کوآزارها، درخشان ترین اشیا در آسمان

مقاله ای درخشان از سایت Popular Mechanics

ترجمه، خلاصه و ساده سازی: اصغر ناصری

در آوریل 2023 ستاره شناسان پدیده ای شگرف را مشاهده کردند: ادغام دو کهکشان که 3 میلیارد سال پس از مهبانگ صورت گرفته است.

این برخورد که با استفاده از آرایه وسیعی از رصدخانه های زمینی و فضایی مشاهده شد، در طی دوره تولد شدید ستارگان روی می دهد که به ظهر کیهانی از آن تعبیر می شود. این برخورد تنها به تولد تعداد زیادی ستاره منجر نمی شود، بلکه برخوردهای کهکشانی از این نوع سوخت لازم برای کوآزارها، اجرام کیهانی بسیار نیرومندی که می توانند درخشندگی بیش از تمامی ستارگان کهکشان میزبان خود داشته باشند، فراهم می کنند.

کوآزارها زیررده ای از هسته های فعال کهکشانی (AGN) هستند، یعنی قلب کهکشان های بزرگی که بسیار فعال و درخشانند. تمامی کوآزارها AGN محسوب می شوند ولی تمامی AGN ها کوآزار نیستند.

اکنون می دانیم کوآزارها سیاهچاله هیا بسیار جسیم (supermassive black holes) هستند که توسط حجم عظیمی از گاز و غبار احاطه شده اند. این مواد ضمن سقوط به درون سیاهچاله سرعتهایی نزدیک به نور پیدا می کنند و در اثر گرمای زیاد شروع به تابش با شدتی فوق العاده زیاد می نمایند. برخوردهای کهکشانی از این دست گاز و غبار میان ستاره ای را به درون سیاهچاله ای مرکزی پرتاب کرده و منجر به درخشندگی فوق العاده آنها می شوند.

اما منبع توان کوآزارها اغلب کاملا روشن نیست. با وجود اینکه کوآزارها قدرتمندترین رویدادهای عالم بوده و درخشندگی آنها بر کل کهکشان میزبان می چربد، همچنان رازآمیز باقی مانده اند.

کشف این حقیقت که کوآزارها ستاره نیستند

نام quasar مخفف quasi-stellar radio source یا منبع رادیویی شبه ستاره ای است. این عنوان وقتی به آنها اطلاق شد که ستاره شناسان رادیویی آنها را در دهه 1950 و 60 رصد کردند. اولین کوآزار 3C273 در سال 1962 معرفی شد. لیکن دانشمندان در شگفت بودند کدام منبع می تواند چنین تابش بلند مدت و پرتوانی داشته باشد. یک ستاره منفرد قادر به چنین کاری نیست.

 

تصویری از 3C273، اولین کوآزاری که شناخته شد. این تصویر توسط دوربین میدان عمیق هابل در 2013 گرفته شده است. این کوآزار در مرکز کهکشان عظیم بیضوی در صورت فلکی ویرگو قرار دارد و یکی از نزدیکترین کوآزارها به زمین است.

نهایتا دانشمندان کشف کردند که ویژگی های غریب در طیف 3C 273 ناشی از شیئی است که 9 میلیارد سال نوری از زمین فاصله دارد. حالا می دانیم که نور حاصل از این کوآزار 2 تریلیون بار درخشان تر از خورشید است.

یک ویژگی حیرت آور کوآزارها این است که درخشندگی آنها بسرعت تغییر می کند. این تغییر سریع بدین معناست که قطر آنها بیشتر از پهنای دستگاه خورشیدی نیست. یک شیء کیهانی نمی تواند سریعتر از زمانی که نور برای طی پهنای آن دارد تغییر درخشندگی دهد. کوآزارها در مدت چند روز تغییر درخشندگی می دهند پس پهنای انها نیز باید در حد چند روز نوری باشد.

تشعشع بسیار نیرومند کوآزارها فشاری رو به بیرون وارد می کند که برای مقابله با آن و جلوگیری از متلاشی شدن کوآزار باید یک نیروی گرانشی فوق العاده عظیم وجود داشته باشد. بنابراین کوآزارها باید جرمی به واقع بسیار عظیم داشته باشند، حداقل معادل 100 میلیون ستاره!

 

تصویری از دو کوآزار که تنها 10 هزار سال نوری از هم فاصله دارند و هرکدام در مرکز کهکشان در حال ادغام خود قرار گرفته اند.

