کشف یک سیاه‌چاله غول‌پیکر در جهان اولیه

کشف یک سیاه‌چاله غول‌پیکر در جهان اولیه

دانشمندان یک سیاه‌چاله عظیم را در جهان اولیه شناسایی کرده‌اند که به دلیل پرخوری، در حال «خواب» است. مانند خرسی که قبل از خواب زمستانی خود بر روی ماهی سالمون می‌خورد یا یک چرت ضروری بعد از شام کریسمس، این سیاه‌چاله به حدی پرخورده که در کهکشان میزبان خود به حالت خواب رفته است.

یک تیم بین‌المللی از ستاره‌شناسان به رهبری دانشگاه کمبریج با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا/ESA/CSA، این سیاه‌چاله را در جهان اولیه شناسایی کردند، تنها ۸۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ. این سیاه‌چاله بسیار بزرگ است و ۴۰۰ میلیون برابر جرم خورشید ما می‌باشد، که آن را به یکی از بزرگ‌ترین سیاه‌چاله‌های کشف‌شده توسط وب در این مرحله از توسعه جهان تبدیل می‌کند. این سیاه‌چاله به قدری بزرگ است که تقریباً ۴۰ درصد از جرم کل کهکشان میزبان خود را تشکیل می‌دهد؛ در مقایسه، بیشتر سیاه‌چاله‌ها در جهان محلی حدود ۰.۱ درصد از جرم کهکشان میزبان خود را دارند.

با این حال، با وجود اندازه‌ی غول‌آسا، این سیاه‌چاله به آرامی گاز مورد نیاز برای رشد را جذب می‌کند، اما با نرخ بسیار پایینی، حدود ۱۰۰ برابر کمتر از حداکثر نرخ نظری خود، که آن را به طور اساسی در حالت خواب قرار می‌دهد. وجود چنین سیاه‌چاله‌ای با جرم بسیار زیاد در اوایل جهان، اما بدون رشد، مدل‌های موجود در مورد چگونگی توسعه سیاه‌چاله‌ها را به چالش می‌کشد. محققان پیشنهاد می‌کنند که محتمل‌ترین سناریو این است که سیاه‌چاله‌ها دوره‌های کوتاه رشد فوق‌سریع را تجربه می‌کنند و سپس دوره‌های طولانی خواب را پشت سر می‌گذارند. نتایج آن‌ها در نشریه Nature منتشر شده است.

زمانی که سیاه‌چاله‌ها در حال «خواب» هستند، نور کمتری از خود ساطع می‌کنند، که شناسایی آن‌ها را حتی با تلسکوپ‌های حساس مانند وب دشوارتر می‌سازد. سیاه‌چاله‌ها نمی‌توانند به‌طور مستقیم مشاهده شوند، بلکه از طریق درخشش دیسک جذب که در نزدیکی لبه‌های سیاه‌چاله شکل می‌گیرد، شناسایی می‌شوند. گاز در این دیسک به شدت داغ می‌شود و شروع به درخشش و تابش انرژی در محدوده فرابنفش می‌کند.

ایگناس جودزبالیس، نویسنده اصلی از مؤسسه کاولی برای کیهان‌شناسی کمبریج، گفت: “با اینکه این سیاه‌چاله در حالت خواب است، اندازه‌ی عظیم آن باعث شد که ما بتوانیم آن را شناسایی کنیم. حالت خواب آن به ما اجازه داد تا درباره جرم کهکشان میزبان نیز اطلاعاتی کسب کنیم. جهان اولیه توانسته است برخی از غول‌های مطلق را تولید کند، حتی در کهکشان‌های نسبتاً کوچک.”

