ستارگان با سرعت غیرممکن قلب مرموز کهکشان راه شیری را آشکار می کنند

ستاره‌ای که ستاره‌شناسان آن را S301 می‌نامند، توپ معمولی شما از پلاسمای آتشین نیست. برای یک چیز، این ستاره تازه کشف شده با بیش از 8 درصد سرعت نور حرکت می کند. پلک بزنید و آن را از دست خواهید داد. اما نکته جالب‌تر در مورد آن وجود دارد: این واقعیت ساده که نباید وجود داشته باشد.

S301 نیز یک چیز عجیب و غریب نیست. این سریعترین عضو شناخته شده از یک بزرگراه از ستارگان است که دیوانه وار دور سیاهچاله در مرکز کهکشان ما می چرخند. گرانش شدید در این منطقه توضیح می دهد که چرا ستارگان به سرعت در حال زوم کردن هستند و چرا وجود آنها بعید است. سیاهچاله‌ها معمولا ابرهای گاز و غباری را که ستاره‌ها از آن‌ها تشکیل می‌شوند، می‌شکنند.

اما این واقعیت که این ستارگان وجود دارند - و اکنون می توانیم آنها را مشاهده کنیم - بسیار مفید است. مرکز کهکشان راه شیری ما آنقدر روشن و شلوغ است که برای چندین دهه، ما به سختی می‌توانستیم چیزی در مورد آنچه در آنجا می‌گذرد تشخیص دهیم. امروزه، به لطف S301 و امثال آن، به سرعت در حال تغییر است. استفان گیلسن، ستاره شناس در موسسه ماکس پلانک برای فیزیک فرازمینی در آلمان، می گوید: «این یک سیستم نجومی بسیار زیبایی است. "این هدیه ای است که جلوی درب ماست، و ما فقط باید به تماشای آن ادامه دهیم و چیزهای زیادی یاد خواهیم گرفت."

و چیزهای زیادی برای یادگیری وجود دارد. ستارگان می‌توانند ویژگی‌های پنهان سیاه‌چاله در مرکز کهکشان ما را آشکار کنند، آنچه را که در اطراف آن نهفته است و حتی گرانش را در یکی از شدیدترین مکان‌های کیهان آزمایش کنند.

زمین در یکی از بازوهای مارپیچی کهکشان راه شیری در فاصله 26500 سال نوری از وسط کهکشان قرار گرفته است. از جایی که در حومه های کهکشانی خواب آلود هستیم، تلاش برای نگاه کردن به مرکز کهکشانی مانند چشم دوختن به پرتو نورافکن است. این منطقه به قدری شلوغ است و بنابراین چنان درخشان می درخشد که در بیشتر تاریخ نجوم، امید چندانی به انتخاب اشیاء منفرد وجود نداشت. آلبرت زیجلسترا، اخترفیزیکدان دانشگاه منچستر در بریتانیا می‌گوید: «این منطقه یک آشفتگی کامل است… سطل زباله جهان است.

تقریبا هر چیزی که جالب باشد به دلیل گرانش سیاهچاله در این منطقه از فضا ریخته می شود - همه چیز در آنجا سقوط می کند - بنابراین بسیار آشفته و درک آن دشوار است.

این تنها مشکل نیست اتمسفر زمین دید ما را تار می‌کند و تشخیص اجسام کوچک را به ویژه دشوار می‌کند. و کل منطقه نیز در ابرهای عظیم غبار و گاز پوشانده شده است. سیاهچاله مرکزی، به نام Sagittarius A*، تا سال 1974 کشف نشد، تنها چند دهه پس از آن که اخترشناسان به این نتیجه رسیدند که محله آن در واقع مرکز کهکشان راه شیری است.

قلب فوق درخشان کهکشان ما در این تصویر فرکانس رادیویی از کهکشان راه شیری خودنمایی می کند

اخیرا اخترشناسان توانسته‌اند این آشفتگی را به‌خوبی ببینند تا ستاره‌های منفرد را تشخیص دهند. گیلسن می‌گوید: «به یک کرم درخشان در کنار چراغ جلوی اتومبیل فکر کنید – اگر بینایی خیلی خیلی خوبی ندارید، ممکن است کرم درخشان را از دست بدهید». آنچه شما نیاز دارید قدرت تفکیک یک ماشین بسیار بزرگ است. به عبارت دیگر، یک تلسکوپ بسیار بزرگ.

