10 دقیقه
یک سیاهچاله در حال رشد سریع در اولین میلیارد سال کیهان
تیمی از اخترشناسان سیاه‌چاله‌ای بسیار پرجرم را در کهکشان میزبان کوئازار RACS J0320-35 شناسایی کرده‌اند که به نظر می‌رسد ماده را با نرخ حدود 2.4 برابر حد نظری ادینگتون جذب میکند. این جرم در زمانی معادل تقریباً 920 میلیون سال پس از مه‌بانگ قرار دارد و شاهد نادری از پدیده‌ای به نام تجمع فوق-ادیگنی (super-Eddington accretion) ارائه میدهد — مرحلهای گذرا و بسیار شدید در تغذیه که میتواند توضیح دهد چرا اولین سیاهچالههای کلانجرم در بازه‌های زمانی بسیار کوتاه به جرم‌های میلیون‌ها تا میلیاردها برابر جرم خورشید دست یافته‌اند. این مشاهدات زمینه‌ای مهم برای درک رشد سریع در کیهان اولیه فراهم می‌آورد و نشان میدهد که مسیرهای رشد تنها از طریق روندهای آهسته محدود به حد ادینگتون قابل توضیح نیستند.
کشف و مشاهدات چندطیفی
RACS J0320-35 نخستین‌بار در مشاهدات عمیق پرتو ایکس رصدخانه چاندرا (Chandra) در سال 2023 برجسته شد؛ در این دادهها این منبع برای یک جرم در اولین میلیارد سال پس از مه‌بانگ به طور غیرمعمولی روشن دیده شد. آشکارسازی اولیه پرتو ایکس به رصدهای پیگیری در باند رادیویی با استفاده از تلسکوپ‌های بزرگ موج‌متوسط رادیویی مانند GMRT، آرایه ATCA در استرالیا و آرایه طولانی پایه استرالیایی (LBA) انجامید. تجمیع دادههای رادیویی و ایکس‑ری همراه با فتو‌متری در سایر باندها، به پژوهشگران اجازه داد تا توزیع انرژی طیفی (SED) این منبع را از طیف الکترومغناطیسی بازسازی کنند و ویژگی‌های فیزیکی قرص برافزایشی و اطراف سیاهچاله را بهتر بسنجند.
تصویر هنری از RACS J0320-35 که با نور شدید می‌درخشد. (NASA/CXC/SAO/M. Weiss)
مدلسازی دقیق SED نشان داد که الگوی تابش مشاهده‌شده با قالبهای نظری برای دیسکهای تجمع فوق-ادیگنی شباهت زیادی دارد. لوکا ایگینا، اخترفیزیکدان و نویسنده ارشد (از Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics) و همکارانش تابش مشاهده‌شده در باندهای رادیو، نوری/فراسرخ و پرتو ایکس را با پیش‌بینی‌های تئوریک برای نرخ‌های تجمعی بالاتر از حد ادینگتون مقایسه کردند و به سازگاری با نرخی در حدود 2.4 برابر حد کلاسیک رسیدند. این مقایسه شامل بررسی شیوه‌های انتشار تابش، هندسه دیسک و نقش بادهای خروجی و توربولانس در انتقال انرژی و ماده بود تا اطمینان حاصل شود که نتایج تنها ناشی از یک توضیح ساده نیستند.
پروفایل‌های طیفی و نسبت‌های رنگی نیز با الگوهایی همخوانی داشت که در شبیه‌سازی‌های تجمع فوق-ادیگنی پیش‌بینی می‌شوند: تابش‌های قوی‌تر در پرتو ایکس نسبت به نمونه‌های معمولی دوره‌ی اولیه، و سطوح غیرمعمول تابش رادیویی که میتواند نشان‌دهنده وجود جت‌های ضعیف یا بادهای قوی باشد. ترکیب مشاهدات چندباندی و مدلهای نظری این امکان را فراهم آورد که نه‌تنها نرخ تجمع، بلکه پارامترهایی مثل تابش موثر، ضریب جذب داخلی و توان خروجی بادی به طور محدودتری برآورد شوند.
حد ادینگتون چیست و شکستن آن چه اهمیتی دارد
حد ادینگتون مقدار ماکزیمم تابناکی پایدار را تعریف میکند که در آن فشار تابشی خروجی از گازهای فروریزنده میتواند با نیروی جاذبه داخلی تعادل برقرار کند. به عبارت ساده، اگر دیسک برافزایشی اطراف یک سیاهچاله بیش از حد روشن شود، فشار تابشی میتواند مواد را از نزدیکی سیاهچاله دور کند و رشد بیشتر را متوقف سازد. تجمع فوق-ادیگنی به فازهای گذرایی اشاره دارد که در آن ورود ماده موقتی بر بازخورد تابشی غلبه میکند و اجازه میدهد سیاهچاله در مدت کوتاهی جرم قابل‌توجهی به دست آورد.
