10 دقیقه
جهانِ بسیار جوان ممکن است مسیرهایی را برای رشد سیاهچالهها فراهم کرده باشد که امروزه دیگر اتفاق نمی‌افتد. شبیهسازیهای جدید این ایده را به چالش می‌کشند که ادغام‌ها (مِرجِرها) یا رشد پیوسته محدود به نرخ اِدینگتون بتوانند سیاهچالههایی با جرم میلیاردها برابر خورشید را توضیح دهند؛ سیاهچالههایی که زمانی مشاهده شده‌اند که جهان هنوز کمتر از یک میلیارد سال سن داشت.
سیاهچالههای غول‌آسا در جاهایی که انتظار نداشتیم
سیاهچالههای ابرپرجرم در مرکز تقریباً هر کهکشانی که می‌توانیم مشاهده کنیم قرار دارند. کهکشان خودمان، راه شیری، میزبان یک «هیولای» چهار میلیون‌جرم-خورشیدی است که در حدود 27 هزار سال نوری از ما فاصله دارد. دیگر کهکشان‌ها میزبان غول‌هایی بسیار بزرگ‌تر هستند: سیاه‌چاله‌ای که در تصویر مشهور M87 دیده شده، حدود 6.5 میلیارد جرم خورشیدی دارد و بزرگ‌ترین نامزدهای شناخته‌شده بیش از 40 میلیارد جرم خورشیدی تخمین زده می‌شوند.
مسیرهای سنتی شکل‌گیری — یعنی ساختاردهی تدریجی کهکشان‌ها به‌همراه ادغام‌های مکرر سیاهچالهها — برای تولید سیاهچالههای عظیم در طول میلیاردها سال به‌خوبی عمل می‌کنند. در این چارچوب، دانه‌های کوچکتر به‌تدریج از طریق برافزایش (اکرِشن) و ادغام‌های مکرر رشد می‌کنند و این فرایند توسط داربست گرانشی مادهٔ تاریک و انبساطی که انرژی تاریک بر آن تحمیل میکند شکل میگیرد. این روندِ زمانی یک پیش‌بینی ساده دارد: هر چه به گذشتهٔ دورتر نگاه کنیم، سیاهچالههای مرکزی باید کوچکتر باشند.
مشاهداتی که ساعت تاریخ را به هم می‌ریزند
اما سپس مشاهدات عمیق با ابزارهایی مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) آمدند. اخترشناسان قرصک‌های روشنی (کوازارها) را یافتند که توسط سیاهچالههایی با جرم میلیاردی خورشید تغذیه می‌شدند، در حالی که جهان تنها چند صد میلیون سال داشت. این غول‌های اولیه به‌قدری پرجرم و زودهنگام ظاهر شده‌اند که رشد کند و تدریجی مبتنی بر ادغام‌ها بهتنهایی نمی‌تواند آنها را توضیح دهد.
تصویری مفهومی از سیاه‌چاله‌ای که با نرخ بسیار بالا (سوپر-اِدینگتونی) در حال رشد است
چرا این موضوع مشکل‌ساز است؟ رشد سیاهچالهها از طریق جذب گاز توسط فشار تابشی محدود می‌شود: هنگامی که گاز فرو می‌ریزد و گرم می‌شود، فوتون‌هایی گسیل میکند که به‌سمت مادهٔ ورودی فشار وارد می‌آورند و مانع ورود بیشتر گاز می‌شوند. این حدِ نظری — که به «حد اِدینگتون» معروف است — نرخ رشد پیوستهٔ مؤثر را تعیین میکند. تحت شرایط رشد محدود به اِدینگتون، حتی سریع‌ترین نرخ‌های رشد ممکن در اوایل جهان نیز برای رسیدن به جرمهای میلیاردی در عرض چند صد میلیون سال مشکل‌ساز هستند.
آیا قوانین در دوران تاریکیِ کیهانی متفاوت بودند؟
مطالعهٔ جدیدی که در آروی‌ایکس منتشر شده (Wu و همکاران، 2025) از شبیهسازیهای هیدرودینامیکی پیشرفته برای بررسی رشد سیاهچالهها در دوران تاریکیِ کیهانی استفاده میکند: دوره‌ای پس از بازترکیب که اتم‌ها شکل گرفتند و پیش از آنکه نور ستارگان نخستین، همه‌جا را یونیده کند. این دوره اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا در آن نخستین سازه‌ها و پتانسیلِ بذرهای سیاهچاله از نوسانات چگالی اولیه بیرون آمدند.
