چگونه سیاهچالههای پرجرم درست پس از انفجار بزرگ اینقدر سریع بزرگ شدند؟
چگونه سیاهچالههای پرجرم درست پس از انفجار بزرگ اینقدر سریع بزرگ شدند؟
مثل این است که خانواده‌ای را ببینید که در خیابان راه می‌روند و آنها دو نوجوان شش فوتی دارند، اما یک کودک نوپا با قد شش فوت نیز همراه خود دارند.
تصویر هنری از یک سیاهچاله بسیار پرجرم. (اعتبار تصویر: مارک گارلیک/کتابخانه عکس علمی/گتی ایماژ)
اکنون دانشمندان می‌دانند که سیاهچالههای پرجرم در قلب اکثر کهکشان‌ها نهفته‌اند (نه همه). جرم این تایتان‌های کیهانی میلیون‌ها و حتی بیلیونها برابر خورشید است، اما وقتی ابرسیاهچالههای پرجرم در کیهان محلی و در نتیجه در تاریخ کیهانی جدیدتر دیده می‌شوند، اندازه عظیم آن مشکلی ایجاد نمی‌کند.
با این حال، سیاهچالههای پرجرم زمانی که در کیهان اولیه دیده می‌شوند، تبدیل به یک مشکل می‌شوند و در حال حاضر جرمی معادل بیلیونها خورشید دارند. به این دلیل که باید مکانیزمی وجود داشته باشد که به ابرسیاهچالههای پرجرم اجازه دهد تا به سرعت جرم جمع کنند و به چنین اندازه‌های غول‌پیکری رشد کنند، با این حال همه مکانیسم‌های موجود برای این رشد نشان می‌دهند که این روند بسیار کند پیش می‌رود تا اجرام مانند این درست پس از انفجار بزرگ وجود داشته باشند.
جان ریگان، پژوهشگر دانشگاه جامعه در دانشگاه مینوت گفت: در طول دو دهه گذشته، ستاره‌شناسان ابرسیاهچالههای پرجرم را با همان جرم در جهان محلی و بنابراین جدیدتر – – بیلیونها برابر جرم خورشید – – – تقریبا 13 بیلیون سال پیش، کمتر از یک بیلیون سال پس از انفجار بزرگ، یافته‌اند.”
ریگان مشکل را با تشبیهی تا حدودی نگران کننده توصیف می‌کند. “مثل دیدن خانواده‌ای است که در خیابان راه می‌روند، و آنها دو نوجوان 6 فوتی دارند، اما یک کودک نوپا قد 6 فوتی نیز با خود دارند. فهمیدن این امر کمی مشکل است، چگونه کودک نوپا اینقدر رشد پیدا کرده است؟ و این برای ابرسیاهچالههای پرجرم در جهان هم همینطور است.
این موضوع در سال جاری زمانی پیچیده‌تر شد که تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) دورترین و قدیمی‌ترین ابرسیاهچاله پرجرم را کشف کرد. این سیاهچاله که در قلب کهکشان CEERS 1019 قرار دارد، جرمی 9 میلیون برابر خورشید دارد که آن را برای یک سیاهچاله بسیار پرجرم نسبتا کوچک می‌کند.
با این حال، حتی در این اندازه، وجود آن تنها 570 میلیون سال پس از انفجار بزرگ، نظریه‌های رشد سیاهچاله را به چالش می‌کشد و این سیاهچاله با جرم 9 میلیون خورشیدی تنها نبود. همان کمپین رصدی که این ابرسیاهچاله پرجرم را نشان داد، بررسی علم انتشار زودهنگام تکامل کیهانی (CEERS)، همچنین دو ابرسیاهچاله پرجرم دیگر را کشف کرد که هم 1 بیلیون سال و هم 1.1 بیلیون سال پس از انفجار بزرگ وجود داشتند.
شانتانو باسو، استاد دانشگاه کانادایی وسترن انتاریو، به Space.com گفت: «با هر کشف جدید، محدودیت‌ها بر روی ایده‌های موجود ما قوی‌تر می‌شوند. زمانی نگران بودیم که سیاهچالههای بزرگ 800 میلیون سال پس از انفجار بزرگ دیده شدند،. CEERS چالش را به شدت افزایش می‌دهد.»
این امر نشان می‌دهد که ابرسیاهچالههای پرجرم در دوران کودکی نسبی کیهان رایج هستند، نه کمیاب کیهانی، بنابراین فشار بیشتری بر جستجوی مکانیزمی برای توضیح چگونگی رسیدن به آنجا وارد می‌کنند.
سیاهچالهها چگونه رژیم غذایی خود را کنترل می‌کنند؟
با در نظر گرفتن سیاهچالههای اولیه که فرض می‌شود پس از انفجار بزرگ باقی مانده‌اند، سه دسته اصلی سیاهچالهها، سیاهچالههای جرم ستاره‌ای هستند که جرمی بین 5 تا 100 برابر خورشید دارند، سیاهچالههای با جرم متوسط با جرم بین 100 تا 10000 برابر خورشید و سیاهچالههای ابرپرجرم با جرمهای ذکر شده در بالا.
