کهکشان مارپیچی جنوبی، که با نام Messier 83 یا M83 نیز شناخته می‌شود، سال‌هاست که توجه ستاره‌شناسان را به خود جلب کرده است. این کهکشان با بازوهای مارپیچی درخشان و فعالیت شدید ستاره‌زایی‌اش یکی از نمادهای کهکشان‌های ستاره‌فشان محسوب می‌شود. با این حال، در مرکز نورانی این کهکشان، نیرویی پنهان وجود داشت که تاکنون از دید پنهان مانده بود.
اکنون، مشاهدات جدید تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) ممکن است شواهدی از وجود یک سیاه‌چاله کلان‌جرم در هسته‌ی این کهکشان ارائه داده باشند؛ کشفی که می‌تواند درک ما از کهکشان‌هایی که تنها به‌عنوان سامانه‌های ستاره‌فشان شناخته می‌شدند را دگرگون کند.
سیاه‌چاله‌ای پنهان در دل کهکشان ستاره‌فشان
ویژگی‌های کهکشان M83
M83 در فاصله‌ی حدود ۴.۶ میلیون پارسک از زمین قرار دارد؛ فاصله‌ای نسبتاً نزدیک در مقیاس کیهانی. این کهکشان با ساختار مارپیچی میله‌ای و فعالیت شدید ستاره‌سازی، همواره مورد مطالعه قرار گرفته است. با وجود این، سال‌ها تلاش برای یافتن نشانه‌هایی از یک هسته‌ی فعال کهکشانی (AGN) در این کهکشان بی‌نتیجه ماند.
تصاویر نوری و فروسرخ نزدیک از منطقه‌ی مرکزی کهکشان پیچیدگی‌هایی را نشان داده‌اند. در گذشته، چندین مرکز احتمالی برای هسته‌ی کهکشان پیشنهاد شده بود، اما هیچ‌کدام شواهد قانع‌کننده‌ای برای وجود یک AGN ارائه نکردند. اگر سیاه‌چاله‌ای وجود داشت، یا در حالت غیرفعال بود، یا بسیار کم‌نور و یا در پشت غبارهای ضخیم پنهان شده بود.
با ورود تلسکوپ جیمز وب و حساسیت بالای ابزار میانی فروسرخ (MIRI)، دانشمندان توانستند آن‌چه را که تاکنون از دید دیگر تلسکوپ‌ها پنهان مانده بود، آشکار کنند.
نشانه‌هایی از نئون یونیزه‌شده: سرنخی از AGN؟
شناسایی خطوط نئون یونیزه‌شده
در مطالعه‌ای به رهبری «سِوئا هرناندز»، خطوط تابشی نئون با یونیزاسیون بالا در مرکز M83 شناسایی شد: [Ne v] با طول موج ۱۴.۳ میکرون و [Ne vi] با ۷.۷ میکرون. این خطوط نیازمند فوتون‌هایی با انرژی ۹۷ و ۱۲۶ الکترون‌ولت هستند؛ بسیار فراتر از انرژی تولید شده توسط فرآیندهای ستاره‌ای معمول.
«کشف انتشار نئون به‌شدت یونیزه‌شده در مرکز M83 بسیار غیرمنتظره بود. این خطوط نیازمند انرژی‌ای هستند که ستارگان معمولی قادر به تولید آن نیستند. این موضوع به‌طور جدی از وجود یک هسته‌ی فعال کهکشانی پنهان خبر می‌دهد.» — سِوئا هرناندز
منطقه‌ی P3؛ ساختاری جالب توجه
تابش‌ها در ناحیه‌ای مشخص به نام P3 که حدود ۱۴۰ پارسک از هسته‌ی نوری کهکشان فاصله دارد، دیده شد. این ساختار نقطه‌ای، قطری کمتر از ۱۸ پارسک دارد و برخلاف هسته‌ی اصلی، گردوغبار کمتری دارد. این تفاوت می‌تواند از وجود یک AGN حمایت کند.
نقشه‌های سرعت و حرکت گازها
نشانه‌های جریان گاز
نقشه‌های سرعت تهیه شده توسط JWST نشان می‌دهند که تابش [Ne v] در امتداد شمال تا جنوب پخش شده و مناطق مختلف، امضای حرکتی متفاوتی دارند. به‌عنوان نمونه، سرعت تابش [Ne vi] در ناحیه‌ی P3 حدود +۸۰ کیلومتر بر ثانیه است؛ اندکی متفاوت از سرعت محلی [Ne v].
در برخی مناطق نزدیک‌تر به هسته، انحرافات سرعتی منفی دیده می‌شود که می‌تواند نشانه‌ای از خروج گاز یا آشفتگی باشد. همچنین، خطوط با یونیزاسیون بالا مانند [Ne v] و [Ne vi] در مقایسه با خطوط کم‌انرژی، باریک‌تر هستند؛ که می‌تواند بیانگر منشأ متفاوت آن‌ها باشد، مانند فعالیت AGN یا مناطق کوچک ناشی از شوک‌های فشرده.
شوک‌های تابشی یا فعالیت AGN؟
بررسی مدل‌های شوک سریع
محققان احتمال دادند که خطوط نئون یونیزه‌شده توسط شوک‌های تابشی سریع ایجاد شده باشند؛ شوک‌هایی که در اثر گاز متلاطم ناشی از ابرنواختر یا بادهای ستاره‌ای ایجاد می‌شود. مدل‌های شوک، نسبت خطوط را بازتولید کردند، اما تنها تحت شرایطی بسیار خاص: چگالی پیش‌شوک باید بسیار پایین و حدود ۰.۰۱ سانتی‌متر مکعب باشد، که با مقادیر معمول کهکشان‌های ستاره‌ساز تفاوت دارد.
