تحقیقات جدید نشان می دهد که چگونه سیاهچاله‌هایی با جرم ده‌ها هزار برابر خورشید می‌توانند در اوایل کیهان شکل بگیرند!!
تنها 700 میلیون سال پس از انفجار بزرگ، زمانی که جهان هنوز در مراحل اولیه خود بود، ما سیاهچاله‌های بسیار پرجرم با وزن 1 بیلیون خورشید را پیش از این زمان می‌بینیم. چگونه سیاهچالهها می‌توانستند اینقدر سریع رشد کنند؟ تیمی از ستاره‌شناسان از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری استفاده می‌کنند تا نگاهی اجمالی به شکل‌گیری این غولهای تاریک داشته باشند.
چگونه یک سیاهچاله بسیار بزرگ بسازیم؟
اگر می‌خواهید یک سیاهچاله با جرم یک بیلیون برابر خورشید را از ابتدا بسازید، باید با یک ستاره شروع کنید – یا شاید فقط با گازی که ستاره‌ها از آن ساخته شده‌اند.
در حالی که اولین ستارگان جهان ممکن است اولین سیاهچالهها را ایجاد کرده باشند، این سیاهچالهها در مقیاس کلان جرم نسبتا کوچک بوده و تنها جرم آنها حدود 100 برابر خورشید است. شاید اولین ستاره‌ها خوشه‌‌بندی شدند و بنابراین وقتی ستاره‌ها سیاهچالهها را ساختند، آن سیاهچالهها با هم ادغام شدند و مجددا و دوباره ادغام شدند. حتی در آن زمان، چنین “دانه‌های” سیاهچالهای فقط 1000 یا شاید 10000 برابر جرم خورشید بودند. این سیاهچالهها باید به سرعت رشد می‌کردند تا در مدت زمان کوتاهی بزرگ شوند.
اما راه دیگری نیز وجود دارد: برخی از ستاره‌شناسان این ایده را مطرح کرده‌اند که در جهان کوچک اولیه، زمانی که گاز متراکم و بکر بود، ابرهای گازی می‌توانستند مستقیماً به سیاهچاله‌های پرجرم‌تر فرو بریزند.
با این حال، محاسبات برای چنین انفجارهای عظیمی دقیق و ظریف هستند. چه چیزی باید برای جلوگیری از سرد شدن و فروپاشی تکه‌های ابر گازی تحت وزن خود انجام بگیرد، همانطور که ابرهای ستاره ساز در جهان کنونی انجام می‌دهند؟
برخی از ستاره‌شناسان پیشنهاد کرده‌اند که انتشار امواج فرابنفش ستارگان تازه متولد شده در مجاورت هم ممکن است گاز را گرم کرده باشد و آن را بیش از حد گرم نگه داشته باشد که گاز قطعه قطعه نشود. برخی دیگر استدلال کرده‌اند که چنین الزامات خاصی این فرآیند را برای توضیح تعداد سیاهچاله‌های کلان پرجرم که قبلاً در جهان جوان پیدا کرده‌ایم، بسیار کمتر می‌کند.
اکنون، محمد لطیف (دانشگاه امارات متحده عربی)، دانیل والن (دانشگاه پورتسموث، بریتانیا، و دانشگاه وین) و همکارانش در مجله Nature گزارش می‌دهند که سیاهچاله های عظیم می توانند بدون این شرایط خاص تشکیل شوند.
این یافته مبتنی بر شبیه‌سازی‌های کامپیوتری است که شرایط جهان نوزاد را در زمانی بازسازی می‌کند که کمتر از 100 میلیون سال سن داشته است. شبیه‌سازی‌ها ضروری هستند، زیرا این دوره از اولین ستاره‌ها برای تلسکوپ‌های فعلی ما دور از دسترس است.
