خاستگاه پرتوهای رادیوییِ خوشه کهکشانی کلید سل

تصویری رنگارنگ از یک رویداد خشن کیهانی در نگاه نخست

ساختاری صورتی‌رنگ و خمیده که در فضای تاریک شناور است، ممکن است به یک ابر گازی آرام یا حتی نشانه‌ای از پدیده‌ای هنری در کیهان شباهت داشته باشد.

اما این شکل که به دلیل شباهتش به «کلید سل» نام گرفته است، در واقع تصویری از امواج رادیویی بسیار نیرومند در فاصله‌ای عظیم از زمین است. بررسی‌های تازه نشان می‌دهد که این ساختار احتمالاً نتیجه هم‌زمان دو رویداد پرانرژی است: فوران یک سیاه‌چاله کلان‌جرم و برخورد دو خوشه کهکشانی. این کشف اهمیت دارد، زیرا به اخترشناسان کمک می‌کند دریابند چگونه انرژی سیاه‌چاله‌ها در مقیاس‌های بسیار بزرگ در محیط میان‌کهکشانی پخش می‌شود و چگونه برخورد خوشه‌های کهکشانی می‌تواند ذرات باردار را دوباره شتاب دهد.

چند تلسکوپ برای دیدن یک پدیده این ساختار با استفاده از داده‌های چند رصدخانه شناسایی شده است.

رصدخانه پرتو ایکس چاندرا (Chandra X-ray Observatory) متعلق به ناسا، و تلسکوپ پرتو ایکس اروسیتا (eROSITA) به آشکارسازی گاز داغ کمک کردند. این گاز در تصویر ترکیبی معمولاً به رنگ آبی نمایش داده می‌شود. داده‌های رادیویی نیز از آرایه تلسکوپی لوفار (LOFAR) به دست آمده‌اند و به رنگ صورتی دیده می‌شوند. داده‌های فروسرخ، که برای شناسایی کهکشان‌ها و ساختار کلی سامانه مفیدند، از پیمایش فروسرخ سراسر آسمان بریتانیا به دست آمده‌اند. هر بخش از این تصویر اطلاعات متفاوتی ارائه می‌دهد. پرتو ایکس نشان‌دهنده گازی با دمای بسیار بالا، در حدود ده‌ها میلیون درجه، است. چنین گازی به دلیل حرکت سریع ذرات و برانگیختگی شدید اتم‌ها، تابش پرتو ایکس تولید می‌کند. در مقابل، تابش رادیویی معمولاً از ذرات بارداری سرچشمه می‌گیرد که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند و در میدان‌های مغناطیسی مسیرشان خم می‌شود. بنابراین، تصویر نهایی یک عکس معمولی از نور مرئی نیست؛ بلکه نقشه‌ای چندلایه از مواد و فرایندهایی است که چشم انسان مستقیماً قادر به دیدن آن‌ها نیست.

سیاه‌چاله چگونه موج رادیویی تولید می‌کند؟

سیاه‌چاله کلان‌جرم (Supermassive Black Hole) معمولاً در مرکز کهکشان‌های بزرگ قرار دارد و جرم آن می‌تواند از میلیون‌ها تا میلیاردها برابر جرم خورشید باشد. خود سیاه‌چاله نور منتشر نمی‌کند، اما هنگامی که گاز و غبار به سوی آن سقوط می‌کنند، در «قرص برافزایشی» (Accretion Disk) به‌شدت داغ و فشرده می‌شوند. اصطکاک، میدان‌های مغناطیسی و حرکت آشفته این ماده می‌تواند بخشی از انرژی را به فوران‌هایی از ذرات باردار تبدیل کند. این فوران‌ها که «جت‌های نسبیتی» (Relativistic Jets) نام دارند، در امتداد محور چرخش سیاه‌چاله با سرعت بسیار زیاد به بیرون پرتاب می‌شوند. ذرات موجود در این جت‌ها، به‌ویژه الکترون‌ها، در میدان‌های مغناطیسی حرکت مارپیچی پیدا می‌کنند. در این حالت، تابشی به نام «تابش سنکروترون» (Synchrotron Radiation) تولید می‌شود که بخش مهمی از آن در طول موج‌های رادیویی آشکار است. می‌توان این فرایند را به حرکت یک ذره باردار در میان میدان مغناطیسی تشبیه کرد. همان‌طور که یک جسم متحرک هنگام تغییر مسیر می‌تواند انرژی خود را به شکل موج آزاد کند، الکترون‌های پرسرعت نیز هنگام خم شدن مسیرشان تابش منتشر می‌کنند. اگر تعداد این ذرات بسیار زیاد باشد، از فاصله میلیاردها سال نوری نیز یک منبع رادیویی درخشان دیده می‌شود.

