6 دقیقه
شناسایی دورترین سیاهچاله ابرپرجرم تایید شده
گروهی از اخترشناسان موفق شدهاند دورترین و قدیمیترین سیاهچاله ابرپرجرم کشفشده تا کنون را شناسایی و تایید کنند. این سیاهچاله در قلب کهکشانی کوچک و سرخ با نام CAPERS-LRD-z9 نهفته است. بر اساس داده‌ها، جرم این سیاهچاله مرکزی زمانی که کیهان فقط پانصد میلیون سال سن داشت — یعنی تقریباً سه درصد سن امروزی جهان — حدود ۳۰۰ میلیون برابر جرم خورشید بود. این یافته مرزهای رصدی موجود درباره سیاهچالههای غول‌آسا را تا سپیده‌دم کیهان به پیش می‌برد و برای جمعیت اسرارآمیز اجرامی که اخیراً توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) شناسایی شد، توجیهی فیزیکی ارائه می‌کند.
در مرکز CAPERS-LRD-z9 یک هسته کهکشانی فعال (AGN) قرار دارد؛ یعنی سیاه‌چاله‌ای که با سرعت زیاد مشغول بلع گاز نیست و تشعشعات شدیدی تولید می‌کند. به‌دلیل احاطه شدن ناحیه فعالی بر گرد سیاهچاله توسط غبار و گاز داغ، این کهکشان در تصاویر فروسرخ JWST بسیار سرخ دیده می‌شود؛ درست مانند نقاط سرخ کوچکی (LRD) که از ابتدای مطالعات این تلسکوپ، نظر دانشمندان را به خود جلب کرده بود.
تأیید طیفنگاری، سرعت گازها و شواهد قاطع
تحلیل طیفنگاری نقش کلیدی در تأیید این کشف داشت. با تجزیه نور دریافتی به طیف، اخترشناسان موفق شدند تغییر انتقال دوپلر خطوط گسیل گازها در نزدیکی مرکز کهکشان را اندازه بگیرند. سرعت حرکت این گازها تقریباً ۳۰۰۰ کیلومتر در ثانیه، معادل یک درصد از سرعت نور است؛ که تنها نیروی گرانش عظیم یک سیاهچاله ابرپرجرم میتواند چنین شتاب‌هایی ایجاد کند. این الگوهای پهن و سریع خطوط طیفی گسیل به سادگی توسط هیچ پدیده دیگری بازتولید نمی‌شوند و طیفنگاری را به ابزار قاطع برای شناسایی AGNها در آغاز عالم تبدیل می‌کند.
آنتونی تیلور، سرپرست پژوهش و اخترفیزیکدان دانشگاه تگزاس در آستین، تاکید می‌کند که امضای طیفی مشاهده شده بسیار منحصربه‌فرد است و این تأیید در مرز عملی رصدهای امروزی جست‌وجو برای سیاهچالههای پرسرعت واقع شده‌است. حساسیت زیاد JWST به امواج مادون قرمز در این پژوهش حیاتی بود؛ زیرا نور بازمانده از سپیده‌دم کیهان بر اثر انبساط عالم به طول موج‌های فروسرخ منتقل شده است و بدین‌ترتیب JWST قادر به رصد و تحلیل اجرامی می‌شود که ابزارهای پیشین از دیدنشان عاجز بودند.
نقاط سرخ کوچک، نسبت جرم‌ها و پیامدها برای رشد کهکشان‌های اولیه
نقاط سرخ کوچک (LRDها) در پی عکس‌برداری‌های عمیق JWST شناخته شدند: منابعی بسیار فشرده، درخشان و فوق‌العاده سرخ که در دوران تقریباً ۶۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ ظاهر می‌شوند و تا حدود یک میلیارد سالگی جهان، تدریجاً از منظر پنهان می‌مانند. شواهد طیفنگاری که نشان میدهد CAPERS-LRD-z9 میزبان یک AGN نیرومند است، فرضیه غلبه سیاهچالههای حجیم و غبارآلود را در بسیاری از این نقاط تایید می‌کند.
جرم تخمین‌زده‌شده سیاهچاله مرکزی این کهکشان، هم از نظر ارزش مطلق و هم نسبت به جرم ستاره‌ای میزبان، شگفت‌انگیز است. با جرمی معادل ۳۰۰ میلیون خورشید، این سیاهچاله شاید تا نیمی از جرم کل ستاره‌های کهکشان را تشکیل دهد؛ در حالی که اغلب سیاهچالههای ابرپرجرم کنونی کمتر از یک دهم درصد جرم ستاره‌ای میزبان خود را دارند. چنین نسبت غیرعادی‌ای میتواند نشانه آن باشد که کهکشان‌های آغازین، فرایند تکاملی متفاوتی طی کرده‌اند و رشد سیاهچالهها دست‌کم موقتاً بر تشکیل ستارهها پیشی گرفته است.
