عندما تقوم بالشراء من خلال الروابط الموجودة في مقالاتنا، قد تحصل شركة Future وشركاؤها المشتركون على عمولة.
يُظهر الرسم التوضيحي ثقبًا أسودًا ينهار بشكل مباشر في قلب نقطة حمراء صغيرة. | الائتمان: روبرت ليا (تم إنشاؤه باستخدام Canva)
يمكن أن تكون النقاط الحمراء الصغيرة، وهي أجسام غامضة اكتشفها تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST)، حاضنات للثقوب السوداء الضخمة التي لم تتشكل من النجوم المنهارة، ولكنها خرجت مباشرة من سحب الغاز الشاسعة.
إذا كان هذا هو الحال، فمن الممكن أن يحل ليس فقط لغز طبيعة النقاط الحمراء الصغيرة، ولكن أيضًا لغزًا آخر كشفه العالم. JWST منذ أن بدأت عملياتها في عام 2022. وذلك باكتشاف عدد كبير من سكانها الثقوب السوداء الهائلة في وقت مبكر من 500 مليون سنة بعد الانفجار الكبير.
وهذا يمثل مشكلة لأن العملية التي تعتمد على الاندماج، والتي يُعتقد أنها تؤدي إلى ظهور ثقوب سوداء هائلة كتلتها ملايين بل مليارات المرات من كتلة الشمس، كانت قد نُظِر سابقًا أنها تستغرق مليار سنة على الأقل لتكوين هذه العمالقة الكونية التي تقع في قلب المجرات الكبيرة.
يمكن حل هذه المشكلة إذا بدأت اندماجات الثقوب السوداء الهائلة بـ “بذرة ثقيلة”، وهي ثقب أسود ينهار بشكل مباشر، ينشأ عندما تنهار مناطق شديدة الكثافة إلى حد كبير داخل سحب الغاز البدائية. وهذا يتناقض مع “البذرة الخفيفة”، التي تتشكل عندما تصل النجوم إلى نهاية حياتها وتنفجر على شكل مستعرات أعظم، تاركة وراءها كتلة نجمية. الثقوب السوداء
لن تزيل البذور الثقيلة القيود الجماعية على الثقوب السوداء التي تبدأ عملية الاندماج هذه فحسب، بل ستسمح لها أيضًا بالبدء قبل أن يعيش ويموت الجيل الأول من النجوم الضخمة.
قال رئيس فريق البحث إيليا سينسي من جامعة جنيف لموقع Space.com: “من المحتمل أن تحتوي جميع المجرات على ثقب أسود هائل في مركزها، والذي يمثل أصله أحد الألغاز الحدودية للفيزياء الفلكية الحديثة. أحد المسارات النظرية لتشكيل أثقل الثقوب السوداء هو الانهيار المباشر”. “في هذا السيناريو، تتشكل الثقوب السوداء بعد انهيار نجم فائق الكتلة قصير العمر والذي يتكون بدوره من غاز أصلي ينهار في مركز المجرة. المادة المظلمة الهالات التي تلبي عددًا من المعايير الصارمة. تهتم هذه المعايير في الغالب بتجنب تكوين الهيدروجين الجزيئي، والذي يمكنه تبريد الغاز بكفاءة عالية الانزياح الأحمر، لصالح تشكيل النجوم الأصغر حجما.”
وأوضح سينسي أن النقاط الحمراء الصغيرة هي مصادر غريبة للضوء ظهرت في الغالب عندما كان عمر الكون أقل من مليار سنة. تم اكتشافها من خلال المسوحات العميقة خارج المجرة التي تم إجراؤها باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، وهي تبدو حمراء ومضغوطة بشكل استثنائي، ومن هنا جاءت تسميتها.
النقاط الحمراء الصغيرة غير عادية لعدد من الأسباب الأخرى، بدءًا من نمط الضوء الذي تنبعث منه، وأطيافها، إلى خصائصها الفيزيائية، وحقيقة أنها تختفي في وقت مبكر من تاريخ الكون البالغ من العمر 13.8 مليار سنة.
“التفسير الشائع لهذه الأجسام هو أننا ننظر إلى عدد كبير من الثقوب السوداء الضخمة الخافتة في الكون المبكر والمحاطة بغاز كثيف للغاية و النجوم قال سينسي: “لم نتمكن من اكتشافه باستخدام الأجهزة السابقة”.
قام سينسي وزملاؤه بربط النقاط الحمراء الصغيرة والثقوب السوداء المنهارة مباشرة أثناء إجراء عمليات محاكاة عالية الدقة للتطور الكوني في الكون المبكر.
قال سينسي: “تُظهر نتائجنا أن الثقوب السوداء ذات الانهيار المباشر التي تتشكل حديثًا تتطابق بشكل طبيعي مع الوفرة الإجمالية والخصائص الفيزيائية الرئيسية المستنتجة للنقاط الحمراء الصغيرة الغامضة المكتشفة باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي”. “من المثير الاعتقاد أنه إذا أكدت الدراسات المستقبلية ارتباطنا المقترح بالثقوب السوداء ذات الانهيار المباشر، فإن النقاط الحمراء الصغيرة قد تمثل أول دليل رصدي مباشر على ولادة أضخم الثقوب السوداء في الكون.” الكون.
