تلسكوب جيمس ويب الفضائي يرصد كوازارات وحيدة هائلة الكتلة تعمل بالطاقة الناتجة عن ثقب أسود في الكون المبكر

باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، تمكن علماء الفلك من النظر إلى الوراء 13 مليار سنة ليكتشفوا كوازارات ضخمة للغاية تعمل بالطاقة الناتجة عن الثقوب السوداء.

إن ملاحظات تلسكوب جيمس ويب الفضائي مربكة لأن الثقوب السوداء المعزولة من المفترض أن تكافح لجمع ما يكفي من الكتلة للوصول إلى حالة الكتلة الهائلة، وخاصة بعد بضع مئات من ملايين السنين فقط من الانفجار العظيم. ويزيد الاكتشاف من تعقيد الأمور عندما يتعلق الأمر باللغز المتمثل في كيفية نمو بعض الثقوب السوداء إلى كتل تعادل ملايين أو حتى مليارات من كتلة الشمس عندما كان عمر الكون أقل من مليار عام.

وقد اكتشف الفريق أن محيط هذه النجوم الزائفة، المعروفة باسم "حقول النجوم الزائفة"، كان متنوعًا بشكل مدهش. فقد كان بعضها عبارة عن بيئات مكتظة كما توقع العلماء، ولكن البعض الآخر كان عبارة عن "مخازن فارغة" قليلة السكان والتي من شأنها أن تكافح لتغذية نمو الثقوب السوداء الهائلة الكتلة.

قالت آنا كريستينا إيلرز، الأستاذة المساعدة في الفيزياء بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، في بيان: "على عكس الاعتقاد السابق، وجدنا أن هذه الكوازارات ليست بالضرورة في تلك المناطق ذات الكثافة الأعلى في الكون المبكر. يبدو أن بعضها يجلس في منتصف اللا مكان". وأضافت: "من الصعب تفسير كيف يمكن لهذه الكوازارات أن تنمو بهذا الحجم إذا بدا أنها لا تملك شيئًا تتغذى عليه".

ذات صلة: ثقب أسود وحشي هو "مايكل مايرز الكوني" الذي يقتل نجمًا ويهاجم آخر بوحشية

الكوازارات تحتاج إلى مخزن كامل

يعتقد العلماء أن الثقوب السوداء الهائلة الحجم تختبئ في قلب كل المجرات الكبيرة في الكون الحديث نسبيا. ولأن أي نجم ليس كبيرا بما يكفي لينهار، ولأن الثقوب السوداء ذات الكتل الهائلة الحجم لا تتشكل إلا بطرق مختلفة عن الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية التي تتراوح كتلتها بين 10 إلى 100 ضعف كتلة الشمس، والتي تولد من موت النجوم الضخمة.

تشير النماذج إلى أن الثقوب السوداء الهائلة قد تنمو من خلال اندماج تدريجي لثقوب سوداء أكبر وأكبر – ومع ذلك، فإن المشكلة هي أن هذه العملية قد تستغرق أكثر من مليار عام. ومع ذلك، فإن تلسكوب جيمس ويب يرصد ثقوبًا سوداء هائلة تشكلت في وقت أقل بكثير.

من الممكن رؤية هذه الثقوب السوداء الهائلة لأنها تتواجد في بيئات مضطربة غنية بالغاز تسمى النوى المجرية النشطة (AGN) والتي تتغذى منها. وهذا يسهل أيضًا نموها. تتسبب الكتلة الهائلة للثقوب السوداء في هذه البيئات في توهج سحب الغاز والغبار المسطحة المحيطة بها بشكل ساطع، وغالبًا ما تتفوق على الضوء المشترك لكل نجم في المجرة التي تأويها. يشير هذا الضوء، الذي يكون أكثر سطوعًا من الشمس بتريليونات المرات، إلى وجود كوازار.

ومع ذلك، تحتاج الثقوب السوداء الهائلة إلى "خدمة توصيل" للحفاظ على محيطها المباشر مليئًا بالغاز والغبار لتحقيق هذا السطوع المذهل.

وقال إيلرز "إنه لأمر مذهل أن نمتلك الآن تلسكوبًا قادرًا على التقاط الضوء من 13 مليار سنة مضت بكل هذه التفاصيل. وللمرة الأولى، مكننا تلسكوب جيمس ويب من إلقاء نظرة على بيئة هذه النجوم الزائفة، وأين نشأت، وكيف كانت المنطقة التي عاشت فيها".

للتحقق من المناطق الأوسع المحيطة بالكوازارات، اختار الفريق خمس مناطق مدعومة بالثقوب السوداء الهائلة التي درسها تلسكوب جيمس ويب بين أغسطس 2022 ويونيو 2023. وهذا يتطلب "ربط" صور متعددة لإنشاء فسيفساء مجال الكوازار لكل منطقة مجاورة للثقب الأسود الهائل.