فقط یک مشکل وجود دارد: ما آن را نداریم، حداقل هنوز. یک تلسکوپ معمولی برای تشخیص این ستارگان بسیار نزدیک به آینه ای با عرض 30 تا 40 متر نیاز دارد و در حالی که چندین رصدخانه از این دست ساخته می شود، ستاره شناسان علاقه ای به انتظار ندارند. گیلسن می گوید: «ما مردمی بسیار بی حوصله هستیم. در عوض، آنها راه‌حل‌های هوشمندانه‌ای پیدا کرده‌اند تا نگاهی به ستاره‌های نزدیک مرکز کهکشان بیاندازند.

نگاه کردن به تابش خیره کننده

اولین پیشرفت اپتیک تطبیقی ​​بود. این تکنیک به جای تکیه بر یک آینه سفت و سخت، از آینه ای استفاده می کند که می تواند صدها یا هزاران بار در ثانیه شکل زیر را تغییر دهد. این تنظیمات کوچک تاری ناشی از جو متلاطم زمین را خنثی می کند و به طرز چشمگیری نمای را واضح تر می کند.

در اواخر دهه 1990، دو گروه - یکی به رهبری راینهارد گنزل در مؤسسه ماکس پلانک برای فیزیک فرازمینی، و دیگری به رهبری آندریا گز در دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس - از اپتیک تطبیقی ​​برای انتخاب اولین ستاره‌هایی که در نزدیکی مرکز کهکشانی مشاهده شدند، استفاده کردند. این ستارگان با سرعتی در حدود 2000 کیلومتر در ثانیه حرکت می کردند و در عرض یک ماه نوری از کمان A* عبور می کردند. Zijlstra در مورد آن مشاهدات اولیه می گوید: «به نظر می رسید مانند جادو، وضوحی که آنها می گرفتند.

آینه اپتیک تطبیقی ​​در رصدخانه جنوبی اروپا در آلمان. با ضخامت تنها 2 میلی متر، آینه می تواند توسط نیروهای مغناطیسی شکل داده شود و تغییر شکل های کوچکی در سطح آن ایجاد شود.

سپس، در سال 2002، تیم Genzel ستاره ای به نام S0-2 را پیدا کرد که سال ها بر زمین تسلط داشت. در نزدیکترین نقطه خود به Sagittarius A*، تنها در عرض 17 ساعت نوری می آید و به حدود 7650 کیلومتر بر ثانیه می رسد که تقریبا 3 درصد سرعت نور است. با ردیابی مدار آن، Genzel و Ghez می توانند وزن هر چیزی را که در مرکز کهکشان قرار دارد شروع کنند. این باید بسیار عظیم و فوق‌العاده فشرده باشد - شواهد قانع‌کننده‌ای که نشان می‌دهد Sagittarius A* در واقع یک سیاه‌چاله است.

جهش بعدی در سال 2018 اتفاق افتاد، زمانی که S0-2 یک پاس نزدیک دیگر انجام داد. این بار، محققان از تداخل سنجی استفاده کردند، تکنیکی که نور جمع آوری شده توسط تلسکوپ های بسیاری را برای ایجاد اثر یک رصدخانه بسیار بزرگتر ترکیب می کند. که به آنها اجازه می دهد مدار ستاره را با دقت بی سابقه ای ردیابی کنند و جرم کمان A* را مشخص کنند. این اثر باعث شد که Genzel و Ghez جایزه نوبل سال 2020 را دریافت کنند. اما این تازه شروع کار بود.

