تتحدى الثقوب السوداء الضخمة بشكل مدهش في بداية الكون النظريات الكونية

ومن المثير للدهشة أن الثقب الأسود كان يزن بالفعل مليار كتلة شمسية على الرغم من متوسط ​​شهيته في الكون المبكر.

نظرة خاطفة على المراحل المبكرة من الكون البالغ من العمر 13.8 مليار سنة، The تلسكوب جيمس ويب الفضائي مجرة وجدت بعد 700 مليون سنة .الانفجار العظيم. كيف هو المحير الثقب الأسود عندما كان الكون لا يزال في بداياته، كان وزنه في قلبه مليار كتلة شمسية. وكانت ملاحظات جيمس ويب تهدف إلى فحص آلية التغذية، لكنها لم تجد شيئًا خارجًا عن المألوف. ومن الواضح أن الثقوب السوداء تنمو بالفعل كما هي اليوم. لكن النتيجة أكثر أهمية: فقد تظهر أن علماء الفلك يعرفون أقل مما كانوا يعتقدون عن كيفية تشكل المجرات. ومع ذلك، فإن المقاييس ليست مخيبة للآمال بأي حال من الأحوال. على العكس تماما.

سر الثقوب السوداء المبكرة

تمثل المليار سنة الأولى من التاريخ الكوني تحديًا: فالثقوب السوداء البدائية الموجودة في مراكز المجرات لها كتل كبيرة بشكل مدهش. كيف أصبحوا بهذا الحجم وبهذه السرعة؟ توفر الملاحظات الجديدة الموضحة هنا دليلًا قويًا ضد بعض التفسيرات المقترحة، خاصة ضد “النظام الغذائي عالي الكفاءة” للثقوب السوداء المبكرة.

حدود نمو الثقب الأسود الهائل

على مدار الـ 13.8 مليار سنة الماضية، تغيرت النجوم والمجرات بشكل كبير على مدار عمر الكون. نمت المجرات بشكل أكبر واكتسبت كتلة أكبر عن طريق استهلاك الغاز المحيط بها أو (أحيانًا) اندماجها مع بعضها البعض. لفترة طويلة، افترض علماء الفلك أن الثقوب السوداء الهائلة الموجودة في مراكز المجرات تنمو تدريجياً مع المجرات نفسها.

لكن نمو الثقب الأسود لا يمكن أن يكون سريعا بشكل اعتباطي. المواد التي تسقط على الثقب الأسود تخلق “قرص تراكم” دوار وساخن ومشرق. وعندما يحدث هذا حول ثقب أسود هائل، تكون النتيجة نواة مجرة ​​نشطة. تعتبر هذه الأجسام الساطعة، المعروفة باسم الكوازارات، من بين أكثر الأجسام الفلكية سطوعًا في الكون بأكمله. لكن هذا السطوع يتحكم في كمية المادة التي تسقط على الثقب الأسود: فالضوء يمارس ضغطًا يمنع المزيد من المادة من السقوط.

كيف أصبحت الثقوب السوداء بهذا الحجم وبهذه السرعة؟

ولهذا السبب تفاجأ علماء الفلك عندما كشفت عمليات رصد الكوازارات البعيدة، في العشرين عامًا الماضية، عن ثقوب سوداء صغيرة جدًا تصل كتلتها إلى 10 مليارات كتلة شمسية. يستغرق الضوء وقتًا للانتقال من جسم بعيد إلينا، لذا فإن رؤية الأشياء البعيدة تعني رؤية الماضي البعيد. نحن ننظر إلى أبعد النجوم الزائفة المعروفة، كما كانت في عصر يعرف باسم “الفجر الكوني”، بعد أقل من مليار سنة من الانفجار الكبير، عندما تشكلت النجوم والمجرات الأولى.

يشكل تفسير تلك الثقوب السوداء الضخمة المبكرة تحديًا كبيرًا للنماذج الحالية لتطور المجرات. هل كانت الثقوب السوداء المبكرة أكثر كفاءة في إنتاج الغاز من نظيراتها الحديثة؟ أم أن وجود الغبار يؤثر على تقديرات كتلة النجوم الزائفة بطريقة تجعل الباحثين يبالغون في تقدير كتل الثقوب السوداء المبكرة؟ هناك العديد من التفسيرات المقترحة في هذا الوقت، ولكن لم يتم قبول أي منها على نطاق واسع.

نظرة فاحصة على نمو الثقب الأسود المبكر

إن تحديد أي من التفسيرات هو الصحيح يتطلب صورة أكثر اكتمالا للكوازارات مما كان متاحا في السابق. مع ظهور تلسكوب جيمس ويب الفضائي، وخاصة أداة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة للتلسكوب، MIRI، حققت قدرة علماء الفلك على دراسة النجوم الزائفة البعيدة قفزة هائلة. لقياس أطياف الكوازارات البعيدة، تعد MIRI أكثر حساسية بمقدار 4000 مرة من الأدوات السابقة.

يتم تصنيع أدوات مثل MIRI بواسطة اتحاد دولي من العلماء والمهندسين والفنيين الذين يعملون معًا بشكل وثيق. وبطبيعة الحال، يهتم الاتحاد بشدة باختبار ما إذا كانت أدواتهم تعمل كما هو مخطط لها. وفي مقابل تطوير الأداة، يُمنح الاتحاد قدرًا معينًا من وقت المراقبة. في عام 2019، قبل عدة سنوات من إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي، قرر اتحاد MIRI الأوروبي استغلال بعض هذا الوقت لمراقبة أبعد كوازار معروف، وهو جسم يحمل الاسم J1120+0641.

