تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) سیاهچاله ای با جرمی حدود 50 میلیون برابر جرم خورشید را در کهکشانی تقریبا بدون ستاره شناسایی کرده است؛ کشفی که اخترشناسان را وادار می کند درک خود از منشأ سیاه چاله ها را بازنگری کنند.

به گزارش ایسنا، وقتی اخترشناسان به اعماق کیهان اولیه می نگرند، انتظار ندارند با اجرام کیهانی کاملا شکل گرفته روبه رو شوند، بلکه معمولا به دنبال کهکشان های کوچک، ستاره های جوان و سیاه چاله هایی هستند که هنوز در حال رشدند.

به نقل از آی ای، با این حال، مشاهدات اخیر با تلسکوپ فضایی جیمز وب چیزی کاملا غیرمنتظره را آشکار کرده است: یک سیاه چاله غول پیکر که تقریبا به تنهایی وجود دارد و تنها تعداد بسیار اندکی ستاره در اطراف آن دیده می شود.

این جرم در کهکشانی به نام Abell 2744-QSO1 مشاهده شده است. این کهکشان تنها حدود 700 میلیون سال پس از مه بانگ وجود داشته و سیاه چاله مرکزی آن در همان زمان جرمی در حدود 50 میلیون برابر جرم خورشید داشته است.

وجود چنین جرمی، تصورهای بنیادین درباره چگونگی تولد سیاه چاله ها را به چالش می کشد و این احتمال جالب را مطرح می کند که برخی سیاه چاله ها ممکن است حتی پیش از شکل گیری ستاره ها پدید آمده باشند.

در اخترفیزیک استاندارد، سیاه چاله ها و ستاره ها ارتباط نزدیکی با یکدیگر دارند. ستاره ها از فروپاشی ابرهای گازی شکل می گیرند و تنها بسیار دیرتر، زمانی که بزرگ ترین ستاره ها سوخت خود را تمام می کنند، سیاه چاله ها پدید می آیند.

با گذشت زمان، این سیاه چاله ها با بلعیدن گاز و ادغام با سیاه چاله های دیگر رشد می کنند. این فرایند زمان بر است و به همین دلیل اخترشناسان توضیح دادن ظهور سیاه چاله های بسیار پرجرم در آغاز تاریخ کیهان را دشوار می دانند.

کهکشان میزبان، QSO1، این مشکل را حتی پیچیده تر می کند. این کهکشان جرم ستاره ای بسیار کمی دارد، به این معنا که تعداد ستاره های آن برای توضیح وجود چنین سیاه چاله عظیمی کافی نیست.

به گفته نویسندگان مطالعه، این وضعیت یک تناقض اساسی ایجاد می کند: به نظر می رسد سیاه چاله بدون آن که ابتدا یک کهکشان معمولی در اطراف خود بسازد، به جرمی بسیار زیاد رسیده است.

برای بررسی این معما، پژوهشگران به سراغ ایده ای رفتند که دهه ها پیش مطرح شده، اما هرگز تایید نشده بود: سیاه چاله های نخستین. این اجرام فرضی در دهه 1970 توسط استیون هاوکینگ و برنارد کار پیشنهاد شدند.

برخلاف سیاه چاله هایی که از مرگ ستاره ها شکل می گیرند، سیاه چاله های نخستین می توانستند مستقیما از نوسانات شدید چگالی در کیهان، اندکی پس از مه بانگ به وجود آمده باشند. بیشتر این سیاه چاله ها، اگر شکل گرفته باشند، باید بسیار کوچک و کوتاه عمر بوده باشند.

با این حال، محققان بررسی کردند که آیا تعداد اندکی از آن ها می توانسته اند تحت شرایط مناسب زنده بمانند و سپس به سرعت رشد کنند یا خیر. آن ها شبیه سازی های جدید و پیشرفته تری ساختند که رفتار گاز پیرامون یک سیاه چاله نخستین اولیه، شکل گیری بعدی ستاره ها در نزدیکی آن و تغذیه سیاه چاله از مواد ناشی از مرگ ستاره ها را دنبال می کرد.

در این شبیه سازی ها، پژوهشگران کار را با یک بذر سیاه چاله نخستینِ بسیار پرجرم، با جرمی در حدود 50 میلیون برابر خورشید، آغاز کردند و سپس بررسی کردند که گاز چگونه به درون آن جریان می یابد، ستاره ها چگونه در اطراف آن شکل می گیرند و انفجارهای ستاره ای چگونه مواد را دوباره به سیاه چاله در حال رشد بازمی گردانند.

برخلاف مدل های ساده تر پیشین، این شبیه سازی ها چندین فرایندِ درهم تنیده را به طور هم زمان در نظر گرفتند. هنگامی که گروه محققان نتایج را با داده های واقعی جیمز وب مقایسه کرد، تطابق نزدیکی مشاهده شد؛ نه تنها از نظر جرم نهایی سیاه چاله، بلکه از نظر تعداد اندک ستاره ها و عناصر شیمیایی شناسایی شده در اطراف آن.

این یافته ها ثابت نمی کنند که سیاه چاله QSO1 حتما از نوع سیاه چاله نخستین بوده است، اما نشان می دهند که چنین منشأیی با مشاهدات سازگار است. به گفته پژوهشگران، این موضوع امیدوارکننده است، زیرا مدل های استاندارد در توضیح این جرم با مشکلات جدی روبه رو هستند.

در ادامه، آن ها قصد دارند شبیه سازی های خود را دقیق تر کنند و نتایج را با کشفیات آینده جیمزوب مقایسه کنند. اگر کهکشان های بیشتری شبیه QSO1 پیدا شوند، ممکن است شواهد مهمی را ارائه دهند که نشان دهد برخی از بزرگ ترین سیاه چاله های جهان نه محصول نهایی مرگ ستاره ها، بلکه متولد نخستین لحظات کیهان بوده اند.

با این حال، چالش هایی همچنان باقی است. برای مثال، شبیه سازی های معمول سیاه چاله های نخستین به ندرت اجرامی بزرگ تر از یک میلیون برابر جرم خورشید تولید می کنند.

این بدان معناست که تحت فرضیات رایج، سیاه چاله های نخستین به سختی می توانند آن قدر سریع رشد کنند که چنین جرم افراطی را توضیح دهند.

یکی از راه های احتمالی برای حل این مشکل آن است که سیاه چاله های نخستین ممکن است در خوشه های متراکم در کیهان اولیه شکل گرفته باشند و بتوانند با یکدیگر ادغام شوند و بسیار سریع تر جرم بگیرند، اما این فرایند همچنان نامطمئن است و مدل سازی آن دشوار باقی مانده است.

یک مسئله حل نشده دیگر این است که شکل گیری سیاه چاله های نخستین ممکن است نیازمند انفجارهای شدید تابش پرانرژی باشد، اما تاکنون هیچ منبعی از این نوع در نزدیکی کهکشان QSO1 شناسایی نشده است.