هل ساعدت الثقوب السوداء “البدائية” التي ولدت مباشرة بعد الانفجار الكبير في شكل النجوم الأولى لكوننا؟

عند الشراء من خلال روابط على مقالاتنا ، قد يكسب المستقبل وشركاء المشاركة في العمولة.

تشير الأبحاث الجديدة إلى أن الثقوب السوداء البدائية التي تم إنشاؤها خلال Big Bang يمكن أن تلعب دورًا رئيسيًا في تشكيل أول نجوم الكون. يمكن أن تساعد النتائج في تقييم مدى ملاءمة الثقوب السوداء البدائية كمرشحين للمادة المظلمة ، وأكثر “الأشياء” الغامضة في الكون.

لكن فريق الدراسة ليس متأكداً من ما إذا كانت هذه الثقوب السوداء قد ساعدت في تكوين النجوم ، حيث تعمل كـ “القابلات الكونية” من خلال تعبير المسألة إلى مواقع الولادة النجمية ، أو إذا تصرفت لقمع النجوم!

يعتمد دور الثقوب السوداء البدائية التي لعبت في تشكيل ما يسمى “النجوم السكانية III (POP III)” (اسم مربك للجيل الأول من النجوم) على ما هي الجماهير التي تتمتع بها هذه الثقوب السوداء الأصلية الافتراضية.

وقال عضو الفريق ستيفانو بروفومو من جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز (UCSC) لـ Space.com: “لقد حققنا في كيفية تأثير الثقوب السوداء البدائية – الثقوب السوداء القديمة التي ربما تكون قد تشكلت في الكون المبكر للغاية – على ولادة النجوم الأولى”. “باستخدام محاكاة الكمبيوتر المتقدمة ، وجدنا أنه ، اعتمادًا على كتلتها ووفرةها ، يمكن لهذه الثقوب السوداء إما تسريع أو تأخير تكوين النجوم الأولى.”

وأضاف بروفومو أنه في بعض الحالات ، من المحتمل أن تصرف الثقوب السوداء البدائية مثل “البذور الكونية” ، مما يساعد على تكتل الأمور معًا في وقت أبكر مما كان متوقعًا. ومع ذلك ، في سيناريوهات أخرى ، وجد Profumo وزملاؤه أن هذه الثقوب السوداء يمكن أن تعطل غيوم الغاز ، مما يمنع النجوم في الواقع على الفور.

الثقوب السوداء البدائية: صديق أو عدو لتكوين النجوم؟

يُعتقد أن الثقوب السوداء البدائية قد تشكلت نتيجة لتقلبات الكثافة في المادة في الكون المبكر. هذا يختلف تمامًا عن أصل ما يسمى الثقوب السوداء في الكتلة النجمية ، والتي يتم إنشاؤها عندما تنهار النجوم الضخمة وينفجرون في الفوقية في نهاية حياتهم.

هذا يعني أن الثقوب السوداء البدائية لم يكن مضطرًا إلى انتظار الجيل الأول من النجوم للعيش والموت قبل أن يتم إنشاؤها. أيضًا ، لا يضع نفس أنواع الحدود الجماعية على الثقوب السوداء البدائية الموجودة في الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية ، حيث يتم إنشاء الأول مباشرة من المواد الكونية المبكرة بدلاً من النجوم المنهارة ، والتي يمكن أن تكون ضخمة للغاية.

ومع ذلك ، نظرًا لأن الثقوب السوداء البدائية لم يتم اكتشافها بعد ، فليس هناك الكثير من العلماء يمكن للعلماء قوله بحزم.

أوضح بروفومو كيف يمكن أن تلعب الثقوب السوداء البدائية دورًا في تكوين النجوم.

وقال: “يمكن أن تكون الثقوب السوداء البدائية الضخمة بمثابة مراكز جاذبية قوية. في الكون المبكر ، كان من الممكن أن يسحبوا في الغاز والمواد المظلمة بسرعة أكبر ، مما يؤدي إلى بدء تكوين المجرات والنجوم الصغيرة”. “هذا يمكن أن يفسر كيف تمكنت بعض المجرات الأولى التي نراها الآن – بفضل تلسكوب جيمس ويب للفضاء (JWST) – من التكوين بسرعة كبيرة بعد الانفجار الكبير.”

ومع ذلك ، يجب أن يكون للثقوب السوداء البدائية كتلة معينة لتلعب دورًا إيجابيًا في الولادة النجمية ، وفقًا لمحاكاة الفريق ، والتي تم تنفيذها باستخدام حزمة برامج تسمى Gizmo ، وتشغيل الديناميكا الهيدروديناميكية للغاز الأولي والغبار.

وقال بروفومو: “لتعزيز تكوين النجوم المبكرة بالطريقة التي لاحظنا بها ، يجب أن تكون الثقوب السوداء ضخمة للغاية – حوالي ألف إلى عشرة آلاف مرة من كتلة شمسنا”. “في تلك الأحجام ، وفي الأرقام الصحيحة ، سيكون لديهم تأثير ملحوظ على مدى سرعة تشكيل النجوم الأولى.”

من شأن الثقوب السوداء البدائية الأكثر ضخامة أن تفعل ذلك عن طريق زيادة تقلبات الكثافة في المادة. هذا من شأنه أن يخلق المزيد من هالات المادة المظلمة المزعومة ، ومجموعات شاسعة من هذا الشكل الغامض من المادة التي يمكن أن تجمع فيها اللبنات الأساسية من النجوم والمجرات بشكل جماعي.