شبیهسازیها مناطق بسیار چگال و متراکمی را نشان میدهند که در آنها بازخورد رانشیِ معمول قادر به پاک‌سازی گاز نزدیک یک سیاه‌چالهٔ نوپا نیست. در این حفره‌ها، نرخِ جذب گاز به‌طور موقت از حد کلاسیک اِدینگتون فراتر میرود. این فازِ سوپر-اِدینگتونی به یک بذر سیاهچاله اجازه میدهد تا بسیار سریع رشد کند — تا حدودی در حد ~10,000 جرم خورشیدی — که بسیار سریع‌تر از آن چیزی است که در دوره‌های بعدی انتظار میرود.
محدودیت‌ها و احتیاط‌ها: دوی سرعت نه ماراتن
با این حال، مزیت سوپر-اِدینگتونی به‌نظر می‌رسد موقتی باشد. زمانی که سیاهچالههای شبیه‌سازی‌شده به ترتیبِ بزرگی ~10^4 جرم خورشیدی می‌رسند، تابش و جریان‌های خروجی (اؤتفلو) دوباره یک حلقهٔ بازخوردی برقرار می‌کنند که رشد را تا نرخ‌هایی نزدیک به اِدینگتونِ کلاسیک محدود می‌سازد. در بازه‌های زمانی طولانی‌تر، سیاهچالههایی که به‌طور مداوم و با نرخ‌های زیر-اِدینگتون تغذیه می‌شوند میتوانند به آن‌هایی که از یک آغاز سوپر-اِدینگتونی بهره برده‌اند برسند یا از آنها پیشی بگیرند. مطالعه از یک تشبیه مناسب استفاده میکند: اوسین بولت شاید سریع‌ترین دوندهٔ دوی سرعت باشد، ولی در یک مسابقهٔ طولانی او را یک دوندهٔ استقامت پشت سر خواهد گذاشت.
نموداری از مدل‌های سیاهچاله که نشان میدهد رشد سوپر-اِدینگتونی به افزایش جرم بلندمدت منجر نمی‌شود.
خلاصه اینکه، جذب سوپر-اِدینگتونی در اوایل جهان میتواند به رشد سریع کمک کند، اما تنها تا حدی. این مکانیزم بهتنهایی نمی‌تواند کوازارهای دارای میلیاردها جرم خورشیدی را که در قرمزجِفتهای بسیار بالا مشاهده می‌شوند، تولید کند. برای درک کامل این مشاهدات، باید دیگر عوامل احتمالی را نیز در نظر گرفت: از جمله ماهیت بذرها، شرایط محیطی و فیزیک جدیدِ احتمالی در دوران نخستین کیهان.
مترادف‌ها و پیامدها: بذرهای عظیم یا منشأهای عجیب
اگر نه رشد پیوستهٔ محدود به اِدینگتون، نه انفجارهای کوتاه‌مدت سوپر-اِدینگتونی و نه ادغام‌های عادی نتوانند غول‌هایِ اولیه را به‌طور کامل توضیح دهند، جامعهٔ علمی به‌سوی ایده‌های جایگزین سوق داده می‌شود. یکی از احتمالات این است که بذرها ذاتاً بزرگ‌تر از آن چیزی بوده‌اند که معمولاً فرض می‌شد — یعنی مستقیماً از فروپاشی ابرهای گازی عظیم، خوشههای ستارهای متراکم یا حتی از فرایندهای عجیب‌تری بلافاصله پس از تورم کیهانی شکل گرفته‌اند. سناریوهای «بذر سنگین» (heavy seed) سیاه‌چاله‌ای را با جرمِ اولیهٔ 10^4 تا 10^6 جرم خورشیدی شروع می‌کنند، که به‌طرز قابل‌توجهی مقدار رشد لازم برای رسیدن به مقیاس میلیاردی را کاهش میدهد.
