كشف پرجرم ترين سياهچاله
كارل گبهارت و ينس توماس، اخترشناساني از دانشگاه تگزاس در آستين و مؤسسه فيزيك فراخورشيدي ماكس پلانك، با استفاده از روش هاي جديد شبيه سازي رايانه اي به اين پي بردند كه سياهچاله ي قلب كهكشان 87M، يكي از بزرگترين كهكشان هاي غول پيكر نزديك، دو يا سه بار پرجرم تر از چيزي است كه پيش تر تصور مي شد. اين سياهچاله، با جرم 4/6 ميليارد برابر خورشيد، پرجرم ترين سياهچاله اي است كه تا به حال وزن كشي شده و نشان مي دهد كه شايد جرم پذيرفته براي سياهچاله هاي درون ديگر كهكشان هاي بزرگ نزديك نيز به همين ارقام تغيير كند. اين براي نظريه هاي چگونگي شكل گيري و رشد كهكشان ها نتايجي به همراه دارد و شايد به حل ناسازنمايي قديمي در نجوم كمك كند.
اخترشناسان، براي درك شكل گيري و رشد كهكشان ها، نياز دارند كه از اطلاعات آماري ابتدايي درباره كهكشان هاي امروز آغاز كنند. از چه ساخته شده اند؟ بزرگي شان چقدر است؟ وزن شان چقدر است؟ اخترشناسان اين مورد آخري، جرم كهكشان، را با زمان سنجي سرعت ستاره ها درون كهكشان بدست مي آوردند.
به گفته ي تامس، «بررسي جرم كلي مهم است. اما نكته ي حياتي اين است كه ببينيم اين جرم در سياهچاله جمع شده است يا ستاره ها يا هاله ي تاريك. براي اينكه بدانيم كدام به كدام است بايد مدلي پيچيده را اجرا كنيم. هرچه اجزاء بيشتر باشند مدل هم پيچيده تر است.»
گبهارت و توماس براي شبيه سازي M87 از يكي از قدرتمندترين ابررايانه هاي جهان استفاده كردند:دستگاه لن استار در مركز پيشرفته ي رايانه دانشگاه تگزاس در آستين. لن استار 5840 هسته ي پردازش دارد و مي تواند 62 تريليون عمليات مميز شناور (point- floating) در هر ثانيه انجام دهد. (بهترين لپ تاپ هاي امروزي دو هسته دارند و مي توانند 10 ميليارد عمليات مميز شناور در هر ثانيه انجام دهند.)
شبيه سازي آنها ازM87 بسيار پيچيده تر از شبيه سازي هاي پيشين از اين كهكشان است زيرا، افزون بر شبيه سازي ستاره ها و سياهچاله اش، آنها «هاله ي تاريك» را هم درنظر گرفته اند؛ هاله ي تاريك ناحيه اي كروي در اطراف كهكشان است كه بسيار بيش از ساختار مرئي اصلي آن امتداد يافته و شامل ماده ي تاريك رازآميز است.
به گفته ي گبهارت، «در گذشته، هميشه فرض مان بر اين بود كه هاله ي تاريك قابل توجه است اما به وسايل محاسباتي براي بررسي آن دسترسي نداشتيم. پيش تر فقط مي توانستيم از ستاره ها و سياهچاله ها استفاده كنيم. اما وقتي موضوع به هاله ي تاريك رسيد آنقدر از نظر محاسباتي حساس شد كه مجبور به استفاده از ابررايانه بوديم.»
كهكشانM87 يكي از نخستين كهكشانهايي بود كه حدود سه دهه پيش مشخص شد داراي سياهچاله اي در مركز است. اين كهكشان همچنين داراي فوران هاي فعالي است كه حين گردش ماده به دور سياهچاله نور را به بيرون گسيل مي كندكه همين نور به دانشمندان کمک مي کند که نحوه ي جذب ماده توسط سياهچاله ها را بررسي كنند. همه ي اينها منجر به اين شده كه M87 به مرجع بررسي هاي سياهچاله هاي ابرپرجرم تبديل شود.
