تشکیل سیاه چاله های ابرسنگین اولیه

شبیه سازی تشکیل سیاه‌چاله‌های ابرسنگین در آغاز عالم

ایجاد سیاه چاله های ابرسنگین در عالم آغازین

ایجاد سیاه چاله های ابرسنگین در عالم اولیه

زمانی که کیهان هنوز در دوران کودکی خود بود، یعنی در کمتر از یک میلیارد سالگی‌اش؛ برخی از ستارگان فوقِ سنگینش به سیاه‌چاله‌هایی بسیار عظیم و بزرگ تبدیل شدند. یکی از رازهای کلیدی در اخترشناسی این است که:‌ «چرا در کیهانِ آغازین سیاه‌چاله‌های ابَرسنگین به تعداد زیاد وجود داشته‌اند؟»

مطالعات جدید که توسط بنیاد ملی علم انجام شده است (این مطالعات تحت حمایت مالی ناسا و کمک‌های کمیسیون اروپا انجام شده) پیشنهاد می‌کند که سیاه‌چاله‌های سنگین هنگامی رشد کرده و بزرگ می‌شوند، که کهکشان‌ها به سرعت تشکیل شوند. یعنی سرعت تشکیل کهکشان‌ها در آن عالمِ آغازین بالا باشد. این پژوهش و یافته‌ها بر اساس «شبیه‌سازی رنسانس» انجام شده است.

تأثیر سرعت تشکیل کهکشان‌ها:

شبیه‌سازی‌های رنسانس جامع‌ترین شبیه‌سازی‌هایی است که ابتدایی‌ترین مراحلِ گردهم‌آوری و برهمکنش گرانشیِ گاز اولیه‌ای را نشان می‌دهد که پس از مهبانگ، منجر به تشکیل اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها شده است. این گاز ابتدایی، ترکیبی از هیدروژن، هلیوم و ماده تاریک سرد است.

این مطالعاتِ مبنی بر شبیه‌سازی، که در ۲۳ ژانویه ۲۰۱۹ در نشریه نیچر منتشر شد؛ همچنین بیان می‌کند که وجود سیاه‌چاله‌های ابرسنگین خیلی بیش از آن‌چه که قبلا تصور می‌شد، رایج هستند.

بر اساس سناریویی که به تازگی در این شبیه‌سازی کشف شده این معیار کلیدی که: «تعیین مکان سیاه‌چاله‌های سنگینی که در دوران کودکی کیهان شکل گرفته‌اند، وابسته به رشد سریع ابرهای گازیِ پیش ـ کهکشانی‌ای است که پیشگام تشکیل کهکشان‌های امروزی هستند» بدین معنی است که سیاه‌چاله‌های ابرسنگین در عالم آغازین، منشأ یکسانی داشته‌اند.

برای تشکیل یک کهکشان به ستاره‌ها نیاز است، که این ستاره‌ها از درون ابرهای گازی متولد می‌شوند. اما به ماده‌ای نامرئی که همانند چسبی این ستاره‌ها را نگاه می‌دارد تا از کهکشانِ خودشان فرار نکنند هم نیاز است: آری، ماده تاریک! در این شبیه‌سازی جدید مشخص شده است که اگر ساختار «هاله»ی ماده تاریک در ابتدای عمر خودش به سرعت رشد کند، جریان تشکیل ستارگان فروخواهد نشست. در عوض سیاه‌چاله‌های سنگین می‌توانند قبل از آن‌که کهکشان به تکامل برسد، تشکیل شوند. این سیاه‌چاله‌های سنگین در رقابتِ مصرف گازهای اولیه‌ای که می‌توانند به ستارگان زیادی تبدیل شوند، برنده می‌شوند و به راحتی و با سرعت، گازهای فراوانی را که در آن فضاها وجود دارند، فرو می‌بلعند و بزرگ و بزرگ‌تر می‌شوند.

