باستخدام الويب ، اكتشف العلماء أكثر الثقب الأسود فائق الكتلة نشاطا

باستخدام أدوات الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء من ناسا / وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) / وكالة الفضاء الكندية (CSA) جيمس ويب تلسكوب الفضاء ، اكتشف فريق من العلماء الثقب الأسود الفائق النشط الأكثر بعدًا حتى الآن. يقع داخل المجرة CEERS 1019 – والتي كانت موجودة بعد 570 مليون سنة من تشكل الكون – الثقب الأسود أقل كتلة من أي ثقب أسود آخر تم تحديده في الكون المبكر.

أيضًا ، تشير بيانات Webb ، التي تم جمعها كجزء من استطلاع علم الإطلاق المبكر للتطور الكوني (CEERS) ، إلى وجود ثقبين أسودين إضافيين أصغر حجمًا. خلق الكون. تمكنت CEERS أيضًا من تحديد 11 مجرة ​​تعود إلى الوقت الذي كان فيه الكون بين 470 و 675 مليون سنة.

في حين أن عمر ومسافة الثقب الأسود في CEERS 1019 لافت للنظر ، فإن صغر حجم الثقب الأسود – ووزنه – لهما أهمية كبيرة للعلماء. يبلغ حجم الثقب الأسود حوالي تسعة ملايين مرة كتلة شمسنا – أصغر بكثير من أي ثقب أسود آخر كان موجودًا في هذا الوقت. عادةً ما يكون للثقوب السوداء فائقة الكتلة كتل تبلغ مليار ضعف كتلة الشمس. تجعل كتلها القصوى من السهل اكتشافها ومراقبتها ، مما يسمح للعلماء بعد ذلك بتحليلها بتفصيل كبير.

نظرًا لكتلته المنخفضة وصغر حجمه ، كان الثقب الأسود CEERS 1019 خافتًا نسبيًا ويصعب مراقبته. ومع ذلك ، مع حساسية ويب الهائلة لمنطقة الأشعة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي ، تمكن التلسكوب من جمع البيانات التي سمحت للعلماء بالعثور على الثقب الأسود وتمييزه.

قال ستيف فينكلشتاين من جامعة تكساس في أوستن: “مع التلسكوبات الأخرى ، تبدو هذه الأهداف مثل مجرات تشكل النجوم عادية ، وليست ثقوبًا سوداء فائقة الكتلة نشطة”.

كما ذكرنا ، تمكن العلماء من تحديد وجود الثقب الأسود عندما كان عمر الكون 570 مليون سنة فقط. افترض العلماء منذ فترة طويلة أن الثقوب السوداء الصغيرة كانت موجودة في بداية الكون ، لكنهم لم يتوقعوا العثور على ثقب أسود في وقت مبكر جدًا من حياة الكون. في الواقع ، لم يكن الفريق متأكدًا من كيفية تشكل الثقب الأسود حتى في عمر الكون.

مع استمرار فريق مسح CEERS في تحليل البيانات من الويب ، قد يحمل الثقب الأسود CEERS 1019 الرقم القياسي لأبعد ثقب أسود فقط لبضعة أسابيع. تمتلئ بيانات CEERS الخاصة بـ Webb بمعلومات دقيقة للغاية والتي بمجرد تحليلها يمكن أن تكشف عن ثقوب سوداء أبعد.

وقالت المؤلفة الرئيسية ريبيكا لارسون من جامعة تكساس في أوستن: “إن النظر إلى هذا الجسم البعيد باستخدام هذا التلسكوب يشبه النظر إلى البيانات من الثقوب السوداء في المجرات القريبة. هناك الكثير من الخطوط الطيفية لتحليلها!”