در اینجا یک پرسش پیش می آید: چه نوع جرم آسمانی می تواند جرمی معادل 100 میلیون ستاره و تابندگی در حد 100 میلیارد ستاره داشته باشد؟

روشن است که یک ساره منفرد نمی تواند چنین جرم و اندازه یا داشته باشد. بنابراین تنها یک داوطلب باقی می ماند: سیاهچاله های ابرجسیم.

خوراک دادن به ابرسیاهچاله های مرکز کهکشانها

سیاهچاله های ابرجسیم رویدادهای فضا-زمانی هستند که در قلب بیشتر کهکشانها نشسته اند. آنها می توانند جرمی معادل میلیونها و حتی میلیاردها خورشید داشته باشند که در فضایی به اندازه پهنای دستگاه خورشیدی فشرده شده است.

برای مثال ابرسیاهچاله مرکز کهکشان M87، اولین سیاهچاله ای که در سال 2019 بطور مستقیم مورد مشاهده قرار گرفت، جرمی معادل شش و نیم میلیارد خورشید دارد که در فضایی به پهنای 38 میلیارد کیلومتر فشرده شده است.

به علت گرانش عظیم خود، ابرسیاهچاله ها ماده را بسوی خود می کشند. این ماده دیسک های چرخان عظیم به دور سیاهچاله می سازد که طی فرایندی به نام درآشامیدن (accretion) به درون سیاهچاله سقوط می کند. ذرات ماده در طی سقوط با هم اصطکاک می یابند و این فرایند ماده را به حد میلیونها درجه سلسیوس داغ می کند. در نتیجه تشعشعی در گستره طیف الکترومغناطیس از طیف مرئی تا اشعه ایکس پرتوان تولید می شود.

کوآزارها اغلب در کهکشانهایی بسیار دوردست قرار دارند که به فاصله کمی از مهبانگ بوجود آمده اند. زیرا در آن زمان که عالم هنوز جوان و متراکم تر بوده، کهکشانها آنقدر غنی از ماده بوده اند که می توانستند سوخت فراوانی برای کوآزارها فراهم کنند.

مرکز کهکشان ما چگونه است؟

تصویر زیر مکان ما در کهکشان راه شیری را نشان می دهد. همانگونه که دیده می شود ما در نزدیک انتهای یکی از بازوهای مارپیچی این کهکشان زندگی می کنیم. ما هرگز نخواهیم توانست تصویری کلی از کهکشان راه شیری بدست آوریم زیرا درون این کهکشان مارپیچی عظیم که حدود 100 هزار سال نوری پهنا دارد زندگی می کنیم.

اگر شما در مرکز کهکشان راه شیری زندگی می کردید، آسمانی بالای سر شما بود که یک میلیون بار درخشان تر می نمود. نزدیکترین ستاره به خورشید ما حدود 4.5 سال نوری از آن فاصله دارد. در حالی که در مرکز کهکشان ستاره ها تنها 0.4 تا 0.04 سال نوری از هم فاصله دارند.در منطقه یا از درون کهکشان به پهنای 10 هزار سال نوری ساختار مارپیچی آن در در هم می شکند و به یک برآمدگی متراکم از ستارگان تبدیل می شود. در قلب کهکشان راه شیری یک ابرسیاهچاله با جرمی 4 میلیون برابر خورشیذ قرار دارد که Sagittarius A* نامیده می شود. این غول گرانشی یک سیاهچاله ابرجسیم نسبتا خاموش است. برخی کهکشان ها سیاهچاله هایی به مراتب جسیم تر دارند که منشا تابش اشعه ایکس و گامای بسیار نیرومندی هستند. درخشندگی مرکز برخی از این کهکشان ها تابندگی کل کهکشان را تحت تاثیر قرار می دهد. 

تصویر پانوارامایی از کهکشان راه شیری، یا به عبارتی هرآنچه از کهکشان خود می توانیم ببینیم.

منبع اصلی:

https://webbtelescope.org/contents/articles/what-is-the-center-of-our-galaxy-like

مرکز کهکشان ما چگونه است؟

تصویر زیر مکان ما در کهکشان راه شیری را نشان می دهد. همانگونه که دیده می شود ما در نزدیک انتهای یکی از بازوهای مارپیچی این کهکشان زندگی می کنیم. ما هرگز نخواهیم توانست تصویری کلی از کهکشان راه شیری بدست آوریم زیرا درون این کهکشان مارپیچی عظیم که حدود 100 هزار سال نوری پهنا دارد زندگی می کنیم.