قسمتی از شبیه ساز رنسانس

امتیاز تصویر:Advanced Visualization Lab, National Center for Supercomputing Applications 

این تصویر ناحیه‌ای به وسعت ۳۰٫۰۰۰ سال نوری را از شبیه‌ساز رنسانس نشان می‌دهد. ناحیه‌ای که مرکز آن خوشه‌ای از کهکشان‌های جوان، تابش‌ها (سفید) و فلزات (سبز) را تولید کرده‌اند. و همین تابش‌ها موجب گرم شدن گازهای اطراف آن‌ها شده است. هاله ماده تاریکِ خارج از این ناحیه گرم شده توانسته سه ستاره ابَرسنگین را تولید کند (داخل کادر) که هرکدام ۱۰۰۰ برابر خورشید جرم دارند. این ستاره‌ها به سرعت به سیاه‌چاله‌های سنگین فرومی‌رمبند و در نهایت پس از چند میلیارد سال به سیاه‌چاله‌های ابرسنگین تبدیل می‌شوند.

تئوری‌های پیشین دانشمندان می‌گفت که تابش‌های قدرتمند کهکشان‌های دیگر موجب توقف جریان ستاره‌سازی در این ناحیه‌های جوان که شامل سیاه‌چاله‌های سنگین هستند، می‌شده است و همین امر به رشد و توسعه بیشتر آن سیاه‌چاله‌ها کمک می‌کرده است. اما پژوهش و شبیه سازی جدید، مکانیزم کاملا جدیدی را آشکار کرده است که  منجر به شروع شکل‌گیری سیاه‌چاله‌های عظیم در هاله‌های ماده تاریک در اطراف کهکشان‌ها می‌شود. این مکانیزم نشان می‌دهد که سرعت زیاد در توسعه کهکشان‌ها نکته کلیدی در رشد سیاه‌چاله‌های ابرسنگینِ آغازین هستند.

ایجاد سیاه چاله های ابرسنگین در عالم آغازین

امتیاز تصویر: John Wise, Georgia Institute of Technology

این تصویر قسمت کوچکی به ابعاد ۳۰ سال نوری از هاله ماده تاریک را در این خوشه کهکشانی جوان نشان می‌دهد. قرص چرخان گازها به سه توده تقسیم شده که هر کدام تحت اثر نیروی گرانشِ خودش به یک ستاره فوق سنگین تبدیل می‌شوند.

 

سیاه‌چاله‌ها:

سیاه‌چاله فشرده‌ترین و چگال‌ترین جسم نجومی است که هیچ چیزی حتی نور هم قدرت فرار از آن را ندارد! هنگامی که ستاره سنگینی در یک انفجار ابرنواختری منفجر شود، می‌تواند سیاه‌چاله‌ای را از خود به جای بگذارد. به این دسته از سیاه‌چاله‌ها، سیاه‌چاله کوچک و ستاره‌گون گفته می‌شود. از طرف دیگر یک ستاره فوق سنگین می‌تواند به سرعت، تمام سوخت خود را بسوزاند و بدون هیچ انفجاری، به علت شدت زیاد نیروی گرانش مستقیما به یک سیاه‌چاله تبدیل شود. دانشمندان می‌گویند این حالت دوم است که چگونگی تشکیل تعداد زیادِ سیاه‌چاله‌های بسیار سنگین در پیش ـ کهکشان‌هایی که به سرعت در حال تشکیل هستند، را توجیه می‌کند.