چنین فازهایی در حل یک معمای دیرینه در کیهان‌شناسی نقش کلیدی دارند: چگونه سیاهچالههای کلانجرم به سرعت شکل گرفتند در حالی که رشد تدریجی محدود به حد ادینگتون زمان بسیار بیشتری نسبت به عمر کیهان اولیه لازم می‌داشت؟ تأیید مشاهداتی تجمع فوق-ادیگنی، حتی برای تک‌جرم‌ها، مدل‌هایی را تقویت میکند که تصور میکنند سیاهچالههای نخستین یا به‌صورت نهفته از بذرهای بسیار سنگین به‌وجود آمده‌اند یا از طریق دوره‌های کوتاه اما بسیار مؤثر رشد کرده‌اند. به عبارت دیگر، ترکیب بذرهای پرجرم اولیه و اپیزودهای تجمع فوق-ادیگنی میتواند فشار زمانی لازم برای رسیدن به جرم‌های میلیاردی را فراهم کند.
در سطح فیزیکی‌تر، شکست محدودیت ادینگتون میتواند از چند مکانیسم ناشی شود: شکلگیری دیسکهای ضخیم و شعاعی که تابش را به صورت غیرهمسانگرد (anisotropic) پخش میکنند، وجود بادهای قوی که بارگذاری رادیاتیو را تغییر می‌دهند، یا شارش‌های ابرچگالی و نامنظم گاز که نرخ ورود جرم را بالا می‌برند. برخی از مدل‌ها نیز نشان می‌دهند که اگر تابش از کانال‌های کم‌چگالی‌تری فرار کند، نیروهای تشعشع از نقطه نظر محلی کاهش می‌یابند و در نتیجه تجمع میتواند ادامه یابد. همه این سناریوها در توضیح رفتار مشاهده‌شده در RACS J0320-35 نقش دارند و باید توسط مشاهدات دقیقتر مورد آزمون قرار گیرند.
پیامدها برای شکلگیری سیاه‌چاله‌ها و مشاهدات آینده
اگر اندازه‌گیری‌های مربوط به RACS J0320-35 با آزمون‌های بعدی تأیید شوند، این نتیجه تبدیل به یک معیار ارزشمند برای سناریوهای شکلگیری سیاهچالههای اولیه خواهد شد. با برآورد جرم کنونی و نرخ رشد آنی، پژوهشگران میتوانند به عقب بازگشته و محدوده‌های ممکن برای جرم بذر (seed mass) و مسیرهای شکلگیری را محدود کنند — برای مثال اینکه آیا بذرها از فروپاشی مستقیم ابرهای گازی بسیار سنگین پدید آمده‌اند یا از بقایای اولین نسل ستارگان بسیار پرجرم.
همکار مکاتِب آلبرتو مورتی (INAF-Osservatorio Astronomico di Brera) اشاره میکند که اندازه‌گیری هم‌زمان جرم و نرخ رشد برای اجرامی مانند RACS J0320-35 امکان آزمون‌های معناداری بین مدلهای رقیب شکلگیری را فراهم می‌آورد. توماس کانر (Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics) نیز اضافه میکند که کوئازارهای بسیار افراطی مرزهای بحرانی مهمی برای شبیه‌سازی‌های تشکیل ساختارهای اولیه ارائه می‌دهند و میتوانند پارامترهایی مانند نرخ بازتاب تابش، خواص بذر و تراکم محیط را محدودتر کنند.
کارهای آینده نیازمند طیفسنجی عمیقتر، تصویربرداری با وضوح بالاتر و پایش چندباندی بیشتر است تا هندسه تجمع، توزیع ماده در اطراف سیاهچاله و نقش پدیده‌هایی چون همگرایی گرانشی (lensing) یا جهتیابی تابش (beaming) را رد یا تأیید کند. همچنین باید به صورت دقیق اثر پوشش غبار و جذب میانکهکشانی که میتواند طیف را دگرگون سازد، بررسی شود. ابزارهایی مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST)، رصدخانههای پرتو ایکس نسل بعدی و مشاهدات VLBI در طول‌موج رادیویی قابلیت‌هایی کلیدی برای پالایش این تصویر فراهم می‌آورند. به‌طور خاص، JWST میتواند خطوط طیفی نوری و فروسرخ را با دقت بالا اندازه‌گیری کند تا برآوردهای جرم و نرخ تجمع را بهتر کند، و مشاهدات VLBI میتوانند ساختار جت یا باد رادیویی را در مقیاس‌های بسیار کوچک بررسی کنند.
