ثقوب سوداء هائلة الحجم في الكون المبكر تتحدى النظريات الكونية

تصور فني لمنطقة القلب الساطعة في أحد النجوم الزائفة، وهي مجرة ​​نشطة. يحيط بالثقب الأسود الهائل في المركز قرص ساطع من الغاز والغبار. يمكن لمكون الغبار الأبعد أن يحجب رؤية الجزء الداخلي ويضيء بشكل أساسي في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، وهو الضوء الذي يمكن تحليله بواسطة تلسكوب جيمس ويب الفضائي. يبرز شعاع جسيمات عالي الطاقة في الفضاء من المنطقة المجاورة مباشرة للثقب الأسود بشكل عمودي على القرص. حقوق النشر: © T. Müller / MPIA

أمر غير مدهش على نحو مدهش: كان وزن الثقب الأسود بالفعل أكثر من مليار كتلة شمسية في الكون المبكر على الرغم من الشهية المتوسطة.

عند النظر إلى المراحل المبكرة من عمر الكون الذي يبلغ عمره 13.8 مليار سنة، تلسكوب جيمس ويب الفضائي لقد رصد مجرة ​​كما كانت موجودة بعد 700 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم. من المحير كيف ثقب اسود إن الثقوب السوداء في مركزها قد تزن بالفعل مليار كتلة شمسية عندما كان الكون لا يزال في مهده. وقد صُممت ملاحظات جيمس ويب لإلقاء نظرة فاحصة على آلية التغذية، لكنها لم تجد شيئًا خارجًا عن المألوف. ومن الواضح أن الثقوب السوداء كانت تنمو بالفعل بطريقة مماثلة لما يحدث اليوم. لكن النتيجة أكثر أهمية: فقد تُظهر أن علماء الفلك يعرفون أقل عن كيفية تشكل المجرات مما كانوا يعتقدون. ومع ذلك، فإن القياسات ليست مخيبة للآمال بأي حال من الأحوال. بل على العكس من ذلك.

لغز الثقوب السوداء المبكرة

إن أول مليار سنة من تاريخ الكون تشكل تحديًا كبيرًا: إذ إن أقدم الثقوب السوداء المعروفة في مراكز المجرات كانت ذات كتل ضخمة بشكل مدهش. فكيف أصبحت ضخمة إلى هذا الحد وبسرعة كبيرة؟ تقدم الملاحظات الجديدة الموصوفة هنا أدلة قوية ضد بعض التفسيرات المقترحة، وخاصة ضد “وضع التغذية فائق الفعالية” للثقوب السوداء الأولى.

حدود نمو الثقوب السوداء الهائلة

لقد تغيرت النجوم والمجرات بشكل هائل على مدى 13.8 مليار سنة مضت، وهي عمر الكون. فقد أصبحت المجرات أكبر حجمًا واكتسبت المزيد من الكتلة، إما عن طريق استهلاك الغاز المحيط بها أو (أحيانًا) عن طريق الاندماج مع بعضها البعض. لفترة طويلة، افترض علماء الفلك أن الثقوب السوداء الهائلة الكتلة في مراكز المجرات كانت ستنمو تدريجيًا جنبًا إلى جنب مع المجرات نفسها.

ولكن نمو الثقب الأسود لا يمكن أن يكون سريعًا بشكل تعسفي. فالمادة التي تسقط على الثقب الأسود تشكل “قرص تراكم” حارًا ومشرقًا. وعندما يحدث هذا حول ثقب أسود فائق الكتلة، تكون النتيجة نواة مجرية نشطة. وتعتبر أكثر هذه الأجسام سطوعًا، المعروفة باسم الكوازارات، من بين أكثر الأجسام الفلكية سطوعًا في الكون بأكمله. ولكن هذا السطوع يحد من كمية المادة التي يمكن أن تسقط على الثقب الأسود: فالضوء يمارس ضغطًا يمكن أن يمنع المادة الإضافية من السقوط.