ومن خلال معالجة الأطوال الموجية المتعددة للضوء في الصور، أصبح من الممكن أيضًا تحديد ما إذا كان الضوء يأتي من مجرة مجاورة للكوازار وقياس مدى بعد تلك المجرة عن الكوازار المركزي الساطع.

وقال إيلرز "لقد وجدنا أن الفارق الوحيد بين هذه النجوم الزائفة الخمسة هو أن بيئاتها تبدو مختلفة للغاية. على سبيل المثال، يوجد حول أحد النجوم الزائفة ما يقرب من 50 مجرة، في حين يوجد حول الآخر مجرتان فقط. وكلا النجمين الزائفين يقعان في نفس الحجم والحجم والسطوع وزمن الكون".

"لقد كان من المدهش حقًا أن نرى ذلك."

ذات صلة: ثقب أسود هائل قديم ينفث رياحًا تقتل المجرات، وفقًا لما اكتشفه تلسكوب جيمس ويب الفضائي

هل شهدت الثقوب السوداء الهائلة المبكرة "طفرات نمو"؟

وتتحدى نتائج الفريق فكرة نمو الثقوب السوداء الهائلة، بل وحتى تشكل المجرات ككل. والفهم الحالي هو أن هذا التطور كان موجهاً بـ"شبكة كونية" واسعة من المادة المظلمة؛ إذ تشكل المادة المظلمة نحو 85% من كل المادة، ولكنها تظل غير مرئية لنا فعلياً.

كانت خيوط المادة المظلمة في الشبكة الكونية توجه الغاز والغبار في الكون المبكر، فتجذب المادة البدائية على طول خيوطها الشاسعة. وفي الأماكن التي التقت فيها خيوط هذه الشبكة الكونية، تراكمت مناطق كثيفة للغاية من المادة. وهنا، بُنيت المجرات المبكرة، ومن المفترض أن نجد أول الكوازارات.

وقال إيليا بيزاتي، قائد الفريق، وهو طالب دراسات عليا في جامعة لايدن، في البيان: "إن الشبكة الكونية للمادة المظلمة هي تنبؤ قوي لنموذجنا الكوني للكون، ويمكن وصفها بالتفصيل باستخدام المحاكاة الرقمية". "من خلال مقارنة ملاحظاتنا بهذه المحاكاة، يمكننا تحديد مكان وجود الكوازارات في الشبكة الكونية".

يجب أن تنمو الثقوب السوداء الهائلة الموجودة عند هذه العقد في الشبكة الكونية من خلال التراكم الثابت والسريع للغاز والغبار الذي توفره الشبكة الكونية مثل Grub Hub المجري – وهذا من شأنه أن يسمح للكوازارات بتحقيق كتل هائلة وسطوع شديد – لكن العلماء ما زالوا بحاجة إلى معرفة كيف حدث هذا في وقت مبكر جدًا من تاريخ الكون.

وقال إيلرز "السؤال الرئيسي الذي نحاول الإجابة عليه هو كيف تتشكل هذه الثقوب السوداء التي تبلغ كتلتها مليار شمس في وقت لا يزال فيه الكون صغيرا للغاية؟ إنه لا يزال في مراحله الأولى".

لسوء الحظ، يبدو أن هذا البحث أثار أسئلة أكثر من الإجابات التي تزعج العلماء بالفعل. يبدو أن الأحياء القاحلة تشير إلى نقص المادة المظلمة وكثافة عقد الشبكة الكونية. وإذا كان الأمر كذلك، فإن نظريات آلية النمو الحالية لا يمكنها تفسير هذه الكوازارات.

أحد الحلول المحتملة لهذا اللغز هو أن هذه النجوم الزائفة المبكرة كانت محاطة في الواقع بغبار كوني، وبالتالي فهي غير مرئية. ويعتزم الفريق الآن "ضبط" ملاحظاتهم على حقول النجوم الزائفة الفارغة المحتملة هذه لاكتشاف أي مجرات محاطة بغبار كوني.

واختتم إيلرز حديثه قائلاً: "تُظهِر نتائجنا أن هناك قطعة مهمة من اللغز لا تزال مفقودة حول كيفية نمو هذه الثقوب السوداء الهائلة. وإذا لم تكن هناك مادة كافية حول بعض الكوازارات لكي تتمكن من النمو بشكل مستمر، فهذا يعني أنه لا بد من وجود طريقة أخرى يمكنها من خلالها النمو، وهو ما لم نكتشفه بعد".

نُشر بحث الفريق في 17 أكتوبر في مجلة The Astrophysical Journal

تابعونا على أخبار جوجل