تعداد سیاه‌چاله‌ها در جهان آغازین بیشتر از حد تصور بوده است
سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم از چشمگیرترین و البته ترسناک‌ترین اجرام جهان هستند که معمولا درحدود یک میلیارد خورشید جرم دارند و می‌دانیم که مدت زیادی از عمرشان می‌گذرد. درواقع، ستاره‌شناس‌ها منابع فشرده و بسیار درخشان واقع در مرکز کهکشان‌ها به نام اختروش (سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم به‌سرعت درحال رشد) را درست زمانی که جهان فقط یک میلیارد سال سن داشت، شناسایی کرده‌اند.
اکنون پژوهشی جدید که در مجله‌ی استروفیزیکال ژورنال لترز منتشر شده است، از رصدهای تلسکوپ فضایی هابل استفاده کرده تا نشان دهد که تعداد سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در جهان آغازین بسیار بیشتر از تخمین‌های پیشین بوده است. این یافته می‌تواند به درک چگونگی شکل‌گیری سیاه‌چاله‌ها کمک کند و نشان دهد چرا تعداد زیادی از آن‌ها ظاهرا پرجرم‌تر از حد انتظار هستند.
سیاه‌چاله‌ها با بلعیدن مواد اطراف خود در فرآیندی موسوم به برافزایش رشد می‌کنند. این فرآین مقادیر عظیمی از تابش‌ها را به‌وجود می‌آورد و فشار این تابش‌ها، محدودیتی بنیادی را برای سرعت رشد سیاه‌چاله‌ها ایجاد می‌کند.
بنابراین دانشمندان با یک چالش در توجیه اختروش‌های سنگین و آغازین روبه‌رو شدند: بدون زمان کیهانی لازم برای تغذیه، آن سیاه‌چاله‌های آغازین باید سریع‌تر از حد ممکن رشد کرده باشند یا به‌طرز شگفت‌انگیز از همان ابتدا با جرم بالایی متولد شده باشند.
بذرهای سبک و سنگین
اما اصلا سیاه‌چاله چگونه شکل می‌گیرد؟ برای تولید این اجرام احتمال‌های متعددی وجود دارد. در سناریوی اول، سیاه‌چاله‌های آغازین بلافاصله پس از بیگ‌بنگ شکل گرفته‌اند. با اینکه این سناریو برای سیاه‌چاله‌هایی با جرم اندک محتمل‌تر است، براساس مدل استاندارد کیهانی ممکن نیست که تعداد درخورتوجهی از سیاه‌چاله‌های کلان جرم شکل گرفته باشند.
علاوه‌براین، به‌لطف شناسایی امواج گرانشی می‌دانیم که سیاه‌چاله‌ها قطعا می‌توانند در مراحل پایانی زندگی کوتاه برخی از ستاره‌های کلان‌جرم معمولی شکل بگیرند. چنین سیاه‌چاله‌هایی در صورتی که در خوشه‌های ستاره‌ای متراکم شکل بگیرند که احتمال ادغام ستاره‌ها و سیاه‌چاله‌ها در آن‌ها وجود دارد، می‌توانند با سرعت بیشتری رشد کنند.
براساس سناریویی دیگر سیاه‌چاله‌ها ممکن است از بذرهای سنگین با جرم‌های تقریبا هزار برابر بیشتر از ستاره‌های کلان‌جرم شناخته‌شده، شکل گرفته باشند. چنین مکانیزمی فروپاشی مستقیم نامیده می‌شود که در آن، ساختارهای اولیه‌ی ماده‌ی نامرئی و ناشناخته‌ی جهان به نام ماده تاریک، ابرهای گازی را محدود می‌کنند و درمقابل، تابش پس‌زمینه مانع از شکل‌گیری ستاره در این ابرها می‌شود. درنتیجه به‌جای تشکیل ستاره، سیاه‌چاله به‌وجود می‌آید.
مشکل اینجاست که تنها بخش کوچکی از هاله‌های ماده‌ی تاریک به اندازه کافی بزرگ می‌شوند تا بذرهای سیاه‌چاله‌ای را شکل دهد. در نتیجه این سناریو تنها در صورتی توجیه‌پذیر است که سیاه‌چاله‌های آغازین کمیاب باشند.
تعداد زیاد سیاه‌چاله‌ها
برای سال‌ها تصویری خوب از تعداد کهکشان‌های موجود در چند میلیارد سال آغازین کیهان داشتیم؛ اما یافتن سیاه‌چاله در چنین محیطی‌هایی بسیار چالش‌برانگیز بود و فقط وجود اختروش‌های نورانی را می‌شد اثبات کرد.