كيف أصبحت الثقوب السوداء ضخمة جدًا وبسرعة كبيرة؟

ولهذا السبب فوجئ علماء الفلك عندما كشفت عمليات رصد النجوم الزائفة البعيدة خلال العشرين عاماً الماضية عن ثقوب سوداء حديثة النشأة، ومع ذلك فقد بلغت كتلتها عشرة مليارات كتلة شمسية. ويستغرق الضوء وقتاً طويلاً للانتقال من جسم بعيد إلينا، لذا فإن النظر إلى الأجسام البعيدة يعني النظر إلى الماضي البعيد. ونحن نرى أبعد النجوم الزائفة المعروفة كما كانت في عصر يُعرف باسم “فجر الكون”، أي بعد أقل من مليار عام من الانفجار العظيم، عندما تشكلت النجوم والمجرات الأولى.

إن تفسير تلك الثقوب السوداء الضخمة المبكرة يشكل تحديًا كبيرًا للنماذج الحالية لتطور المجرات. فهل يمكن أن تكون الثقوب السوداء المبكرة أكثر كفاءة في تجميع الغاز من نظيراتها الحديثة؟ أم أن وجود الغبار قد يؤثر على تقديرات كتلة الكوازار بطريقة دفعت الباحثين إلى المبالغة في تقدير كتلة الثقوب السوداء المبكرة؟ هناك العديد من التفسيرات المقترحة في هذا الوقت، ولكن لا يوجد أي منها مقبول على نطاق واسع.

نظرة أقرب على النمو المبكر للثقب الأسود

إن تحديد أي التفسيرات صحيحة ـ إن وجدت ـ يتطلب صورة أكثر اكتمالاً للكوازارات مما كان متاحاً من قبل. ومع ظهور تلسكوب جيمس ويب الفضائي، وتحديداً جهاز الأشعة تحت الحمراء المتوسطة MIRI، قفزت قدرة علماء الفلك على دراسة الكوازارات البعيدة قفزة هائلة. فعند قياس أطياف الكوازارات البعيدة، أصبح جهاز MIRI أكثر حساسية بنحو 4000 مرة من أي جهاز سابق.

تُبنى أدوات مثل MIRI بواسطة اتحادات دولية، حيث يعمل العلماء والمهندسون والفنيون معًا عن كثب. بطبيعة الحال، يهتم الاتحاد بشدة باختبار ما إذا كانت أداتهم تعمل بشكل جيد كما هو مخطط له. في مقابل بناء الأداة، يُمنح الاتحاد عادةً قدرًا معينًا من وقت المراقبة. في عام 2019، قبل سنوات من إطلاق JWST، قرر اتحاد MIRI الأوروبي استخدام بعض هذا الوقت لمراقبة ما كان آنذاك أبعد كوازار معروف، وهو جسم يُطلق عليه تسمية J1120 + 0641.

مراقبة أحد أقدم الثقوب السوداء

وقد تولى الدكتورة سارة بوسمان، باحثة ما بعد الدكتوراه في معهد ماكس بلانك لعلم الفلك وعضوة في اتحاد MIRI الأوروبي، تحليل الملاحظات. وتشمل مساهمات MPIA في أداة MIRI بناء عدد من الأجزاء الداخلية الرئيسية. وقد طُلب من بوسمان الانضمام إلى تعاون MIRI خصيصًا لتقديم الخبرة حول أفضل طريقة لاستخدام الأداة لدراسة الكون المبكر، وخاصة الثقوب السوداء الهائلة الأولى.

أُجريت عمليات الرصد في يناير 2023، خلال أول دورة من عمليات الرصد التي يقوم بها تلسكوب جيمس ويب، واستمرت لمدة ساعتين ونصف تقريبًا. وهي تشكل أول دراسة بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة لكوازار في فترة الفجر الكوني، أي بعد 770 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم (الانزياح الأحمر z=7). ولا تنبع المعلومات من صورة، بل من طيف: تحلل ضوء الجسم إلى مكونات بأطوال موجية مختلفة على غرار قوس قزح.