سیاهچاله های با جرم ستاره‌ای زمانی شکل می‌گیرند که پرجرم ترین ستارگان، با جرمی بین 30 تا 130 خورشیدی، سوخت لازم برای همجوشی هسته‌ای را تمام می‌کنند و دیگر نمی‌توانند خود را در برابر گرانش خود نگه دارند. همانطور که لایه‌های بیرونی این ستارگان در انفجارهای عظیم ابرنواختری منفجر می‌شوند، هسته‌ها فرو می‌ریزند تا سیاهچاله‌هایی با جرم ستاره ای ایجاد کنند – مناطقی از فضا با یک نقطه با چگالی بی‌نهایت به نام تکینگی در مرکز آن و یک مرز بیرونی به نام افق رویداد که نیروی گرانش آنقدر زیاد است که حتی نور هم نمی‌تواند از آن فرار کند.
ابرسیاهچاله های پرجرم باید به روشی متفاوت از سیاهچالههای جرم ستاره‌ای شکل بگیرند، زیرا غیرممکن است که یک ستاره به اندازه کافی بزرگ باشد که جرم اولیه برای رها کردن جرم را داشته باشد، زیرا از طریق رویدادهایی مانند ابرنواختر که با فروپاشی گرانشی همراه است، تکامل می‌یابد. ستاره اما همچنان هسته‌ای با جرم به اندازه کافی برای تبدیل شدن به یک سیاهچاله بسیار پرجرم پشت سر می‌گذارد.
سال‌هاست که ستاره‌شناسان بر این باور بودند که سیاهچالههای پرجرم می‌توانند زندگی خود را به‌عنوان «سیاهچالههای تکی» آغاز کنند که بسیار کوچک‌تر هستند. رشد ابتدا با تغذیه از مواد و سپس با ادغام با سیاهچالههای دیگر در هنگام برخورد کهکشان‌هایی که در آنها زندگی می‌کنند، همچنین گاز و غبار را برای این سیاهچالههای پرجرم نوظهور فراهم می‌کند.
رشد دانه‌های سیاهچاله با جرم ستاره‌ای می‌تواند زمانی اتفاق بیفتد که این دانه‌های کیهانی خود را در محاصره مقادیر زیادی ماده بیابند و حریصانه از این ماده لذت ببرند تا به سرعت به سیاهچالههای بزرگ تبدیل شوند.
جدول زمانی کیهان یافتن سیاهچالههای پرجرم بیلیونها سال پس از بیگ بنگ انتظار می‌رود، اما کشف آنها در زمان شکل‌گیری اولین ستاره‌ها شگفت انگیزتر است. (اعتبار تصویر: ESA)
با این حال، این فرآیند باید با چیزی به نام محدودیت ادینگتون متوقف شود. درخشندگی یا روشنایی یک سیاهچاله تغذیه کننده متناسب با سرعتی است که آنها در حال جمع آوری جرم هستند. هرچه یک سیاهچاله سریعتر ماده را مصرف کند، سریعتر رشد می‌کند و هر چه سریعتر رشد کند، تشعشعات الکترومغناطیسی بیشتری توسط محیط اطرافش منفجر می‌شود. اما اگر تشعشعات الکترومغناطیسی ساطع شده از اطراف سیاهچاله به شکل جت به اندازه کافی شدید باشد، از نظر فیزیکی مواد را دور می‌کند که به این معنی است که هرچه یک سیاهچاله سریعتر “غذا” را انجام دهد، احتمال اینکه منبع غذایی آن قطع شود و از بین برود، بیشتر می‌شود و در نتیجه این رشد متوقف می‌شود.
محدودیت ادینگتون به این معنی است که سیاهچالهها باید بیلیونها سال طول بکشد تا ماده کافی برای رسیدن به وضعیت سیاهچالههای بزرگ را جمع کنند. ریگان بخشی از تیمی از محققان است که چیزی به نام “ابر برافزایش ادینگتون” را بررسی کردند که می‌تواند دلیل رشد سریع ابرسیاهچالههای پرجرم در جهان اولیه باشد. او توضیح داد که چیز خاصی نیست، فقط یک نسخه سریعتر از تغذیه معمولی سیاهچاله است.
این امر منجر به “قسمت‌های” سریع تغذیه با موادی می‌شود که توسط جت‌هایی که تغذیه را متوقف می‌کنند و در نتیجه جت‌ها را قطع می‌کنند که به مواد اجازه می دهد تا به سیاهچاله برگردند و در نتیجه یک دوره جشن دیوانه‌وار دیگر ایجاد شود. با این حال، ریگان و همکارانش این توضیح را رضایت‌بخش نمی‌دانستند.
ریگان گفت: “اگر این چرخه تغذیه را در طول زمان به طور میانگین محاسبه کنید، در واقع کمتر از نرخ ادینگتون است.” “ممکن است برای یک یا دو چرخه مشکلی نداشته باشد، اما به طور کلی، با گذشت زمان، عالی نیست زیرا نمی‌تواند به طور مداوم ادامه پیدا کند. بنابراین ما متوجه نشدیم که این مکانیسم عالی برای توضیح واقعاً برای رشد ابرسیاهچاله پرجرم نیست..”
