ALMA - cold molecular gas - proof-of-concept - Kyoko Onishi - Graduate University of Advanced Studies - Japan - National Astronomical Observatory of Japan - Atacama Large Millimeter/submillimeter Array - antenna - core - wavelength - molecule - HCN - formylium - HCO+ - M-sigma relation - - football - elliptical galaxy - Kartik Sheth - NRAO - Hubble Space Telescope - hydrogen cyanide

منبع: sky&telescope

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان