بیگ بنگ: تیمی از اخترشناسیان بتازگی موفق به ارائه مدل جدیدی شده‌اند که می‌تواند طیف گوناگونی از مشاهداتِ مربوط به ساختار کهکشان‌ها، سیاهچاله‌های غول‌پیکر و پایان فرایند ستاره‌زایی را با موفقیت توضیح دهد.

توضیح عکس: نظریه جدید توضیح می‌دهد که سیاهچاله‌ها چطور به عنوان تابعی از جرم کهکشان رشد کرده و سرانجام به فرایند ستاره‌زایی در کهکشان‌های میزبان خاتمه می‌دهند. تصاویری که در این شکل مشاهده می‌کنید، به کهکشان‌های نزدیک در حال حاضر تعلق دارند و با در پروژه «بررسی دیجیتال آسمان اسلون» تهیه شده‌اند. تکامل کهکشان‌ها در این تصاویر دیده می‌شود. در این شکل، تفاوتِ تکامل کهکشان‌های متراکم و کوچک با کهکشان‌های پراکنده و بزرگ نشان داده شده است. کهکشان‌های چگال‌تر دارای سیاهچاله‌های بزرگتری هستند، در حالی که کهکشان‌های پراکنده سیاهچاله‌های کوچکتری در ازای جرم‌شان دارند و باید قبل از خاموش شدن به مقدار زیادی رشد کنند. بر اساس این نظریه جدید، کهکشان راه شیریِ ما در نقطه‌ای حساس به سر می‌برد و انتظار می‌رود سیاهچالۀ آن تا سه برابر دیگر هم بزرگتر شود.

به گزارش بیگ بنگ، مقایسۀ میان هاله‌های کهکشانی و سیاهچاله مرکزی‌شان که نهایتاً به اِتمام فرایند ستاره‌زایی ختم می‌شود، در این مدل جدید توضیح داده شده است. اخترشناسانی که مشغول مطالعه تکامل کهکشان‌ها هستند، از مدت‌ها پیش در پی بررسی این موضوع هستند که چه عاملی باعث می‌شود فرایند ستاره‌زایی در کهکشان‌های غول‌پیکر پایان پذیرد. اگرچه نظریه‌های گوناگونی برای تبیین این فرایند پیشنهاد شده است، اما هنوز هیچ اتفاق نظری در خصوص ارائه یک مدل رضایت‌بخش و مقبول همه وجود ندارد. حال، یک تیم بین‌المللی از دانشمندان به سرپرستی “ساندرا فابر” «استاد بازنشسته اخترشناسی و اخترفیزیک» در دانشگاه کالیفرنیا موفق به ارائه مدل جدید شده‌اند که می‌تواند طیف گوناگونی از مشاهداتِ مربوط به هاله‌های کهکشانی، سیاهچاله‌های غول‌پیکر و فرایند ستاره‌زایی را با موفقیت توضیح دهد.

این مدل از یک ایدۀ مهم درباره پایان فرایند ستاره‌زایی پشتیبانی می‌کند. این ایده پایان فرایند ستاره‌زایی را به فیدبک (بازخورد) سیاهچاله نسبت می‌دهد؛ یعنی انرژی منتشر شده به درون کهکشان یا پیرامون آن از طریق سیاهچاله غول‌پیکر مرکزی. این رویداد زمانی اتفاق می‌افتد که مواد به درون سیاهچاله کشیده شده و زمینه برای رشد بیش از پیش آن فراهم می‌شود. این فیدبک پرانرژی باعث افزایش دما، پرتاب مواد به بیرون و یا ایجاد اختلال در تامین گاز کهکشان می‌شود. در چنین شرایطی، از ورود گاز از هاله کهکشان جلوگیری به عمل آمده و فرایند ستاره‌زایی خاتمه می‌یابد.

“فابر” این چنین توضیح می‌دهد: «ایدۀ اصلی این است که در کهکشان‌هایی که فرایند ستاره‌زایی به انجام می‌رسد، سیاهچاله مرکزی به مثابه انگلی است که رشد کرده و سرانجام میزبان خود را از پای در می‌آورد. این موضوع قبلاً نیز ذکر شده، اما به سرنخ‌هایی کافی نرسیده‌ایم که نشان دهد چه زمانی سیاهچاله به اندازه کافی بزرگ می‌شود تا زمینه را برای پایان ستاره‌زایی در کهکشانِ میزبان خود فراهم کند. حال، یک سری قواعد کمّی داریم که می‌تواند مشاهدات‌»مان را به خوبی تبیین نماید.