CAPERS-LRD-z9 همچنین بسیار متراکم و کوچک است؛ چرا که حتی با رزولوشن بالای JWST، این کهکشان همچنان وضوح کافی برای تفکیک ندارد و قطر آن بیش از ۱۱۴۰ سال نوری تخمین زده نمی‌شود؛ یعنی در محدوده اندازه کهکشان‌های کوتوله قرار می‌گیرد و نه مارپیچی‌های بالغ.
پدیدآمدن یک سیاهچاله بسیار حجیم در چنین اوایل تاریخ عالم چگونه امکان‌پذیر است؟
دانشمندان دو سناریوی عمده را برای رشد این سیاهچالهها از بذرهای آغازین مورد توجه قرار داده‌اند. اگر سیاهچاله اولیه به‌خودی‌خود جرم زیادی داشت — مثلاً حدود ۱۰ هزار خورشید — رشد مداوم در حد محدود اددینگتون (حدی که فشار تابش با گرانش موازنه می‌کند) ظرف پانصد میلیون سال میتواند جرم کنونی را توجیه کند. به‌علاوه، در صورتی که بذر سیاهچاله فقط نزدیک ۱۰۰ خورشید جرم داشت، رشد فوق‌العاده سریع‌تر از اددینگتون — یعنی دورههای بسیار کوتاه رشد غیرکارآمد به‌سبب وجود هاله متراکم گاز که تابش را محبوس نگه می‌دارد — نیز میتواند چنین غولی را رقم بزند.
پیشینه پیدایش بذرهای حجیم احتمالی شامل سیاهچالههای نخستین کیهان، فروپاشی مستقیم ابرهای اولیه گازی، برخوردهای زنجیره‌ای ستارگان در خوشه‌های متراکم یا بازمانده‌های نسل اول ستارگان بدون فلز (جمعیت III) هستند. تشخیص دقیق میان این سناریوها، به نمونه‌های آماری وسیع‌تر و بررسی جزئی‌تر ویژگی‌های کهکشان‌های میزبانی نیازمند است.
چشم‌انداز وسیع‌تر، محدودیت فناوری و آینده پژوهش‌ها
این کشف موجب اثبات توانایی JWST برای بررسی رشد سیاهچالهها در سپیده‌دم کیهان شده و ارتباط آن‌ها را با جمعیت نوظهور نقاط سرخ کوچک نشان میدهد. البته یافته اخیر محدودیت‌های فعلی مشاهدات را نیز برجسته می‌کند؛ چرا که فراتر از این محدوده انتقال به سرخ، شناسایی و تایید سیاهچالهها با ابزارهای کنونی دشوارتر از پیش می‌شود. بنا بر گفته تیلور، این رصدها عملاً در لبه فناوری موجود قرار دارند و ادامه افزایش حساسیت، قدرت تفکیک طیفی و وسعت مطالعات مورد نیاز است تا سرشماری AGNهای اولیه کامل‌تر شود.
برنامه‌های آتی جمعی JWST، همراه با ابزارهای نسل بعدی همچون تلسکوپ بسیار بزرگ (ELT) و ماموریت‌های پرتو ایکس آینده، نقش مهمی در آشکارسازی بسامد پیدایش سیاهچالههای فوق‌سنگین در نخستین میلیارد سال خواهند داشت، و نیز پاسخ خواهند داد که آیا فاز نقاط سرخ کوچک یک مرحله کوتاه اما فراگیر از سرهم‌بندی کهکشان‌هاست یا خیر. درک این وابستگی برای بازسازی تاریخ رشد جرم ستاره‌ای کهکشانها — از جمله راه شیری — در کنار رشد سیاهچالههای مرکزی اهمیت اساسی دارد.
جمع‌بندی
تایید طیفنگاری سیاه‌چاله‌ای با جرمی حدود ۳۰۰ میلیون خورشید در CAPERS-LRD-z9 مرز دانش ما نسبت به جمعیت سیاهچالههای ابرپرجرم را به سپیده‌دم کیهان توسعه میدهد و فرضیه‌ای فیزیکی برای ظهور نقاط سرخ کوچک دیده‌شده توسط JWST مطرح می‌سازد. جرم فوق‌العاده و میزبان کوچک این جرم آسمانی بیانگر رشد بسیار سریع و زودهنگام سیاهچاله است که حتی می‌توانست غالب بر سهم جرم کل کهکشان شود؛ موضوعی که مدلهای رایج تکامل سیاهچاله و کهکشان را به چالش میکشد. ادامه مشاهدات طیفنگاری فروسرخ و پیمایش‌های گسترده‌تر، برای تعیین این که آیا CAPERS-LRD-z9 یک استثناست یا نمونه‌ای از یک دوره رایج اما کوتاه در میلیارد سال نخست عالم، حیاتی خواهد بود.
منبع: iopscience.iop
.avif)
نظرات