مداری به هم ریخته است

ستارگانی که به دور سیاهچاله غول پیکر کهکشان ما می چرخند در نوع خود گیج کننده هستند. همانطور که اخترشناسان مرکز کهکشان را با دقت بیشتری مشاهده کردند، ستاره هایی را یافتند که به سه گروه مجزا تقسیم می شوند. ستاره های S وجود دارند که به طرز خطرناکی به سیاهچاله نزدیک می شوند. ستارگان دیسک در جهت عقربه های ساعت که مدارهای منظم تری را دنبال می کنند. و ستارگان خارج از دیسک، که مسیرهایشان آشفته تر است و گاهی به نظر می رسد که در جهت مخالف مسیرهای دیگر حرکت می کنند.

ستارگان S معمای خاصی را ایجاد می کنند که بخشی از آن مربوط به جوان بودن آنهاست. این ستارگان نمی توانند زندگی خود را از جایی که اکنون هستند آغاز کرده باشند، زیرا گاز و غبار کافی وجود نداشت که از آن شکل گرفته باشند. اما، به همان اندازه، آنها از خانواده ای از ستارگان می آیند که تنها حدود 50 میلیون سال عمر می کنند، زمان بسیار کمی برای مهاجرت تدریجی و مسالمت آمیز به مرکز کهکشانی. گیلسن می‌گوید: «عمر آن‌ها کوتاه‌تر از زمان انقراض دایناسورها تا کنون است؛ این ستاره‌ها جوان هستند». پس چگونه به آنجا رسیدند؟

یک فرضیه اصلی این است که آنها به عنوان سیستم های دوتایی - دو ستاره که به دور یکدیگر می چرخند - در مدارهای دورتر شروع به کار کردند. سپس، اگر کمی بیش از حد نزدیک می‌شدند، Sagittarius A* می‌توانست جفت‌ها را از هم جدا کند و یکی از ستاره‌ها را با سرعت‌های فوق‌العاده به‌عنوان ستاره‌ای با سرعت فوق‌العاده از کهکشان به بیرون پرتاب کند، در حالی که ستاره S به مدار بسیار فشرده‌اش کشیده شد. این امر روند را تسریع می کرد و به ستاره های S زمان زیادی می داد تا به جایی که اکنون هستند برسند.

اما این یک معمای دیگر باقی می گذارد. ستارگان S دارای مدارهای بسیار بیضی شکل هستند و به قوس A* نزدیک می شوند و سپس بسیار دورتر پرواز می کنند. این باعث کمبود چشمگیر ستارگان در مدارهای نزدیک و دایره ای می شود - به اصطلاح منطقه اجتناب. در واقع، این بخشی از یک راز بزرگتر است: چگونه سه گروه متمایز از ستارگان در چنین مدارهای متفاوتی تا این اندازه نزدیک به کمان A* همزیستی کردند؟ توضیحاتی برای هر جمعیت از ستارگان ارائه شده است، اما تا همین اواخر، هیچ یک از آنها قادر به محاسبه هر سه به طور همزمان نبودند.

Xiaochen Zheng، محقق افلاک‌نمای پکن در چین، و همکارانش راه‌حل جسورانه‌ای را پیشنهاد کرده‌اند. شاید یک جرم عظیم دیگر در این نزدیکی کمین کرده باشد - سیاهچاله کوچکتر، صدها تا هزار برابر جرم خورشید، یا یک خوشه متراکم از ستارگان - که نزدیک به کمان A* می چرخد.

این شی مرموز می‌توانست ستاره‌هایی را که از همان دیسک زباله متولد شده‌اند به مدار فعلی‌شان پرتاب کند و حتی ممکن است منطقه اجتناب را توضیح دهد. ژنگ می گوید: «این اولین مدل یکپارچه است که سعی می کند هر سه جمعیت را به طور همزمان توضیح دهد، نه اینکه هر کدام را به صورت مجزا درمان کند.

هنوز ثابت نشده است، اما تیم در حال حاضر شیئی را دیده است که می تواند این کار را انجام دهد، خوشه ای از ستاره ها به نام IRS-13E که ممکن است سیاهچاله ای با جرم سمت راست در مرکز خود داشته باشد. مانند بسیاری از ایده‌هایی که در مورد وسط کهکشان ما وجود دارد، نگاه کردن به کل منطقه به زمان بیشتری نیاز دارد تا ببینیم آیا نتیجه می‌دهد یا خیر.