نتايج بدست آمده موجب اين نتيجه گيري شده كه جرم ديگر كهكشان ها نيز كمتر از واقع تخمين زده شده است.به گفته ي توماس، «اين نتيجه گيري براي يافتن ارتباط بين سياهچاله ها و كهكشان ها مهم است.اگر جرم سياهچاله را تغيير دهيم ارتباطش با كهكشان نيز عوض مي شود.» همين ارتباط تنگاتنگ سياهچاله ها با كهكشان مادرشان است كه به محققان امكان داده طي سال ها درباره ي تحول كهكشان ها بررسي هاي دقيقي انجام دهند.
جرم بالاتر سياهچاله ها در كهكشان هاي نزديك همچنين موجب حل ناسازنمايي درباره ي جرم اختروش ها مي شود. اختروش ها هسته هاي فعال در مركز كهكشان هاي بسيار دور دست و مربوط به دوراني در اوايل كيهان اند. وقتي مواد با حركتي مارپيچي به مركز اختروش نزديك مي شود موجب تابش شديد نور از افق رويداد مي شود و به همين سبب اختروش به روشني مي درخشد.
مشكل اينجا بود كه جرم سياهچاله هاي مركزي اختروش ها بسيار بالاست در حالي كه چنين جرم عظيمي را در ميان سياهچاله هاي نزديك نمي ديديم. اخترشناسان بيشتر بر اين باور بودند كه جرم هاي به دست آمده براي اختروش ها نادرست اند. اما حالا، با نتايج جديد، مشكل حل مي شود.
هرچند داده هاي جديد براساس شبيه سازي هاي رايانه اي است، رصدهاي اخير گبهارت و توماس با ابزارهاي قدرتمند جديد سوار بر تلسكوپ جميني شمالي و تلسكوپ بسيار بزرگ (VLT) رصدخانه ي جنوبي اروپا (ESO) اين نتايج را تأييد مي كنند.
نگاهي عميق تر به اعماق كهكشان 87M: بالا- چپ تصويري از آرايه ي بسيار بزرگ (VLA) فوران هاي راديويي گسيل شده را در ابعاد 200 هزار سال نوري نشان مي دهد. نمايي نزديك تر از هسته ي كهكشان. سياهچاله ي ابر پرجرم را نشان مي دهد (نقاشي پس زمينه). اندازه ي سياهچاله ي مركزي دو برابر منظومه ي شمسي و كسر كوچكي از ابعاد خود كهكشان است اما جرمي معادل 4/6 ميليارد برابر خورشيد دارد.
منبع:نشريه نجوم،شماره187
اخترشناسان، براي درك شكل گيري و رشد كهكشان ها، نياز دارند كه از اطلاعات آماري ابتدايي درباره كهكشان هاي امروز آغاز كنند. از چه ساخته شده اند؟ بزرگي شان چقدر است؟ وزن شان چقدر است؟ اخترشناسان اين مورد آخري، جرم كهكشان، را با زمان سنجي سرعت ستاره ها درون كهكشان بدست مي آوردند.
به گفته ي تامس، «بررسي جرم كلي مهم است. اما نكته ي حياتي اين است كه ببينيم اين جرم در سياهچاله جمع شده است يا ستاره ها يا هاله ي تاريك. براي اينكه بدانيم كدام به كدام است بايد مدلي پيچيده را اجرا كنيم. هرچه اجزاء بيشتر باشند مدل هم پيچيده تر است.»
گبهارت و توماس براي شبيه سازي M87 از يكي از قدرتمندترين ابررايانه هاي جهان استفاده كردند:دستگاه لن استار در مركز پيشرفته ي رايانه دانشگاه تگزاس در آستين. لن استار 5840 هسته ي پردازش دارد و مي تواند 62 تريليون عمليات مميز شناور (point- floating) در هر ثانيه انجام دهد. (بهترين لپ تاپ هاي امروزي دو هسته دارند و مي توانند 10 ميليارد عمليات مميز شناور در هر ثانيه انجام دهند.)
