باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، اكتشف علماء الفلك كوازارًا منعزلًا يعمل بثقب أسود، يعود تاريخه إلى ما قبل 13 مليار سنة.
تعتبر الملاحظات الصادرة عن تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) محيرة لأن الثقوب السوداء المعزولة يجب أن تكافح من أجل تجميع كتلة كافية للوصول إلى حالات فائقة الكتلة، خاصة بعد بضع مئات الملايين من السنين من الانفجار الكبير. يزيد هذا الاكتشاف من تعقيد الأمور عندما يتعلق الأمر باللغز المتمثل في كيفية نمو بعض الثقوب السوداء إلى كتل تعادل ملايين أو حتى مليارات الشموس عندما كان عمر الكون أقل من مليار سنة.
وتأتي هذه النتائج بعد أن استخدم فريق من العلماء تلسكوب جيمس ويب الفضائي لدراسة بيئات أقدم خمسة أشباه نجوم معروفة والتي تشكلت عندما كان عمر الكون 600 إلى 700 مليون سنة. ووجد الفريق أن المناطق المحيطة بهذه النجوم الزائفة، والتي تسمى “حقول النجوم الزائفة”، متنوعة بشكل مدهش. يتنبأ بعض العلماء ببيئات مكتظة بالسكان، لكن البعض الآخر يتوقع أن تكون هناك “مساكن فارغة” ذات كثافة سكانية منخفضة للغاية والتي قد تكافح من أجل تغذية نمو الثقوب السوداء الهائلة.
“خلافا للاعتقاد السابق، نجد أن هذه النجوم الزائفة، في المتوسط، ليست بالضرورة في المناطق الأكثر كثافة في الكون المبكر. ويبدو أن بعضها يجلس في منتصف اللامكان،” آنا كريستينا إيلرز، أستاذ مساعد في الفيزياء وقال في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في بيان. “إذا بدا أن هذه النجوم الزائفة ليس لديها ما تتغذى عليه، فمن الصعب تفسير كيف يمكن أن تنمو إلى هذا الحد.”
متعلق ب: أكبر نفاثات الثقب الأسود التي تم رصدها على الإطلاق يصل طولها إلى 140 درب التبانة
الكوازارات تحتاج إلى غرف تخزين كاملة
يُعتقد أن الثقوب السوداء الهائلة تكمن في قلوب جميع المجرات الكبيرة تقريبًا في الكون الحديث نسبيًا. يعرف العلماء أن الثقوب السوداء فائقة الكتلة يجب أن تتشكل بطرق مختلفة عما يسمى “الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية”، والتي تتراوح كتلتها ما بين 10 إلى 100 مرة كتلة الشمس، لأنه لا يمكن لأي نجم أن ينهار ويتحول إلى ثقب أسود. من موت النجوم الضخمة.
تشير النماذج إلى أن الثقوب السوداء فائقة الكتلة يمكن أن تنمو من خلال عمليات الاندماج التدريجي لثقوب سوداء أكبر وأكبر، لكن المشكلة تكمن في أن هذه العملية يريد يستغرق أكثر من 1 مليار سنة. ومع ذلك، يرى تلسكوب جيمس ويب الفضائي أن الثقوب السوداء الهائلة تتشكل خلال فترات زمنية قصيرة جدًا.
يمكن رؤية هذه الثقوب السوداء الهائلة لأنها تقع في بيئات مباشرة مليئة بالغاز المضطرب الذي يسمى النوى المجرية النشطة (AGN). كما أنه يسهل تطورهم. تضيء الكتلة الهائلة من الثقوب السوداء في هذه البيئات السحب المسطحة من الغاز والغبار المحيطة بها بشكل ساطع، وغالبًا ما يتجاوز اللمعان المشترك لكل نجم في المجرة التي تحتوي عليها. هذا الضوء، وهو أكثر سطوعًا بتريليونات المرات من الشمس، يمثل نجمًا زائفًا.
ومع ذلك، لتحقيق هذا اللمعان المذهل، تحتاج الثقوب السوداء فائقة الكتلة إلى “خدمة توصيل” للحفاظ على محيطها المباشر مليئًا جيدًا بالغاز والغبار.
وقال إيلرز: “إنه أمر فريد من نوعه أن لدينا الآن تلسكوبًا يمكنه التقاط الضوء منذ 13 مليار سنة بمثل هذه التفاصيل”. “للمرة الأولى، مكننا تلسكوب جيمس ويب الفضائي من رؤية بيئة هذه النجوم الزائفة، وأين نمت وكيف تبدو البيئة المحيطة بها.”
