کشف سیاهچاله‌ای با سریع‌ترین تغذیه در کیهان اولیه

کشف یک سیاه‌چاله فوق‌العاده بزرگ در کهکشان‌های اولیه

با استفاده از داده‌های تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) و رصدخانه ایکس‌ری چاندرا، تیمی از ستاره‌شناسان مؤسسه ملی علوم ایالات متحده (NOIRLab) یک سیاه‌چاله فوق‌العاده بزرگ را در مرکز کهکشان کشف کرده‌اند که تنها ۱.۵ میلیارد سال پس از بیگ بنگ شکل گرفته و در حال بلعیدن ماده با سرعتی شگفت‌انگیز است – بیش از ۴۰ برابر حد نظری.

اگرچه عمر این سیاه‌چاله کوتاه است، اما «مهمانی» آن می‌تواند به ستاره‌شناسان کمک کند تا توضیح دهند چگونه سیاه‌چاله‌های فوق‌العاده بزرگ در اوایل جهان به سرعت رشد کردند. این سیاه‌چاله‌ها در مرکز اکثر کهکشان‌ها وجود دارند و تلسکوپ‌های مدرن همچنان به رصد آن‌ها در زمان‌های شگفت‌انگیز اولیه تکامل جهان ادامه می‌دهند. درک فرآیند رشد سریع این سیاه‌چاله‌ها دشوار است. اما با کشف یک سیاه‌چاله فوق‌العاده بزرگ با جرم کم که در حال بلعیدن ماده با سرعت زیاد است و تنها ۱.۵ میلیارد سال پس از بیگ بنگ مشاهده شده، ستاره‌شناسان اکنون بینش‌های ارزشمندی درباره مکانیزم‌های رشد سریع سیاه‌چاله‌ها در اوایل جهان دارند.

جزئیات کشف LID-568

سیاه‌چاله LID-568 توسط تیمی بین‌المللی از ستاره‌شناسان به رهبری هایوون سو (Hyewon Suh) از رصدخانه بین‌المللی جمنای (International Gemini Observatory) و مؤسسه ملی علوم ایالات متحده (NSF NOIRLab) کشف شد. آن‌ها از تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) برای مشاهده نمونه‌ای از کهکشان‌ها در نظرسنجی میراث COSMOS رصدخانه چاندرا استفاده کردند. این جمعیت از کهکشان‌ها در بخش ایکس‌ری طیف بسیار درخشان هستند، اما در نواحی نوری و نزدیک به مادون قرمز نامرئی هستند. حساسیت منحصر به فرد مادون قرمز JWST به آن اجازه می‌دهد تا این تابش‌های ضعیف را شناسایی کند.

LID-568 به دلیل تابش شدید ایکس‌ری خود در میان نمونه‌ها برجسته بود، اما موقعیت دقیق آن تنها از طریق مشاهدات ایکس‌ری قابل تعیین نبود و این نگرانی را ایجاد کرد که هدف به درستی در میدان دید JWST قرار نگیرد. بنابراین، به جای استفاده از طیف‌سنجی شکاف سنتی، دانشمندان پیشنهاد کردند که تیم سو از طیف‌سنج میدان یکپارچه (integral field spectrograph) در NIRSpec JWST استفاده کند. این ابزار می‌تواند طیف هر پیکسل در میدان دید خود را به دست آورد و محدود به یک برش باریک نیست.

امانوئل فارینا، ستاره‌شناس رصدخانه بین‌المللی جمنای و یکی از نویسندگان مقاله‌ای که در نشریه Nature Astronomy منتشر شده، می‌گوید: “به دلیل ماهیت ضعیف آن، شناسایی LID-568 بدون JWST غیرممکن بود. استفاده از طیف‌سنج میدان یکپارچه نوآورانه و ضروری برای انجام مشاهدات ما بود.”

