کیهان اولیه: ممکن است پر از سوراخ‌های بسیار تاریک بوده باشد

ما می دانیم که برای مدت طولانی وجود داشته است.

در واقع، اخترشناسان منابع فشرده بسیار درخشانی را که در مراکز کهکشان‌ها، به نام اختروش‌ها (سیاهچاله‌های کلان پرجرم در حال رشد سریع)، زمانی که کیهان کمتر از ۱ میلیارد سال سن داشت، قرار دارند، شناسایی کرده‌اند.

اکنون مطالعه جدید ما که در Astrophysical Journal Letters منتشر شده است، از مشاهدات تلسکوپ فضایی هابل استفاده کرده است تا نشان دهد که سیاهچاله‌های بسیار بیشتر (بسیار کمتر نورانی) در کیهان اولیه نسبت به تخمین‌های قبلی وجود داشته است. به طرز هیجان انگیزی، این می تواند به ما در درک چگونگی شکل گیری آنها کمک کند – و اینکه چرا بسیاری از آنها عظیم تر از حد انتظار به نظر می رسند.

سیاهچاله ها با بلعیدن موادی که آنها را احاطه کرده رشد می کنند، در فرآیندی که به عنوان برافزایش شناخته می شود. این مقدار زیادی تشعشع تولید می کند. فشار ناشی از این تشعشع محدودیتی اساسی برای سرعت رشد سیاهچاله ها ایجاد می کند.

بنابراین دانشمندان در توضیح این اختروش های اولیه و عظیم با چالشی مواجه شدند: بدون زمان کیهانی زیاد برای تغذیه، آنها باید یا سریعتر از حد ممکن رشد کرده باشند یا به طرز شگفت انگیزی عظیم به دنیا آمده باشند.

دانه های سبک در مقابل دانه های سنگین

اما اصلاً سیاهچاله ها چگونه تشکیل می شوند؟ چندین احتمال وجود دارد. اولین مورد این است که به اصطلاح سیاهچاله های اولیه از مدت کوتاهی پس از انفجار بزرگ وجود داشته اند. در حالی که برای سیاهچاله های با جرم کم قابل قبول است، سیاهچاله های پرجرم طبق مدل استاندارد کیهان شناسی نمی توانند به تعداد قابل توجهی تشکیل شده باشند.

سیاهچاله‌ها قطعاً می‌توانند در مراحل پایانی عمر کوتاه برخی از ستاره‌های پرجرم معمولی شکل بگیرند (اکنون توسط نجوم امواج گرانشی تأیید شده است). اگر چنین سیاهچاله هایی در خوشه های ستاره ای بسیار متراکم که در آن ستاره ها و سیاهچاله ها ممکن است ادغام شوند، در اصل می توانند به سرعت رشد کنند. این ‘دانه های توده ستاره ای’ سیاهچاله ها هستند که باید خیلی سریع رشد کنند.

گزینه جایگزین این است که آنها می توانند از ‘دانه های سنگین‘ با جرمی حدود ۱۰۰۰ برابر بیشتر از ستاره های پرجرم شناخته شده تشکیل شوند. یکی از این مکانیسم‌ها «فروپاشی مستقیم» است که در آن ساختارهای اولیه ماده ناشناخته و نامرئی معروف به ماده تاریک، ابرهای گازی را محدود می‌کند، در حالی که تشعشعات پس‌زمینه از تشکیل ستاره‌ها جلوگیری می‌کند. در عوض، آنها به سیاهچاله سقوط کردند.

مشکل اینجاست که فقط تعداد کمی از هاله های ماده تاریک به اندازه کافی بزرگ می شوند که چنین دانه هایی را تشکیل دهند. بنابراین اگر سیاهچاله های اولیه به اندازه کافی نادر باشند، این توضیح کار می کند.

سیاهچاله‌های زیاد: دنیای اسرارآمیز و ناشناخته‌ها

برای سال ها، ما تصویر خوبی از تعداد کهکشان ها در میلیارد سال اول زمان کیهانی داشته ایم. اما یافتن سیاهچاله‌ها در این محیط‌ها بسیار چالش برانگیز بود (فقط اختروش‌های نورانی قابل اثبات بودند).

