تلسکوپ جیمز وب مرگ کهکشانی دوردست به‌وسیله سیاه‌چاله‌اش را تایید کرد

وقتی تلسکوپ فضایی جیمز وب در روز کریسمس سال ۲۰۲۱ زمین را به سمت فضا ترک کرد، با انبوهی از پرسش‌های جالب روبه‌رو شد. ستاره‌شناس‌ها فهرست بزرگی از اهداف نجومی را داشتند و می‌خواستند آن‌ها را به‌لطف چشمان قدرتمند فروسرخ جیمز وب، در وضوح بی‌سابقه رصد کنند.

یکی از اهداف ستاره‌شناسان‌ها‌، کهکشان باستانی و عظیمی بود که اساساً مرده است و هیچ ستاره‌ی جدیدی را تشکیل نمی‌دهد. اکنون رصد این هدف به پایان رسیده و به‌لطف یافته‌های به‌دست‌آمده، تیمی بین‌المللی از دانشمندان سرانجام دریافته‌اند که چه بلایی بر سر این کهکشان خاموش آمده است.

رشد و تکامل کهکشان‌ها یکی از زمینه‌های کلیدی پژوهش در نجوم است. چگونه از بیگ‌بنگ به نقطه‌ای رسیدیم که کهکشان‌های کلان‌جرم مثل راه شیری در جهان فراوان‌ شدند؟ ستاره‌‌شناس‌ها آموخته‌اند که سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم (SMBH) در قلب کهکشان‌های سنگین قرار دارند و تأثیر زیادی بر کهکشان‌های خود می‌گذارند.

سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم، هسته‌ی کهکشانی فعال قدرتمندی (AGN) را در قلب کهکشان‌ها به وجود می‌آورند. وقتی یک SMBH مواد را به سمت خود می‌کشد، مواد در یک قرص برافزایشی جمع می‌شوند. مواد در این بخش به دماهای بسیار بالا می‌رسند و با انتشار انرژی در طیف الکترومغناطیسی یک AGN ایجاد می‌کنند که درخشش آن می‌تواند از کل کهکشان میزبان بیشتر شود.

هسته‌های کهکشانی فعال اجرام قدرتمندی هستند. براساس نظریه‌ها، این اجرام قدرت اختلال در تأمین گازهای سرد ستاره‌زایی را دارند و می‌توانند به شکل چشمگیری سرعت شکل‌گیری ستاره‌ها (SFR) را در کهکشان میزبان خود آهسته کنند. آن‌ها می‌توانند گازهای لازم برای شکل‌گیری ستاره‌ها را از کهکشان خارج کنند. دانشمندان به این وضعیت، خاموشی کهکشان می‌گویند.

دانشمندان از مدت‌ها پیش گمان می‌کردند که کهکشان‌ها توسط سیاه‌چاله‌های کلان‌جرمشان خاموش یا به اصطلاح کشته می‌شوند. اکنون، تلسکوپ جیمز وب کهکشانی کلان‌جرم و باستانی به نام GS-10578 را در انتقال به سرخ z=3.064 رصد کرده است. این کهکشان با نام مستعار پابلو شناخته می‌شود و درحدود دو میلیارد جرم خورشیدی را در خود جای داده است.

اما پابلو درحال‌حاضر در خاموشی به‌سر می‌برد؛ بدین معنی که بخش عمده فرآیند ستاره‌زایی آن بین ۱۲٫۵ میلیارد تا ۱۱٫۵ میلیارد سال پیش رخ داده است. بسیاری از کهکشان‌های محلی کلان‌جرم خاموش هستند و این یافته می‌تواند تأییدی بر نظریه‌ی خاموش‌سازی AGN باشد. به گفته‌ی روبرتو مایولینو، یکی از اعضای گروه پژوهشی:

در جهان آغازین اغلب کهکشان‌ها میزبان فرآیند ستاره‌زایی در حجم بالا بودند، بنابراین رصد کهکشان مرده‌ی کلان‌جرمی مربوط به آن دوره بسیار جالب توجه است. اگر این کهکشان زمان کافی داشته تا به این ابعاد بزرگ برسد، فرآیندی که باعث توقف ستاره‌زایی در آن شده احتمالا بسیار سریع رخ داده است.