گرچه سیاه‌چاله‌ها با بلعیدن مواد اطرافشان رشد می‌کنند، این اتفاق با سرعت ثابتی رخ نمی‌دهد، برای مثال ممکن است آن‌ها تغذیه‌ی خود را به چند وعده تقسیم کنند که باعث تغییر در درخشش آن‌ها به مرور زمان می‌شود. پژوهشگرها تغییر درخشش برخی از کهکشان‌های آغازین را در یک بازه‌ی ۱۵ ساله مورد بررسی قرار دادند و از این تغییرات برای رسیدن به توافقی جدید درباره‌ی تعداد سیاه‌چاله‌ها استفاده کردند.
براساس یافته‌ها تعداد سیاه‌چاله‌های ساکن در کهکشان‌های معمولی آغازین بسیار بیشتر از تصورات پیشین است. دیگر پژوهش‌های جدید با تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) هم به نتایج مشابهی رسیده‌اند. به طور کلی تعداد سیاه‌چاله‌هایی که بر اثر فروپاشی مستقیم شکل گرفته‌اند، بیشتر از تخمین‌های پیشین است.
- دانشمندان احتمالا معمای سیاه‌چاله‌های گمشده جهان را حل کرده‌اند20 خرداد 03مطالعه '3
- دانشمندان قدیمی‌ترین سیاه‌چاله کلان‌جرم جهان را کشف کردند18 آبان 02مطالعه '3
روش عجیب‌تری برای شکل‌گیری سیاه‌چاله‌ها وجود دارد که می‌تواند باعث تولید بذرهای کلان‌جرم و در عین‌حال فراوان شود. ستاره‌ها براثر انقباض گرانشی ابرهای گازی شکل می‌گیرند. اگر تعداد قابل توجهی از ذرات ماده‌ی تاریک در طول فاز انقباض به دام بیفتند، ساختار داخلی ستاره به طور کامل تغییر می‌کند و از همجوشی هسته‌ای جلوگیری می‌شود.
بنابراین رشد ستاره می‌تواند به مدتی طولانی‌تر از حیات رایج یک ستاره‌ی معمولی ادامه یابد و به‌این‌ترتیب جرم آن افزایش می‌یابد. با این‌حال، درست مانند ستاره‌های معمولی و اجرام ناشی از فروپاشی مستقیم، هیچ چیز نمی‌تواند در برابر نیروی عظیم گرانش مقاومت کند؛ بدین معنی که این «ستاره‌های تاریک» در نهایت فرومی‌پاشند و سیاه‌چاله‌های عظیم را تشکیل می‌دهند.
پژوهشگران اکنون باور دارند که فرآیندهای مشابه این‌چنینی برای شکل‌گیری تعداد زیادی از سیاه‌چاله‌های مشاهده‌شده در جهان نوزاد، اتفاق می‌افتند.
برنامه‌های آینده
مطالعات مربوط به تشکیل سیاه‌چاله‌های آغازین در دو سال گذشته دچار تغییر و تحول شده است؛ اما پژوهش‌ها هنوز در ابتدای مسیر به‌سر می‌برد.
رصدخانه‌های فضایی جدید مثل تلسکوپ اقلیدس یا تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن، سرشماری تعداد بیشتری از اختروش‌های کم‌نور جهان آغازین را امکان‌پذیر می‌کنند. مأموریت نیوآتنا و آرایه‌ی کیلومتر مربعی در استرالیا و آفریقای جنوبی نیز درک ما از بسیاری از فرآیندهای اطراف سیاه‌چاله‌ها در دوران اولیه‌ی جهان را متحول خواهند کرد.
بااین‌حال در کوتاه‌مدت صرفا می‌توانیم به تلسکوپ جیمز وب تکیه کنیم. این ابزار شگفت‌انگیز با حساسیت بالایش برای تصویربرداری و نظارت و قابلیت‌های طیف‌سنجی برای رصد فعالیت‌های بسیار ضعیف از سیاه‌چاله‌ها، می‌تواند در پنج سال آینده شمار سیاه‌چاله‌های موجود در اولین کهکشان‌های جهان را مشخص کند.
حتی ممکن است با شناسایی انفجارهای مرتبط با فروپاشی اولین ستارگان جهان، شکل‌گیری سیاه‌چاله‌ها را در عمل مشاده کنیم. مدل‌ها می‌گویند این کار امکان‌پذیر است، اما به تلاش هماهنگ و مستمر ستاره‌شناس‌ها نیاز دارد.
نظرات