كيف كانت الثقوب السوداء الهائلة تتشكل بالفعل وتطلق نفاثات قوية بعد وقت قصير من الانفجار العظيم؟
في العقود القليلة الماضية ، تمكن علماء الفلك من النظر بعيدًا في الكون (والعودة بالزمن أيضًا) ، تقريبًا إلى بدايات الكون. وبذلك ، فقد تعلموا الكثير عن بعض أقدم المجرات في الكون وتطورها اللاحق. ومع ذلك ، لا تزال هناك بعض الأشياء التي لا تزال محظورة ، كما هو الحال عند المجرات الثقوب السوداء الهائلة (SMBHs) والطائرات الضخمة ظهرت لأول مرة.
وفقا للدراسات الحديثة من المدرسة الدولية للدراسات المتقدمة (SISSA) وفريق من علماء الفلك من اليابان وتايوان يقدمون رؤية جديدة حول كيفية تشكل الثقوب السوداء الهائلة بعد 800 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم ، والطائرات النسبية بعد أقل من ملياري سنة. هذه النتائج جزء من حالة متنامية تُظهر كيف تشكلت الأجسام الضخمة في كوننا في وقت أقرب مما كنا نظن.
يعرف علماء الفلك عن SMBHs لأكثر من نصف قرن. بمرور الوقت ، أدركوا أن معظم المجرات الضخمة (بما في ذلك مجرة درب التبانة) لديها هذه المجرات في قلبها. كان الدور الذي يلعبونه في تطور المجرات أيضًا موضوعًا للدراسة ، حيث خلص علماء الفلك الحديثون إلى أنهم مرتبطون ارتباطًا مباشرًا بمعدل تشكل النجوم في المجرات.
وبالمثل ، وجد علماء الفلك أن SMBHs لديها أقراص تراكم محكمة حولها حيث يتم تسريع الغاز والغبار ليقترب من سرعة الضوء. هذا يجعل مركز بعض المجرات ساطعًا جدًا - ما يُعرف باسم نوى المجرة النشطة (AGNs) - أنها تتفوق على النجوم في أقراصها. في بعض الحالات ، تؤدي أقراص التراكم هذه أيضًا إلى نفاثات من المواد الساخنة التي يمكن رؤيتها من على بعد بلايين السنين الضوئية.
وفقًا للنماذج التقليدية ، لم يكن لدى المجرات الوقت الكافي لتطوير ثقوب سوداء مركزية عندما كان عمر الكون أقل من مليار سنة (قبل 13 مليار سنة تقريبًا). ومع ذلك ، فقد أظهرت الملاحظات الأخيرة أن الثقوب السوداء كانت تتشكل بالفعل في مركز المجرات في ذلك الوقت. لمعالجة هذا الأمر ، اقترح فريق من العلماء من SISSA نموذجًا جديدًا يقدم تفسيراً محتملاً.
لدراستهم التي قادها Lumen Boco - دكتوراه. طالب من معهد الفيزياء الأساسية للكون (IFPU) - بدأ الفريق بحقيقة معروفة أن SMBHs تنمو في المناطق الوسطى من المجرات المبكرة. هذه الأجسام ، أسلاف المجرات الإهليلجية اليوم ، كان لديها تركيز عالٍ جدًا من الغاز ومعدل شديد للغاية لتكوين النجوم الجديدة.
كانت الأجيال الأولى من النجوم في هذه المجرات قصيرة العمر وتطورت بسرعة إلى ثقوب سوداء كانت صغيرة نسبيًا ، لكنها ذات عدد كبير. أدى الغاز الكثيف الذي أحاط بهم إلى احتكاك ديناميكي كبير وجعلهم يهاجرون بسرعة إلى مركز المجرة. هذا هو المكان الذي اندمجوا فيه لإنشاء بذور الثقوب السوداء الهائلة - والتي نمت ببطء بمرور الوقت.