پژوهشگرها با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب نشان دادند که سیا‌ه‌چاله‌ی کلان جرم در قلب کهکشان پابلو در حال خارج کردن مقادیر زیادی گاز با سرعت تقریبی ۳٫۵ میلیون کیلومتر است. برای درک بهتر جالب است بدانید این سرعت ۱۵۰۰ برابر بیشتر از بیشترین سرعت جت جنگنده اف ۱۶ لاکهید مارتین است.

گازها با چنان سرعت بالایی از سیاه‌چاله خارج می‌شوند که می‌توانند بر گرانش کهکشان غلبه کنند و درنتیجه برای همیشه از آن بگریزند. بسیاری از کهکشان‌های میزبان سیاه‌چاله‌های برافزایشی، بادهای سریعی از گاز دارند که از آن‌ها جاری می‌شود؛ اما در حالت عادی این بادها جرم اندکی دارند. تلسکوپ جیمز وب مؤلفه‌ی جدیدی را در بادهای کهکشان پابلو کشف کرده است که سایر تلسکوپ‌ها در اطراف کهکشان‌های فعال دیگر نادیده گرفته بودند.

مؤلفه‌ی گازی چگال یادشده، سردتر و چگال‌تر است؛ درنتیجه نور اندکی را منتشر می‌کند و به همین دلیل تلسکوپ‌های دیگر نمی‌توانند آن را ببینند. جیمز وب با حساسیت بی‌نظیرش توانست نور کهکشان‌های پس‌زمینه را مسدود و این جریان گازی متراکم را کشف کند.

براساس یافته‌ها، جرم جریان گازی کهکشان پابلو بیشتر از گاز لازم برای تشکیل ستاره‌های جدید است. این یافته کافی است تا ثابت کند سیاه‌چاله کلان‌جرم پابلو در حال نابودی فرآیند ستاره‌زایی در این کهکشان آغازین و دوردست است. به گفته‌ی دیوجینو:

ما مجرم را پیدا کردیم. این سیاه‌چاله کهکشانش را به قتل می‌رساند و با قطع منبع غذایی لازم برای تولد ستاره‌های جدید، آن را خاموش می‌کند.

با اینکه رصدهای جیمز وب، مدل‌های پیشین تکامل کهکشانی و نقش سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در خاموش‌شدن تولد ستاره‌ها را تأیید کردند، شگفتی‌های دیگری را نیز به دنبال داشت. در گذشته، مدل‌های نظری پیش‌بینی می‌کردند که پایان تولد ستاره‌ها می‌تواند اثری آشفته و بی‌نظم بر کهکشان‌ها داشته باشد و شکل آن‌ها را نابود کند. این حقیقت که به نظر می‌رسد ستاره‌ها در کهکشان پابلو هنوز به شیوه‌ای منظم در حال حرکت هستند نشان می‌دهد که این یافته همیشه صدق نمی‌کند.

پژوهشگرها به دنبال رصدهای جیمز وب از کهکشان پابلو می‌خواهند رصدها را با آرایه‌ی بزرگ میلی‌متری/زیرمیلی‌متری آتاکاما (ALMA) ادامه دهند که شامل ۶۶ تلسکوپ رادیویی مستقل در شمال شیلی است. این رصدها می‌توانند نشان دهند که آیا چیزی از گاز چگال و سرد در کهکشان پابلو باقی مانده است یا خیر. ستاره‌شناس‌ها همچنین می‌خواهند تأثیر سیاه‌چاله‌ی کلان‌جرم این کهکشان بر محیط‌های اطراف را آشکار کنند. مایولینو نتیجه می‌گیرد:

می‌دانستیم سیاه‌چاله‌ها تأثیر زیادی بر کهکشان‌ها دارند و شاید توقف شکل‌گیری ستاره‌ها توسط سیاه‌چاله‌ها پدیده‌ای رایج باشد، اما تا زمان جیمز وب قادر به تأیید این مسئله نبودیم. این یافته نشان می‌دهد جیمز وب جهشی بزرگ در جهت توانایی بررسی جهان آغازین و چگونگی تکامل آن است.