استخدم فريق من علماء الفلك تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) لاكتشاف أبعد وأقدم ثقب أسود شوهد على الإطلاق وهو يتغذى على مجرته المضيفة.
يمكن أن يكون هذا الاكتشاف خطوة هائلة إلى الأمام في فهم كيفية وصول الثقوب السوداء الهائلة إلى كتل تعادل ملايين المليارات من كتلة الشمس في العصور المبكرة جدًا من الكون.
ويسكن الثقب الأسود في المجرة القديمة GN-z11، التي تبعد 13.4 مليار سنة ضوئية، وبالتالي يُنظر إليها كما كانت بعد 400 مليون سنة فقط من الانفجار الكبير. تبلغ كتلة الثقب الأسود نفسه حوالي 6 ملايين مرة كتلة الشمس، ويبدو أنه يتغذى على مادة من المجرة المحيطة به بسرعة أكبر بخمس مرات من الحد المقترح حسب النظريات الحالية.
ووصف قسم الفيزياء بجامعة كامبريدج ورئيس الفريق روبرتو مايولينو هذا الاكتشاف بأنه “قفزة عملاقة إلى الأمام” لعلم الثقب الأسود في بيان.
متعلق ب: اكتشف العلماء حفرية كونية نتجت عن انفجار ثقب أسود هائل
وقال مايولينو في البيان: “من المبكر جدًا أن نرى ثقبًا أسود بهذه الضخامة في الكون، لذا علينا أن نفكر في طرق أخرى قد يتشكل بها”. “كانت المجرات المبكرة جدًا غنية بالغاز، لذا كانت بمثابة بوفيه للثقوب السوداء.”
هل الثقوب السوداء الهائلة مفرطة في الأكل؟
يمثل حجم الثقوب السوداء فائقة الكتلة التي تشكلت عندما كان عمر الكون أقل من مليار سنة مشكلة بالنسبة لنظريات التكوين لأن الوصول إلى كتلة ملايين أو مليارات المرات من كتلة الشمس يجب أن يستغرق مليارات السنين من التغذية المستمرة.
وقال جون ريجان، زميل الأبحاث بجامعة ماينوث، والذي لم يشارك في هذا البحث: “إن الأمر يشبه رؤية عائلة تسير في الشارع، ولديها مراهقان يبلغ طولهما ستة أقدام، ولكن لديهم أيضًا طفلًا صغيرًا يبلغ طوله ستة أقدام”. Space.com في إشارة إلى الاكتشاف السابق. “هذه مشكلة صغيرة؛ كيف أصبح هذا الطفل طويل القامة؟ والأمر نفسه بالنسبة للثقوب السوداء الهائلة في الكون. كيف أصبحت ضخمة بهذه السرعة؟”
لدى العلماء حاليًا طريقان رئيسيان يمكن أن تسلكهما الثقوب السوداء للوصول إلى حالة فائقة الكتلة في الكون المبكر. يمكن أن تبدأ كبذور ثقب أسود صغير تنشأ عندما تنهار النجوم الضخمة في نهاية حياتها وبعد ملايين أو مليارات السنين، أو يمكنها تخطي هذه المرحلة تمامًا.
من الممكن أن يحدث هذا إذا انهارت سحب ضخمة من الغاز البارد والغبار لتشكل على الفور “بذرة ثقب أسود ثقيل” كتلتها بضعة ملايين مرة كتلة الشمس. وبهذه الطريقة، ستتقدم العملية سريعًا عبر ملايين أو مليارات السنين من التطور النجمي، وتبدأ عمليات التغذية والاندماج التي تساعد بذور الثقب الأسود على النمو إلى ثقوب سوداء فائقة الكتلة. إن اكتشاف هذا الثقب الأسود القديم الجديد الذي تبلغ كتلته بضعة ملايين من كتلة الشمس يدعم نظرية البذور الثقيلة.
ومع ذلك، على الجانب الآخر من هذا، فإن المعدل الذي يقوم به الثقب الأسود في GN-z11 بتراكم المادة يمكن أن يشير إلى أن الثقوب السوداء قد تكون قادرة على التغذية بشكل أسرع بكثير من الثقوب السوداء الأخرى التي تم اكتشافها في بداية الكون والتي لوحظت للقيام بذلك. . سيكون هذا بمثابة مقدمة لنظريات بذور الثقب الأسود الصغيرة.
تحدد الصيغة الرياضية المعروفة باسم حد إدينغتون مدى السرعة التي يمكن بها لجسم، مثل النجم، أن يتراكم كتلة دون الإشعاع الذي يصدره (لمعانه) مما يدفع تلك الكتلة بعيدا وبالتالي قطع الإمدادات الغذائية.
