باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، اكتشف علماء الفلك ثقبًا أسودًا هائلًا في “فجر الكون” يبدو أنه ضخم بشكل لا يصدق. يأتي الارتباك من حقيقة أنه لا يبدو أن هذا الفراغ العملاق كان يتغذى على الكثير من المادة المحيطة به خلال ذلك الوقت – ولكن من أجل الوصول إلى حجمه الهائل، فمن المتوقع أن يكون قد كان نهمًا عندما بدأ الوقت.
وشوهد الثقب الأسود الهائل الذي يغذي الكوازار في قلب المجرة J1120+0641، كما كان عندما كان عمر الكون حوالي 5٪ فقط من عمره الحالي. كما أن كتلته أكبر من كتلة الشمس بمليار مرة.
في حين أنه من السهل نسبيًا تفسير مدى اقتراب الثقوب السوداء فائقة الكتلة، وبالتالي أحدثها، لتصبح كتلتها مليارات من كتلة الشمس، فمن المتوقع أن تستغرق عمليات الاندماج والتغذية التي تسهل هذا النمو ما يقرب من مليار سنة. وهذا يعني أن العثور على مثل هذه الثقوب السوداء الهائلة التي كانت موجودة قبل أن يبلغ عمر الكون البالغ 13.8 مليار سنة مليار سنة هو معضلة حقيقية.
منذ أن بدأ عملياته في صيف عام 2022، أثبت تلسكوب جيمس ويب الفضائي فعاليته بشكل خاص في اكتشاف مثل هذه الثقوب السوداء الصعبة عند الفجر الكوني.
إحدى النظريات المحيطة بالنمو المبكر لهذه الفراغات هي أنها كانت منخرطة في جنون التغذية يسمى “وضع التغذية فائق الفعالية”. ومع ذلك، فإن ملاحظات تلسكوب جيمس ويب الفضائي للثقب الأسود الهائل في J1120+0641 لم تظهر أي آلية تغذية فعالة بشكل خاص في المواد القريبة منه. يلقي هذا الاكتشاف بظلال من الشك على آلية نمو الثقب الأسود فائق الكتلة الذي يغذي فائق السرعة، ويعني أن العلماء قد يعرفون أقل مما أدركوا عن التطور المبكر للكون.
متعلق ب: كيف أصبحت الثقوب السوداء الهائلة كبيرة جدًا بهذه السرعة بعد الانفجار الكبير مباشرة؟
وقالت سارة بوسمان، قائدة الفريق وباحثة ما بعد الدكتوراه في معهد ماكس بلانك لعلم الفلك (MPIA)، في بيان: “بشكل عام، تضيف الملاحظات الجديدة فقط إلى الغموض: كانت النجوم الزائفة المبكرة طبيعية بشكل صادم”. “بغض النظر عن الأطوال الموجية التي نرصدها، فإن الكوازارات متطابقة تقريبًا في جميع عصور الكون.”
تتحكم الثقوب السوداء الهائلة في نظامها الغذائي
في آخر 13.8 مليار سنة من التاريخ الكوني، نمت المجرات في الحجم عن طريق اكتساب الكتلة إما عن طريق امتصاص الغاز والغبار المحيط بها، أو عن طريق تفكيك المجرات الأصغر، أو عن طريق الاندماج مع المجرات الأكبر.
منذ حوالي 20 عامًا، قبل أن يبدأ تلسكوب جيمس ويب الفضائي والتلسكوبات الأخرى في العثور على ثقوب سوداء هائلة الحجم مثيرة للقلق في بداية الكون، افترض علماء الفلك أن الثقوب السوداء الهائلة الموجودة في قلوب المجرات نمت تدريجيًا بالتزامن مع العمليات التي أدت إلى نمو المجرات.
في الواقع، هناك حدود لمدى سرعة نمو الثقب الأسود، وهي حدود تساعد هذه العمالقة الكونية في وضع نفسها.
بسبب الحفاظ على الزخم الزاوي، لا يمكن للمادة أن تسقط مباشرة في الثقب الأسود. وبدلا من ذلك، تتشكل سحابة مسطحة من المادة تسمى القرص التراكمي حول الثقب الأسود. علاوة على ذلك، تؤدي الجاذبية الهائلة للثقب الأسود المركزي إلى ظهور قوى المد والجزر القوية التي تخلق ظروفًا مضطربة في القرص التراكمي، مما يؤدي إلى تسخينه وتسبب في انبعاث الضوء عبر الطيف الكهرومغناطيسي. هذه الانبعاثات شديدة السطوع لدرجة أنها غالبًا ما تتفوق على الضوء المشترك لكل نجم في المجرة المحيطة. تسمى المناطق التي يحدث فيها كل هذا بالكوازارات، وهي تمثل بعضًا من ألمع الأجرام السماوية.