از دیدگاه مدلسازی، آزمایش انواع متفاوتی از شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیکی و رادیاسیون-هیدرودینامیک برای تولید پیش‌بینی‌های قابل مشاهده از تجمع فوق-ادیگنی ضروری است. این شبیه‌سازی‌ها باید نقش شکست تابش، حمل و نقل زاویه‌ای، و تعاملات بین دیسک و محیط بین‌کهکشانی را به‌دقت وارد کنند. همچنین مهم است که اثرات تغییرات سریع (variability) در باندهای مختلف به صورت پیوسته پیگیری شوند، زیرا اپیزودهای فوق-ادیگنی احتمالاً طیف و روشنایی منبع را در بازه‌های زمانی کوتاه تغییر می‌دهند.
اعتبار سنجی و مسیرهای جایگزین تفسیر
گرچه شواهد فعلی به سمت تجمع فوق-ادیگنی میل دارند، لازم است که علل جایگزین نیز به دقت بررسی شوند. یکی از توضیحات جایگزین محتمل، همگرایی گرانشی (gravitational lensing) است که میتواند منبع را روشن‌تر از آنچه واقعا هست نشان دهد؛ بررسی نقشه‌های سطحی و جستجوی اجزای چندگانه در تصاویر با وضوح بالا میتواند این فرضیه را رد یا تأیید کند. تفسیر دیگر مربوط به جهتیابی تابشی یا جت‌های بسیار خفیف است که اگر تابش به سمت بیننده متمرکز شده باشد، روشنایی ظاهری افزایش می‌یابد و نرخ تجمع واقعاً کمتر از آن چیزی است که مستقیماً به نظر می‌رسد.
پیش‌بینی‌های نظری همچنین باید عدم قطعیت‌های پارامتری مانند برآورد فاصله (redshift) دقیق، اصلاحات جذب فضایی و نسبت تبدیل تابش به جرم را به‌خوبی لحاظ کنند. برای مثال، خطا در تعیین شیفت به سرخ میتواند بر اندازه‌گیری‌های جرم و نرخ تجمع تأثیر بگذارد. بنابراین اندازه‌گیری‌های طیفی تاییدی و کالیبراسیون‌های مستقل در چند باند برای افزایش اطمینان حیاتی‌اند.
به هر ترتیب، تأیید تجمع فوق-ادیگنی در چنین جرم‌هایی پیامدهای گسترده‌ای برای تاریخ شکلگیری ساختارها در کیهان دارد: از بازتولید سریع هاله‌های تیره (dark halos) تا تأثیرات بازخورد بر تشکیل ستارگان در کهکشان میزبان. در صورت تکرار چنین اپیزودهایی در جمعیت کوئازارهای اولیه، باید انتظار داشت که توزیع جرم سیاه‌چاله‌ها در قرون نخستین کیهان به‌طور قابل ملاحظه‌ای متفاوت از پیش‌بینی‌های مدلهای محدود به رشد ادینگتونی باشد.
نتیجه‌گیری
RACS J0320-35 به‌عنوان یک نمونه امیدوارکننده از رشد فوق-عددی در کیهان اولیه مطرح است. اگر این یافته‌ها با مشاهدات و تحلیل‌های تکمیلی تأیید شوند، آن‌ها شکافی میان نظریه و رصد پر میکنند و نشان می‌دهند که مسیرهای رشد سریع و گذرا برای اولین سیاهچالههای کلانجرم ممکن و مؤثر بوده‌اند. این نتیجه‌گیری نه تنها چارچوب‌های نظری شکلگیری را غنی می‌سازد، بلکه راهنمایی برای جستجوی اجرام مشابه در خلأ جوان کیهان فراهم می‌آورد و اولویت‌هایی را برای رصدهای آینده با تلسکوپ‌هایی مانند JWST و رصدخانههای پرتو ایکس نسل بعدی تعیین میکند. در مجموع، RACS J0320-35 میتواند نقش یک مرجع کلیدی را در تغییر درک ما از چگونگی رشد سریع سیاه‌چاله‌ها در محیط‌های اولیه ایفا کند و پرسش‌های جدید و قابل بررسی به پژوهشگران ارائه دهد.
منبع: sciencealert
نظرات