کهکشانی در فاصله تقریبی پنج میلیارد سال نوری از ما میزبان یک سیاهچاله عظیم است که جرم آن حدود 36.3 میلیارد برابر جرم خورشید برآورد شده است. این اندازهگیری جدید مربوط به مرکز کهکشان SDSS J1148+1930 است و جرم یادشده این سیاهچاله را فراتر از رده «ابرپرجرم» قرار میدهد و در گروه «فراپرجرم» یا ultramassive دستهبندی میکند. برای مقایسه، سیاهچالهٔ مرکزی کهکشان راه شیری تنها حدود 4.3 میلیون جرم خورشیدی دارد؛ اختلافی چندین هزار برابری که نشان میدهد این کشف تا چه اندازه حیرتآور است.
زمینه علمی: مرزهای جرم سیاهچالهها
ستارهشناسان بر این باورند که سیاهچالههای ابرپرجرم (بزرگتر از حدود یک میلیون جرم خورشیدی) در مرکز بیشتر کهکشانهای کامل وجود دارند و نقش گرانشی محوری در شکلگیری و پویایی کهکشانها ایفا میکنند. از نظر نظریاتی، اگر منابع ماده در دسترس باشد و زمان کافی وجود داشته باشد، یک سیاهچاله میتواند رشد نامحدودی داشته باشد، اما در عمل محدودیتهای دیگری مانند نرخ رشد (سرعت جذب ماده) و عمر عالم محدود به حدود 13.8 میلیارد سال، حداکثر جرم عملی را محدود میکنند. بر پایه محاسبات رشد در چارچوب سن کنونی عالم، حداکثر جرم قابل دستیابی برای یک سیاهچاله در حدود چند ده میلیارد جرم خورشیدی — به طور تقریبی تا 50 میلیارد جرم خورشیدی — پیشبینی شده است. نمونه SDSS J1148+1930 نشان میدهد که سیاهچالهها میتوانند به نزدیکی این حدّ برسند.
روش اندازهگیری: لنز گرانشی و کینماتیک ستارهای
کشف این جرم عظیم در قالب یک سیستم لنز گرانشی رخ داده است که با نام نعل اسبی کیهانی (Cosmic Horseshoe) شناخته میشود؛ پدیدهای که در آن همراستایی نادر دو جرم آسمانی باعث ایجاد قوس یا هالهای از نور میشود. ساختار نعل اسبی ترکیبی از یک لکه تابان مرکزی (جلومانی) و یک هاله کمانی است که نور کهکشان دوردستتر را بهواسطه میدان گرانشی کهکشان پیشزمینه خم و بزرگنمایی کرده است.
در چنین سامانههایی گستردگی و هندسهٔ لنز گرانشی نشانگر قدرت میدان گرانشی جسم عدسی (کهکشان جلوی میدان دید) است و از این طریق میتوان به برآورد جرم آن رسید. تیمی به سرپرستی کارلوس مِلو-کارنِیرو از دانشگاه فدرال ریوگرانده دو سول در برزیل با بهرهگیری از تحلیل لنز گرانشی و بررسی حرکتهای ستارهای در مرکز کهکشان پیشزمینه، به اندازهگیریای نسبتاً قطعی دست یافتهاند. نکته کلیدی این بود که سیاهچالهٔ مورد نظر در زمان رصد در حالت ساکن یا «خفته» بوده است؛ یعنی نشانههای آشکاری از جذب ماده در تابش الکترومغناطیسی آن دیده نمیشد و تشخیص آن فقط از طریق تأثیر گرانشی انجام شده است.
مقایسه با دیگر نامزدها و ابهامات اندازهگیری
نمونههایی مانند TON-618 پیش از این بهعنوان نامزدهای فوقالعاده سنگین مطرح شدهاند، اما اندازهگیری جرم آنها اغلب با عدم قطعیتهای قابل توجهی همراه است و بازنگریها نشان دادهاند که تخمینهای اولیه میتوانند بسیار بالا یا پایین باشند. برای مثال جرم TON-618 ابتدا حدود 66 میلیارد جرم خورشیدی برآورد شد که در بازبینیهای بعدی تا حدود 40 میلیارد جرم خورشیدی کاهش یافت. پژوهشگران میگویند که بسیاری از اندازهگیریهای بزرگترین سیاهچالهها غیرمستقیم و دارای خطای قابل توجهاند؛ اما برای SDSS J1148+1930 با ترکیب دادههای لنز گرانشی و کینماتیک ستارهای، اطمینان بیشتری دربارهٔ مقدار جرم وجود دارد.
کهکشان فسیلی و سازوکار رشد سیاهچاله
یکی از ویژگیهای جذاب این کهکشان این است که پژوهشگران آن را یک «کهکشان فسیلی» توصیف میکنند؛ مقصود کهکشان تک و بسیار بزرگی است که احتمالاً در گذشته یک خوشهٔ کهکشانی بوده است. فرضیهٔ مورد قبول این است که در طول زمان کهکشانهای عضو خوشه با یکدیگر ادغام شدهاند و سیاهچالههای مرکزی هر یک نیز بهتدریج در هم آمیختهاند تا به یک سیاهچالهٔ بسیار بزرگ تبدیل شوند. این سناریو شواهدی دربارهٔ یکی از پرسشهای باز فیزیک اخترشناسی فراهم میآورد: چگونه سیاهچالههای اَبَر- و فراپرجرم به این اندازه عظیم میشوند؟ مشاهدهٔ چنین نمونههایی، تصاویر مرحلهٔ نهایی فرایندهای تشکیل کهکشان و یکپارچهسازی سیاهچالهها را در اختیار ما میگذارد.
فناوریها، رصدهای آتی و چشمانداز پژوهشی
برای افزایش دقت در اندازهگیری جرم سیاهچالههای بسیار بزرگ، ترکیب روشهای متفاوت – از جمله مطالعات لنزهای گرانشی، طیفنگاری میداندسّمی (integral field spectroscopy) برای پیمایش حرکت ستارگان، و رصدهای طولانیمدت مدارها – حیاتی است. تلسکوپهای زمینی نسل جدید (مثل ELT و GMT) و رصدخانههای فضایی (مثل جیمز وب) ابزارهایی هستند که میتوانند تصاویر و طیفهای با کیفیتتری از این سامانهها فراهم آورند. همچنین پژوهشهای آینده میتوانند به روشنتر شدن نقش ادغام کهکشانها، نرخ جذب ماده و شرایط محیطی در محدود کردن یا تسریع رشد سیاهچالهها کمک کنند.
نتیجهگیری
یافتههای مربوط به سیاهچالهٔ مرکز SDSS J1148+1930 نمایانگر نمونهای نزدیک به حدّ عملی جرم در عالم امروز است و نشان میدهد که فرایندهای ادغام و رشد کهکشانها میتوانند منجر به پدیدآمدن سیاهچالههایی با جرم میلیاردها برابر خورشید شوند. این کشف نه تنها یک رکورد احتمالی را معرفی میکند، بلکه چارچوبی برای بررسی دقیقتر مرزهای رشد سیاهچالهها، تاریخچهٔ تشکیل کهکشان و نقش لنزهای گرانشی در آشکارسازی اجرام خفته فراهم میآورد. مطالعات آینده با دادههای بهتر و ابزارهای پیشرفته خواهند توانست تصویر دقیقتری از بزرگترین سازههای گرانشی عالم ارائه کنند.
