برخی از این سیاهچالهها میلیاردها برابر جرم خورشید ما را دارند و به نظر میرسد بسیار سریعتر از آنچه ممکن به نظر میرسد رشد کردهاند. این کشف، درک ما از چگونگی شکلگیری و تکامل سیاهچالهها را به چالش کشیده است.
طبق سناریوی رایج، سیاهچالهها از فروریزش ستارگان بزرگ پدید میآیند؛ یعنی یک ستارهی بسیار سنگین میمیرد و باقیماندهی آن به سیاهچالهای با جرمی چند برابر خورشید تبدیل میشود. اما برای آنکه چنین سیاهچالههایی در اوایل عمر کیهان به جرمی میلیارد برابر خورشید برسند، باید با نرخهای تغذیهای غیرممکن و در بازههای زمانی بسیار طولانی رشد کرده باشند.
(اعتبار تصویر: ناسا / JPL)
اکنون گروهی از دانشمندان راهی احتمالی برای شناسایی سیاهچالههای ابرپرجرم در حال شکلگیری یافتهاند؛ آنها به دنبال نوع خاصی از نور هستند که در جریان تولد پرآشوب این اجرام منتشر میشود. این نظریه به سناریوی «فروریزش مستقیم» (Direct Collapse) مربوط میشود؛ مدلی که در آن ابرهای بزرگ گاز نخستین، بدون آنکه ابتدا به ستاره تبدیل شوند، مستقیماً فرو میریزند و بذرهای اولیهی سیاهچالههای ابرپرجرم را تشکیل میدهند. این فرآیند میتواند سیاهچالههایی با جرمی میان ۱۰۰ هزار تا ۱۰ میلیون برابر خورشید ایجاد کند؛ نقطهی شروعی منطقیتر برای رشد سریع به سمت ابرسیاهچالهها.
پژوهش تازهای از یانگ لو و آیزاک شلوسمن نشان میدهد که ممکن است بتوان این پیشسازهای سیاهچالههای بسیار عظیم را در هنگام شکلگیری شناسایی کرد؛ و این شاید کلید حل یکی از بزرگترین معماهای کیهانشناسی باشد. نکتهی کلیدی در سناریوی فروریزش مستقیم، حفظ دمای گاز در حدود ۱۰٬۰۰۰ کلوین (دمای خنکسازی هیدروژن اتمی) است، چراکه این دما مانع از قطعهقطعه شدن گاز و آغاز فرایند ستارهسازی میشود. در چنین شرایطی، ابرهای گازی میتوانند مستقیماً فرو بریزند و به هستههایی متراکم تبدیل شوند که در نهایت بذرهای سیاهچاله را شکل میدهند.
این پژوهش بر شناسایی نوعی نور بهنام گسیل «لیمن-آلفا» تمرکز دارد؛ نوری که زمانی ساطع میشود که اتمهای هیدروژن، تابش فرابنفش را جذب و دوباره منتشر میکنند. در سناریوی فروریزش مستقیم، این تابش یکی از فرایندهای اصلیِ خنکسازی است و انرژی را در جریان فشرده شدن گاز از سیستم خارج میکند.
(اعتبار تصویر: جی. رندال گلادستون)
در مدلهای پیشین، فروریزش گاز بهصورت کروی در نظر گرفته میشد که در آن فوتونهای لیمن-آلفا گرفتار شده و در اثر فرایندهای کوانتومی از بین میرفتند. اما پژوهشگران در این مطالعه، سناریویی واقعبینانهتر را مطرح کردهاند که شامل چرخش گاز و تشکیل قرص برافزایشی بهدور جرم مرکزی است. این پیکربندی منجر به الگوی خروجی دو-مخروطی میشود؛ یعنی کانالهایی در امتداد محور چرخش که به تابش اجازهی فرار میدهند.
با بهرهگیری از شبیهسازیهای رایانهای پیچیده و محاسبات انتقال تابش، پژوهشگران دریافتند که بخش زیادی از فوتونهای لیمن-آلفا میتوانند از این کانالهای خروجی عبور کرده و به فضا برسند. برای اجرامی که در مرحلهی پیشاز-سیاهچاله و در انتقالبهسرخ ۱۰ قرار دارند (یعنی زمانی که کیهان تنها حدود ۵۰۰ میلیون سال سن داشته)، بیش از ۹۵٪ از تابش لیمن-آلفا میتواند فرار کند و قابل شناسایی باشد.
نتایج این پژوهش نشان میدهد که ابزار طیفنگاری NIRSpec تلسکوپ جیمز وب میتواند این سیگنالها را با حالت طیفنگاری چندجرمی و در مدت زمانی حدود ۱۰٬۰۰۰ ثانیه رصد کند.
(اعتبار تصویر: Astrium GmbH)
آنچه این کشف را هیجانانگیزتر میکند این است که تابش لیمن-آلفا از اجرام فروریزش مستقیم دارای ویژگیهای طیفی منحصربهفردی خواهد بود که آنها را از منابع نوری دیگر متمایز میسازد. پژوهشگران دریافتند که این اجرام طیفهایی بسیار نامتقارن با دُمهای سرخکشیده تولید میکنند؛ ویژگیهایی که در کهکشانهای عادی یا اختروشهای تثبیتشده دیده نمیشود.
توانایی شناسایی این اجرام، دریچهای تازه به روی پرهیاهوترین رخدادهای کیهان آغازین خواهد گشود. برخلاف سیاهچالههای شکلگرفته که توسط قرصهای برافزایشی درخشان احاطه شدهاند، این اجرام پیشاز-سیاهچالهای تقریباً فاقد فلزات بوده و شرایط اصیل و ابتدایی کیهان را نمایندگی میکنند.
یکی از نکات کلیدی این پژوهش، زمانبندی است. فرآیند فروریزش مستقیم و تابش لیمن-آلفای مربوط به آن احتمالاً تنها در بازهای کوتاه و پیش از تبدیل کامل جرم مرکزی به سیاهچاله روی میدهد. این پنجرهی زمانی محدود، بر اهمیت پیمایشهای نظاممند برای شناسایی این اجرام در حال شکلگیری تأکید دارد.
اگر این فرضیهها در مشاهدات آینده تأیید شوند، این پژوهش میتواند درک ما از چگونگی شکلگیری بزرگترین سیاهچالههای کیهان را دگرگون سازد و شواهد مستقیمی برای یکی از شگفتانگیزترین سناریوهای نظری اخترفیزیک فراهم آورد. نخستین رصد یک جرم حاصل از فروریزش مستقیم، از طریق تابش لیمن-آلفای آن، گامی بزرگ در کشف منشأ سیاهچالههای ابرپرجرمی خواهد بود که ساختار کیهان اولیه را شکل دادهاند.
