عند الشراء من خلال روابط على مقالاتنا ، قد يكسب المستقبل وشركاء المشاركة في العمولة.
رسم توضيحي (لا يمكن التوسع) من ثقب أسود بدائي ينمو إلى حجم الفائق. | الائتمان: روبرت ليا (تم إنشاؤه مع كانفا)
كشفت المحاكاة الكونية المعقدة أن الثقوب السوداء البدائية التي تشكلت خلال اللحظات المبكرة من الكون قد تورم بسرعة إلى أحجام مكاسحة الفائقة.
يمكن أن يؤدي هذا الاكتشاف إلى حل لواحد من أكبر المشكلات في علم الكونيات الحديث: كيف كان يمكن أن نمت الثقوب السوداء الفائقة لتكون ملايين أو مليارات المرات أكثر ضخامة من الشمس قبل أن يبلغ الكون مليار سنة.
لقد خرجت هذه المشكلة عن السيطرة مؤخرًا ، وذلك بفضل تلسكوب جيمس ويب للفضاء من ناسا (JWST). كان النطاق القوي يبحث في الكون المبكر ، حيث اكتشف المزيد والمزيد من الثقوب السوداء الفائقة التي كانت موجودة بعد 700 مليون سنة فقط من الانفجار الكبير ، أو حتى قبل ذلك.
وقال عضو فريق البحث جون ريغان ، وهو زميل أبحاث في جامعة ماينوث في أيرلندا: “المشكلة هنا هي أنه عندما ننظر إلى الكون المبكر مع المزيد من التلسكوبات الأكثر قوة ، والتي تسمح لنا فعليًا برؤية الكون كما كان في أوقات مبكرة للغاية بسبب السرعة الثمينة للضوء ، فإننا نستمر في رؤية الثقوب السوداء الفائقة”. “هذا يعني أن الثقوب السوداء الفائقة في وقت مبكر جدًا من الكون ، في غضون بضع مائة مليون عام.”
يجب أن تستغرق العمليات التي اقترحها العلماء سابقًا لشرح نمو الثقوب السوداء الفائقة ، مثل تراكم المادة السريعة والاندماج بين الثقوب السوداء الأكبر والأكبر ، أكثر من مليار سنة لزراعة ثقب أسود فائق.
إن الثقب الأسود الفائق الأقدم والأكثر بعيدة التي اكتشفها JWST حتى الآن هي Comerers 1019 ، والتي كانت موجودة بعد 570 مليون عام فقط من الانفجار الكبير ولديها 9 ملايين مرة من الشمس. هذا أكبر من أن توجد 13.2 مليار سنة أو نحو ذلك ، وفقا للنماذج القائمة.
وقال ريغان: “هذا أمر محير ، حيث يجب أن تظهر الثقوب السوداء إما في هذه الكتلة الكبيرة أو تنمو من كتلة أصغر بسرعة كبيرة”. “ليس لدينا أي دليل يشير إلى أن الثقوب السوداء يمكن أن تتشكل مع هذه الجماهير الضخمة ، ولا نفهم تمامًا كيف يمكن أن تنمو الثقوب السوداء الصغيرة بسرعة كبيرة.”
يشير البحث الجديد إلى أن الثقوب السوداء البدائية كان يمكن أن تمنح الثقوب السوداء الفائقة في وقت مبكر بداية في هذا السباق.
الثقوب السوداء غير الفيزيائية تحصل على البداية
الثقوب السوداء تأتي في مجموعة من الجماهير المختلفة. يتم إنشاء الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية ، التي تتراوح من 10 إلى 100 مرة من الشمس ، عندما تستنفد النجوم الضخمة وقودها النووي على موت ، وينهار لتشغيل انفجارات ضخمة سوبرنوفا.
تحتوي الثقوب السوداء الفائقة على مليون مرة على الأقل كتلة الشمس وتجلس في قلب جميع المجرات الكبيرة. إنها كبيرة جدًا بحيث لا يمكن تشكيلها عندما يموت نجم ضخم. بدلاً من ذلك ، يتم إنشاء هذه الثقوب السوداء عندما تندمج الثقوب السوداء الأصغر مرات ، أو عن طريق التغذية المذهلة على المادة المحيطة ، أو في مجموعة من العمليتين.
يتم تصنيف هذين مثالان على الثقوب السوداء ، بالإضافة إلى الثقوب السوداء المتوسطة المنالين ، التي تجلس في الفجوة الجماعية بين الثقوب السوداء المكونة من الكتلة النجمية والكتلة الفائقة ، على أنها ثقوب سوداء “فلكية”.