تتبع الغبار والغاز سريع الحركة

إن الشكل العام للطيف تحت الأحمر المتوسط ​​(“المستمر”) يشفر خصائص حلقة كبيرة من الغبار تحيط بقرص التراكم في الكوازارات النموذجية. تساعد هذه الحلقة في توجيه المادة إلى قرص التراكم، “لتغذية” الثقب الأسود. والخبر السيئ لأولئك الذين يفضلون حل مشكلة الثقوب السوداء الضخمة المبكرة يكمن في طرق سريعة بديلة للنمو: يبدو أن الحلقة، وبالتالي آلية التغذية في هذا الكوازارات المبكرة للغاية، هي نفسها بالنسبة لنظيراتها الأكثر حداثة. والفرق الوحيد هو شيء لم يتنبأ به أي نموذج للنمو السريع للكوازار المبكر: درجة حرارة الغبار أعلى قليلاً بحوالي مائة كلفن أكثر دفئًا من 1300 كلفن الموجودة في الغبار الأكثر سخونة في الكوازارات الأقل بعدًا.

إن الجزء ذو الطول الموجي الأقصر من الطيف، والذي تهيمن عليه الانبعاثات الصادرة عن قرص التراكم نفسه، يوضح لنا كمراقبين بعيدين أن ضوء الكوازار لا يخفت بسبب الغبار الزائد عن المعتاد. والحجج القائلة بأننا ربما نبالغ في تقدير كتلة الثقب الأسود المبكرة بسبب الغبار الإضافي ليست الحل أيضًا.

النجوم الزائفة المبكرة “طبيعية بشكل صادم”

وتبدو المنطقة ذات الخطوط العريضة للكوازار، حيث تدور كتل من الغاز حول الثقب الأسود بسرعات تقترب من سرعة الضوء ــ وهو ما يسمح باستنتاجات حول كتلة الثقب الأسود وكثافة وتأين المادة المحيطة ــ طبيعية أيضاً. ووفقاً لجميع الخصائص تقريباً التي يمكن استنتاجها من الطيف، فإن J1120+0641 لا يختلف عن الكوازارات في أوقات لاحقة.

“بشكل عام، تضيف الملاحظات الجديدة إلى الغموض: كانت النجوم الزائفة المبكرة طبيعية بشكل صادم. وبصرف النظر عن الأطوال الموجية التي نرصدها بها، فإن النجوم الزائفة متطابقة تقريبًا في جميع عصور الكون”، كما يقول بوسمان. ليس فقط الثقوب السوداء الهائلة نفسها، بل وأيضًا آليات تغذيتها كانت “ناضجة” تمامًا عندما كان الكون لا يتجاوز 5٪ من عمره الحالي. من خلال استبعاد عدد من الحلول البديلة، تدعم النتائج بقوة فكرة أن الثقوب السوداء الهائلة بدأت بكتل كبيرة منذ البداية، وفقًا لمصطلحات علم الفلك: أنها “بدائية” أو “كبيرة الحجم”. لم تتشكل الثقوب السوداء الهائلة من بقايا النجوم المبكرة، ثم نمت بسرعة كبيرة. لا بد أنها تشكلت في وقت مبكر بكتل أولية لا تقل عن مائة ألف كتلة شمسية، وربما عن طريق انهيار سحب غازية هائلة مبكرة.

مرجع: “كوازار ناضج عند فجر الكون تم الكشف عنه بواسطة مطيافية الأشعة تحت الحمراء ذات الإطار الساكن لـ JWST” بقلم سارة إي آي بوسمان، خافيير ألفاريز ماركيز، لويس كولينا، فابيان والتر، ألمودينا ألونسو هيريرو، مارتن جيه وارد، جوران أوستلين، توماس آر جريف، جيليان رايت، أرجان بيك، ليندرت بوجارد، كارينا كابوتي، لوكا كونستانتين، أندرياس إيكارت، ماكارينا جارسيا مارين، ستيفن جيلمان، ينس هجورث، إدواردو إياني، أوليفييه إيلبرت، إيريس جيرمان، ألفارو لابيانو، دانيال لانجيرودي، فلوريان بيسكر، بييرلويجي رينالدي، مارتن توبينكا، بول فان دير ويرف، مانويل جودل، توماس هينينج، بيير أوليفييه لاغاج، توم بي راي، إوين ف. فان ديشوك وبارت فاندنبوشي، 17 يونيو 2024، علم الفلك الطبيعي.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0