سیاه چاله های پرجرم درقلب کهکشان ما

 

سازمان ملل سال 1388 را سال جهانی نجوم نامید تا چهارصدمین سالگرد آغاز رصدهای تلسکوپی گالیله را گرامی بدارد. وقتی گالیله نخستین بارتلسکوپش را به سوی ستاره های آسمان شب نشانه رفت حساسیت چشم انسان را 16 بارافزایش داد. گالیله، درمیان کشف های بی شمار، چهارقمرهم دراطراف سیاره ی مشتری یافت که نظریه ی منظومه ی شمسی خورشید مرکز کپرنیک را تقویت می کرد. حالا، چهارصد سال بعد، تلسکوپ های رده ی ده متری با سامانه ی اپتیک سازگار به سوی مرکز کهکشان ما نشانه می روند تا مدارستاره هایی را دنبال کنند که به دور جرم متمرکز تیره ای درحال گردش اند. رصد پارامترهای مداری چندین ستاره، ازجمله ستاره ای با دوره ی تناوب 15 ساله، هم اکنون هم نشانی محکم از وجود سیاه چاله ای با جرم 4 میلیون برابر خورشید درمرکز کهکشان راه شیری به دست می دهد. هیچ نوع شناخته شده ی دیگری از اجرام اخترفیزیکی وجود ندارد که این همه جرم را در محدوه ای به قطر زیر یک واحد نجومی متمرکز کرده باشند.
نیروی محرک چنین کشف هایی شامل پیشرفت های فناوری هم هست که منجر به توان تفکیک های بالا ونیزافزایش حساسیت از 16 برابر در زمان گالیله به 25000 برابر در روزگارما می شود. یکی دیگر از کشف های حاصل از فناوری را کارل یانسکی از آزمایشگاه های بل انجام داد. در سال 1932/1311، یانسکی یک تلسکوپ رادیویی 14/6 متری ساخت که در فرکانس 20 مگاهرتز کارمی کرد. او با این آنتن سیگنال رادیویی قوی ای را درجهت مرکز راه شیری آشکارکرد. به این ترتیب زمینه ای کاملاً جدید دراخترشناسی رادیویی شکل گرفت. رصدهای تداخل سنجی رادیویی بعدی چشمه ی رادیویی قدرتمندی (به نام قوس A یا Sgra) را در مرکز راه شیری شناسایی کرد که درمجاورت سیاهچاله ای مرکزی بود. سرمارتین رایل در سال 1974/1353 برای اختراع تداخل سنجی رادیویی برنده ی جایزه ی نوبل فیزیک شد وبسیاری براین باوربودند که یانسکی هم، اگر عمر طولانی تری داشت، حتماً برنده ی نوبل فیزیک می شد(کارل یانسکی در45 سالگی درگذشت).
سیاه چاله ی پرجرم قوس A صد بار نزدیک تراز نزدیک ترین سیاه چاله ی بعدی به ماست وبه این ترتیب فرصتی بی نظیر برای بررسی نزدیک فرایند مکیده شدن گازها به درون سیاه چاله ها برای ما فراهم می آورد. بنابراین، این سیاه چاله موضوع موشکافی های دقیق شده است. دانشمندان براین تصورند که انرژی گسیل شده از قوسA در واقع ازگازهایی رها می شود که بادهای قدرتمند ستاره ای اعضای خوشه ی ستاره ی پرجرم همسایه کشیده می شوند وبه درون سیاه چاله سقوط می کنند. درخشندگی کل (توان تابشی) قوسA چندین مرتبه ی بزرگی پایین تر از چیزی است که براساس سرعت کشش ماده ازبادهای ستاره ای پیش بینی می شود.همین موجب ارایه شدن چندین مدل نظری برای شرح این بازده بسیارکم شده است.
با وجود بررسی های نظری بسیار درباره تابش های پی درپی قوس A، هنوز روشن نیست که چرا درخشندگی این جرم این قدر کم است. حالا توجه ها معطوف به ترکیبات متغیرتابش آن درطول موج های گوناگون شده است.آنچه واقعاً جالب است این که ما درحال نگریستن به نزدیک ترین ابر سیاه چاله درطول موج های گوناگونیم وتغییرات سریع ومرتبطی را کشف می کنیم که احتمالاً ریشه درجریان پویای گازها وتابش های بسیارنزدیک به سیاه چاله دارند.

فعالیت های رصدی
 

درچند سال گذشته، تعدادی تلسکوب را برای درک بهتر ارتباط وسازوکار تابش گسیل های شراره ای درباندهای طول موجی متفاوت تنظیم کرده ایم. دراین جا به نتایج رصد انجام شده در تاریخ 12 تا 22 فروردین 1386 / اول تا یازدهم آوریل 2007 اشاره می کنم. دراین مشارکت جهانی هشت کشور وبیش از بیست مؤسسه علمی مختلف حضور داشتند. دراین فعالیت رصدی 13 رصد خانه، از جمله سه ماهواره درطول موج های ایکس (XMM-Newton)، گاما (اینتگرال -INTEGRAL)، وفرو سرخ نزدیک (تلسکوپ فضایی هابل)، ونیز تعداد بسیاری تلسکوپ های رادیویی وریز موج شرکت داشتند. در زیر به نتایج این اندازه گیری ها اشاره می کنیم.