إذا كان هناك الكثير من هذه الثقوب السوداء البدائية الضخمة ، فإن النجوم والمجرات ستشكل سريع جدا ، وبالتالي لا تعكس صورتنا للكون المبكر.

لكن الفريق وجد أن الثقوب السوداء البدائية التي تحتوي على جماهير أصغر من حوالي 100 مرة من أشعة الشمس لن تزيد من تقلبات الكثافة.

وبدلاً من ذلك ، أشارت عمليات محاكاة الفريق إلى أنه إذا كان هناك ما يكفي من هذه الثقوب السوداء البدائية الأقل ضخمة ، فإن تأثير ثقلهم سيولد قوى المد والجزر داخل السحب الشاسعة من الغاز وتسخينها.

هذا يمثل مشكلة في تكوين النجوم ، لأن الأجسام النجمية تولد عندما تنهار الكتل الباردة والكثافة من الغاز والغبار تحت تأثير ثقلها. كلما كانت الثقوب السوداء البدائية ذات الكتلة المنخفضة في الكون المبكر ، كلما تم تسخين الغاز ويتم تكوين المزيد من النجوم.

وبالتالي ، هذا هو وضع Goldilocks حقا. للمساعدة في تكوين النجوم ، يجب أن تكون الجماهير والأحجام السكانية للثقوب السوداء البدائية “على حق”.

يمكن للمزيد من التحقيق في هذه السيناريوهات المتنافسة أن تخبر العلماء المزيد عن المادة المظلمة.

الثقوب السوداء البدائية والمواد المظلمة

المادة المظلمة هي مشكلة كبيرة بالنسبة للعلماء لأنه على الرغم من حساب حوالي 85 ٪ من المسألة في الكون ، إلا أنها لا تزال غير مرئية بشكل فعال. هذا يعني أن كل ما نراه – النجوم ، الكواكب ، الأقمار ، الكويكبات ، المذنبات ، بعضنا البعض ، وما إلى ذلك – يمثل 15 ٪ فقط من الأشياء في الكون.

يمكن للعلماء أن يجمعوا هذه المادة المظلمة لا تتكون من جزيئات مثل الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات ، التي تشكل ذرات المادة “الطبيعية” ، لأن تلك الجسيمات تتفاعل مع الضوء ، وأي مادة مظلمة لا.

وقد حفز هذا البحث عن جزيئات تتجاوز النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. حقيقة أن هذا المطاردة قد ارتفعت فارغة قد أبقت الثقوب السوداء البدائية في الإطار كما يشتبه المادة المظلمة.

وقال بروفومو: “يخبرنا هذا البحث أنه إذا كانت الثقوب السوداء البدائية تشكل بعض أو كل المادة المظلمة ، فلن تتمكن فقط من الحصول على أي كتلة أو أن تكون موجودة في أي مبلغ”. “إذا كان هناك الكثير ، أو إذا كانت ضخمة للغاية ، فإنها ستتسبب في تشكيل النجوم الأولى في وقت مبكر جدًا – قبل أن نرى أي علامات عليها.

“من ناحية أخرى ، إذا كانت صغيرة جدًا وفوقًا جدًا ، فيمكنهم أن يعترضوا تشكيل النجوم. وهذا يعطينا طريقة جديدة لاستبعاد بعض سيناريوهات الثقب الأسود للمادة المظلمة.”

بالطبع ، تظل الثقوب السوداء البدائية افتراضية. باستثناء اكتشاف هذه الثقوب السوداء التي تم إنشاؤها في الانفجارات الكبيرة ، هناك طرق أخرى يمكن لعلماء الفلك العثور على أدلة تدعم نظرية الفريق حول دورهم في تكوين النجوم المبكر.

وقال بروفومو: “ستظهر التأثيرات التي درسناها خلال ما يسمى الفجر الكوني – بعد حوالي 100 إلى 200 مليون سنة من الانفجار الكبير. في بعض السيناريوهات الأكثر تطرفًا لدينا ، يمكن أن يبدأ تشكيل النجوم في وقت مبكر من 15 مليون عام بعد الانفجار الكبير – قبل أن تشير النماذج التقليدية إلى حد كبير”. “إذا تمكنت التلسكوبات مثل JWST أو الأدوات المستقبلية من العثور على المجرات أو النجوم التي تتشكل في وقت مبكر جدًا من الكون ، فإن هذا من شأنه أن يدعم فكرة أن شيئًا مثل الثقوب السوداء البدائية ساعدت الهياكل الكونية على شكل أسرع من المعتاد.”

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

تتمثل الخطوة التالية للفريق في تجاوز افتراض أن جميع الثقوب السوداء البدائية سيكون لها نفس الجماهير.

وقال بروفومو: “تشير معظم النظريات إلى مزيج من الجماهير ، ونريد أن نضعف ذلك بشكل أكثر واقعية”. “نحن نخطط أيضًا لتحسين النمذجة المادية لتشكيل النجوم ، ومحاكاة بقع أكبر من الكون المبكر لفهم كيف أن الثقوب السوداء البدائية قد أثرت ليس فقط النجوم الأولى ولكن أيضًا على تكوين المجرات المبكرة.”

يتوفر أبحاث الفريق باعتباره مسبقًا على مستودع الورق Arxiv.