لقد اقترح العلماء منذ فترة طويلة وجود ثقوب سوداء “غير ورطفية” ، في شكل ثقوب سوداء بدائية. يشير واصف “غير الفيزيائي” إلى حقيقة أن هذه الثقوب السوداء لا تعتمد على النجوم المنهارة أو الثقوب السوداء السابقة لوجودها.
بدلاً من ذلك ، يُقترح أن تتشكل الثقوب السوداء البدائية مباشرة من جيوب مفرطة في حساء المادة البخارية التي تملأ الكون في الثانية الأولى بعد الانفجار الكبير.
رسم تخطيطي يوضح الفرق الهائل في الحجم بين الثقوب السوداء الفائقة والثقوب السوداء البدائية الافتراضية | الائتمان: روبرت ليا (تم إنشاؤه مع كانفا)
لا يوجد دليل ملحوظ على هذه الثقوب السوداء البدائية حتى الآن. ومع ذلك ، لم يمنع ذلك العلماء من الإشارة إلى أن هذه الأشياء الافتراضية يمكن أن تفسر المادة المظلمة ، فإن “الأشياء” الغامضة التي تمثل 85 ٪ من المسألة في الكون لكنها لا تزال غير مرئية لأنها لا تتفاعل مع الضوء.
يشير البحث الجديد إلى أن الثقوب السوداء البدائية ، التي اقترحت أن يكون لها جماهير تتراوح بين 1/100000 من الدبوس الورقي و 100000 مرة من الشمس ، يمكن أن تتمتع بميزة كبيرة في تشكيل الثقوب السوداء الفائقة. ذلك لأن الحد الأعلى على كتلتهم لا يقيد بمدى ضخامة النجم قبل وفاته ، كما هو الحال مع ثقوب سوداء الكتلة النجمية.
وقال ريغان: “يجب أن تتشكل الثقوب السوداء البدائية خلال الثواني القليلة الأولى بعد الانفجار الكبير. إذا كانت موجودة ، فهي تتمتع ببعض المزايا على الثقوب السوداء الفلكية”. “يمكن ، من حيث المبدأ ، أن يكونوا أكثر ضخامة في البداية بالمقارنة مع الثقوب السوداء الفيزيائية الفلكية وقد يكونون قادرين على الاستقرار بسهولة أكبر في مراكز المجرة ، حيث يمكنهم النمو بسرعة”.
يمكن أن تبدأ الثقوب السوداء البدائية أيضًا في الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية ، لأنها لا يتعين عليهم الانتظار حتى يموت الجيل الأول من النجوم الضخمة-وهي عملية قد تستغرق ملايين السنين.
أوضح ريغان أنه بسبب أصولها ، لا يمكن أن تتشكل الثقوب السوداء الفيزيائية الفلكية إلا بعد نفاد النجوم الأولى من الوقود. وحتى مع ذلك ، لا يزال من الممكن أن تكون الثقوب السوداء الفيزيائية الفلكية على بعد بضع مئات من الكتل الشمسية في المجموع. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التأثير سلبًا على احتمال نمو الثقب الأسود الفائق من الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية هو حقيقة أن الطاقة المنبعثة من النجوم أثناء حياتهم وموتها الفائقة المتفجرة تمسح المواد من جميع أنحاء الثقوب السوداء حديثي الولادة ، وتستنفد لارديها المحتملة وتراجع نموها.
“هذا يمكن أن يعني أنه لا توجد مادة للطفل الأسود لتراكم” ، أوضح ريغان.
لن تنبعث الثقوب السوداء البدائية من الطاقة ولن “لا تذهب” ، مما يلغي هذا العائق. لكنهم ما زالوا بحاجة إلى إيجاد طريقهم إلى مصدر وفيرة للمادة.
هل الثقوب السوداء البدائية تذهب الفائقة في قلب المجرات؟
في المحاكاة التي يؤديها ريغان وزملاؤه ، كانت الثقوب السوداء البدائية اللازمة للنمو من خلال تراكم المادة ، مع اندماج الثقب الأسود في هذه العملية.
“المادة في الكون المبكر تتكون في الغالب من الهيدروجين والهيليوم” ، تابع ريغان. “من المتوقع أن تنمو هذه الثقوب السوداء البدائية في الغالب عن طريق تراكم الهيدروجين والهيليوم. قد تلعب عمليات الدمج مع الثقوب السوداء البدائية الأخرى أيضًا دورًا ، ولكن من المتوقع أن يكون التراكم مهيمنًا”.