ولهذا السطوع وظيفة أخرى أيضًا. على الرغم من عدم وجود كتلة، فإن الضوء يمارس الضغط. وهذا يعني أن الضوء المنبعث من الكوازارات يضغط على المادة المحيطة. كلما زادت سرعة تغذية الثقب الأسود للكوازار، زاد الضغط الإشعاعي، وزادت احتمالية قيام الثقب الأسود بقطع إمداداته الغذائية والتوقف عن النمو. تُعرف النقطة التي تقوم عندها الثقوب السوداء، أو أي مجمّع آخر، بتجويع نفسها عن طريق دفع المادة المحيطة بها بعيدًا باسم “حد إدنجتون”.
وهذا يعني أن الثقوب السوداء الهائلة لا تستطيع أن تتغذى وتنمو بالسرعة التي تريدها. وبالتالي فإن العثور على ثقوب سوداء هائلة الكتلة بكتلة تعادل عشرة مليارات شمس في الكون المبكر، وخاصة بعد أقل من مليار سنة من الانفجار العظيم، يمثل مشكلة حقيقية.
يحتاج علماء الفلك إلى معرفة المزيد عن النجوم الزائفة المبكرة لتحديد ما إذا كانت الثقوب السوداء فائقة الكتلة المبكرة قادرة على التغلب على حد إدينجتون وتصبح ما يسمى بـ “مجمعات إدينجتون الفائقة”.
للقيام بذلك، في يناير 2023، ركز الفريق أداة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIRI) الخاصة بـ JWST على الكوازار الموجود في قلب J1120 + 0641، والذي يقع على بعد 13 مليار سنة ضوئية، ويُنظر إليه على أنه كان بعد 770 مليون سنة فقط من الحدث الكبير. انفجار. يشكل هذا البحث أول دراسة للأشعة تحت الحمراء المتوسطة لكوازار كان موجودًا عند الفجر الكوني.
كشف طيف الضوء المنبعث من هذا الثقب الأسود الهائل عن خصائص “الطارة” الكبيرة ذات الشكل الدائري المكونة من الغاز والغبار والتي تحيط بالقرص التراكمي. يساعد هذا الحيد في توجيه المادة إلى القرص التراكمي، حيث يتم تغذيتها تدريجيًا إلى الثقب الأسود الهائل.
أظهرت ملاحظات MIRI لهذا الكوازار أن سلسلة التوريد الكونية تعمل بشكل مشابه لتلك الموجودة في الكوازارات “الحديثة” الأقرب إلى الأرض والتي كانت موجودة بالتالي في العصور اللاحقة للكون. هذه أخبار سيئة لمؤيدي النظرية القائلة بأن آلية التغذية المحسنة أدت إلى النمو السريع للثقوب السوداء المبكرة.
قصص ذات الصلة:
– 12 مليار سنة من تاريخ الثقب الأسود، تم الكشف عنها من خلال الأشعة السينية وعمليات المحاكاة
– في قلب هذه المجرة البعيدة لا يوجد ثقب واحد، بل ثقبين أسودين نفاثين
— هل يمكن لهذه اللقمات من الثقب الأسود أن تثبت أخيرًا نظرية ستيفن هوكينج الشهيرة؟
بالإضافة إلى ذلك، تتوافق قياسات المنطقة المحيطة بالثقب الأسود الهائل، حيث تدور المادة بسرعة الضوء تقريبًا، مع ملاحظات نفس المناطق للكوازارات الحديثة.
كشفت ملاحظات تلسكوب جيمس ويب الفضائي لهذا الكوازار عن اختلاف رئيسي بينه وبين نظرائه الحديثين. بلغت درجة حرارة الغبار الموجود في الطارة حول القرص التراكمي حوالي 2060 درجة فهرنهايت (1130 درجة مئوية)، وهي أكثر سخونة بحوالي 100 درجة من حلقات الغبار حول الكوازارات فائقة الكتلة التي تعمل بالثقوب السوداء والتي يمكن رؤيتها بالقرب من الأرض.
وتؤيد الأبحاث طريقة أخرى لنمو الثقوب السوداء الهائلة في وقت مبكر، والتي تشير إلى أن هذه العمالقة الكونية حصلت على بداية جيدة في الكون المبكر، حيث تشكلت من “بذور” الثقوب السوداء التي كانت ضخمة بالفعل. وكانت هذه البذور الثقيلة تمتلك كتلة تبلغ مائة ألف مرة على الأقل من كتلة الشمس، وتشكلت مباشرة عن طريق انهيار سحب الغاز المبكرة والضخمة.
نُشر بحث الفريق في 17 يونيو في مجلة Nature Astronomy.