کشف یک کوازار با سیاهچاله‌ای با جرم  ۱۲ میلیارد برابر جرم خورشید در انتقال به سرخ ۶/۳

کشف یک کوازار با سیاهچاله‌ای با جرم  ۱۲ میلیارد برابر جرم خورشید در انتقال به سرخ ۶/۳

کوازارها پرانرژی‌ترین عضو از مجموعه‌ی هسته‌های فعال کهکشانی محسوب می‌شوند. این هسته‌ها که در مرکز کهکشان‌ها قرار دارند، از یک سیاهچاله‌ی بسیار سنگین با جرمی در مرتبه چند صدهزار تا یک میلیارد برابر جرم خورشید تشکیل شده‌اند. این سیاهچاله‌ها با نیروی گرانش بسیار قوی خود، گاز و ذرات موجود در نواحی مرکزی کهکشان‌های میزبان را به سمت خود می‌کشند و منجر به شکل‌گیری یک قرص برافزیشی در اطراف خود می‌شوند. تخمین‌های کنونی، سن جهان را در حدود ۱۴ میلیارد سال برآورد می‌کند. مطالعات صورت‌گرفته در طول‌موج‌های مختلف، حضور کوازارها را در شرایطی که ۲ میلیارد سال از عمر جهان گذشته بود تایید می‌کند. اما علاوه بر این کوازارها، تا به امروز در حدود ۴۰ کوازار با سیاهچاله‌هایی با جرم یک میلیارد برابر جرم خورشید، در انتقال‌به‌سرخ‌های بالاتر از ۶ کشف شده‌اند. اگرچه حضور سیاهچاله‌هایی تا این حد سنگین در جهان چند میلیارد ساله کاملاً طبیعی به نظر می‌رسد، حضور آن‌ها در شرایطی که کمتر از یک میلیارد سال از عمر جهان گذشته بود، چالش بزرگی برای نظریه‌هایی که به بررسی تشکیل ساختار در جهان می‌پردازند محسوب می‌شود.

شکل ۱: کوازار J0100+2802 در فیلترهای مختلف SDSS, 2MASS, WISE. دایره‌ی سبز رنگ ناحیه‌ای به اندازه ۱۰ ثانیه‌ی قوسی را نشان می‌دهد.

شکل ۱: کوازار J0100+2802 در فیلترهای مختلف SDSS, 2MASS, WISE. دایره‌ی سبز رنگ ناحیه‌ای به اندازه ۱۰ ثانیه‌ی قوسی را نشان می‌دهد.

در مقاله‌ای که به تازگی در مجله‌ی نیچر چاپ شده است، گزارشی از کشف یک کوازار با نام J0100+2802 با درخشندگی بسیار زیاد در انتقال‌به‌سرخ ۶/۳۰ ارائه شده است. کوازارها تابش‌های شدیدی در گستره‌ی نور مرئی و نزدیک به فروسرخ دارند که با بررسی آن می‌توان خواص فیزیکی این چشمه‌ها را به دست آورد. از جمله این روش‌ها می‌توان به تکنیک‌های فتومتری و طیف‌سنجی اشاره کرد. در این مقاله از مجموعه‌ای از اطلاعات فتومتری موجود در تحقیقات بزرگی شامل نقشه‌برداری دیجیتال آسمان اسلون (SDSS)، بررسی کل آسمان در طول‌موج دو میکرون (۲MASS) و اطلاعات کاوشگر نقشه‌بردار فروسرخ میدان وسیع (WISE) برای کشف کوازارهای با انتقال‌به‌سرخ بالاتر از ۵ استفاده شده است. شکل ۱ عکس نواحی دربرگیرنده‌ی این چشمه را در فیلترهای مختلف تحقیقات فوق نشان می‌دهد. در سه فیلتر آر، جی و یو از SDSS این کوازار قابل مشاهده نیست، اما با افزایش طول‌موج در فیلترهای آی، زد و جِِِی می‌توان آن را رصد کرد.

علاوه بر روش فتومتری می‌توان از روش طیف‌سنجی که از دقت بسیار بالایی بر خوردار است، برای بررسی خواص فیزیکی کهکشان‌ها استفاده کرد. نتایج طیف‌سنجی صورت‌گرفته در تلسکوپ‌های مختلف، انتقال‌به‌سرخ این جسم را ۰/۰۱ ±۶/۳۰ برآورد می‌کند. این نتایج هم‌چنین درخشندگی کلی این جسم را  ۱۴ ۱۰ × ۴/۲۹ برابر درخشندگی خورشید تخمین می‌زند. درخشندگی این کوازار ۷ برابر بیشتر از درخشندگی بزرگترین کوازاری که تاکنون کشف شده است می‌باشد. شکل ۲ طیف این جسم را در گستره‌ی نور مرئی و نزدیک به فروسرخ نشان می‌دهد. خط طیف منیزیم ۲ این کوازار دارای شدت بالایی است و با استفاده از آن می‌توان خواص فیزیکی این چشمه را به دست آورد. بررسی این خط طیف، جرم سیاهچاله‌ی مرکزی این کوازار را ۱۰ ۱۰ × ۱/۲۴  برابر جرم خورشید تخمین می‌زند.

شکل ۲: طیف ترکیبی کوازار J0100+2802 در گستره‌ی نور مرئی و نزدیک به فروسرخ. با استفاده از برازش گاوسی خط منیزیم ۲ می‌توان خواص فیزیکی این چشمه را به دست آورد.

شکل ۲: طیف ترکیبی کوازار J0100+2802 در گستره‌ی نور مرئی و نزدیک به فروسرخ. با استفاده از برازش گاوسی خط منیزیم ۲ می‌توان خواص فیزیکی این چشمه را به دست آورد.