این شبیه‌سازی رشد یک دریای کوچک و کف‌آلود از ماده را دنبال کرد که توسط چهار جریان از گاز ورودی تغذیه می‌شد. در حالی که چنین گره‌هایی در شبکه‌ای از موادی که کیهان را پر می‌کردند رایج بودند، این جریان‌ها غیرعادی بودند چون گاز زیادی را حمل می‌کردند. لطیف می‌افزاید که جریانهای گاز نه تنها متراکم بودند، بلکه سرعت زیادی داشتند. آنها با سرعت 50 کیلومتر بر ثانیه (بیش از 100000 مایل در ساعت) حرکت می‌کردند و به طور سالانه ارزشی بین 1 تا 10 ماده خورشیدی را حمل می‌کردند.
جریانهای گازی به سمت دریای مرکزی و متلاطم هجوم می‌آورند که در آن دو سیاهچاله ازلی پرجرم در حال شکل‌گیری هستند. دانیل والن (دانشگاه پورتسموث، انگلستان)
دریا در مرکز این جریانهای مواد رشد کرد و یک توده و سپس توده دیگری شکل گرفت. تلاطم جریانهای هجومی گاز باعث شد که توده‌های پرجرم بلافاصله به ستاره‌ها تبدیل نشوند. در عوض، توده‌ها به رشد خود ادامه دادند. در پایان شبیه سازی – 1.4 میلیون سال بعد – آنها حاوی ده‌ها هزار برابر جرم خورشید بودند.
در نهایت، این توده‌ها فشرده می‌شوند و به چیزی تبدیل می شوند که محققان آن را ستاره‌های پرجرم می‌نامند. برای بررسی تکامل آنها نیاز به نوع متفاوتی از شبیه‌سازی کامپیوتری داریم، شبیه‌سازی که فیزیک ستاره‌ها را در نظر می‌گیرد. هیولاهای ستاره‌ای در این شبیه‌سازی، قبل از اینکه دوباره به سیاهچاله‌هایی با 30000 و 40000 برابر جرم خورشیدی تبدیل شوند، مدت زیادی دوام نمی‌آورند(فقط 1 میلیون سال).
چنین دانه‌های پرجرمی می‌توانند به راحتی گاز بیشتری جمع کنند و رشد کنند تا به غولهای تاریکی تبدیل شوند که توسط ستاره‌شناسان دیده می‌شوند. اگرچه نوع تلاقی مورد بررسی در این مطالعه کمیاب است، لطیف، ولن و همکاران تخمین می‌زنند که اغلب به اندازه کافی برای توضیح مشاهدات رخ می‌دهد.
پریا ناتاراجان می‌گوید: «محیط جدید مملو از جریانهای سرد است که به صورت عددی در این مطالعه مورد بررسی قرار گرفته‌اند، بسیار هیجان‌انگیز است، زیرا به نظر می‌رسد مسیری طبیعی برای تشکیل دانه‌های سیاهچاله پرجرم فراهم می‌کند.»
اما او هشدار می‌دهد که این تنها سناریویی نیست که منجر به فروپاشی مستقیم می‌شود. ناتاراجانکه در مطالعه فعلی شرکت نداشت، سناریوی متفاوتی را در سال 2014 بررسی کرد و دریافت که یک خوشه ستاره‌ای متراکم می‌تواند به طور مشابه اجازه دهد تا فروپاشی مستقیم اتفاق بیفتد. نتیجه این است که مسیرهای متعددی برای تقویت سریع و ساختن دانه‌های سیاهچاله عظیم در محل و در اوایل جهان وجود دارد.
وی می‌افزاید که مشاهدات آتی تلسکوپ فضایی جیمز وب به تمایز بین سناریوهای مختلف دانه سیاهچاله کمک می‌کند. وب قادر نخواهد بود ستارگان بسیار پرجرم را تشخیص دهد، حتی اگر آنها میلیون‌ها بار درخشانتر از خورشید هستند، اما این امکان وجود دارد که بتواند دانه‌های سیاهچالهای را که هنوز در حال رشد هستند، زمانی شناسایی کند که جهان کمتر از 200 میلیون سال سن دارد.
مترجم : مرتضی نادری‌فرد
منبع:
WHERE DID THE FIRST QUASARS COME FROM?
BY: MONICA YOUNG JULY 7, 2022
https://skyandtelescope.org/astronomy-news/where-did-the-first-quasars-come-from/