آیا سیاهچالهها می‌توانند به وضعیت فوق‌العاده میان‌بر بیایند؟
به گفته ریگان، احتمال دیگری که می‌تواند به توضیح رشد سریع ابرسیاهچالههای پرجرم کمک کند، این ایده است که دانه سیاهچاله‌ای که از آن رشد می کند، از نظر اندازه بزرگ است.
ریگان می‌گوید: «ما دانه‌های سبک و دانه‌های سنگین داریم، بنابراین سیاهچالههای پرجرم می‌توانند با جرم ۱۰۰ خورشیدی متولد شوند و تا ابرسیاهچالههای پرجرم رشد کنند، یا می‌توانند ۱۰۰ هزار جرم بیشتر از خورشید شروع کنند و از آنجا رشد کنند.» “اگر آنها بخواهند رشد کنند، یک سیاهچاله کوچک باید بسیار خوش شانس باشد و خود را در محیطی متراکم بیابد که در آن مقدار زیادی گاز در اطراف وجود دارد. اما این بسیار بعید است.
احتمال اینکه یک سیاهچاله کوچک خود را در محیطی بدون گاز بیابد بسیار، بسیار، بسیار بیشتر است. بنابراین بعید است که دانه‌های سیاهچاله کوچک رشد کنند.
دانه‌های سیاهچاله پرجرم همچنان باید وارد این محیط‌های متراکم شوند، اما حداقل در دانه‌های کوچک‌تر پیش قدم می‌شوند. با بازگشت به قیاس نوزاد شش فوتی، ریگان توضیح می‌دهد که اگر این کودک با قد یک نوزاد متوسط متولد شده باشد، توضیح آن سخت‌تر است. اما، اگر این نوزاد متولد شده باشد و از قبل سه فوت طول داشته باشد، تبدیل شدن آن به یک کودک نوپا با قد شش فوت چندان دشوار نیست.
تصویر سیاهچاله پرجرم تغذیه کننده را نشان می‌دهد. چگونه نمونه‌های اولیه این اجسام به این زودی پس از انفجار بزرگ اینقدر بزرگ شدند؟ (اعتبار تصویر: NRAO/AUI/NSF، S. Dagnello)
مشکل بررسی این موضوع این است که، برخلاف کودکان نوپا، سیاهچالهها فاقد هر گونه ویژگی فراتر از جرم، تکانه زاویه ای (اسپین) و بار الکتریکی خود هستند. دانشمندان این قضیه را “قضیه بدون مو” می‌نامند و به این معنی است که سیاهچالهها به طرز فریبنده‌ای ساده هستند و اطلاعاتی در مورد تاریخچه یا تکامل خود ندارند.
او ادامه داد: “اگر سیاهچاله‌ای در باغ خود پیدا کردید، نمی‌توانید با نگاه کردن به آن متوجه شوید که آیا دیروز، یک دقیقه پیش یا یک بیلیون سال پیش به آنجا رسیده است. تاریخچه‌ای ندارد، اثر انگشتی وجود ندارد. ” بنابراین وقتی سیاهچالهها را امروز یا ۱۳ بیلیون سال پیش نگاه می‌کنیم، نمی‌دانیم چه سنی دارد، بنابراین نمی‌دانیم چقدر توانسته رشد کند.»
باسو افزود که مشاهده فرآیند تغذیه که سیاهچالهها را در کیهان اولیه حجیم می‌کند، امکان‌پذیر نبوده است، زیرا این امر بسیار دور از ما اتفاق می‌افتد، اما تشخیص تغذیه سیاهچالههای بزرگ ممکن است در آینده امکان‌پذیر باشد. ستارگان فرضی بسیار پرجرم در کیهان اولیه بسیار درخشان خواهند بود، شاید ده بیلیون برابر خورشید ما درخشنده باشند. این امکان وجود دارد که تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) یا اقلیدس بتوانند چنین اجرامی را در صورتی که تا چند ساعت وجود داشته باشند، صد میلیون سال پس از انفجار بزرگ شناسایی کنند.”
علی‌رغم این مسائل، ریگان مطمئن است که با بررسی سیاهچالهها در کیهان اولیه و بالقوه کشف دانه‌های سنگین، دانشمندان به زودی قادر خواهند بود تصویری از رشد سیاهچالههای بزرگ بسازند. او به طور خاص به پرتاب (LISA)، یک آشکارساز امواج گرانشی مبتنی بر فضا اشاره کرد که به دانشمندان کمک می‌کند تا جمعیت‌شناسی سیاهچالهها را در کیهان اولیه محدود کنند.
ترجمه: سارا سیدحاتمی
منبع:
How did supermassive black holes get so big so fast just after the Big Bang?
By Robert Lea
https://www.space.com/supermassive-black-hole-growth-after-big-bang