تشکیل سیاه‌چاله‌ها و رشد آن‌ها

بر اساس مدل‌های استاندارد، سیاه‌چاله‌ها از بقایای فروپاشیده ستاره‌های مرده شکل می‌گیرند و تا حد مشخصی به نام حد اددینگتون ماده جذب می‌کنند؛ جایی که فشار تابش بر نیروی گرانشی سیاه‌چاله غلبه می‌کند. با این حال، اندازه بسیار بزرگ این سیاه‌چاله‌ها نشان می‌دهد که مدل‌های استاندارد ممکن است نتوانند به‌خوبی توضیح دهند که این غول‌ها چگونه شکل می‌گیرند و رشد می‌کنند. پروفسور روبرتو مایولینو، یکی از نویسندگان این مقاله از مؤسسه کاولی و آزمایشگاه کوندیش دانشگاه کمبریج، گفت: “ممکن است سیاه‌چاله‌ها ‘بزرگ به دنیا بیایند’ که می‌تواند توضیح دهد چرا تلسکوپ وب سیاه‌چاله‌های بزرگی را در جهان اولیه مشاهده کرده است. اما احتمال دیگری نیز وجود دارد که آن‌ها دوره‌های فعالیت فوق‌العاده‌ای را تجربه می‌کنند و سپس دوره‌های طولانی بی‌تحرکی را سپری می‌کنند.”

پژوهشگران دانشگاه کمبریج به همراه همکاران خود از ایتالیا، مجموعه‌ای از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری را برای مدل‌سازی چگونگی رشد این سیاه‌چاله خوابیده به چنین اندازه‌ای عظیم در اوایل جهان انجام دادند. آن‌ها دریافتند محتمل‌ترین سناریو این است که سیاه‌چاله‌ها می‌توانند برای مدت‌های کوتاه از حد اددینگتون فراتر بروند، در این مدت به سرعت رشد می‌کنند و سپس دوره‌های طولانی بی‌تحرکی را تجربه می‌کنند. پژوهشگران می‌گویند که سیاه‌چاله‌هایی مانند این یکی احتمالاً به مدت پنج تا ده میلیون سال تغذیه می‌کنند و حدود ۱۰۰ میلیون سال می‌خوابند. مایولینو افزود: “به نظر می‌رسد توضیح یک سیاه‌چاله خوابیده با دوره‌های فعالیت فوق‌العاده غیرمنطقی باشد، اما این انفجارهای کوتاه به آن اجازه می‌دهد که به سرعت رشد کند در حالی که بیشتر زمان خود را در خواب می‌گذراند.”

از آنجا که دوره‌های بی‌تحرکی بسیار طولانی‌تر از دوره‌های رشد فوق‌سریع هستند، در این دوره‌ها، ستاره‌شناسان بیشتر احتمال دارند سیاه‌چاله‌ها را شناسایی کنند. یودژبالیس گفت: “این اولین نتیجه‌ای بود که به عنوان بخشی از دکتری‌ام به دست آوردم و مدتی طول کشید تا متوجه شگفت‌انگیز بودن آن شوم. تا زمانی که با همکارانم در زمینه نظری نجوم صحبت نکردم، نتوانستم اهمیت واقعی این سیاه‌چاله را ببینم.”

به دلیل کم‌نور بودن، شناسایی سیاه‌چاله‌های خوابیده برای ستاره‌شناسان دشوارتر است، اما پژوهشگران می‌گویند که این سیاه‌چاله تقریباً قطعاً نوک کوه یخ بسیار بزرگ‌تری است، اگر سیاه‌چاله‌ها در جهان اولیه بیشتر زمان خود را در حالت خوابیده سپری کنند. مایولینو گفت: “احتمالاً اکثریت قریب به اتفاق سیاه‌چاله‌ها در آنجا در این حالت خوابیده هستند. من از اینکه این یکی را پیدا کردیم شگفت‌زده‌ام، اما هیجان‌زده‌ام که فکر کنم سیاه‌چاله‌های بیشتری وجود دارند که می‌توانیم پیدا کنیم.”

این مشاهدات به عنوان بخشی از پروژه JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) به دست آمده است. این تحقیق به‌طور جزئی توسط شورای تحقیقات اروپا و شورای تسهیلات علمی و فناوری (STFC)، بخشی از تحقیقات و نوآوری‌های بریتانیا (UKRI) حمایت شده است.