کشف سیاهچاله

اگر نگاه کردن به سمت مرکز کهکشان مانند خیره شدن به خورشید با چشمان برهنه است، تلاش برای مطالعه Sagittarius A* به خودی خود کمی شبیه تلاش برای درک درون خورشید است. ما می توانیم ماده اطراف آن را ببینیم و در سال 2022 حتی با تلسکوپ افق رویداد از سایه آن عکس گرفتیم – اما خود سیاهچاله بنا به تعریف نامرئی است.

خوشبختانه سیاهچاله ها جانوران ساده ای هستند. جدای از بار الکتریکی، که انتظار نمی رود برای مدت طولانی آن را نگه دارند، فقط دو ویژگی مهم دارند: جرم و چرخش. به لطف کار جنزل و قز، ما جرم قوس A* را می دانیم. اگرچه چرخش آن - یعنی به معنای واقعی کلمه سرعت چرخش آن - گریزان باقی می ماند.

زیری یونسی، اخترفیزیکدان از دانشگاه کالج لندن می‌گوید: کشف سیاهچاله‌ها بسیار سخت است. ما تقریبا می‌توانیم جرم آنها را به دست آوریم، اما چرخش بسیار سخت‌تر است. اما فقط در 10 یا 15 سال گذشته، این احمقانه است که همه چیز تا کجا پیش رفته است.» ما تقریبا می‌توانیم چرخش سیاه‌چاله‌های دورتر را با اندازه‌گیری ماده‌ای که در آن‌ها می‌افتد یا امواج گرانشی تولید شده در هنگام ادغام آنها اندازه‌گیری کنیم، اما این مسیرها یا خیلی نادقیق هستند یا برای سیاه‌چاله خودمان غیرممکن هستند.

در سال 2022، تلسکوپ افق رویداد این تصویر را از Sagittarius A* گرفت. خطوط چرخشی از میدان های مغناطیسی اطراف سیاهچاله به وجود می آیند

ترفندی که جواب می دهد این است که یک ستاره را به اندازه کافی مدارش را تماشا کنیم که تأثیر سیاهچاله را آشکار کند. S0-2 16 سال طول می کشد تا دور قوس A* بچرخد. هنگامی که مداری کامل از S0-2 یا یکی از این ستارگان بسیار نزدیک داشتید، اکنون می توانید بپرسید که گرانش چگونه در نزدیکی یک سیاهچاله بسیار پرجرم کار می کند؟ قز می گوید. ردپایی از قوانین گرانش در این مدارها وجود دارد که می توانید شروع به اندازه گیری کنید.

یکی از این آثار «تقدیر» نام دارد. همانطور که سیاهچاله می چرخد، بافت فضا-زمان را با خود می کشاند. اگر درک ما از فضا-زمان درست باشد، این باید کمی مدار ستارگان مجاور را تحت فشار قرار دهد تا آنها هر بار مسیر مشابهی را دنبال نکنند. آن جابه‌جایی را دقیقا اندازه‌گیری کنید و در اصل، می‌توانید چرخش سیاه‌چاله را استنباط کنید. گیلسن می گوید: «دینامیک واقعا ساده و زیبا است. سپس می توانید نظریه گرانشی خود را به مستقیم ترین شکل ممکن آزمایش کنید.

آن تست ها ممکن است ساده تر شده باشند. در سال 2023، گیلسن و همکارانش S301 را با استفاده از تلسکوپ بسیار بزرگ در شیلی مشاهده کردند. این ستاره ای است که 10 برابر از S0-2 به کمان A* نزدیک می شود و در نزدیکترین فاصله از سیاهچاله فقط از فاصله 1.8 میلیارد کیلومتری عبور می کند. این سیاره تنها در 8.7 سال یک مدار را کامل می کند و آن را به کاوشگر بسیار حساس تری از گرانش سیاهچاله و چرخش آن تبدیل می کند. گیلسن فکر می‌کند که می‌تواند انتظار برای اندازه‌گیری را کاهش دهد – او می‌گوید ممکن است یک دهه قبل از اندازه‌گیری طول بکشد.