انطباع الفنان عن مسار النجم S2 وهو يمر بالقرب من الثقب الأسود الهائل في مركز مجرة درب التبانة. الائتمان: ESO / M. كورنميسر
كما أوضح فريق البحث في SISS مؤخرًا خبر صحفى :
'وفقًا للنظريات الكلاسيكية ، ينمو ثقب أسود هائل في مركز مجرة يلتقط المادة المحيطة ، خاصة الغاز ،' ينموها 'على نفسها ، ثم يلتهمها في النهاية بإيقاع يتناسب مع كتلتها. لهذا السبب ، خلال المراحل الأولى من تطوره ، عندما تكون كتلة الثقب الأسود صغيرة ، يكون النمو بطيئًا للغاية. إلى الحد الذي ، وفقًا للحسابات ، للوصول إلى الكتلة المرصودة ، والتي تبلغ بلايين المرات من كتلة الشمس ، ستكون هناك حاجة إلى وقت طويل جدًا ، حتى أكبر من عمر الكون اليافع '.
ومع ذلك ، أظهر النموذج الرياضي الأصلي الذي طوروه أن عملية تكوين الثقوب السوداء المركزية يمكن أن تكون سريعة جدًا في مراحلها الأولية. لا يقدم هذا تفسيرًا لوجود بذور SMBH في بدايات الكون فحسب ، بل يوفق أيضًا بين توقيت نموها والعمر المعروف للكون.
باختصار ، أظهرت دراستهم أن عملية الهجرة واندماج الثقوب السوداء المبكرة يمكن أن تؤدي إلى تكوين بذرة SMBH من 10000 إلى 100000 كتلة شمسية في 50-100 مليون سنة فقط. كفريق شرح :
'إن نمو الثقب الأسود المركزي وفقًا للتراكم المباشر المذكور أعلاه للغاز ، الذي تصوره النظرية القياسية ، سيصبح سريعًا للغاية ، لأن كمية الغاز التي سينجح في اجتذابها وامتصاصها ستصبح هائلة وستكون سائدة على العملية التي نقترحها. ومع ذلك ، فإن حقيقة البدء من بذرة كبيرة كما تتصورها آليتنا تسرع من النمو العالمي للثقب الأسود الهائل وتسمح بتكوينه ، أيضًا في الكون الصغير. باختصار ، في ضوء هذه النظرية ، يمكننا القول أنه بعد 800 مليون سنة من الانفجار العظيم ، يمكن للثقوب السوداء الهائلة أن تملأ الكون بالفعل '.
بالإضافة إلى اقتراح نموذج عمل لبذور SMBH التي تمت ملاحظتها ، اقترح الفريق أيضًا طريقة لاختبارها. من ناحية أخرى ، هناك موجات الجاذبية التي قد تسببها هذه الاندماجات ، والتي يمكن تحديدها باستخدام كاشفات موجات الجاذبية مثل متقدم ليجو / برج العذراء وتتميز بالمستقبل تلسكوب اينشتاين .
بالإضافة إلى ذلك ، فإن مراحل التطوير اللاحقة لـ SMBHs شيء يمكن التحقيق فيه من قبل بعثات مثل ESA هوائي الفضاء مقياس التداخل بالليزر (LISA) ، والتي من المتوقع إطلاقها بحلول عام 2034 تقريبًا. وفي سياق مماثل ، استخدم فريق آخر من علماء الفلك مؤخرًا مجموعة أتاكاما كبيرة المليمتر / المتر (ALMA) لمعالجة لغز آخر حول المجرات ، وهذا هو السبب في أن بعضها يمتلك طائرات والبعض الآخر لا يمتلكها.
وقد لوحظت هذه التيارات سريعة الحركة من المادة المتأينة ، والتي تنتقل بسرعات نسبية (جزء من سرعة الضوء) ، وهي تنبع من مركز بعض المجرات. تم ربط هذه النفاثات بمعدل تشكل النجوم في المجرة بسبب الطريقة التي تطرد بها المادة التي كانت ستنهار لتكوين نجوم جديدة. بعبارة أخرى ، تلعب هذه النفاثات دورًا في تطور المجرات ، تمامًا مثل SMBHs.
لهذا السبب ، سعى علماء الفلك إلى معرفة المزيد حول كيفية تفاعل نفاثات الثقب الأسود والغيوم الغازية بمرور الوقت. لسوء الحظ ، كان من الصعب ملاحظة هذه الأنواع من التفاعلات خلال بدايات الكون. باستخدام مجموعة أتاكاما كبيرة المليمتر / المتر (ALMA) ، تمكن فريق من علماء الفلك من الحصول على أول صورة تم حلها للغيوم الغازية المضطربة القادمة من كوازار بعيد جدًا.