“لأول مرة، سيكون لدينا مختبرات حقيقية لفهم الظروف التي تشكلت فيها الثقوب السوداء العملاقة.”
يمكن للثقوب السوداء الهائلة أن تكون لها السبق في النقاط الحمراء الصغيرة
وأوضح سينسي أن ميزة الانهيار المباشر للثقوب السوداء هي أنها يمكن أن تكون بمثابة البذور الثقيلة لتشكيل الثقب الأسود. وهذا يعني أنها يمكن أن تكون بالفعل عشرات الآلاف إلى مليون مرة كتلة الشمس عندما تتشكل، على عكس الثقوب السوداء التي تتشكل عن طريق موت النجوم، والتي تكون كتلتها محدودة بكتلة النجوم السلف.
وهذا يوفر بداية مهمة في نمو الثقوب السوداء الهائلة.
وقال سينسي: “بالمقارنة مع بذور الثقب الأسود الأخف وزنا، فإنها يمكن أن تنمو بسهولة أكبر إلى الثقوب السوداء العملاقة التي نلاحظها في الوقت القصير المتاح منذ الانفجار الكبير، من الناحية الفلكية على الأقل”.
وأوضح الباحث في جامعة جنيف أيضًا سبب عدم وجود الثقوب السوداء ذات الانهيار المباشر وحضاناتها في الكون المحلي المعاصر، قائلًا إن الظروف اللازمة تشمل عدم وجود عناصر أثقل من الهيدروجين والهيليوم. تنطلق العناصر التي تشكلها النجوم وتزرع في المجرات عندما تصل هذه النجوم إلى نهاية حياتها وتنفجر على شكل مستعرات أعظم.
وقال سينسي: “من أجل تشكيل ثقوب سوداء تنهار بشكل مباشر، لا ينبغي للغاز أن يشكل نجومًا في طريقه إلى الانهيار بطريقة متجانسة. لذلك، يجب أن تكون بيئة “حضانة” هذه الثقوب نقية، ولا تشكل جزيئات أثقل ولا تتلوث بالعناصر الثقيلة الناتجة عن تطور النجوم”. “من الناحية العملية، هذه الظروف ممكنة فقط في الكون المبكر.”
أحد أكثر الجوانب إثارة للفضول في النقاط الحمراء الصغيرة هو أنها تبدو وكأنها تختفي من الكون بعد حوالي 1.5 مليار سنة من الانفجار الكبير، أو كما يصفها علماء الفلك مثل سينسي، عند انزياح أحمر z~6 تقريبًا. وتعتقد أن هذا الاختفاء يمكن تفسيره إذا كانت النقاط الحمراء الصغيرة هي مراكز لتكوين الثقب الأسود الذي ينهار بشكل مباشر.
قال سينسي: “بعد z~6، فإن التفاعل غير الخطي للعمليات مثل التطور النجمي والتغذية المرتدة سيجعل الهالات بيئات معادية لتكوين ثقوب سوداء ذات انهيار مباشر، حيث تصبح أكثر تلوثًا بالعناصر الثقيلة وتواجه تدفقات أقل كثافة من الغاز مما قد يفضل سيناريو الانهيار المتجانس”. “إن الانخفاض في عدد الثقوب السوداء حديثة الانهيار المباشر بعد z~6 هو نتيجة طبيعية للمعايير التي تحدد أين يمكن أن تتشكل هذه الأجسام.”
وأوضح سينسي أن الأدلة الرصدية التي تؤكد أن النقاط الحمراء الصغيرة هي حاضنات للثقوب السوداء التي تنهار بشكل مباشر ستتطلب بيانات فلكية عالية الدقة وتغطية طيفية أكثر اكتمالا. وهذا من شأنه أن يضع قيودًا إضافية على أهمية الدور الذي تلعبه الثقوب السوداء والنجوم في النقاط الحمراء الصغيرة، بالإضافة إلى تأكيد الديناميكيات والحالة الفيزيائية لخزانات الغاز الكثيفة الخاصة بها. وحتى ذلك الحين، ستواصل هي وفريقها محاكاة الظروف في الكون المبكر لفهم هذه العلاقة المحتملة بشكل أفضل.
“نحن ندير مجموعة كبيرة من عمليات المحاكاة عالية الدقة لاختبار الآثار المترتبة على عدد من ظروف التكوين المختلفة للثقوب السوداء ذات الانهيار المباشر،” “سيركز عملنا على فهم وتوصيف مجموعة الثقوب السوداء ذات الانهيار المباشر في سياق كوني، وسنكون بالتأكيد قادرين على تقديم المزيد من الأفكار حول إلى أي مدى يمكننا ربط الثقوب السوداء ذات الانهيار المباشر والنقاط الحمراء الصغيرة.
وتم نشر بحث الفريق في المجلة الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.