چرا سیاهچاله مرکزی کهکشان ما کم فروغ است؟

بیگ بنگ/ دانشمندان دانشگاه پرینستون و آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون(PPPL) یک روش تازه و بسیار دقیق برای شبیه‌سازی از قرص‌ برافزایشی‌ای پدید آورده‌اند که ابرسیاهچاله‌ی مرکز کهکشان راه شیری را تغذیه می‌کند.

قرص‌های برافزایشی ابرهایی از پلاسما هستند که در مداری به گرد یک جرم بزرگ، مانند یک سیاهچاله می‌چرخند و به آرامی در مسیری مارپیچی به کام آن فرو می‌روند. این اجرامِ رُمبیده و بسیار چگال با مرزی به نام “افق رویداد“سیاهچاله در بر گرفته شده‌اند، مرزی که حتی نور هم با گذشتن از آن، دیگر توان بازگشت نخواهد داشت. قرص‌های برافزایشی با پیشروی مارپیچی به سوی افق رویداد به شدت داغ شده و تبدیل به برخی از درخشان‌ترین و پرانرژی‌ترین چشمه‌های تابش الکترومغناطیسی کیهان می‌شوند.

چهار میلیون بار پرجرم‌تر از خورشید

سیاهچاله‌ی غول‌پیکر مرکز کهکشان راه شیری “کمان ای*” نام دارد (بخوانید: کمان اِی-ستاره) و دلیل این نامگذاری هم جایگاه آن در صورت فلکی کمان است. جرم این سیاهچاله چهار میلیون برابر خورشید است. با این وجود، پلاسمای قرص برافزایشی که به کام آن فرو می‌رود در تابش الکترومغناطیسی بسیار کم‌توان‌تر از چشمداشت‌هاست.

متیو کونس، استادیار اخترفیزیک دانشگاه پرینستون و نویسنده ی ‌اصلی‌ این‌ پژوهش می‌گوید: «پس پرسش اینجاست، چرا این قرص اینقدر آرام است.» این پژوهشگران برای پدید آوردن روشی جهت پاسخ به این پرسش، سرشت قرص برافزایشی فرا-داغِ کمان ای* را در نظر گرفتند. پلاسمای این قرص به اندازه‌ای داغ و تنُک (رقیق) است که برخورد چندانی در آن روی نمی دهد، یعنی مسیر پروتون‌ها و الکترون‌های درونش به ندرت همدیگر را قطع می‌کنند.

نبود هم‌کوبِش(collisionality) چیزی است که قرص برافزایشی کمان ای* را از قرص‌های درخشان‌تر و تابشی‌تر سیاهچاله‌های دیگر متمایز می‌کند. قرص‌های درخشان‌تر هم‌کوبشی‌تر هستند و می‌توان از راه فرمول‌هایی که در دهه‌ی ۹۰ میلادی نوشته شدند و رفتار پلاسما را مانند یک شاره‌ی رسانای الکتریکی در نظر می‌گیرد برای آنها مدلی تهیه کرد. ولی به گفته‌ی کونس، چنین مدل‌هایی برای برفزایش سیاهچاله‌ی ما کارایی ندارند زیرا نمی‌توانند فرآیندی را توضیح دهند که باعث می‌شود قرص بدون هم‌کوبشیِ کمان ای* ناپایدار شود و مارپیچ‌وار پایین برود.

ردیابی ذرات بدون برخورد

در این پژوهش، دانشمندان برای دنبال کردن مسیر ذراتِ بدون برخورد به شیوه‌ای سیستماتیک، فرمول‌هایی که حرکت پلاسمای هم‌کوبشی را به عنوان یک شاره‌ی ماکروسکوپی در نظر می‌گیرد را با فرمول‌بندی‌هایی جایگزین کردند که فیزیکدانان به آن “نظریه‌ی جنبشی” (kinetic) می‌گویند و مسیر هر ذره‌ی بدون هم‌کوبشی را دنبال می‌کند. این رویکرد پیچیده که با بهره از کد رایانه‌ایِ Pegasus انجام شد، مجموعه‌ای از معادلات را پدید آورد که بهتر می‌توانستند رفتار قرص ابرسیاهچاله‌ی کهکشانمان را شبیه‌سازی کنند.

رویکرد جنبشی می‌تواند به اخترفیزیکدانان در شناخت چیزی که باعث کم‌تابشی بیش از اندازه‌ی منطقه‌ی قرص برافزایشی ابرسیاهچاله‌ی مرکز راه شیری شده کمک کند. دستاوردهای این رویکرد می‌توانند همچنین شناخت ما از دیگر مسایل کلیدی، مانند چگونگی رفتار پلاسمای مغناطیده در محیط‌های خشن و افراطی و چگونگی تقویت میدان های مغناطیسی بهبود ببخشد.

به گفته‌ی کونس، هدف این روش تازه “پدید آوردن مدل‌ی برای پیش بینی بیشتری برای انتشار قرص‌های برافزایشی سیاهچاله‌های مرکز کهکشان‌ها جهت مقایسه با مشاهدات اخترفیزیکی خواهد بود.” چنین مشاهداتی به کمک دستگاه‌هایی مانند رصدخانه‌ی پرتو ایکس چاندرای ناسا، تلسکوپی که در سال ۱۹۹۹ راهی فضا شد، و تلسکوپ آینده‌ی افق رویداد(Event Horizon Telescope)، آرایه‌ای از ۹ رادیوتلسکوپ که در کشورهای سرتاسر جهان نصب می‌شوند انجام می‌گیرند. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Physical Review Letters منتشر شده است.