نقش برخورد دو خوشه کهکشانی خوشه کهکشانی (Galaxy Cluster) یکی از بزرگ‌ترین ساختارهای به‌هم‌پیوسته در جهان است.

یک خوشه می‌تواند شامل صدها یا هزاران کهکشان باشد، اما بیشتر جرم آن در خود کهکشان‌ها نیست. بخش عمده جرم خوشه را ماده تاریک تشکیل می‌دهد و مقدار زیادی گاز بسیار داغ نیز در فضای میان کهکشان‌ها پراکنده است. بر اساس تفسیر پژوهشگران، ساختار کلید سل در سامانه‌ای دیده می‌شود که از ادغام دو خوشه کهکشانی شکل گرفته است. هنگامی که دو خوشه با یکدیگر برخورد می‌کنند، کهکشان‌ها به دلیل فاصله زیاد میان ستاره‌هایشان معمولاً مستقیماً با هم برخورد نمی‌کنند؛ اما گازهای داغ و میدان‌های گرانشی آن‌ها به‌شدت بر یکدیگر اثر می‌گذارند. این برخورد می‌تواند موج‌های ضربه‌ای، آشفتگی و میدان‌های مغناطیسی گسترده ایجاد کند. ذرات بارداری که پیش‌تر در فوران سیاه‌چاله شتاب گرفته‌اند، در جریان این برخورد ممکن است فشرده شوند یا انرژی تازه‌ای دریافت کنند. در نتیجه، شدت تابش رادیویی افزایش می‌یابد و ساختاری گسترده و پیچیده پدیدار می‌شود. این موضوع شبیه آن است که صدای یک ساز پس از عبور از یک فضای طنین‌انداز تقویت شود؛ با این تفاوت که در اینجا، «ساز» میدان مغناطیسی کیهانی و «صدا» تابش رادیویی ذرات پرانرژی است.

چرا شکل کلید سل اهمیت دارد؟

شکل ظاهری این ساختار فقط یک ویژگی دیداری جالب نیست. خم‌ها، حلقه‌ها و رشته‌های تابش رادیویی می‌توانند مسیر حرکت ذرات، جهت میدان‌های مغناطیسی و تاریخچه فوران سیاه‌چاله را آشکار کنند. برای نمونه، اگر ذرات در دو سوی مرکز خوشه پخش شده باشند، ممکن است نشان دهند که جت‌های سیاه‌چاله در گذشته در دو جهت مخالف حرکت کرده‌اند. تغییر جهت یا خمیدگی این جت‌ها نیز می‌تواند حاصل حرکت کهکشان میزبان یا اثر گازهای متراکم پیرامون آن باشد. همچنین، مقایسه تابش رادیویی با نقشه پرتو ایکس به دانشمندان اجازه می‌دهد رابطه میان ذرات پرانرژی و گاز داغ را بررسی کنند. اگر مرزهای تابش رادیویی با نواحی فشرده یا موج‌دار گاز هم‌راستا باشند، این هم‌زمانی می‌تواند شاهدی برای نقش برخورد خوشه‌ها در تقویت تابش باشد.

پیامدهای این کشف برای شناخت کیهان ادغام خوشه‌های کهکشانی از پرانرژی‌ترین رویدادهای شناخته‌شده پس از انفجار بزرگ به شمار می‌رود.

مطالعه آن‌ها فقط درباره یک تصویر عجیب یا یک سیاه‌چاله خاص نیست؛ این رویدادها آزمایشگاهی طبیعی برای بررسی شتاب‌دهی ذرات، شکل‌گیری میدان‌های مغناطیسی و رفتار پلاسما در مقیاس‌های میلیون‌ها سال نوری هستند. پژوهشگران با اندازه‌گیری شدت و گستره تابش رادیویی می‌توانند تخمین بزنند چه مقدار انرژی از سیاه‌چاله به محیط اطراف منتقل شده است. این انرژی ممکن است بر شکل‌گیری ستاره‌ها و رشد کهکشان‌ها نیز اثر بگذارد، زیرا فوران‌های سیاه‌چاله می‌توانند گاز را گرم یا جابه‌جا کنند و روند فروپاشی آن برای تشکیل ستاره را تغییر دهند. در آینده، آرایه‌های رادیویی حساس‌تر و رصدخانه‌های پرتو ایکس دقیق‌تر، نمونه‌های بیشتری از چنین ساختارهایی را آشکار خواهند کرد. بررسی آماری این نمونه‌ها به دانشمندان کمک می‌کند زمان‌بندی فوران‌های سیاه‌چاله و برخورد خوشه‌ها را بهتر بازسازی کنند. ساختار کلید سل یادآور می‌شود که تصاویر آرام و زیبا از کیهان اغلب حاصل فرایندهایی هستند که در مقیاسی عظیم، خشن و بسیار پرانرژی رخ می‌دهند.