اگرچه سیاه‌چاله‌ها با بلعیدن مواد اطراف رشد می‌کنند، اما این با سرعت ثابتی اتفاق نمی‌افتد – آنها تغذیه خود را به ‘وعده‌های غذایی’ تقسیم می‌کنند، که باعث می‌شود روشنایی آنها در طول زمان تغییر کند. ما برخی از اولین کهکشان‌ها را از نظر تغییر در روشنایی در یک دوره ۱۵ ساله زیر نظر گرفتیم و از آن برای انجام یک سرشماری جدید از تعداد سیاهچاله‌های بیرون استفاده کردیم.

به نظر می رسد که چندین برابر بیشتر از آنچه در ابتدا تصور می کردیم سیاهچاله ها در کهکشان های اولیه معمولی وجود دارد.

دیگر کارهای پیشگامانه اخیر با تلسکوپ فضایی جیمز وب (JSTW) برای رسیدن به نتایج مشابهی آغاز شده است. در مجموع تعداد سیاهچاله‌های ما بیشتر از آن چیزی است که در اثر فروپاشی مستقیم ایجاد می‌شود.

راه دیگری، عجیب‌تر، برای تشکیل سیاه‌چاله‌ها وجود دارد که می‌تواند دانه‌هایی تولید کند که هم حجیم و هم فراوان هستند. ستارگان از انقباض گرانشی ابرهای گازی تشکیل می شوند: اگر بتوان تعداد قابل توجهی از ذرات ماده تاریک را در مرحله انقباض گرفت، آنگاه ساختار داخلی می تواند به طور کامل اصلاح شود – و از اشتعال هسته ای جلوگیری شود.

بنابراین رشد می تواند چندین برابر بیشتر از عمر معمولی یک ستاره معمولی ادامه یابد و به آنها اجازه می دهد تا بسیار پرجرم شوند. با این حال، مانند ستارگان معمولی و اجرام فروپاشی مستقیم، هیچ چیز در نهایت قادر به مقاومت در برابر نیروی عظیم گرانش نیست. این بدان معناست که این ‘ستارگان تاریک’ نیز باید در نهایت فرو بریزند و سیاهچاله های عظیمی را تشکیل دهند.

ما اکنون معتقدیم که فرآیندهای مشابه این باید برای تشکیل تعداد زیادی سیاهچاله که در جهان نوزاد مشاهده می کنیم، اتفاق می افتاد.

نگاهی به برنامه‌های آینده: چشم‌اندازها و اهداف

مطالعات مربوط به تشکیل سیاهچاله اولیه در دو سال گذشته دستخوش دگرگونی شده است، اما به یک معنا این زمینه تازه شروع شده است.

رصدخانه های جدید در فضا، مانند مأموریت اقلیدس یا تلسکوپ فضایی رومی نانسی گریس، سرشماری ما از اختروش های کم نورتر را در زمان های اولیه پر خواهند کرد. ماموریت جدید Athena و آرایه کیلومتر مربعی، در استرالیا و آفریقای جنوبی، درک ما را از بسیاری از فرآیندهای پیرامون سیاهچاله ها در زمان های اولیه باز می کند.

اما این واقعاً JWST است که ما باید در آینده نزدیک آن را تماشا کنیم. با حساسیت آن برای تصویربرداری و نظارت و قابلیت های طیف سنجی برای مشاهده فعالیت سیاهچاله های بسیار ضعیف، ما انتظار داریم که پنج سال آینده واقعاً اعداد سیاهچاله ها را به عنوان اولین کهکشان ها مشخص کنیم.

حتی ممکن است با مشاهده انفجارهای مرتبط با فروپاشی اولین ستارگان دست نخورده، تشکیل سیاهچاله را در عمل ببینیم. مدل ها می گویند این امکان پذیر است، اما مستلزم تلاش هماهنگ و اختصاصی اخترشناسان است.