البته، به سادگی تماشای یک ستاره نیست. قز می گوید: «شما باید داده های 30 ساله را [با هم] به طور دقیق و دقیق جمع آوری کنید تا این اثرات را اندازه گیری کنید – اشتباه کردن واقعا آسان است. مکان‌های زیادی برای خطاها وجود دارد. «ما زمان و تلاش زیادی را صرف نگرانی در مورد آن می‌کنیم و به این فکر می‌کنیم که چگونه [آن چیزها] سرهای زشت خود را بالا می‌برند.»

اما هنگامی که چرخش Sagittarius A* را اندازه گیری می کنیم، دریچه ای بی سابقه به جزئیات رفتار کهکشان ما باز می شود. یکی از معماهای دیرینه این است که چرا سیاهچاله های ما بسیار ساکت تر از سیاهچاله های هم اندازه خود هستند. یونسی می گوید: «نرخ افزایش جرم کمان A* به طرز مضحکی کم است. اگر قوس A* را به یک جرم انسانی تقسیم کنید، معادل خوردن یک دانه برنج در سال خواهد بود. به نظر می رسد چیزی مانع از افتادن توده نزدیک سیاهچاله می شود و چرخش سیاهچاله ممکن است بخشی از پاسخ باشد.

جت گم شده

سپس راز جت گم شده آن وجود دارد. بسیاری از سیاهچاله‌های پرجرم پرتوهای عظیمی از انرژی را به فضا پرتاب می‌کنند، و مشاهدات کهکشان‌های دیگر به ما می‌گویند که اندازه این جت‌ها ممکن است با سرعت چرخش سیاه‌چاله‌ها مرتبط باشد. بنابراین، یک احتمال این است که Sagittarius A* به سادگی به اندازه کافی سریع نمی چرخد ​​که بتواند چنین فواره کیهانی را تامین کند.

یونسی می‌گوید: «تقریبا هر کهکشان دیگری در جهان قابل مشاهده میزبان این جت‌های شگفت‌انگیز است، اما به نظر می‌رسد که ما اصلا چنین جت‌هایی نداریم – این کاملا مرموز است». "این به تاریخچه کهکشان ما و همچنین آینده ما صحبت می کند، جایی که ما به کجا می رویم، اینکه آیا می تواند یک روز روشن شود."

و در پس همه این سؤالات سؤالی هنوز بزرگتر نهفته است: گرانش در چنین مکان شدید چگونه رفتار می کند؟ نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین هر آزمونی را که تاکنون در مورد آن انجام داده‌ایم با موفقیت پشت سر گذاشته است، اما نشانه‌هایی وجود دارد که در شدیدترین مناطق جهان، ممکن است از هم بپاشد. تون دو، اخترفیزیکدان همچنین در UCLA می‌گوید: «گرانش اسرارآمیزترین نیرو از چهار نیروی طبیعت است، و بنابراین ایده این است که ما می‌توانیم نظریه‌های فیزیک و گرانش خود را در مناطق شدیدتر و شدیدتر آزمایش کنیم، و این می‌تواند ما را به سمت حل مشکلات بسیار بزرگ در فیزیک راهنمایی کند.»

این مشکلات شامل آنچه در مرکز سیاهچاله می گذرد، و اینکه آیا نسبیت عام در نهایت جای خود را به اثرات مکانیک کوانتومی در لبه آن می دهد یا خیر. ستاره‌های S یکی از معدود راه‌هایی را ارائه می‌دهند که ما باید آن قلمرو را از فاصله‌ای امن بررسی کنیم.

میدان به سرعت در حال حرکت است. S301 در حال حاضر ستاره شناسان را بیش از هر زمان دیگری به Sagittarius A* نزدیک کرده است و ممکن است اکتشافات بیشتری در درخشش آن منتظر باشند. قز می گوید: «مرکز کهکشان همچنان جالب می شود. "هر چه بیشتر یاد بگیریم، سوالات بیشتری برای پاسخ وجود دارد."