ابرسیاه‌چاله‌ای به آتش کشیده شده

در سال ۲۰۱۹، جهان توسط تلسکوپ افق رویداد(EHT) مجذوب اولین تصویر از یک سیاه‌چاله شد. این تصویر خیره کننده، سیاه‌چاله‌ای کلان‌جرم(ابرسیاه‌چاله) را در مرکز کهکشان M87 به تصویر می‌کشید.

اکنون همین ابرسیاه‌چاله بار دیگر دانشمندان را با یک شراره فوق‌العاده از جنش پرتو گاما مجذوب خود کرده که فوتون‌هایی را صدها میلیارد بار قوی‌تر از نور مرئی ساطع می‌کند.

این شراره قوی که در بیش از یک دهه گذشته مشاهده نشده بود، به محققان کمک می‌کند تا بفهمند چگونه ذراتی مانند الکترون‌ها و پوزیترون‌ها در شرایط چالش برانگیز اطراف سیاه‌چاله‌ها به چنین انرژی‌های بالایی دست می‌یابند.

اولین سیاه‌چاله مجسم شده

سیاه‌چاله موجود در قلب کهکشان M87 فواره‌ای تولید می‌کند که میلیون‌ها بار بزرگ‌تر از افق رویداد واقعی یا مرز سطحی سیاه‌چاله است.

این انفجار اخیر، از تشعشعات پرانرژی در سطوح معمولی که توسط تلسکوپ‌های رادیویی در منطقه اطراف سیاهچاله شناسایی شده بود، فراتر رفت و حدود سه روز به طول انجامید.

به طور قابل توجهی، این شراره از فضایی با عرض کمتر از سه روز نوری پدیدار شد که معادل کمتر از ۱۵ میلیارد مایل فاصله است.

پرتوهای گاما که بسته‌هایی از انرژی الکترومغناطیسی هستند که به عنوان فوتون شناخته می‌شوند، بالاترین طول موج انرژی را در طیف الکترومغناطیسی کهکشان نشان می‌دهند. آنها معمولاً در داغ‌ترین و پرانرژی‌ترین مکان‌های کیهان، مانند جایی که سیاهچاله‌ها زندگی می‌کنند، تولید می‌شوند.

در مورد شعله‌ور شدن M87، پرتوهای گاما به سطوح انرژی چندین تراالکترون‌ولت می‌رسند که یک مقیاس عظیم از انرژی است که عموماً برای ذرات زیراتمی شناخته می‌شود.

همینطور که ماده به صورت مارپیچی به یک سیاه‌چاله می‌پیوندد، یک قرص برافزایشی ایجاد می‌کند که یک توده چرخشی از ذرات است که به دلیل از دست دادن انرژی گرانشی شتاب می‌گیرند.

برخی از ذرات به دلیل وجود میدان‌های مغناطیسی شدید به عنوان فواره‌های قدرتمندی از قطب‌های سیاه‌چاله خارج می‌شوند. این فرآیند پر هرج و مرج می‌تواند منجر به انفجارهای ناگهانی انرژی، معروف به «شراره» شود، اما چالش همچنان این است که پرتوهای گاما نمی‌توانند به سطح زمین برسند.

با این حال، فیزیکدانان حدود هفتاد سال پیش کشف کردند که می‌توانند پرتوهای گاما را به شکل غیر مستقیم با مشاهده تشعشعات ثانویه تولید شده در اثر برهمکنش این پرتوها با جو شناسایی کنند.

اشعه گاما

ویدونگ جین(Weidong Jin)، محقق فوق دکترا در دانشگاه کالیفرنیا لس‌آنجلس(UCLA) و نویسنده اصلی یک مطالعه مهم منتشر شده در مجله Astronomy & Astrophysics، یک کنجکاوی مداوم در مورد شتاب ذرات نزدیک به سیاهچاله‌ها دارد.

وی می‌گوید: این ذرات، فوق‌العاده پرانرژی هستند و با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند و هدف ما این است که کشف کنیم چگونه و از کجا این انرژی را به دست می‌آورند.

این تحقیق دقیق‌ترین داده‌های طیفی جمع‌آوری‌شده از M87 و مدل‌سازی را ارائه می‌دهد که درک ما را از این فرآیندها افزایش می‌دهد.

جین در تجزیه و تحلیل پرانرژی‌ترین بخش مجموعه داده، به ویژه پرتوهای گامای بسیار پرانرژی که توسط رصدخانه پرتو گامای زمینی وریتاس(VERITAS) واقع در رصدخانه فرد لارنس ویپل(Fred Lawrence Whipple) در جنوب آریزونا جمع‌آوری شده بود، نقش مهمی داشت.

دانشگاه کالیفرنیا لس‌آنجلس نقش مهمی در توسعه VERITAS ایفا کرده است؛ از وسایل الکترونیکی که مشاهدات تلسکوپ را می‌خواند تا نرم‌افزار برای تجزیه و تحلیل داده‌ها و شبیه‌سازی عملکرد.

این کار دقیق، تشخیص شراره را از طریق تغییرات درخشندگی قابل توجه امکان‌پذیر کرد که نشان دهنده انحراف قابل توجهی از مشاهدات قبلی است.

علاوه بر VERITAS، چندین رصدخانه زمینی و فضایی دیگر در یک کمپین چند طول موجی با EHT در سال ۲۰۱۸ مشارکت کردند که شامل تلسکوپ فضایی Fermi-LAT، تلسکوپ فضایی هابل، NuSTAR و تلسکوپ چاندرا و سوئیفت به همراه سه تا از بزرگترین آرایه‌های تصویربرداری جوی در جهان شامل VERITAS، H.E.S.S و MAGIC بود.

این امکانات می‌توانند فوتون‌های پرتو ایکس و همچنین پرتوهای گامای پرانرژی را شناسایی کنند.

یکی از مجموعه داده‌های حیاتی مورد تجزیه و تحلیل در این مطالعه، توزیع انرژی طیفی است.

جین توضیح داد: این طیف نشان می‌دهد که چگونه انرژی اجرام نجومی مانند M87 در طول موج‌های مختلف نور توزیع می‌شود. این شبیه به ایجاد یک رنگین کمان و اندازه‌گیری انرژی در هر رنگ است.

این تجزیه و تحلیل نقش مهمی در آشکار ساختن مکانیسم‌هایی دارد که باعث شتاب ذرات پرانرژی در فواره ابرسیاه‌چاله می‌شوند.

پژوهشگران همچنین به یک نوسان جالب در موقعیت و زاویه افق رویداد سیاهچاله و فواره آن اشاره کردند که نشان‌دهنده رابطه بین ذرات و افق رویداد در مقیاس‌های مختلف است.

جین نتیجه گرفت: ابرسیاهچاله M87 دارای یک فواره دوقطبی است که هزاران سال نوری از هسته آن کشیده شده است و این مطالعه فرصتی نادر برای بررسی بیشتر منشأ این پدیده‌ها ارائه می‌دهد.