از طرفی، چگالی پس‌شوک بیش از ۱۰۰۰ سانتی‌متر مکعب تخمین زده شد؛ اختلافی که اعتبار فرضیه‌ی شوک‌ها را کاهش می‌دهد.
جالب آن‌که ناحیه‌ی P3، که تنها مکان با تابش [Ne vi] است، کمترین ویژگی‌های PAH (مولکول‌های هیدروکربنی آروماتیک) را نشان می‌دهد. این امر با تخریب PAH توسط شوک‌ها مطابقت دارد، اما تفاوت شدید چگالی‌ها فرضیه‌ی شوک را زیر سؤال می‌برد.
مدل‌های AGN و تبیین تابش‌ها
شبیه‌سازی هسته‌ی کم‌نور AGN
محققان مدل‌های فتویونیزاسیون سفارشی‌شده‌ای بر پایه‌ی AGN کم‌نور ایجاد کردند. این مدل‌ها از دو منطقه استفاده می‌کنند: یکی شفاف به تابش یونیزه‌کننده برای تولید خطوط انرژی بالا مانند [Ne v]، و دیگری ضخیم برای خطوط با یونیزاسیون کمتر.
این مدل‌ها با ویژگی‌های محیط مرکزی M83، از جمله چگالی و فلزات سازگار هستند و نسبت‌ها و شدت خطوط را به‌خوبی بازسازی می‌کنند. بهترین مدل، تابش P3 را در ناحیه‌ی AGN در نمودارهای تشخیصی کلاسیک قرار می‌دهد.
«وب درک ما از کهکشان‌ها را متحول کرده است. برای سال‌ها، به‌دنبال سیاه‌چاله در M83 بودیم و اکنون شواهدی قانع‌کننده داریم.» — لیندا اسمیت، از نویسندگان مقاله
رد منابع دیگر
بررسی منابع پرانرژی دیگر
آیا ممکن است منبع دیگری باعث این تابش‌ها باشد؟ سیستم‌های دوتایی پرجرم اشعه X نیز می‌توانند پرتو سخت تولید کنند، اما نه در این سطح. بررسی‌های پیشین اشعه X از M83 چند منبع را شناسایی کردند، اما هیچ منبعی در ناحیه‌ی P3 دیده نشد.
از سوی دیگر، فعالیت ستاره‌زایی به‌تنهایی قادر به تولید خطوط نئون یونیزه‌شده نیست. مدل‌های مبتنی بر ستارگان پرجرم، مانند جمعیت وُلف–رایه، معمولاً نمی‌توانند خطوط [Ne v] و [Ne vi] را بازتولید کنند. این محدودیت‌ها و موفقیت مدل AGN، احتمال وجود هسته‌ی فعال را تقویت می‌کنند.
بازنگری در تعریف کهکشان‌های ستاره‌فشان
برای سال‌ها، M83 به‌عنوان نمونه‌ای کلاسیک از کهکشان‌های ستاره‌فشان شناخته می‌شد. داده‌های نوری نشانه‌ای از سیاه‌چاله نشان نمی‌دادند، اما خطوط نئون یونیزه‌شده در داده‌های فروسرخ، دیدگاه ما را تغییر داده‌اند.
نمودارهای نسبت خطوط اکنون نواحی هسته‌ای M83 را در کنار سامانه‌های ترکیبی AGN–ستاره‌فشان قرار می‌دهند. به‌ویژه P3 در مرز میان کهکشان‌های صرفاً ستاره‌ساز و AGNهای کم‌نور قرار دارد. این ترکیب نشان می‌دهد که شاید کهکشان‌های «خالص» دیگری نیز در دل خود AGNهای پنهان داشته باشند.
قدم‌های بعدی برای تأیید سیاه‌چاله
آینده‌ی پژوهش‌ها
تیم تلسکوپ وب پایه‌های این کشف را بنا نهاده، اما هنوز رمز و راز به‌طور کامل حل نشده است. مشاهدات آینده با تلسکوپ ALMA و تلسکوپ بسیار بزرگ (VLT) می‌توانند منبع تابش نئون را دقیق‌تر بررسی کنند. همچنین، شبیه‌سازی‌هایی با ساختارهای هندسی پیچیده‌تر، درک بهتری از ساختار گازها ارائه خواهند داد.
در حال حاضر، سیاه‌چاله‌ی پنهان M83 یک گزینه‌ی بسیار قوی محسوب می‌شود، گرچه هنوز تأیید نشده است. با این حال، این پژوهش نشان می‌دهد که JWST چگونه می‌تواند ساختارهایی را آشکار کند که تلسکوپ‌های پیشین قادر به مشاهده‌ی آن نبودند.
نتیجه‌گیری: کشف جدید، دریچه‌ای به آینده
مطالعه‌ی اخیر که در مجله اخترفیزیک منتشر شده است، دریچه‌ای تازه به دنیای کهکشان‌های پنهان گشوده و چالشی جدی برای درک پیشین ما از کهکشان‌های ستاره‌فشان ایجاد کرده است.
تصویر: سازمان فضایی اروپا (ESA)