 

نقش ماده تاریک:

ماده تاریک، قسمت زیادی از ماده موجود در عالم است که با وجودی که هنوز به صورت مستقیم مشاهده نشده است؛ اما آثار گرانشیِ کاملا مشخص و مهمی را از آن  در ساختار کهکشان‌ها (به خصوص کهکشان‌های مارپیچی) و خوشه‌های کهکشانی، مشاهده می‌کنیم. این ماده در تحول کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی نقشی کلیدی دارد. براساس مدل‌ها و شبیه‌سازی‌های انجام شده در مورد سیر تحول کیهان در آن دوران‌های اولیه، آثار بسیار مهمی هم از این ماده تاریک مشاهده می‌شود. به عنوان مثال کهکشان‌های اولیه در مراحل آغازین تشکیل‌شان حتما نیاز به هاله‌ای از ماده تاریک در اطرافشان دارند تا هم گازهای داغِ اولیه را در ساختار کهکشان نگه دارند و هم مانع فرار ستاره‌هایی که در آن‌ها ساخته می‌شوند، بشوند. ماده تاریک بر روی هاله‌های کهکشان‌ها فرومی‌ریزد و همچون یک چسب گرانشی برای همه کهکشان‌ها عمل می‌کند.

بر اساس تئوری‌های موجود، توده‌های عظیمی از گازهای اولیه که منشأ تشکیل کهکشان‌های آغازین بوده‌اند، دمای‌شان به قدری بالا بوده که نمی‌توانسته‌اند به خودی خود در اثر نیروی گرانش خودشان به اجسام پایداری یعنی کهکشان‌ها تبدیل شوند. ولی گرانشِ ناشی از ماده تاریک که به صورت هاله‌ای اطراف آن توده‌های گازی را احاطه کرده‌اند، باعث شده تا ستاره‌هایی که در این کهکشان‌های اولیه شکل یافته‌اند، در کنار هم باقی بمانند و فرصتِ شکل یافتن یک کهکشان را داشته باشند.

محققان این پژوهش برای زوم کردن روی توده‌های متراکمی که ستاره‌ها و سیاه‌چاله‌ها را در این شبیه‌سازی می‌سازند، از تکنیکی به نام پالایش شبکه تطبیقی استفاده می‌کنند. به علاوه آن‌ها در این شبیه‌سازی، منطقه‌ای به قدر کافی بزرگ از کیهان اولیه را برای تشکیل هزاران جرم کیهانی پوشش می‌دهند؛ که این الزامی برای مطالعه اجرام نادری همچون سیاه‌چاله‌های ابرسنگین اولیه است. در واقع برای رسیدن به چنین نتیجه‌ای، تفکیک بالا، فیزیک غنی و نمونه‌های بزرگی از هاله‌های فروریزنده نیاز است.

 

تهیه و تنظیم: محمد همایونی

منابع: nasa.gov و sciencedaily.com

 

خوشه کهکشانی در جهان آغازین

گروهی از ستاره شناسان شواهدی برای یک مجموعه گسترده از کهکشان‌های جوان در فاصله ۱۲ میلیارد سال نوری از ما کشف کرده‌اند. این “پیش خوشه” ی تازه کشف شده از کهکشان‌ها که پرجرم ترین سازه شناخته شده در این فاصله است؛ در فضایی به پهنای ۴۸۹ در ۲۴۴ میلیون سال نوری در زمانی مشاهده می‌شود که از سن عالم ۱/۷ میلیارد سال می‌گذشته (یعنی ۱۲% از سن کنونی عالم). استفاده از تلسکوپ‌های رصدخانه ملی کیت پیک در آریزونا و رصدخانه کک در موناکی هاوایی، منجر به این اکتشاف شده است.

این پیش خوشه با جرمی بیش از یک میلیون میلیارد برابر جرم خورشید؛ بسیار شبیه خوشه کهکشانی عظیم گیسو رشد خواهد کرد. چنین خوشه‌های عظیمی بسیار نادرند، فقط تعداد انگشت شماری از نامزدهای این چنینی در کیهان آغازین شناخته شده‌اند. این سیستم جدید اولین سیستمی است که اعضای آن با استفاده از طیف نگاری گسترده تأیید شده اند.