اندازه و جرم

ایدۀ اصلی به بررسی رابطه میان جرم ستارگان در کهکشان، میزان پراکندگی آن ستارگان و جرم سیاهچاله مرکزی می‌پردازد. برای آن دسته از کهکشان‌هایی که کماکان مشغول تولید ستاره هستند، می‌توان به این نکته اشاره کرد که تراکم ستارگان در مرکز کهکشان با شعاع کهکشان همبستگی دارد؛ بنابراین، کهکشان‌هایی که شعاع بزرگتری دارند، تراکم ستاره‌های مرکزی در آنها کمتر است. با فرض اینکه جرم سیاهچاله مرکزی با تراکم ستاره‌های مرکزی قابل مقایسه و بررسی است، می‌توان گفت که کهکشان‌هایی که ستاره‌زایی در آنها رخ می‌دهد، جرم سیاهچاله‌شان کمتر خواهد بود.

“فابر” افزود: «یعنی کهکشان‌های بزرگتر باید بیشتر به تکامل رسیده و به جرم ستاره‌ای بالاتری دست یابند، قبل از اینکه سیاهچاله‌های مرکزی‌شان بتواند به قدر کافی رشد کند و به فرایند ستاره‌زایی پایان دهد. بنابراین، کهکشان‌هایی که شعاع کوچکتری دارند، نسبت به کهکشان‌هایی که شعاع بزرگتری دارند، با جرم کمتری فرونشانده می‌شوند. این بینش جدیدی است که به آن دست یافته‌ایم. اگر کهکشان‌هایی که شعاع بزرگتری دارند، سیاهچاله‌های کوچکتری داشته باشند، و اگر فیدبک سیاهچاله برای پایان بخشیدن به ستاره‌زایی حائز اهمیت باشد، در این صورت کهکشان‌هایی که شعاع بزرگتری دارند، باید بیشتر تکامل پیدا کنند. اگر همه این فرضیه‌ها را کنار هم بگذارید، می‌توانید به روندهای تکاملی خوبی در ویژگی‌های ساختاری کهکشان‌ها دست پیدا کنید.»

برای مثال، نظریۀ جدید توضیح می‌دهد که چرا کهکشان‌های غول‌پیکری که فاقد فرایند ستاره‌زایی هستند، از تراکم ستاره‌های مرکزی بسیار بیشتری برخوردارند، شعاع‌شان بزرگتر است و سیاهچاله‌های بزرگتری در آن وجود دارند. بر اساس این مدل، محققان به این نتیجه رسیدند که اتمام ستاره‌زایی زمانی اتفاق می‌افتد که کل انرژی ساطع شده از سیاهچاله تقریباً چهار برابر بیشتر از انرژی پیوند گرانشی گاز در هاله کهکشانی باشد. انرژی پیوندی به نوعی نیروی گرانشی اطلاق می‌شود که گاز را درون هاله ماده تاریک نگه می‌دارد. پایان فرایند ستاره‌زایی زمانی روی می‌دهد که کل انرژی آزاد شده از سیاهچاله، 20 برابر بیشتر از انرژی پیوندی گاز در هاله کهکشانی باشد.

فرایندهای فیزیکی

“فابر” بر این موضوع تاکید داشت که این مدل هنوز قادر نیست به طور جامع مکانیزم‌های فیزیکیِ دخیل در پایان فرایند ستاره‌زایی را تبیین نماید. او خاطرنشان کرد: «آن دسته از فرایندهای فیزیکیِ بسیار مهمی که نظریه فعلی به آنها اشاره می‌کند، هنوز به خوبی و به طور کامل درک نشده‌اند. اما مزیتِ کار در این است که برخورداری از قوانین ساده برای هر یک از مراحل در این فرایند می‌تواند دانشمندان را به چالش بکشد تا نهایتاً از مکانیزم‌های فیزیکیِ دخیل در هر یک از مراحل سر در بیاورند.»

