بزرگ‌ترین فواره سیاه‌چاله‌ای جهان ۱۴۰ برابر بزرگ‌تر از راه شیری است

سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم که در مرکز کهکشان‌ها قرار دارند صرفا تزئینی نیستند. پرتوهای شدیدی که هنگام تغذیه از این اجرام منتشر می‌شوند به دفع گاز و غباری کمک می‌کنند که در غیر این صورت می‌توانند باعث شکل‌گیری ستاره‌ها شوند. به‌این‌ترتیب می‌توانند رشد کهکشان را محدود کنند.

بااین‌حال تأثیر سیاه‌چاله‌ها فراتر از کهکشان میزبانشان است. بسیاری از سیاه‌چاله‌ها فواره‌هایی را تولید می‌کنند که در نمونه‌های کلان‌جرم می‌توانند مواد را به‌طور کامل از کهکشان خارج کنند. حالا پژوهشگرها در حال دستیابی به تصویری واضح‌تر از این پدیده هستند. آن‌ها می‌خواهند بدانند این فواره‌ها تا چه مسافتی می‌توانند از کهکشان خود خارج شوند.

پژوهشی جدید نشان می‌دهد که بزرگ‌ترین فواره‌های رصدشده، تا فاصله‌ی کلی ۲۳ میلیون سال نوری (هفت مگاپارسک) بسط پیدا می‌کنند. این فواره‌ها در چنین مسافت‌هایی می‌توانند به‌راحتی مواد را به کهکشان‌های دیگر و سرتاسر ماده‌ی تاریک که ساختار جهان را تشکیل می‌دهد، بفرستند.

فواره‌ها در محیطی پیچیده در نزدیکی سیاه‌چاله شکل می‌گیرند. گرمایش شدید مواد ورودی به سیاه‌چاله باعث یونیزه‌شدن و گرم شدن مواد می‌شود و درنهایت به ایجاد میدان‌های الکترومغناطیسی می‌انجامد که مانند شتاب‌دهنده‌ی ذره طبیعی عمل می‌کنند. این فرآیند باعث ایجاد فواره‌های ذراتی می‌شود که در کسری از سرعت نور حرکت می‌کنند.

درنهایت فواره‌ها با قدرت به مواد مجاور برخورد و موج‌های ضربه‌ای را ایجاد می‌کنند که این موج‌ها هم به نوبه‌ی خود باعث افزایش حرارت و شتاب مواد می‌شوند. به‌مرورزمان این فرآیند، تولید جریان‌های خروجی هماهنگ ماده در مقیاس بزرگ را به دنبال دارد به‌طوری‌که مقیاس یک فواره متناسب با ترکیبی از اندازه‌ی سیاه‌چاله و مقدار مواد ورودی به آن می‌شود.

کشف فواره‌ی جدید حاصل جستجویی سازماندهی شده برای فواره‌های بزرگ است که در طول موج رادیویی در رصدخانه‌‌ای موسوم به آرایه کم‌فرکانس (LOFAR) در اروپا انجام شده است. این رصدخانه بخش‌هایی از آسمان نیم‌کره‌ی شمالی را پوشش می‌دهد و داده‌های به دست‌آمده از آن به کمک یادگیری ماشین و شهروند دانشمندان داوطلب بررسی می‌شوند. در این برنامه بیش از ۱۱ هزار فواره شناسایی شده است که مسافت‌های مگاپارسکی را پوشش می‌دهند (هر مگاپارسک اندکی بیش از ۳ سال نوری است). نام پورفیریون برای بزرگ‌ترین فواره انتخاب شد که برگرفته از غولی در اساطیر یونان باستان است.

رصدهای بعدی اولیه شامل جستجوی کهکشانی بود که فواره‌ی مورد بحث را تولید کرد. دو جرم دقیقا در یک موقعیت درست قرار دارند، اما یکی از آن‌ها دارای گوشه‌هایی است که در راستای محور فواره‌ها کشیده شده‌اند و نشان می‌دهند که این کهکشان محتمل‌ترین منبع برای تولید فواره است. جرم این کهکشان تقریبا به ۱۰ برابر جرم راه شیری می‌رسد و براساس داده‌های طیف‌سنجی، تقریبا در فاصله‌ی ۶ میلیارد سال پس از بیگ‌بنگ یا نیمی از عمر جهان قرار دارد.