(با کلیک بر روی عکس ها، آنها را بزرگتر ببینید)

پیش-خوشه ی کهکشانیِ در صورت فلکی عوا

پیش-خوشه کهکشانی در صورت فلکی عوا

تیم محقق آن از تلسکوپ مایال در رصدخانه کیت پیک برای آشکارسازی تصاویر بسیار عمیق از بخش کوچکی از آسمان به اندازه دو برابر قرص ماه، در صورت فلکی عوا استفاده کردند. این تیم سپس تلسکوپ کک۲ در موناکی را برای محاسبه فاصله کهکشان های کم نور این ناحیه، به کار بردند. این محاسبات و بررسی ۶۵ عضو این مجموعه نشان دادند که گروه بزرگی از کهکشان های کم سو در فاصله‌های یکسانی از ما قرار دارند، که در اثر گرانش گرد هم متراکم شده اند. شواهد بدست آمده پیشنهاد می کنند که این خوشه کهشکانی در مراحل شکل گیری خود قرار دارد.

ماده در جهان به وسیله برهم کنش گرانش، خودش را در ساختارهایی نظیر ستارگان و کهکشان ها سازمان‌دهی می‌کند. امروزه می‌دانیم ستارگان بیشماری در کهکشان ها ایجاد شده اند، که این کهکشان ها هم به نوبه خود در گروه‌ها و خوشه‌هایی گردهم جمع شده اند. خوشه‌های کهکشانی را که به طور معمول در جهان امروزی مشاهده می شوند، شامل تعدادی از قدیمی ترین و سنگین ترین کهکشان های شناخته شده هستند. هر چند خوشه های نزدیک را که در زمان نزدیک به ما به سر می برند؛ می توانیم با جزئیان زیادی بررسی کنیم ولی ساز و کار تشکیل و تاریخچه ی اولیه این خوشه های عظیم هنوز به درستی شناخته شده نیست. در واقع کشف چنین پیش خوشه های کودک در فاصله های این چنینی به دانشمندان فرصت مشاهده و مطالعه ی مستقیم شکل گیری آنها را می دهد. توزیع این خوشه های عظیم و پرجرم در جهان اولیه کمک زیادی به مهار کردن انبساط و اندازه جهان می‌کند.

رصدخانه کیت پیک در آریزونا

رصدخانه کیت پیک در آریزونا

این تیم ستاره شناس اکنون، در حال جستجوی هیجان انگیز گستره های وسیعتری در آسمان هستند تا نمونه های بیشتری از چنین پیش خوشه های جوان و بسیار عظیم را پیدا کنند. زیرا موضوع مهم این است که یافتن چنین ساختارهای عظیمی، برای فهمیدن تاریخچه ی تشکیل ساختارهای مختلفِ جمعیت های کهکشانی در کل عالم بسیار موثر است.

تصویر بالا پیش خوشه تازه کشف شده از کهکشان ها، در صورت فلکی عوا (گاوچران) است. در این عکس دایره های سبز کهکشان های این خوشه را نشان می دهند و خطوط سفید نشانه خطوط تراکم توزیع کهکشان های عضو نسبت به مرکز تصویر هستند. پهنه این ناحیه از آسمان که در عکس قراردارد ۲۰ در ۱۷ دقیقه قوسی است. کهکشان های این خوشه عموما بسیار کم نور اند، حدود ۱۰ میلیون مرتبه کم نورتر از ضعیف ترین ستارگانی که با چشم غیر مسلح در شبی تاریک می توان دید. کادرهای کوچک داخلی، تصویر برجسته دو نمونه از کهکشان های عضو هستند که در خطوط طیفی آلفا-لیمان هیدروژن می درخشند. این پیش خو ی کهکشانی بسیار سنگین و پرجرم است: با هسته‌ای در حدود یک میلیون میلیارد (کوآدریلیون) خورشید. به احتمال زیاد این پیش خوشه در مسیر تکاملی اش پس از ۱۲ میلیارد سال به ساختاری شبیه خوشه کهکشانی گیسو (که در عکس زیر است) تبدیل می شود.