في حين أن الثقوب السوداء لا تبعث الضوء لأنها محاطة بحدود تحبس الضوء تسمى أفق الحدث، فإن تأثير جاذبيتها الهائل يتسبب في تماوج وتسخين المواد التي تدور حولها بعنف، مما يؤدي إلى انبعاث إشعاع في هذه العملية. كلما زادت سرعة تغذية الثقب الأسود، زادت كثافة الضوء الصادر من تلك المنطقة، والتي تسمى نواة المجرة النشطة (AGN).
وبالتالي، فإن حد إدينغتون ينطبق على هذه المنطقة، ويمكن أن يعمل بالمثل على دفع المواد بعيدًا وإيقاف جنون تغذية الثقب الأسود.
يقوم هذا الثقب الأسود المكتشف حديثًا بتراكم المادة من مجرته المضيفة بمعدل أعلى بخمس مرات من حد إدينغتون. يمكن أن تحدث فترات تسمى “تراكم إدنجتون الفائق” ولكنها تحدث في نوبات محدودة.
وقدر الفريق أنه إذا كانت هذه الفترة من التغذية النهمة لهذا الثقب الأسود قد استمرت لمدة 100 مليون سنة، فربما لم يكن من الضروري أن يبدأ الحياة كبذرة ثقب أسود ثقيل. من الممكن أن تكون قد تشكلت من بذرة ثقب أسود ذات كتلة نجمية أخف بكثير في الفترة ما بين 250 مليون و 370 مليون سنة بعد الانفجار الكبير ونمت بسرعة إلى الكتلة التي رصدها تلسكوب جيمس ويب الفضائي قبل 13.4 مليون سنة.
تغذية الثقب الأسود قد تقضي على مجرته المضيفة
الشيء الوحيد الذي كان الفريق متأكدًا منه إلى حد ما هو أن التغذية المكثفة لهذا الثقب الأسود هي المسؤولة عن GN-z11 نفسه، وهو أصغر بحوالي 100 مرة من درب التبانة وشديد الإضاءة. لكن من المرجح أيضًا أن يعيق الثقب الأسود الشره نمو المجرة المضيفة له.
من المحتمل أن تقوم الرياح فائقة السرعة المكونة من الجسيمات المنبعثة من حول الثقب الأسود المغذي بدفع الغاز والغبار بعيدًا عن قلب المجرة. تنهار السحب الباردة من الغاز والغبار لتشكل نجوم الولادة، وهذا يعني أن الثقب الأسود يطحن ولادة النجوم إلى التوقف، وفي هذه العملية “يقتل” نمو هذه المجرة الصغيرة.
بالإضافة إلى معرفة المزيد عن هذا الثقب الأسود ومجرته، يعتقد الفريق الذي يقف وراء هذا البحث أن قوة تلسكوب جيمس ويب الفضائي يجب أن تساعد في الكشف عن المزيد من الثقوب السوداء في الكون المبكر.
على وجه الخصوص، يهدفون إلى اكتشاف بذور الثقوب السوداء الصغيرة في بداية الكون ووضع حد للنقاش الدائر حول النمو المبكر للثقوب السوداء فائقة الكتلة.
قصص ذات الصلة:
– أول ثقب أسود تم تصويره على الإطلاق من قبل البشرية يفقد كمية هائلة من الطاقة من خلال نفاثات “السيف الضوئي”.
– موجات الجاذبية المتموجة من اندماج الثقب الأسود يمكن أن تساعد في اختبار النسبية العامة
– قد يكمن دخيل “خارج المجرة” بين النجوم التي تدور حول الثقب الأسود في درب التبانة
واختتم مايولينو حديثه بالقول: “إنها حقبة جديدة: القفزة العملاقة في الحساسية، وخاصة في مجال الأشعة تحت الحمراء، تشبه الترقية من تلسكوب غاليليو إلى تلسكوب حديث بين عشية وضحاها”. “قبل ظهور تلسكوب جيمس ويب الفضائي، اعتقدت أنه ربما لا يكون الكون مثيرًا للاهتمام عندما تذهب إلى ما هو أبعد مما يمكننا رؤيته باستخدام تلسكوب هابل الفضائي. ولكن لم يكن هذا هو الحال على الإطلاق: لقد كان الكون سخيًا جدًا في ما يتعلق به”. إنه يظهر لنا، وهذه مجرد البداية.”
نُشر بحث الفريق يوم الأربعاء 17 يناير في مجلة Nature.