شبيه سازي آنها ازM87 بسيار پيچيده تر از شبيه سازي هاي پيشين از اين كهكشان است زيرا، افزون بر شبيه سازي ستاره ها و سياهچاله اش، آنها «هاله ي تاريك» را هم درنظر گرفته اند؛ هاله ي تاريك ناحيه اي كروي در اطراف كهكشان است كه بسيار بيش از ساختار مرئي اصلي آن امتداد يافته و شامل ماده ي تاريك رازآميز است.
به گفته ي گبهارت، «در گذشته، هميشه فرض مان بر اين بود كه هاله ي تاريك قابل توجه است اما به وسايل محاسباتي براي بررسي آن دسترسي نداشتيم. پيش تر فقط مي توانستيم از ستاره ها و سياهچاله ها استفاده كنيم. اما وقتي موضوع به هاله ي تاريك رسيد آنقدر از نظر محاسباتي حساس شد كه مجبور به استفاده از ابررايانه بوديم.»
كهكشانM87 يكي از نخستين كهكشانهايي بود كه حدود سه دهه پيش مشخص شد داراي سياهچاله اي در مركز است. اين كهكشان همچنين داراي فوران هاي فعالي است كه حين گردش ماده به دور سياهچاله نور را به بيرون گسيل مي كندكه همين نور به دانشمندان کمک مي کند که نحوه ي جذب ماده توسط سياهچاله ها را بررسي كنند. همه ي اينها منجر به اين شده كه M87 به مرجع بررسي هاي سياهچاله هاي ابرپرجرم تبديل شود.
نتايج بدست آمده موجب اين نتيجه گيري شده كه جرم ديگر كهكشان ها نيز كمتر از واقع تخمين زده شده است.به گفته ي توماس، «اين نتيجه گيري براي يافتن ارتباط بين سياهچاله ها و كهكشان ها مهم است.اگر جرم سياهچاله را تغيير دهيم ارتباطش با كهكشان نيز عوض مي شود.» همين ارتباط تنگاتنگ سياهچاله ها با كهكشان مادرشان است كه به محققان امكان داده طي سال ها درباره ي تحول كهكشان ها بررسي هاي دقيقي انجام دهند.
جرم بالاتر سياهچاله ها در كهكشان هاي نزديك همچنين موجب حل ناسازنمايي درباره ي جرم اختروش ها مي شود. اختروش ها هسته هاي فعال در مركز كهكشان هاي بسيار دور دست و مربوط به دوراني در اوايل كيهان اند. وقتي مواد با حركتي مارپيچي به مركز اختروش نزديك مي شود موجب تابش شديد نور از افق رويداد مي شود و به همين سبب اختروش به روشني مي درخشد.
مشكل اينجا بود كه جرم سياهچاله هاي مركزي اختروش ها بسيار بالاست در حالي كه چنين جرم عظيمي را در ميان سياهچاله هاي نزديك نمي ديديم. اخترشناسان بيشتر بر اين باور بودند كه جرم هاي به دست آمده براي اختروش ها نادرست اند. اما حالا، با نتايج جديد، مشكل حل مي شود.
هرچند داده هاي جديد براساس شبيه سازي هاي رايانه اي است، رصدهاي اخير گبهارت و توماس با ابزارهاي قدرتمند جديد سوار بر تلسكوپ جميني شمالي و تلسكوپ بسيار بزرگ (VLT) رصدخانه ي جنوبي اروپا (ESO) اين نتايج را تأييد مي كنند.
نگاهي عميق تر به اعماق كهكشان 87M: بالا- چپ تصويري از آرايه ي بسيار بزرگ (VLA) فوران هاي راديويي گسيل شده را در ابعاد 200 هزار سال نوري نشان مي دهد. نمايي نزديك تر از هسته ي كهكشان. سياهچاله ي ابر پرجرم را نشان مي دهد (نقاشي پس زمينه). اندازه ي سياهچاله ي مركزي دو برابر منظومه ي شمسي و كسر كوچكي از ابعاد خود كهكشان است اما جرمي معادل 4/6 ميليارد برابر خورشيد دارد.
منبع:نشريه نجوم،شماره187