مراقبة أحد أقدم الثقوب السوداء

وقد قامت بتحليل الملاحظات الدكتورة سارة بوسمان، باحثة ما بعد الدكتوراه في معهد ماكس بلانك لعلم الفلك (MPIA) وعضو في اتحاد MIRI الأوروبي. تتضمن مساهمات MPIA في أداة MIRI تطوير العديد من المكونات الداخلية الرئيسية. طُلب من بوسمان على وجه التحديد الانضمام إلى تعاون MIRI لجلب الخبرة حول كيفية استخدام الأداة على أفضل وجه لدراسة الكون المبكر، وخاصة الثقوب السوداء الأولى فائقة الكتلة.

تم إجراء الملاحظات في يناير 2023 خلال الدورة الأولى لـ JWST واستمرت حوالي ساعتين ونصف الساعة. وهي تشكل أول دراسة للأشعة تحت الحمراء المتوسطة للكوازار خلال الفجر الكوني، بعد 770 مليون سنة فقط من الانفجار الكبير (الانزياح الأحمر z = 7). لا تنشأ المعلومات من صورة، بل من طيف: تحلل ضوء الجسم بشكل يشبه قوس قزح إلى مكونات ذات أطوال موجية مختلفة.

كشف الغبار والغاز سريع الحركة

يشفر الشكل العام لطيف الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (“الاستمرارية”) خصائص حلقة كبيرة من الغبار تحيط بقرص التراكم في الكوازارات النموذجية. هذا الطاري “يغذي” الثقب الأسود، مما يساعد على توجيه المادة إلى القرص التراكمي. أخبار سيئة لأولئك الذين يتبعون نماذج النمو السريع البديلة كحل مفضل للثقوب السوداء البدائية الضخمة: يبدو برج الثور، وبالتالي آلية التغذية في هذا الكوازار المبكر، مشابهًا جدًا لنظيراته الحديثة. والفرق الوحيد هو أن أيًا من النموذجين لا يتنبأ بنمو مبكر سريع للكوازارات: درجات حرارة غبار أعلى قليلًا، وأكثر سخونة بمقدار 100 كلفن من 1300 كلفن الملحوظة للغبار الساخن في الكوازارات الأقل بعدًا.

يوضح لنا الجزء ذو الطول الموجي القصير من الطيف، والذي يهيمن عليه الانبعاث من القرص التراكمي، كمراقبين بعيدين، أن ضوء الكوازار لا يخفت بسبب غبار أكثر من المعتاد. إن الحجج القائلة بأننا نبالغ في تقدير كتل الثقب الأسود البدائي بسبب الغبار الزائد ليست حلاً أيضًا.

الكوازارات المبكرة “ذات طبيعة مروعة”

تبدو المنطقة ذات الخط العريض للكوازار طبيعية أيضًا، مما يسمح لكتلة من الغاز بالدوران حول الثقب الأسود بسرعات قريبة من سرعة الضوء، مما يسمح لكتلة الثقب الأسود والمادة المحيطة به بالانخفاض في الكثافة والتأين. في جميع الخصائص التي يمكن استخلاصها من الطيف، J1120+0641 لا يختلف عن النجوم الزائفة اللاحقة.

يقول بوسمان: “بشكل عام، تضيف الملاحظات الجديدة المزيد من الغموض: فالنجوم الزائفة المبكرة طبيعية بشكل مثير للصدمة. وبغض النظر عن الأطوال الموجية التي نرصدها، فإن النجوم الزائفة تبدو متشابهة إلى حد كبير في جميع عصور الكون”. فقط 5% من عمرها الحالي، وليس فقط الثقوب السوداء فائقة الكتلة، بل إن آليات تغذيتها أيضًا “ناضجة” تمامًا، مما يدعم بقوة فكرة أن الثقوب السوداء فائقة الكتلة بدأت بكتل كبيرة، مما يستبعد العديد من الحلول البديلة: فهي “بدائية” أو “بذور ضخمة”. يجب أن تكون قد تشكلت في البداية بكتل أولية لا تقل عن مائة ألف كتلة شمسية، ومن المفترض أن يكون ذلك من خلال انهيار سحب الغاز البدائية الضخمة.

المرجع: سارة إي بوسمان، خافيير ألفاريز ماركيز، لويس كولينا، فابيان والتر، ألمودينا ألونسو هيريرو، مارتن ج. وارد، توماس راستورين، “الكوازارات الناضجة في الفجر الكوني بواسطة التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء بإطار JWST”. جريف، جيليان رايت، أرجان بيج، ليندر بوجارد، كارينا كابوتي، لوكا كوستانتين، أندرياس إيكهاردت، ماكارينا جارسيا مارين، ستيفن جيلمان، جينس هارث، إدواردو إياني، أوليفييه إلبرت، إيريس جيرمان، ألفارو لابيانو، ألفارو لابيانو رينالدي، مارتن توبينكا، بول فان دير ويرف، مانويل جوديل، توماس هينينج، بيير أوليفييه لاجاج، توم بي. راي، إوين إف. فان ديشوك وبارت فاندنبوش، 17 يونيو 2024، علم الفلك الطبيعي.
دوى: 10.1038/s41550-024-02273-0