صور أعيد بناؤها لـ MG J0414 + 0534 ، تُظهر الانبعاثات من الغبار والغازات المؤينة حول الكوازار (الأحمر) وغاز أول أكسيد الكربون (الأخضر) ، والتي لها هيكل ثنائي القطب على طول النفاثات. الائتمان: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) ، K. T. Inoue et al.
الدراسة التي تصف النتائج التي توصلوا إليها ، بقيادة البروفيسور كيكي تارو إينو من جامعة كينداي ، ظهرت مؤخرًا في رسائل مجلة الفيزياء الفلكية .كما أوضح Inoue وزملاؤه ، كشفت بيانات ALMA عن نفاثات صغيرة ثنائية القطب تنبعث من MG J0414 + 0534 ، وهو كوازار يقع على بعد حوالي 11 مليار سنة ضوئية من الأرض. تظهر هذه النتائج أن المجرات التي تحتوي على SMBHs وطائرات نفاثة كانت موجودة عندما كان عمر الانفجار العظيم أقل من 3 مليارات سنة.
بالإضافة إلى ALMA ، اعتمد الفريق على تقنية معروفة باسم عدسة الجاذبية ، حيث تعمل جاذبية المجرة المتداخلة على تضخيم الضوء القادم من جسم بعيد. بفضل هذا 'التلسكوب الكوني' والدقة العالية لـ ALMA ، تمكن الفريق من مراقبة السحب الغازية المضطربة حول MG J0414 + 0534 وتحديد أنها نتجت عن نفاثات صغيرة انبثقت من SMBH في مركز المجرة.
كما أوضح كويشيرو ناكانيشي ، الأستاذ المشارك في المشروع في المرصد الفلكي الوطني لليابان / سوكينداي ، في ALMA خبر صحفى :
'بدمج هذا التلسكوب الكوني وأرصاد ALMA عالية الدقة ، حصلنا على رؤية حادة بشكل استثنائي ، أفضل 9000 مرة من البصر البشري. بفضل هذه الدقة العالية للغاية ، تمكنا من الحصول على توزيع وحركة السحب الغازية حول النفاثات المقذوفة من ثقب أسود فائق الكتلة '.
وأظهرت هذه الملاحظات أيضًا أن الغاز قد تأثر حيث اتبع اتجاه الطائرات ، مما تسبب في تحرك الجسيمات بعنف وتسريعها إلى سرعات تصل إلى 600 كم / ثانية (370 ميل في الثانية). علاوة على ذلك ، كانت هذه السحب الغازية المتأثرة والطائرات نفسها أصغر بكثير من حجم مجرة نموذجية في هذا العصر.
انطباع الفنان عن MG J0414 + 0534 ، والذي يُظهر النفاثات القوية التي تزعج الغاز المحيط في المجرة المضيفة. الائتمان: جامعة كينداي
من هذا المنطلق ، خلص الفريق إلى أنهم كانوا يشهدون مرحلة مبكرة جدًا من تطور الطائرات في مجرة MG J0414 + 0534. إذا كانت هذه الملاحظات صحيحة ، فقد سمحت للفريق بمشاهدة عملية تطورية رئيسية في المجرات خلال بداية الكون. مثل Inoue تلخيص :
MG J0414 + 0534 مثال ممتاز بسبب شباب الطائرات. لقد وجدنا دليلًا واضحًا على وجود تفاعل كبير بين النفاثات والسحب الغازية حتى في المرحلة التطورية المبكرة جدًا للنفاثات. أعتقد أن اكتشافنا سيمهد الطريق لفهم أفضل للعملية التطورية للمجرات في بدايات الكون '.
تُظهر هذه الدراسات معًا أن اثنتين من أقوى الظواهر الفلكية في الكون ظهرت في وقت أبكر مما كان متوقعًا. يوفر هذا الاكتشاف أيضًا لعلماء الفلك فرصة لاستكشاف كيفية تطور هذه الظواهر بمرور الوقت ، والدور الذي لعبته في تطور الكون.
قراءة متعمقة: SISSA و روح و مجلة الفيزياء الفلكية و رسائل مجلة الفيزياء الفلكية