در درون یک سیاهچاله تعادل هیدرواستاتیک بین نیروی گرانش و فشار ناشی از گاز برقرار است. حداکثر آهنگ جذب مواد در سیاهچاله در شرایط تعادل هیدرواستاتیکی، حد ادینگتون نامیده می‌شود. عمده‌ی سیاهچاله‌ها در دوره‌ی کوتاهی از حیات خود با نرخی نزدیک به حد ادینگتون به جذب گاز و ذرات غبار اطراف خود می‌پردازند اما در سایر زمان‌ها با شدت بسیار کمتری به فعالیت خود ادامه می‌دهند. شکل ۳ نمودار تغییرات درخشندگی کلی (بولومتریک) چندین سیاهچاله با انتقال‌به‌سرخ بالا را بر حسب جرم آن‌ها نشان می‌دهد. دایره‌ی قرمزرنگ توپُر در انتهای سمت راست شکل، کوازار مورد نظر ما را نمایش می‌دهد. همان‌طور که در این شکل دیده می‌شود این سیاهچاله دارای جرم و درخشندگی به مراتب بیشتر از سایر سیاهچاله‌ها در انتقال‌به‌سرخ بالا است. هم‌چنین این چشمه با خطای بسیار ناچیزی بر روی خط مربوط به حد ادینگتون قرار دارد. موقعیت این جسم در این نمودار نشان‌دهنده‌ی این نکته است که این سیاهچاله برای داشتن چنین جرم و درخشندگی بالایی در مدت زمان طولانی‌تری با آهنگ ادینگتون به جذب مواد بر روی قرص اطراف خود پرداخته است.

شکل ۳: تغییرات درخشندگی کلی (بولومتریک) سیاهچاله‌ها بر حسب جرم آن‌ها در چندین سیاهچاله با انتقال‌به‌سرخ بالا. کوازار J0100+2802 که با دایره‌ی قرمز رنگ توپُر در انتهای سمت راست شکل نشان داده شده است. این چشمه روی خط مربوط به حد ادینگتون قرار دارد.

شکل ۳: تغییرات درخشندگی کلی (بولومتریک) سیاهچاله‌ها بر حسب جرم آن‌ها در چندین سیاهچاله با انتقال‌به‌سرخ بالا. کوازار J0100+2802 که با دایره‌ی قرمز رنگ توپُر در انتهای سمت راست شکل نشان داده شده است. این چشمه روی خط مربوط به حد ادینگتون قرار دارد.

بر مبنای نظریه‌ی مهبانگ در دقایق نخست پس از انفجار، دما و فشار بسیار بالایی بر جهان حاکم بوده است. افت‌وخیزهای بسیار کوچک در چگالی ماده باعث به‌وجودآمدن نواحی چگال‌تر و شکل‌گیری ساختارهای بسیار ریز شده است. این ساختارهای ریز در نهایت باعث شکل‌گیری ساختارهای بزرگ‌تری هم‌چون خوشه‌های کهکشانی شده‌اند. هسته‌ی اولیه‌ی سیاهچاله‌های موجود در انتقال‌به سرخ‌های بالا، ستاره‌های جمعیت ۳ بودند که  فراوانی فلزی بسیار اندکی داشتند. برای یک ستاره از این جمعیت با جرمی در حدود ۱۰۰ برابر جرم خورشید مدت زمانی در حدود ۱ تا ۲ میلیارد سال زمان لازم است تا جرم آن به  ۹ ۱۰ برابر جرم خورشید افزایش پیدا کند. وجود سیاهچاله‌ای این چنین سنگین در شرایطی که کمتر از یک میلیارد سال از عمر جهان گذشته بود، می‌تواند نشان‌دهنده‌ی این نکته باشد که سیاهچاله‌های موجود در انتقال‌به‌سرخ بالا در بازه‌های طولانی از حیات خود با آهنگ ادینگتون به فعالیت می‌پرداختند. این کوازار به عنوان درخشان‌ترین کوازار رصدشده در انتقال‌به‌سرخ بالاتر از ۶ می‌تواند به دستیابی یک تصویر درست در مورد نحوه‌ی فعالیت سیاهچاله‌های اولیه نقش مؤثری داشته باشد.

عنوان اصلی مقاله:  An ultraluminous quasar with a twelve-billion-solar-mass black hole at redshift 6.30
نویسندگان:  Xue-Bing WuFeige WangXiaohui FanWeimin YiWenwen ZuoFuyan BianLinhua JiangIan D. McGreerRan WangJinyi Yang,Qian YangDavid ThompsonYuri Beletsky
این مقاله در نشریه‌ی  Nature منتشر شده است.
لینک مقاله‌‌ی اصلی: http://arxiv.org/abs/1502.07418

گردآوری: مژگان آزادی

دسته‌ها: مقالات روز

درباره نویسنده

مژگان آزادی

دانشجوی دوره‌ی دکترای اخترفیزیک در دانشگاه کالیفرنیا در سن‌دیگو است. مژگان تحصیلات دوره‌ی کارشناسی خود را در دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی و تحصیلات کارشناسی ارشد خود را در دانشگاه تهران در زمینه‌ی نسبیت عام به انجام رسانده است. تحقیقات مقطع دکترای وی در زمینه نجوم رصدی، در رابطه با شکل‌گیری کهکشان‌ها و تاثیر هسته‌های فعال کهکشانی بر تحولات آنها با استفاده از داده‌های تلسکوپ‌های زمینی‌ کک و ماژالان و تصاویر تلسکوپ‌های فضایی همچون هابل، اسپیتزر و چاندرا است.

یک دیدگاه بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.
بخش‌های لازم مشخص شده‌اند*