قد يكون علماء الفلك أخيرًا قد حصلوا على الأدلة في قضية كونية باردة: لماذا تفتقد أكبر المجرات في الكون الكثير من النجوم. تشير بيانات جديدة من مهمة التصوير والتحليل الطيفي بالأشعة السينية (XRISM) إلى أن الثقوب السوداء الهائلة هي الجناة، حيث تهب الغاز اللازم لتكوين النجوم.
تتنبأ النماذج الحالية بأن المجرات الأكثر ضخامة يجب أن تكون مليئة بالكتلة النجمية، لكن الملاحظات تظهر نقصًا كبيرًا. استخدمت طالبة الدكتوراه في جامعة ميشيغان، شين "سيندي" شيانغ، بيانات XRISM للتحقيق في أحد التفسيرات الرئيسية ووجدت أدلة تشير مباشرة إلى الثقوب السوداء.
يعرف معظم الناس الثقوب السوداء كأجسام جاذبيتها قوية لدرجة أن الضوء لا يمكنه الإفلات منها. ومع ذلك، يمكن للثقوب السوداء أيضًا أن تخلق مناطق شديدة السطوع حول نفسها. عندما تدور الغازات والغبار إلى الداخل، تشكل قرصًا متراكمًا ينبعث منه كميات هائلة من الطاقة، بما في ذلك أشعة سينية قوية.
الأقراص المتراكمة هي من بين أكثر البيئات نشاطًا في الكون. يتم تسخين المواد المتساقطة نحو الثقب الأسود بفعل الجاذبية والاحتكاك حتى تصبح بلازما شديدة الحرارة. في الوقت نفسه، يمكن للقرص أن يطلق تدفقات قوية من المادة.
يمكن أن تكون هذه الرياح قوية بما يكفي لطرد الغاز من المجرة. ولأن الغاز هو المادة الخام اللازمة لتكوين نجوم جديدة، فإن مثل هذه التدفقات يمكن أن تقلل بشكل كبير من تكوين النجوم في المستقبل.
تدعم بيانات XRISM هذا الاحتمال. المهمة تقودها وكالة استكشاف الفضاء اليابانية بالشراكة مع ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية.
"سابقًا، بدون XRISM، كنا نستطيع فقط رؤية سمات عريضة للتدفقات،" قالت شيانغ. "لكنك تحتاج إلى أن تكون قادرًا على حل السمات الدقيقة للإجابة على أسئلة مهمة. ما هو هيكلها وهندستها؟ كيف تُطلق الرياح ومتى تُطلق؟"
أُطلقت XRISM في عام 2023، وبدأت الملاحظات العلمية في خريف 2024. دقة طاقتها أفضل بحوالي 10 مرات من سابقتها، مما يسمح لعلماء الفلك بفحص بيئات الثقوب السوداء بتفصيل أكبر بكثير.
ركزت شيانغ والمتعاونون معها على NGC 4151، وهي مجرة ساطعة تبعد قليلاً عن 50 مليون سنة ضوئية من الأرض. في مركزها نواة مجرية نشطة (AGN)، حيث يستهلك ثقب أسود هائل المواد بنشاط ويولد قرصًا متراكمًا مضيئًا. هذا يجعل NGC 4151 مختبرًا مثاليًا لدراسة التدفقات الناتجة عن الثقوب السوداء.
"مع XRISM، لدينا أفضل دقة لمراقبة ألمع AGN ونحصل على أغنى المعلومات عن التدفقات التي لاحظناها حتى الآن لقرص متراكم،" قالت شيانغ.
بالعمل جنبًا إلى جنب مع أستاذ علم الفلك في جامعة ميشيغان، جون ميلر، أظهرت شيانغ سابقًا أن الرياح من قرص NGC 4151 المتراكم يمكن أن تصل إلى سرعات كافية لطرد المواد من النظام. كما حددت الآلية المحتملة التي تقود هذه التدفقات - الدفع المغناطيسي الطارد المركزي، المشابه لما يطلق التوهجات الشمسية.
في الاجتماع 248 للجمعية الفلكية الأمريكية في باسادينا، كاليفورنيا، قدمت شيانغ طريقة جديدة لتحديد متى تكون رياح NGC 4151 القوية نشطة. يمكن أن يساعد النهج الباحثين في تحديد تدفقات مماثلة في مجرات أخرى وتحسين فهم AGN في جميع أنحاء الكون.
لأن رياح AGN يمكن أن تتغير بشكل كبير بمرور الوقت، احتاجت شيانغ إلى طريقة لتحديد متى حدثت أسرع وأقوى التدفقات. للقيام بذلك، حللت مئات الأيام من ملاحظات XRISM لـ NGC 4151.
ركز عملها على الفترات التي زاد فيها إنتاج الأشعة السينية للمجرة في التوهجات وكيف تطورت إشارة الأشعة السينية في الساعات التالية.
بالإضافة إلى قياس السطوع، درست شيانغ ما إذا كانت الأشعة السينية المكتشفة صلبة أو ناعمة نسبيًا، وهي خاصية مشابهة للون في الضوء المرئي. جمعت هذه القياسات في مقياس جديد يسمى مؤشر كثافة اللون. اقترح ميلر اختصار الاسم إلى "cindicity".
"جزئيًا لأن اسمي سيندي،" قالت شيانغ. "لكن الفكرة هي أنه في المستقبل، يمكنك أن تخبرني عن cindicity لمصدرك في هذا الوقت."