رسم بياني يوضح موقع CEERS 1019 وموقعه في المسح وبيانات حقن الغاز من Webb. (الائتمان: NASA / ESA / CSA / Leah Hustak (STScI))

سمح تحليل الخطوط الطيفية لـ CEERS 1019 لـ Larsen et al. حدد مقدار الغاز الذي يستهلكه الثقب الأسود ، وبالتالي معدل تكوين النجوم في المجرة. وجد الفريق أن CEERS 1019 يواصل إنتاج المزيد من النجوم بينما يستهلك الثقب الأسود أكبر قدر ممكن من الغاز.

ومع ذلك ، لماذا يحدث هذا؟

بعد فحص صور ويب لـ CEERS 1019 ، وجد الفريق أن المجرة تظهر على شكل ثلاث مجموعات من الضوء الساطع بدلاً من نقطة واحدة مستديرة من الضوء. قد يشير هذا إلى اندماج مجري ، حيث يمكن للثقب الأسود أن يسحب الغاز من مجرتين أو ثلاث مجرات. في الوقت نفسه ، يفرض الغاز من المجرات تكوين النجوم.

قال جيهان كورتالديب ، عضو CEERS ، من روتشستر: “لسنا معتادين على رؤية هذا القدر الكبير من البنية في الصور على هذه المسافة. يمكن أن يكون الاندماج المجري جزءًا مما يغذي نشاط الثقب الأسود لهذه المجرة ، وقد يؤدي ذلك إلى زيادة تكوين النجوم”. معهد التكنولوجيا في نيويورك.

كما ذكرنا أعلاه ، تأتي كل هذه المعلومات من بضعة أشهر من التحليل. مع استمرار تحليل البيانات من Larsen et al ، يمكن إجراء اكتشافات جديدة. في الواقع ، يقوم الفريق بالفعل بالتحقيق في اثنين من الثقوب السوداء الصغيرة الموجودة في بيانات CEERS.

بعد وقت قصير من تقديم بيانات CEERS إلى الفريق ، لاحظ عضو CEERS Dale Koszewski من كلية كولبي في ولاية ماين وجود ثقبين أسودين أصغر يشبهان الثقب الأسود CEERS 1019. يقع أكثر الثقوب السوداء بروزًا في المجرة CEERS 2782 ، والتي لا تحجبها أي غبار أو مادة كونية أخرى – مما يسمح لـ Webb باكتشاف الثقب الأسود وتمييزه بسهولة. بعد تحليل البيانات ، وجد أن هذا الثقب الأسود موجود بعد 1.1 مليار سنة من خلق الكون.

يُظهر الرسم CEERS 2782 و CEERS 746 ، مواقعهم في المسح وخطوطهم الطيفية. (الائتمان: NASA / ESA / CSA / Leah Hustak (STScI))

تقع مجرة ​​الثقب الأسود الثانية في CEERS 746 ومصممة على أنها كانت موجودة عندما كان عمر الكون مليار سنة. بالإضافة إلى ذلك ، كان ويب قادرًا على اكتشاف قرص تراكم لامع حول الثقب الأسود ، وحلقة من الغاز والغبار والمواد الكونية الأخرى التي تسقط في الثقب الأسود. ومع ذلك ، على عكس الثقب الأسود CEERS 2782 ، فإن الثقب الأسود CEERS 746 محجوب جزئيًا بالغبار – مما قد يشير إلى معدل عالٍ لتكوين النجوم داخل CEERS 746.

قال كوتشيفسكي: “الثقب الأسود المركزي مرئي ، لكن وجود الغبار يشير إلى أنه قد يكون داخل مجرة ​​تقذف النجوم بشدة”.

كل من الثقوب السوداء CEERS 2782 و CEERS 746 أصغر وأقل ضخامة من الثقب الأسود CEERS 1019. تبلغ كتلة كلا الثقوب السوداء حوالي 10 ملايين ضعف كتلة الشمس.

“لقد عرف الباحثون منذ فترة طويلة أن الثقوب السوداء منخفضة الكتلة يجب أن تكون موجودة في بدايات الكون. ويب هو أول مرصد يلتقطها بوضوح شديد. والآن ، نعتقد أن الثقوب السوداء منخفضة الكتلة يمكن أن تكون في كل مكان ، فقط تنتظر اكتشف “، قال Koszewski.