خوشه کهکشانی گیسو (کما) در نزدیکی ما

خوشه کهکشانی گیسو (کما) در نزدیکی ما

 

اصل مقاله ی ارائه شده توسط این ستاره شناسان:

http://arxiv.org/abs/1604.08627

منابع مورد استفاده:

National Optical Astronomy Observatory

Sky&Telescope

تهیه و تنظیم: محمد همایونی

دورترین کهکشان رصد شده توسط هابل

دورترین رکورد تلسکوپ هابل: GN-z11

دورترین رکورد تلسکوپ هابل خبر مهمی که در اسفندماه ۹۴ پس از آشکارسازی امواج گرانشی، اخترشناسان را خوشحال کرد، شکستن رکورد دورترین کهکشان آشکارشده به وسیله ی تلسکوپ فضایی هابل کاری است که توسط یک تیم بین المللی از اخترشناسان چند دانشگاه انجام شده و در ۴ مارس ۲۰۱۶ منتشر شد.

(با کلیک بر روی عکس ها، آنها را بزرگتر ببینید)

دورترین رکورد تلسکوپ هابل

دورترین کهکشان رصد شده توسط هابل

این کهکشان نوزاد، GN-z11  نام دارد که به نحو شگفت انگیزی پرنور است، در زمانی دیده می شود که فقط ۴۰۰ میلیون سال از مهبانگ گذشته یعنی در ۱۳/۴ میلیارد سال قبل؛ کهکشانی نوباوه در مراحل آغازین عالم که هابل آن را در صورت فلکی دب اکبر به دام انداخته است.

پاسکال اویش، محقق اصلی این طرح از دانشگاه ییل توضیح داده: ” ما قدم بزرگی در زمان به عقب برگشتیم و بسیار فراتر از آنچه از توان هابل انتظار داشتیم، GN-z11 را درست در زمانی می بینیم که کیهان فقط ۳% سن کنونی اش را داشته است.”

نکته ی قابل توجه این دستاورد این است که اخترشناسان علاقه ی زیادی بر مطالعه ی نخستین کهکشان های شکل یافته در جهان دارند، زیرا یک میلیارد سال اولیه ی سن عالم، دوران حیاتی تاریخ کیهان می باشد. این محدوده، زمانی است که اولین ستارگان و کهکشان ها شکل گرفته و جهان یک گذار فازی مهم از حالت خنثی به فاز یونیزه را در مراحل پس از مهبانگ طی میکرده است. درک ما از کهکشان های این دوران اولیه به اکتشافات انقلابی دوربین WFC3/IR  تلسکوپ هابل و تلسکوپ فوق عمیق اسپیتزر برمیگردد. این رصد جدید هابل، اخترشناسان را به ناحیه ای برد که فکر می کردند فقط توسط تلسکوپ جیمزوب قابل دسترس است.

اندازه گیری اخیر گواه محکمی است از اینکه بعضی از کهکشان هایی که قبل از این در تصاویر هابل پیدا شده بودند و به نحو غیرمنتظره ای درخشان بودند، واقعا در فواصل خارق العاده دوری قراردارند. سابق بر این همین تیم فاصله ی GN-z11 را به وسیله ی مشخص کردن رنگ آن با تصاویر هابل و تلسکوپ فضایی اسپیتزر، تخمین زده بودند. ولی اکنون برای اولین بار برای کهکشانی در چنین فاصله ی دور، این تیم از دوربین میدان دید باز ۳ (WFC3/IR) هابل استفاده کردند تا به وسیله ی تجزیه نور آن به مولفه های رنگی اش، فاصله ی آن را دقیقا اندازه بگیرند.