لاستكشاف البيئة الأوسع للكوازارات، اختار الفريق خمس مناطق فائقة الكتلة تعمل بالثقوب السوداء تم مسحها بواسطة تلسكوب جيمس ويب الفضائي في الفترة ما بين أغسطس 2022 ويونيو 2023. يتطلب هذا “دمج” صور متعددة معًا لإنشاء فسيفساء حقل الكوازار لكل حي من الثقوب السوداء الهائلة.
من خلال معالجة أطوال موجية متعددة من الضوء في الصور، كان من الممكن تحديد ما إذا كان الضوء يأتي من مجرة مجاورة للكوازار وقياس مدى بعد تلك المجرة عن الكوازار المركزي اللامع.
وقال إيلرز: “لقد وجدنا أن الاختلاف الوحيد بين هذه النجوم الزائفة الخمسة هو أن بيئاتها مختلفة تمامًا”. “على سبيل المثال، يحتوي أحد النجوم الزائفة على ما يقرب من 50 مجرة، بينما يحتوي الآخر على مجرتين فقط. وكلا النجمين الزائفين يقعان في نفس الحجم والكتلة واللمعان والمدى الزمني للكون.
هل تتمتع الثقوب السوداء الهائلة المبكرة بـ “طفرات نمو”؟
تتحدى النتائج التي توصل إليها الفريق فكرة نمو الثقب الأسود الهائل وتكوين المجرات بشكل عام. الفهم الحالي هو أن هذا التطور كان موجهًا بـ “شبكة كونية” واسعة من المادة المظلمة؛ تشكل المادة المظلمة حوالي 85% من المادة كلها، ولكنها غير مرئية بالنسبة لنا.
إن خيوط المادة المظلمة في الشبكة الكونية توجه الغاز والغبار في الكون المبكر، وتجذب المادة البدائية عبر خطوطها العريضة. وحيثما تلتقي خيوط هذه الشبكة الكونية، تتراكم مناطق أكثر كثافة من المادة. هنا، تم بناء أقدم المجرات وتم اكتشاف النجوم الزائفة الأولى.
وقال قائد الفريق إيليا بيساتي، وهو طالب دراسات عليا في جامعة ليدن، في البيان: “إن الشبكة الكونية للمادة المظلمة هي تنبؤ قوي للنموذج الكوني لكوننا، ويمكن وصفها بالتفصيل باستخدام المحاكاة العددية”. “من خلال مقارنة ملاحظاتنا مع عمليات المحاكاة هذه، يمكننا تحديد مكان وجود النجوم الزائفة على شبكة الإنترنت الكونية.”
يجب أن تنمو الثقوب السوداء الهائلة الموجودة في هذه العقد في الشبكة الكونية من خلال التراكم المستمر والسريع للغاز والغبار الذي تغذيه الشبكة الكونية مثل مركز المجرة – مما يسمح للكوازارات بالحصول على كتل هائلة وإضاءة شديدة – لكن العلماء ما زالوا بحاجة إلى لمعرفة مدى وجودهم في تاريخ الكون.
وقال إيلرز: “السؤال الرئيسي الذي نحاول الإجابة عليه هو كيف تتشكل هذه الثقوب السوداء التي تبلغ كتلتها مليار كتلة شمسية في وقت لا يزال فيه الكون فتيًا حقًا؟ إنه لا يزال في مهده”.
ولسوء الحظ، أثار هذا البحث أسئلة أكثر مما أجاب عنها والتي تزعج العلماء بالفعل. تشير الأحياء القاحلة إلى نقص المادة المظلمة والكثافة العالية لعقد الويب الكونية. إذا كان الأمر كذلك، فإن نظريات آلية النمو الحالية لا يمكنها تفسير هذه النجوم الزائفة.
أحد الحلول المحتملة لهذا اللغز هو أن هذه النجوم الزائفة المبكرة كانت في الواقع محاطة بالغبار الكوني، لذا فهي غير مرئية. يريد الفريق الآن “ضبط” ملاحظاتهم حول حقول الكوازار الفارغة للعثور على مثل هذه المجرات المغلقة.
وخلص إيليرز إلى القول: “تظهر نتائجنا أن جزءًا كبيرًا من لغز كيفية نمو هذه الثقوب السوداء الهائلة لا يزال مفقودًا”. “إذا لم يكن لدى بعض النجوم الزائفة ما يكفي من المواد لمواصلة النمو، فلا بد أن تكون هناك طريقة أخرى لنموها، وهو ما لم نجده بعد.”
تم نشر بحث الفريق في 17 أكتوبر مجلة الفيزياء الفلكية.
نشرت أصلا موقع Space.com.