مسیرهای دیگر که در بحث‌ها مطرح‌اند شامل تشکیلِ مستقیم-فروپاشی سریع در محیط‌های کم‌فلزی (metal-poor)، یا حتی سیاهچالههای اولیهٔ بَرامونادی (primordial black holes) هستند که در اثر فیزیکِ اوایل جهان پدید آمده‌اند. هر کدام از این فرضیه‌ها پیامدهای رصدی مشخصی دارند: برای مثال، بذرهای سنگین تعداد کوازارهای کمنور مورد انتظار در قرمزجِفتهای بالا را تغییر میدهند و توزیعِ خواصِ کهکشان‌های اولیه را دگرگون می‌کنند. طیف‌شناسیِ خطوط انتشار، توزیع جرمی سیاهچالهها، و فراوانی اختروشهای کم‌نورِ دوردست از جمله شاخص‌هایی هستند که میتوانند میان این سناریوها تمایز قائل شوند.
دیدگاهِ کارشناسی
«این شبیهسازیها یک گام مهم هستند زیرا هیدرودینامیک پیچیدهٔ فرایندِ جذبِ اولیه را مدل‌سازی می‌کنند»، دکتر مایا آر. سانتوس، اخترفیزیکدانی که در زمینهٔ شکل‌گیری سیاهچالهها تخصص دارد، می‌گوید. «آنها نشان میدهند که اپیزودهای سوپر-اِدینگتونی میتوانند رخ دهند، اما همچنین روشن می‌کنند که ما هنوز یا به بذرهای اولیهٔ بسیار پرجرم نیاز داریم یا به فیزیک جدیدی که توضیح‌دهندهٔ کاملِ اختروشهای اولیه باشد.»
به آینده که نگاه می‌کنیم، رصدهای بیشترِ JWST، تلسکوپهای زمینیِ نسل بعد و شبیهسازیهای پالایش‌شده این سناریوها را آزمایش خواهند کرد. با نقشه‌برداری از کوازارهای کمنور در قرمزجفتهای بالا و کهکشان‌های میزبان آنها، اخترشناسان امیدوارند مشخص کنند که آیا سیاهچالههای ابرپرجرمِ اولیه نوادگانِ بذرهای نادر و سنگین هستند یا نتیجهٔ کانالهای تشکیلِ عجیب‌تر و استثنایی.
برای تقویت اعتبارِ علمی و پاسخگویی به پرسش‌های کلیدی، ترکیبِ چند رویکرد ضروری است: 1) شبیهسازیهای هیدرودینامیکی با وضوح بالا که بازخورد تابشی، مِکانیکِ گاز چندفازی و تشکیل ستاره را به‌طور پیوسته دنبال کنند؛ 2) رصدهای عمقی در ناحیهٔ فروسرخ و رادیویی برای یافتن و مشخصه‌یابی اختروشهای کمنور و کهکشان‌های میزبان؛ و 3) مطالعات آماری فراوانی و توزیعِ جرم که میتواند تاریخچهٔ رشدِ سیاهچالهها را بازسازی کند. وقتی این اطلاعات ترکیب شوند، می‌توان سرنخ‌هایی در مورد فراوانیِ بذرهای سنگین، نقشِ محیط‌های کم‌فلزی و احتمال وجودِ سیگنال‌های نوظهورِ فیزیکی به‌دست آورد.
به‌عنوان نکات فنیِ بیشتر که نشان‌دهندهٔ عمقِ موضوع و اعتبارِ مقاله‌ها در این زمینه است، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- حد اِدینگتون (Eddington limit): نرخِ رشدِ ثابتِ نظری که وقتی تابش از مادهٔ فروانباشی‌شونده به بیرون فشار می‌آورد، به‌عنوان محدودیت عمل میکند؛ نرخ رشد نسبت به جرمِ سیاهچاله متناسب است و بنابراین برای دانه‌های کوچک زمانِ رشدِ زیادی لازم است تا به جرمهای میلیاردی برسند.
- سوپر-اِدینگتونی (Super-Eddington accretion): حالتی که در آن نرخِ جذب به‌طور موقت از حدِ اِدینگتون فراتر میرود؛ این حالت میتواند در محیط‌های بسیار چگال یا زمانی که هندسهٔ جریانِ گاز اجازهٔ فرار تابش را محدود میکند رخ دهد، اما معمولاً با بازخورد قوی و اوتفلوهایی همراه است که پایدار نخواهند ماند.