فرو سرخ وپرتو ایکس دربرابر تابش شراره ای رادیویی.
 

شکل الف - 1 شارتابشی قوسA را به عنوان تابعی از زمان (مثلاً منحنی نور) نشان می دهد که تلسکوپ های رادیویی، فروسرخ و پرتوایکس دررصد 15 فروردین 4/1386 آوریل 2007 به دست آوردند. این منحنی ها نور نشان می دهند که این شراره های قوی درطول موج های ایکس وفروسرخ بدون هیچ تاخیر زمانی با یکدیگر هم زمان اند. هر چند، شراره ی رادیویی درفرکانس 43 گیگاهرتز، که بین ساعت های 10و 15 به وقت جهانی کشف شد، با توجه به قله های گسیل شراره های ایکس وفروسرخ تأخیر زمانی دارد. اندازه گیری تأخیر زمانی نشان می دهد که گسیل شراره ی رادیویی از نظراپتیکی پهن وگسیل فرو سرخ وایکس ازنظراپتیکی باریک است.منحنی های نوری نشان داده شده که شکل 1 با اندازه گیری های تأخیرزمانی، که در چندین آزمایش گذشته انجام داده ایم، سازگاراست. تأخیر زمانی میان رویدادهای گسیل شراره با تصویری، که درآن تابش سینکروترون شراره از نظر اپتیکی پهن است، سازگاری دارد. با گسترش پلاسما، شدت هم افزایش می یابد وبه اوج می رسد و وقتی پلاسما از نظر اپتیکی باریک می شود شدت هم درهر فرکانس کاهش می یابد. این رویداد نخست دربالاترین فرکانس ها و سپس با تأخیری درحد چند دقیقه یا چند ساعت - بسته به اختلاف فرکانس ها - در پایین ترین فرکانس ها رخ می دهد. انبساط بی دررو فعالیت شراره ای قوس A به شکل کروی صورت می گیرد واین انبساط پلاسما را، که وابسته به یک میدان مغناطیسی یکنواخت است، به شکل کره ای مشابه گسترش می دهد. زمانی که پلاسما از صفحه گسترش می یابد، ذرات نسبیتی طی انبساط بی درور سرد می شوند و، چون شارثابت است، انرژی آن ها متناسب با معکوس شعاع است وشدت میدان مغناطیسی متناسب یا عکس مجذور شعاع کاهش پیدا می کند.
یکی از پیامدهای سرد شدن بی دررو پلاسمای داغ درگازی، که ازنظراپتیکی رقیق است (نورازآن عبور می کند)، مشاهده ی تأخیر زمانی در تابش ها به صورت تابعی از فرکانس است. یکی از انگیزه های ما برای انجام دادن این پروژه این بود که تخمین بزنیم که تابش شراره ای مربوط به گازی می شود که درحال فرو ریزش درسیاه چاله است، یا گازی که از اطراف سیاه چاله پراکنده و دور می شود. تأخیر زمانی مشاهده شده این تصور را تقویت می کند که پلاسمای داغ از صفحه به بیرون گسترش می یابد وموجب کاهش ورود مواد به سیاه چاله می شود.

فرایند تابش پرتوهای ایکس درمعکوس پدیده ی کامیتون
 

تابش شراره ای پرتوهای ایکس از قوسA آشکارشده است وبه نظر می رسد که این پرتوها ازفاصله ی کمی از شعاع شوارتز شیلد گسیل شده اند.(شعاع شوارتزشیلد افق رویداد سیاه چاله ای غیر چرخان است.) تابش های شراره ای فرو سرخ دراثر معکوس پدیده ی کامپتون درمجاورت سیاه چاله ای با جرم 10×4 به توان 6 برابر جرم خورشید، تابش های ایکس را به وجود می آورند. همان طور که درشکل 2 نشان داده شده است، طی تابش شراره ای، درصدی از فوتون های فروسرخ توسط مجموعه ای از الکترون های نسبیتی درون صفحه ی قوسA به بالا پرتاب می شوند. برای تخمین مقدار شار ایجاد شده در اثر معکوس کامپتون، باید از مشخصات جمعیت توده ی کامپتون، فوتون های فرو سرخ کم انرژی ایکس تولید می کنند. مقدار جمعیت الکترون های درون صفحه گاهی موجب تأخیر زمانی قابل توجهی بین تابش شراره ای فرو سرخ و پرتوهای ایکس می شود.در واقع تأخیر زمانی، به تعداد الکترون های بستگی دارد. یک شراره ی پر انرژی فروسرخ دراثر معکوس، پدیده ی کامپتون بر روی الکترون های با دمای کم، که درشعاعی 1000 برابر شعاع شوارتز شیلد گسترده شده اند، موجب تولید پرتوهای ایکس می شود. دراثراین پدیده، همانند چند بار انعکاس صوت، تابش ضعیفی از پرتوهای ایکس پس از شراره ی اصلی باز تولید می شود که مدت ده ها دقیقه، پس از آن که شراره ی اصلی فروکش کرده، ادامه پیدا می کند که به آن اشاره شد وبه تشخیص اندازه ی لایه های خارجی اطراف سیاه چاله، که دراثر پخش نور درگاز میان ستاره ای نمی توان به راحتی آن را آشکار کرد، کمک می کند.
منبع:نشریه نجوم، شماره 198.  

منبع:  rasekhoon.net