رسم يوضح العلاقة بين كتلة وعمر الثقوب السوداء الهائلة الأكثر نشاطًا التي تم اكتشافها على الإطلاق. لاحظ مواقع CEERS 1019 و CEERS و 746 و 2782 على الخريطة. (الائتمان: NASA / ESA / CSA / Leah Hustak (STScI))

بالإضافة إلى اكتشافات الثقب الأسود لـ CEERS ، استخدم المسح قدرات Webb الطيفية لقياس المسافات والأعمار الدقيقة للعديد من المجرات في الكون المبكر. تمكن أعضاء CEERS بابلو أرابال هارو من NOIRLab وسيجي فوجيموتو من جامعة تكساس في أوستن من تحديد 11 مجرة ​​كانت موجودة عندما كان عمر الكون من 470 إلى 675 مليون سنة. تعني أقدم عصور هذه المجرات أنها من بين أبعد المجرات التي تم اكتشافها على الإطلاق. كما أن عدد المجرات الموجودة مهم ، حيث يتوقع العديد من العلماء أن WEBB سيكتشف عددًا أقل بكثير من المجرات على هذه المسافة من تلك التي تم اكتشافها باستخدام CEERS.

قال Haddo: “لقد غمرتني كمية الأطياف التفصيلية للغاية للمجرات البعيدة التي أعادتها الويب. البيانات لا تصدق على الإطلاق”.

على الرغم من أن المجرات تشكل النجوم بمعدل سريع جدًا ، إلا أنها ليست غنية كيميائيًا مثل المجرات الأخرى بالقرب من مجرة ​​درب التبانة. هذه المجرات التي لا تزال غنية كيميائيًا نادرة جدًا لدرجة أن بعضها لم يُكتشف حتى ملاحظات ويب.

كان ويب أول من اكتشف بعض هذه المجرات. وأوضح فوجيموتو أن هذه المجموعة ، جنبًا إلى جنب مع المجرات البعيدة الأخرى التي قد نحددها في المستقبل ، يمكن أن تغير فهمنا لتشكيل النجوم وتطور المجرات عبر التاريخ الكوني.

CEERS-iously؟

في دراسة استقصائية شملت 100000 مجرة ​​تسمى CEERS ، وجد ويب أكثر ثقب أسود فائق الكتلة نشاطا حتى الآن ، بالإضافة إلى ثقبين أسودين بدائيين أصغر و 11 مجرة ​​بدائية. كانت جميعها في أول 1.1 مليار سنة بعد الانفجار العظيم. بجد! https://t.co/5ZXzUZtDYM pic.twitter.com/mBA7edLhXX

– تلسكوب ويب ناسا (NASAWebb) 6 يوليو 2023

هذه النتائج هي أول اكتشافات رائدة من CEERS. كما لوحظ ، مع استمرار العلماء في تحليل البيانات ، فمن المحتمل أن يقوموا بمزيد من الاكتشافات الأولى من نوعها التي ستغير فهمنا للكون المبكر إلى الأبد.

“حتى الآن ، كان البحث في الأجسام في الكون المبكر نظريًا في الغالب. باستخدام WEB ، لا يمكننا فقط رؤية الثقوب السوداء والمجرات على مسافات بعيدة ، ولكن يمكننا الآن البدء في قياسها بدقة. هذه هي القوة الهائلة لهذا تلسكوب “، قال فينكلشتاين.

تم نشر كل النتائج الرئيسية التي توصل إليها الفريق في المجلة رسائل مجلة الفيزياء الفلكية: لارسن وآخرون.و Koszewski وآخرون.و Haro et al.و فوجيموتو وآخرون..

(الصورة الرئيسية: جزء من استطلاع CEERS الذي أجرته Webb. Credit: NASA / ESA / CSA / Steve Finkelstein (UT Austin) / Micaela Bagley (UT Austin) / Rebecca Larson (UT Austin))