- بذرهای سنگین (Heavy seeds): سناریویی که در آن سیاهچالهها با جرمهای بسیار بالاتر از بذرهای ستاره‌ایِ معمولی آغاز می‌شوند؛ این بذرها ممکن است از فروپاشی مستقیمِ ابرهای گازی بدون تشکیل ستاره یا از ادغام سریعِ خوشههای ستارهای تشکیل شوند.
- شبیهسازیهای هیدرودینامیکی و بازخورد: مدل‌سازی دقیقِ فرایندها نیازمند شبیهسازیهایی است که انتقال تابش، چرخش گاز، سرمایشِ فلزی و اثرات ستارهای را به‌طور همزمان محاسبه کنند تا بتوان سناریوهای رشدِ اولیه را مقایسه و آزمون کرد.
در نهایت، پاسخ به این پرسش بنیادین — چگونه سیاهچالههای ابرپرجرم چنین سریع در اوایل کیهان بهوجود آمدند — نه تنها برای فهمِ تاریخچهٔ شکل‌گیری کهکشان‌ها مهم است، بلکه پیامدهایی برای فیزیکِ بنیادیِ جهانِ اولیه، توزیع مادهٔ تاریک و فرایندهای بازخورد کیهانی دارد. ترکیبِ داده‌های رصدیِ دقیق و مدل‌های نظریِ پیچیده احتمالاً در سال‌های آینده دیدگاه‌های جدیدی را مطرح خواهد کرد و ممکن است برخی از فرضیه‌های کلاسیک را نیازمند بازنگری سازد.
از منظر رصدی، چند خطِ پژوهشی مشخص از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند: ارتقأ و گسترشِ نمونهٔ کوازارهای کمنور در قرمزجفتهای بالاتر، اندازه‌گیریِ دقیقِ جرمهای سیاهچاله از طریق روشهایی مانند اثر مایکلر-کروک (reverberation mapping) و طیف‌نگاری با وضوح بالا، و بررسی نقشِ فلزپوشی در فراهم کردن شرایط برای فروپاشی مستقیم. هر یک از اینها میتواند نقشِ بذرهای سنگین را تأیید یا رد کند و به تفکیکِ سناریوهای جایگزین کمک کند.
در پایان، ترکیبی از شواهدِ تئوریک و رصدی لازم است تا مشخص شود آیا زایشِ سریعِ سیاهچالهها یک پدیدۀ نادر و محلی بوده که نیازمند شرایط ویژه است، یا اینکه ما با یک کانالِ شکلگیریِ عمومی اما پیش‌تر ناشناخته روبه‌رو هستیم. آنچه مسلم است این است که پژوهش‌های جاری — از شبیهسازیهای هیدرودینامیکی پیشرفته تا رصدهای ژرفِ JWST — به‌سرعت در حال ارائهٔ سرنخ‌های جدیدی هستند که درک ما از منشأِ سیاهچالههای ابرپرجرم را متحول خواهند کرد.
منبع: sciencealert
نظرات
نوآ_
اگر سیاهچالههای اولیه از اول پرجرم بودن، پس کلی چیزا رو باید بازنویسی کنیم 🤔 این نتیجه تکون‌دهنده‌ست، ولی من هنوز مطمئن نیستم
امیر
کاش نتایج واضح‌تر بود، مقاله خوبه ولی یه‌جورایی زیادی محافظه‌کارانه‌ست؛ شبیهسازیها نیاز به پالایش دارن
شهررو
دیدگاه منطقی و متوازنیه؛ سوپر ایدینگتون شاید زودتر کمک کنه، اما در بلندمدت جواب نمیده، باید مسیرهای ترکیبی رو بررسی کنیم
ستاره‌ن
تو پروژه‌ای با داده‌های JWST کار کردم، می‌تونم بگم شبیهسازیها خیلی کمک‌کننده‌ان اما هنوز کمبود داده داریم مخصوصا برای بذرهای سنگین و نقش فلزپوشی
راهنوا
واااو، یعنی واقعا اوایل جهان شرایطی بود که سیاهچالهها این‌قدر سریع رشد کنن؟ غیرقابل باوره... کلی سوال تو ذهنم مونده
ارسال نظر