اگر شما در مرکز کهکشان راه شیری زندگی می کردید، آسمانی بالای سر شما بود که یک میلیون بار درخشان تر می نمود. نزدیکترین ستاره به خورشید ما حدود 4.5 سال نوری از آن فاصله دارد. در حالی که در مرکز کهکشان ستاره ها تنها 0.4 تا 0.04 سال نوری از هم فاصله دارند.در منطقه یا از درون کهکشان به پهنای 10 هزار سال نوری ساختار مارپیچی آن در در هم می شکند و به یک برآمدگی متراکم از ستارگان تبدیل می شود. در قلب کهکشان راه شیری یک ابرسیاهچاله با جرمی 4 میلیون برابر خورشیذ قرار دارد که Sagittarius A* نامیده می شود. این غول گرانشی یک سیاهچاله ابرجسیم نسبتا خاموش است. برخی کهکشان ها سیاهچاله هایی به مراتب جسیم تر دارند که منشا تابش اشعه ایکس و گامای بسیار نیرومندی هستند. درخشندگی مرکز برخی از این کهکشان ها تابندگی کل کهکشان را تحت تاثیر قرار می دهد. 

تصویر پانوارامایی از کهکشان راه شیری، یا به عبارتی هرآنچه از کهکشان خود می توانیم ببینیم.

منبع اصلی:

https://webbtelescope.org/contents/articles/what-is-the-center-of-our-galaxy-like

سیاهچاله ها

اجازه ندهید نام سیاهچاله شما را  به اشتباه بیاندازد. یک سیاهچاله فضایی خالی نیست. بلکه حجم بزرگی ماده است که در فضایی بسیار کوچک متراکم شده است. به این بیاندیشید که ستاره ای ده بار پرجرم تر هز خورشید به اندازه شهر نیویورک فشرده شود. نتیجه میدان گرانشی چنان عظیم خواهد بود که هیچ چیز حتی نور نمی تواند از آن بگریزد. در سالهای اخیر ابزارهای علمی ناسا و دیگر سازمان های فضایی دنیا توانسته اند تصویر جدیدی از این اشیای غریب فراهم کنند که برای بسیاری، شگفت انگیزترین اجرام فضایی هستند.

ایده شیئی در آسمان به اندازه ای جسیم و چگال که نور نتواند از سطح آن بگریزد چندین قرن برای انسان آشنا بوده است. وجود سیاهچاله ها توسط نظریه نسبیت عام اینشتاین پیش بینی شده بود که نشان می دهد وقتی یک ستاره جسیم می میرد، در پی خود یک هسته کوچک و بسیار چگال باقی می گذارد. اگر جرم هسته باقیمانده یک ستاره پس از مرگ آن، بیش از سه برابر جرم خورشید باشد، معادلات میدان نشان می دهند که نیروی گرانش بر همه نیروهای دیگر غلبه کرده و یک سیاهچاله خلق می کند.

تصور هنرمند از فضای پیرامون یک سیاهچاله

دانشمندان نمی توانند به کمک تلسکوپ هایی که نور مرئی، اشعه ایکس یا سایر اشکال تابش الکترومغناطیس را آشکارسازی می کنند، به تماشای سیاهچله ها بپردازند. لیکن می توانیم با مطالعه اثر آنها بر سایر اجرام نزدیک به بودن آنها پی ببریم. اگر یگ سیاهچاله از درون ابری از مواد میان ستاره ای بگذرد، ماده را در فرایندی به نام درآشامیدن (accretion) به درون خود خواهد کشید. اگر ستاره ای معمولی از نزدیکی یک سیاهچاله بگذرد فرایند مشابهی روی خواهد داد. همچناکه ماده بسوی سیاهچاله فروافتاده، شتاب گرفته و گرم می شود، تابش اشعه ایکس قدرتمندی گسیل می کند. شواهد جدید نشان می دهند که سیاهچاله ها موجب ارسال انفجاری اشعه گاما از ماده فروبلعیده می شوند و باعث تولید ستاره های جدید در برخی نواحی می گردند.