لكي يكون تراكم الثقوب السوداء البدائية فعالة بما يكفي لإنشاء ثقوب سوداء الفائقة ، يجب أن تكون هذه الأشياء قادرة على التخلص من المادة بسرعة. وهذا يعني شق طريقهم إلى مناطق الكون حيث تتجمع المادة – وهي مركز المجرات ، والتي تصادف أيضًا حيث تكمن الثقوب السوداء الفائقة في الحقبة الحديثة للكون.
وقال ريغان “لهذا الغرض ، تحتاج الثقوب السوداء البدائية إلى الغرق في وسط مجرة”. “يمكن أن يحدث هذا إذا كان هناك ما يكفي من الثقوب السوداء البدائية. لا يتعين على سوى عدد قليل أن يكون محظوظًا!”
يحدد عدد الثقوب السوداء البدائية المتاحة لهذه العملية ما إذا كانت الثقوب السوداء الفيزيائية الفلكية ستلعب في النهاية دورًا في نمو الثقوب السوداء الفائقة في وقت مبكر.
وقال ريغان: “إذا كانت الثقوب السوداء البدائية وفيرة للغاية ، فيمكنها تعويض السكان الأسود الفائقة الفائقة”. “ما إذا كان الثقوب السوداء البدائية تمثل كتلة كاملة من الثقوب السوداء الفائقة المبكرة تعتمد على عدد العدد. من حيث المبدأ ، من الممكن ، لكن أعتقد أن الثقوب السوداء الفيزيائية الفلكية تلعب دورًا أيضًا.”
هل شق الثقوب السوداء البدائية طريقها إلى مركز المجرات المبكرة للنمو؟ | الائتمان: روبرت ليا (تم إنشاؤه مع كانفا)
بالطبع ، تستند هذه النتائج إلى عمليات المحاكاة ، لذلك هناك طريق طويل لنقطعه قبل تأكيد هذه النظرية. سطر واحد من الأدلة الملاحظة لهذه النظرية هو اكتشاف ثقب أسود ضخم في حد ما ، جداً الكون المبكر ، قبل حتى 500 مليون سنة بعد الانفجار الكبير.
هناك خط آخر محتمل من الأدلة الرصدية هو اكتشاف ثقب أسود مع كتلة أصغر من ثلاثة أضعاف من الشمس في الكون الحديث. ذلك لأنه لم يكن من الممكن أن يكون هناك ثقب أسود صغير جدًا من موت Supernova وانهيار نجم ضخم ، مما يشير إلى أن هذا الثقب الأسود الضئيل نما من واحدة بدائية.
وقال ريغان: “لقد فوجئت بأن الثقوب السوداء البدائية نمت بسرعة كبيرة وأن محاكاةنا على الأقل تطابق مساحة المعلمة التي يمكن أن توجد فيها”. “كل ما نحتاجه الآن هو” بندقية تدخين “من ثقب أسود بدائي من الملاحظات-إما ثقب أسود منخفض الكتلة في الكون الحالي أو ثقب أسود عالي الكتلة في الكون المبكر للغاية.
“الثقوب السوداء البدائية ، إذا كانت موجودة ، سوف تختبئ في أقصى الحدود!”
القصص ذات الصلة:
– قد يتكبير الثقب الأسود “البدائي” من خلال نظامنا الشمسي كل عقد
– الثقوب السوداء البدائية قد تغمر الكون. هل يمكن للمرء أن يضرب الأرض؟
– قد تكون الثقوب السوداء الصغيرة المتبقية من الانفجار الكبير مشتبه بهم في المادة المظلمة الأولية
بدلاً من هذه الأدلة القائمة على الملاحظة ، سيسعى الفريق إلى تحسين عمليات المحاكاة الكونية لتعزيز نظرية الثقوب السوداء الفائقة التي تبدأ كثقوب سوداء بدائية.
وخلص ريغان إلى أن “الخطوات التالية هي زيادة واقعية المحاكاة. كانت هذه خطوة أولى. كانت المحاكاة تحتوي فقط على ثقوب سوداء بدائية”. “بعد ذلك ، نريد أن نمثل ثقوبًا سوداءًا أولية وفروسية في نفس البيئة ونرى ما إذا كان بإمكاننا رؤية أي خصائص مميزة.”
يظهر أبحاث الفريق كورقة مراجعة قبل نظارة على موقع المستودع ARXIV.