پژوهشگرها تخمین می‌زنند که طول ظاهری پورفیریون به ۶٫۴ مگاپارسک برسد. این مقدار تنها در صورتی نشانگر طول واقعی است که از زاویه‌ی عمودی به آن نگاه کنیم. براساس تخمین‌ها، فاصله‌ی فیزیکی واقعی اندکی بیش از ۷ مگاپارسک است، اما باز هم این اندازه‌گیری دقیق نیست.

پژوهشگرها با استفاده از مدلسازی تخمین می‌زنند که مواد داخل فواره‌ها تقریبا با سرعت ۰٫۰۱۲ برابر سرعت نور حرکت می‌کنند؛ به عبارت دیگر، نیم میلیارد سال طول می‌کشد تا به اندازه‌ی فعلی‌شان برسند؛ بنابراین سیاه‌چاله‌ای که این فواره‌ها را منتشر کرده دارای دوره‌ای طولانی تغذیه‌ی فعال بوده است. به‌طورکلی بر اساس تخمین‌ها مواد داخل فواره، انرژی خروجی ۱۰ به توان ۵۵ ژول را در فضای میان‌کهکشانی منتشر می‌کنند. این انرژی معمولا در برخورد خوشه‌های کامل کهکشانی دیده می‌شود.

یکی از شاخص‌ترین ویژگی‌های فواره‌ها حرکت مستقیمشان است؛ به‌طوری‌که مواد داخل آن‌ها تحت تأثیر هیچ کهکشان مجاوری قرار ندارند یا در تکه‌های نامنظم مواد میان‌کهکشانی پخش نمی‌شوند. براساس نتایج، مستقیم‌بودن به این معنا است که کهکشان میزبان در رشته‌ای از شبکه‌ی ماده تاریک قرار دارد که در جهان پخش شده و کشش گرانشی لازم برای جمع‌آوری مواد کافی و شکل‌گیری کهکشان‌ها را فراهم می‌کند. بنابراین پورفیریون با توجه به ابعادش، مواد را به طور کامل از رشته‌ی یادشده خارج کرده است و فواره‌ها در خلأیی با مواد بسیار اندک حرکت می‌کنند.

همان‌طور که در بالا هم اشاره شد، تعداد زیادی فواره عظیم وجود دارند. بااین‌حال به گفته‌ی پژوهشگرها، پورفیریون را به ندرت می‌توان بالای سطح نویز در تجهیزات رادیویی کنونی شناسایی کرد. اگر این فواره فقط اندکی کم‌انرژی‌تر بود یا در گذشته‌ی دورتری در تاریخ جهان قرار داشت نمی‌توانستیم آن را کشف کنیم.

همچنین گفتنی است که پروژه‌ی یادشده تنها ۱۵ درصد از کل آسمان شب را جستجو کرده و واضح است که تعداد زیادی از فواره‌ها با ابعاد مشابه را از دوران اولیه‌ی تاریخ جهان از قلم انداخته‌ایم. پژوهشگرها تخمین می‌زنند که هر رشته ماده تاریک در شبکه‌ی کیهانی احتمالا دارای یک جفت فواره در مقیاس مشابه بوده است.

یافته‌های فوق چه معنایی برای جهان دارند؟ این حقیقت که فواره‌ها مواد را از تار و پود کیهانی بیرون می‌کشند، به این معنا است که می‌توانند بر رشد کهکشان‌ها تأثیر بگذارند؛ اما مقیاس این فواره‌ها به این معنی است که مواد یک کهکشان می‌توانند راه خود را به کهکشانی کاملا متفاوت پیدا کنند. با توجه به این مسئله که رشته‌ها در اوایل تاریخ جهان به یکدیگر نزدیک‌تر بودند، ممکن است برخی مواد بین رشته‌ها در راستای فواره‌های سیاه‌چاله‌ای حرکت کرده باشند.

هنوز مشخص نیست که آیا فواره‌ها بر تکامل جهان تأثیر می‌گذارند یا خیر؛ اما این پژوهش نشان می‌دهد ارزیابی سیستم‌های فواره‌ای در مدل‌ها و بررسی تأثیر آن‌ها تا چه حد می‌تواند ارزشمند باشد.