پایان یک ستاره، آغاز یک سیاهچاله

بیشتر سیاهچاله ها از بقایای یک ستاره بزرگ پس از انفجار ابرنوستاره ای آن بوجود می آیند (ستارگان کوچکتر، به ستارگان نوترونی چگال تبدیل می شوند که برای به دام انداختن نور بقدر کافی جسیم نیستند). اگر جرم بقایای انفجار ابرنوستاره بیش از سه برابر جرم خورشید باشد، مطابق نظریه هیچ نیرویی نمی تواند از فروریزش گرانشی آن جلوگیری کند. لیکن با فروریزش ستاره اتفاق عجیبی رخ می هد. با نزدیک شدن سطح ستاره به یک سطح موهومی به نام افق رویداد (event horizon)، زمان روی ستاره نسبت به ناظران دوردست کندتر می شود. با رسیدن سطح ستاره به افق رویداد زمان متوقف می شود و ستاره دیگر بیش از آن چگالیده نمی شود. وقتی یک سیاهچاله و یک ستاره نوترونی با هم برخورد می کنند سیاهچاله جسیم دیگری ایجاد می شود.

افق رویداد یک سیاهچاله

سیاهچاله های ابرجسیم

اما یک راز بزرگ باقی می ماند. بنظر می رسد دو نوع سیاهچاله با تفاوت مقیاس عظیمی وجود دارند. از یک سو تعداد بی شماری سیاهچاله وجود دارند که از بقایای ستارگان جسیم تشکیل شده اند. این سیاهچاله های با "جرم ستاره ای" (stellar mass black holes) جرمی بین 10 تا 24 برابر خورشید دارند. دانشمندان وقتی آنها را آشکارسازی می کنند که اقدام به بلعیدن ماده پیرامون خود می نمایند. تخمین تعداد واقهی این سیاهچاله ها امر بسیار دشواری است لیکن دانشمندان حدس می زنند تعداد آنها تنها در کهکشان راه شیری باید بین 10 میلیون تا یک میلیارد عدد باشد.

در سوی دیگر این طیف غولهایی به نام سیاهچالگان ابرجسیم (supermassive black holes) وجود دارند که می توانند میلیونها و حتی بیلیون ها بار جسیم تر از خورشید باشند. ستاره شناسان بر این باورند که سیاهچاله‌های ابرجسیم در مرکز تقریبا تمامی کهکشان های بزرگ قرار دارند، حتی در مرکز کهکشان راه شیری ما. در مرکز کهکشان ستارگان بسیار به هم نزدیکترند. فاصله برخی ستارگان در مرکز یک کهکشان به حدود 400 میلیارد کیلومتر می رسد و اگر در مرکز کهکشان راه شیری زندگی می کردید آسمان شب را یک میلیون بار روشن تر می دیدید.

در چنین تراکم دهشتناکی از ستارگان، سیاهچاله مرکز کهکشان می تواند به آسانی گاز و غبار فراوانی را از ستارگان اطراف خود ببلعد. این مواد هنگام سقوط به سوی سیاهچاله به سرعتهایی نزدیک به نور می رسند و انرژی عظیم جنبشی آنها به شکل تابش اشعه ایکس و حتی گاما به دو طرف قرص سیاهچاله منتشر می شود. این تشعشع انفجاری تابش که قابل آشکارسازی است مهمترین دلیل بر وجود یک ابرسیاهچاله در مرکز هر کهکشان بزرگ است.

تنها تعداد انگشت شماری سیاهچاله ابرجسیم توسط دانشمندان کشف شده اند، لیکن در سراسر گیتی باید میلیاردها عدد از این غولهای گرانشی موجود باشد.

در مورد نحوه شکل گیری سیاهچاله های ابرجسیم نظریات مختلفی وجود دارد، از جمله برخورد چندین سیاهچاله و تلفیق آنها با یکدیگر. لیکن شیوه پیدایش آنها هنوز راز بزرگی باقیمانده است.

بزرگترین سیاهچاله ابرجسیمی که تاکنون کشف شده، TON 618 نام دارد که در فاصله 10.8 میلیارد کیلومتری زمین قرار دارد. این غول گرانشی بیش از 60 میلیارد برابر خورشید جرم دارد و در حقیقت یک کوآزار در مرکز کهکشان خود است.

نقطه درخشان آبی رنگ در مرکز تصویر کوازار حاوی ابرسیاهچاله TON 618 را نشان می دهد.

منابع اصلی:

https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/black-holes

https://www.space.com/supermassive-black-hole