اخترشناسان معمولاً عادت دارند بر حسب نمودارهایی فکر کنند که روابط میان ویژگی‌های مختلف کهکشان‌ها و چگونگی تغییر آنها در گذر زمان را نشان می‌دهد. این نمودارها به تفاوت‌های بنیادین در ساختار میان کهکشان‌های ستاره‌زا و غیرستاره‌زا و مرزهای ظریف میان آنها اشاره می‌کنند. چون فرایند ستاره‌زایی نور قابل ملاحظه‌ای در انتهایِ آبیِ طیف رنگی منتشر می‌کند، اخترشناسان از «کهکشان‌های ستاره‌زای آبی»، کهکشان‌های غیرفعال «قرمز» و «درّه سبز» بعنوان گذار میان آنها اشاره می‌کنند. اینکه هر کهکشان در چه مرحله از ستاره‌زایی قرار دارد، با سرعت ستاره‌زاییِ آن مشخص می‌شود.

محققان همچنین به این نتیجه رسیدند: وقتی کهکشان از یک مرحله به مرحله دیگری وارد شده و بیشتر تکامل می‌یابند، سرعت رشد سیاهچاله‌ها باید تغییر کند. مشاهدات نشان می‌دهد که بخش اعظم رشد سیاهچاله در درۀ سبز به وقوع می‌پیوندد؛ یعنی زمانی که کهکشان‌ها به تدریج غیرفعال شده و فرایند تولید ستاره در آنها رو به افول می‌گذارد.

“فابر” و همکارانش برای چندین سال متمادی است که این مسائل را مورد بحث و بررسی قرار داده‌اند. “فابر” از سال 2010 حضور فعالی در پروژۀ بررسی کهکشان «تلسکوپ فضایی هابل» داشته است. این محققان به داده‌های ارزشمندی از آن سال تاکنون دست پیدا کرده‌اند. این محقق در پروژه CANDLES نیز نقش موثری ایفا کرده است. او در پی تجزیه و تحلیل داده‌های پروژه CANDLES مشارکت و همکاری نزدیکی با یکی دیگر از تیم‌های علمی داشت. این تیم را استاد بازنشسته دانشگاه کالیفرنیا «جول پریماک» مدیریت می‌کرده است. این محققان موفق شدند تکامل هاله‌های “ماده تاریک” را در مورد شبیه‌سازی قرار دهند.

مهم‌ترین ایده‌های دانشمندان در مقاله حاضر به پاس تجزیه و تحلیل داده‌های CANDLES به دست آمد. این داده‌ها حدود چهار سال پیش مورد توجه ویژۀ “فابر” قرار گرفت. او اینگونه گفته است: «این داده‌ها ناگهان جرقه‌ای در ذهن من ایجاد کردند، و من به این نتیجه رسیدم که اگر همه این‌ها را کنار هم قرار دهیم، می‌توانیم مرزهای باریکی را که در نمودار ساختار کهکشان‌ها وجود دارد، بخوبی توضیح دهیم.»

در حین انجام این پروژه، “فابر” به صورت مداوم به چین مسافرت می‌کرد؛ او در کشور چین به فعالیت‌های تحقیقاتی و سایر امور مشغول بود. او به طور پیوسته با یکی از اساتید مدعو دانشگاه شانگهای نرمال دیدار می‌کرد. در همین حین بود که با نویسنده اول مقاله «ژو چِن» آشنا شد. چِن در سال 2017 بعنوان استاد مدعو به دانشگاه کالیفرنیا آمد و فعالیت خود را با فِیبر آغاز کرد تا این ایده‌ها را درباره پایان فرایند ستاره‌زایی ارائه نمایند. فابر در توصیف چِن این طور می‌گوید: «او واقعاً تسلط فوق‌العاده‌ای در ریاضی دارد، بهتر از من است، مسئولیت همه محاسبات این مقاله نیز بر عهده وی بود.»

“فابر” در پایان گفت: «کهکشان راه شیری و آندرومدا تقریباً جرم ستاره‌ای یکسانی دارند، اما سیاهچاله آندرومدا 50 برابر بزرگتر از سیاهچالۀ راه شیری است. این ایده که می‌گوید سیاهچاله‌ها در دره سبز به میزان بیشتری رشد می‌کنند، می‌تواند نقش خوبی در توضیح این راز داشته باشد. کهکشان راه شیری در حال ورود به دره سبز است و سیاهچاله آن هنوز خیلی کوچک است، اما آندرومدا در حال خروج از این ناحیه است، و سیاهچالۀ آن به قدر کافی بزرگ شده است. این کهکشان فعالیت کمتری در مقایسه با کهکشان ما دارد.» جزئیات بیشتر این پژوهش در Astrophysical Journal منتشر شده است.

ترجمه: منصور نقی‌لو/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: scitechdaily.com