کشفات شگفت‌انگیز تلسکوپ فضایی جیمز وب

تلسکوپ NIRSpec جیمز وب به تیم تحقیقاتی این امکان را داد تا نمای کاملی از هدف و منطقه اطراف آن به دست آورند. این امر منجر به کشف غیرمنتظره جریان‌های قدرتمند گاز در اطراف سیاه‌چاله مرکزی شد. سرعت و اندازه این جریان‌ها باعث شد تا تیم نتیجه‌گیری کند که بخش قابل توجهی از رشد جرم LID-568 ممکن است در یک دوره کوتاه به دلیل جذب سریع ماده اتفاق افتاده باشد. سوه می‌گوید: “این نتیجه تصادفی بعد جدیدی به درک ما از این سیستم افزود و راه‌های هیجان‌انگیزی برای تحقیق باز کرد.”

تغذیه غیرمعمول سیاه‌چاله

در یک کشف شگفت‌انگیز، سوه و تیمش دریافتند که LID-568 با سرعتی ۴۰ برابر حد اددینگتون خود به جذب ماده می‌پردازد. این حد، به حداکثر روشنایی و سرعتی که یک سیاه‌چاله می‌تواند ماده را جذب کند مربوط می‌شود. این وضعیت به گونه‌ای است که نیروی گرانشی داخلی و فشار بیرونی ناشی از گرمای ماده فشرده و در حال سقوط، در تعادل باقی بماند. وقتی روشنایی LID-568 محاسبه شد و مشخص گردید که بسیار بالاتر از حد نظری است، تیم متوجه شد که داده‌های آن‌ها نشانگر چیزی شگفت‌انگیز است. جولیا شاروختر، ستاره‌شناس و نویسنده همکار از رصدخانه بین‌المللی جمنای NSF NOIRLab، می‌گوید: “این سیاه‌چاله در حال برگزاری یک ضیافت است.”

چالش‌های نظری و کشفیات جدید

او ادامه می‌دهد: “این مورد افراطی نشان می‌دهد که مکانیزم تغذیه سریع فراتر از حد اددینگتون می‌تواند یکی از توضیحات ممکن برای زود مشاهده کردن این سیاه‌چاله‌های بسیار سنگین در جهان باشد.” این نتایج بینش‌های جدیدی درباره شکل‌گیری سیاه‌چاله‌های فوق‌العاده بزرگ از “بذر” سیاه‌چاله‌های کوچکتر ارائه می‌دهد. نظریه‌های کنونی پیشنهاد می‌کنند که این بذرها یا از مرگ نخستین ستاره‌های جهان (بذرهای سبک) یا از فروپاشی مستقیم ابرهای گازی (بذرهای سنگین) به وجود می‌آیند. تاکنون، این نظریه‌ها تأیید مشاهداتی نداشتند.

سوه می‌گوید: “کشف یک سیاه‌چاله با جذب فراتر از حد اددینگتون نشان می‌دهد که بخش قابل توجهی از رشد جرم می‌تواند در یک دوره کوتاه از تغذیه سریع رخ دهد، صرف‌نظر از اینکه آیا سیاه‌چاله از یک بذر سبک یا سنگین به وجود آمده است.”

فرصت‌های جدید برای تحقیق

کشف LID-568 همچنین نشان می‌دهد که ممکن است یک سیاه‌چاله بتواند حد اددینگتون خود را تجاوز کند و این اولین فرصت برای ستاره‌شناسان است تا بررسی کنند چگونه این اتفاق می‌افتد. ممکن است جریان‌های قدرتمندی که در LID-568 مشاهده شده‌اند، به عنوان یک شیر تخلیه برای انرژی اضافی تولید شده توسط جذب شدید عمل کنند و از ناپایداری بیش از حد سیستم جلوگیری کنند. برای بررسی بیشتر مکانیزم‌های موجود، تیم در حال برنامه‌ریزی برای مشاهدات پیگیری با تلسکوپ جیمز وب است.