در واقع اخترشناسان فاصله های بزرگ را از طریق اندازه گیری “انتقال به قرمز” کهکشان ها بدست می آورند. انتقال به قرمز پدیده ایست ناشی از انبساط عالم: طیف نور هر جسم دور از ما در کیهان، همانطور که از میان این فضای منبسط شونده به ما می رسد؛ به طول موج های بلند و قرمز کشیده می شود؛ به نحوی که هر چه این انتقال به قرمز بیشتر باشد یعنی کهکشان دورتر از ماست و با سرعت بیشتری هم دور میشود.

گابریل برامر از STS cl (از اخترشناسان این گروه) گفته: ” مشاهدات طیف نگاری ما آشکار می کنند که کهکشان حتی دورتر از آنچه در اصل فکر می کردیم قراردارد، یعنی در مرز فاصله ای که هابل می تواند رصد کند.”

دورترین رکورد تلسکوپ هابل

GN-z11 درمیان هزاران کهکشان دوردست در دب اکبر

در محاسبات و رصدهای قبلی همین گروه فاصله ی این کهشکان را با انتقال به قرمز ۸/۶۸ به دست آورده بودند که معادل ۱۳/۲ میلیارد سال نوری است. در این رصد و محاسبه ی جدید، تأیید کردند که انتقال به قرمز آن ۱۱/۱ است یعنی ۲۰۰ میلیون سال نزدیکتر به مهبانگ (در فاصله ی ۱۳/۴ سال نوری).

به گفته ی این اخترشناسان این یک دستاورد خارق العاده برای هابل است، چیزی فراتر از تمام فواصلی که تلسکوپ های بسیار بزرگ زمینی در این سال ها اندازه گرفته اند. و این رکورد جدید به احتمال زیاد تا زمان راه اندازی تلسکوپ جیمزوب برای هابل پایدار خواهد ماند.

ترکیب تصاویر هابل و اسپیتزر نشان می دهند که GN-z11 به اندازه ی ۲۵ مرتبه از راه شیری کوچک تر است و فقط یک درصد جرم ستاره ای راه شیری را دارد. با این حال این کهکشان نوزاد به سرعت رشد می کند، به نحوی که سرعت تشکیل ستاره در آن ۲۰ برابر مقدار امروزی کهکشان ماست، و همین موضوع چنین کهکشان بسیار دوری را به قدر کافی درخشان کرده تا ستاره شناسان جزئیات آن را با این دو تلسکوپ مشاهده کنند.

نتایج بدست آمده، سرنخ های جدید و شگفت انگیزی را از ویژگی های کیهان بسیار اولیه معلوم می کند. به گفته ی گارت ایلینگورت از دانشگاه کالیفرنیا، شگفتی آن در این است که یک کهکشان بسیار پرجرم فقط ۲۰۰ تا ۳۰۰ میلیون سال پس از آنکه اولین ستارگان عالم شروع به شکل گیری کرده اند، به وجود آمده است. و این واقعا یک رشد بسیار سریعی از تولید ستارگان است تا کهکشانی با یک میلیارد برابر جرم خورشید را بدین سرعت تشکیل دهند.

این یافته ها، پیش نمایش وسوسه انگیزی از رصدهای تلسکوپ جیمزوب را درآینده ی نزدیک نشان می دهد؛ تلسکوپی که قرار است در سال ۲۰۱۸ پرتاب شود. این اخترشناسان گفته اند: ” هابل و اسپیتزر هم اکنون به قلمروی جیمزوب رسیده اند، و این اکتشافات نشان می دهند که مطمئنا جیمزوب تعداد زیادی از چنین کهکشان های جوان را در زمان هایی که اولین کهکشان ها شکل می گرفتند کشف خواهدکرد.

این کشفیات همچنین نتایج مهمی برای تلسکوپ میدان باز فروسرخ ناسا (WFIRST) دارند، تلسکوپی که قادر خواهد بود هزاران عدد از چنین کهکشان های درخشان و بسیار دور را پیدا کند.

منبع: وب سایت هابل

تهیه و تنظیم: محمد همایونی