تقریباً تمام کهکشانها دارای سیاهچالههای ابرپرجرم هستند و بسیاری از آنها بسیار بزرگتر از سیاهچالهی راه شیریاند. بهعنوان مثال، سیاهچالهی غولآسای کهکشان بیضوی M87 جرمی حدود ۶.۵ میلیارد برابر خورشید دارد، و بزرگترین سیاهچالههای شناختهشده در جهان حتی به ۴۰ میلیارد برابر جرم خورشید نیز میرسند. ما از وجود این هیولاهای کیهانی آگاهیم، اما پرسش اصلی همچنان باقی است:
این غولها چگونه به وجود آمدهاند؟
یکی از نظریههای پذیرفتهشده این است که سیاهچالههای ابرپرجرم در طی زمان، از ادغام سیاهچالههای کوچکتر شکل گرفتهاند. بر اساس ساختار کیهانشناسی کنونی، جهان از مادهی تاریک و انرژی تاریک تشکیل شده که باعث شده کهکشانها در قالب خوشههایی جدا از هم، در میان فضای خالی یا «خلأهای کیهانی» شکل بگیرند. با گذشت زمان، این خلأها بزرگتر میشوند و کهکشانها در نواحی خاصی به هم نزدیک شده و سرانجام با یکدیگر ادغام میشوند. وقتی که دو کهکشان با هم یکی میشوند، سیاهچالههای مرکزی آنها نیز با هم ترکیب میشوند و سیاهچالههای ابرپرجرم امروزی را پدید میآورند.
اما این فرایند به زمان زیادی نیاز دارد. اگر این مدل درست باشد، باید در کهکشانهای بسیار دور (و در نتیجه جوانتر)، تنها سیاهچالههایی با جرمهای کوچکتر، مثلاً در حدود یک میلیون جرم خورشیدی وجود داشته باشند. در حالی که سیاهچالههای میلیاردی باید تنها در جهان کنونی، یعنی پس از میلیاردها سال رشد، پدیدار شوند.
اما تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) شواهدی بهدست آورده که این تصور را کاملاً زیر سؤال میبرد. مشاهدات نشان دادهاند که در بسیاری از کهکشانهای بسیار دور و قدیمی، سیاهچالههایی با جرم بیش از یک میلیارد خورشید وجود دارند — در زمانی که عمر جهان تنها نیم میلیارد سال بوده است. وجود چنین غولهایی در آن دوران اولیه، با مدلهای فعلی کاملاً ناسازگار است.
شاید بپرسید چرا؟ مگر نه اینکه در جهان آغازین، چگالی ماده بسیار زیاد بوده و سیاهچالهها باید فرصت کافی برای تغذیه و رشد سریع داشته باشند؟
مشکل در پدیدهای به نام حد ادینگتون (Eddington Limit) نهفته است. زمانی که ماده بهسمت سیاهچاله کشیده میشود، بر اثر اصطکاک و فشردگی، تبدیل به پلاسماهایی بسیار داغ و پرانرژی میشود. این پلاسما با ایجاد فشار تابشی، مانع ورود مادهی بیشتر به سیاهچاله میشود. در نتیجه، سرعت رشد سیاهچاله محدود میشود — و این حد بالای رشد، همان حد ادینگتون است.
به بیان سادهتر، سیاهچاله نمیتواند از مقدار مشخصی سریعتر رشد کند. این محدودیت باعث میشود نتوانیم توضیح دهیم که چگونه سیاهچالههای اولیه توانستهاند در مدت کوتاهی به این جرمهای غولآسا برسند.
اما یک نکتهی کلیدی وجود دارد:
جهان اولیه کاملاً متفاوت از جهان امروز بود.
آیا ممکن است حد ادینگتون در آن زمان صدق نمیکرده است؟
این دقیقاً همان پرسشی است که پژوهشگران در مقالهای جدید در پایگاه علمی arXiv مطرح کردهاند.
در این پژوهش، دانشمندان با استفاده از مدلهای هیدرودینامیکی بسیار پیشرفته، شکلگیری سیاهچالهها را در دوران موسوم به عصر تاریک کیهانی (Cosmic Dark Age) بررسی کردند. این دوره زمانی بود که پس از سرد شدن الکترونها و هستهها و تشکیل اتمها، اما پیش از یونش مجدد (Reionization) رخ داد — یعنی قبل از آنکه نخستین ستارگان شکل بگیرند و دوباره جهان را با نور خود روشن کنند.
دانشمندان میدانند که در این بازهی زمانی، نخستین کهکشانها در حال شکلگیری بودند، بنابراین منطقی است که تصور کنیم نخستین سیاهچالهها نیز در همان دوران پدید آمدهاند.
اعتبار تصویر: وو و همکاران
نتایج شبیهسازیها بسیار جالب بود. پژوهشگران دریافتند که در جهان اولیه، دورهای موسوم به رشد فوقادینگتونی (Super-Eddington Phase) وجود داشته است. در این مرحله، چگالی محیط آنقدر زیاد بوده که پلاسمای داغ اطراف سیاهچاله نمیتوانسته منطقه را تخلیه کند.
در نتیجه، سیاهچالهها میتوانستند سریعتر از حد امروزی رشد کنند. با این حال، این رشد بیوقفه تا حدی ادامه مییافت — تقریباً تا زمانی که جرم سیاهچاله به ۱۰ هزار جرم خورشیدی میرسید. پس از آن، حلقهی بازخورد ادینگتون دوباره فعال میشد و رشد به همان حد طبیعی محدود میگشت.
نکتهی مهمتر این است که این رشد سریعِ موقتی، در درازمدت تفاوت چندانی ایجاد نمیکند.
حتی اگر سیاهچالهای از همان ابتدا با سرعت کمتر و طبق حد ادینگتون رشد کند، در نهایت، با گذشت زمان کافی، میتواند به همان جرم برسد. پژوهشگران این موضوع را با یک مثال ورزشی جالب توضیح میدهند:
«یوسِین بولت» ممکن است در دوی صد متر سریعتر باشد، اما در یک ماراتن طولانی، در نهایت الیود کیپچوگه از او پیشی میگیرد. به بیان دیگر، سرعت اولیه مهم است، اما پایداری در مسیر اهمیت بیشتری دارد.
بنابراین، نتایج این پژوهش نشان میدهد که رشد فوقادینگتونی بهتنهایی نمیتواند پیدایش سیاهچالههای میلیاردی در جهان آغازین را توضیح دهد. از سوی دیگر، مدل ادغام کهکشانی نیز قادر نیست چنین جرمهای عظیمی را در زمانی به این کوتاهی بسازد.
به همین دلیل، پژوهشگران احتمال دیگری را مطرح کردهاند:
شاید این سیاهچالههای ابرپرجرم از همان آغاز، یعنی در دوران تورم کیهانی (Inflationary Era)، با جرمهای بزرگی متولد شدهاند — به عبارت دیگر، از دانههای اولیهی سیاهچاله (Seed Black Holes) که بلافاصله پس از مهبانگ شکل گرفتند.
اگر این فرضیه درست باشد، جهان اولیه نهتنها زادگاه کهکشانها و ستارگان، بلکه مهد تولد بزرگترین موجودات کیهانی نیز بوده است.
سیاهچالههایی که در نخستین میلیارد سال عمر جهان شکل گرفتند، شاید همان «هستههای تاریک»ی باشند که بعدها ساختارهای عظیم کیهانی را در اطراف خود شکل دادند — از کهکشانهای بیضوی غولآسا گرفته تا خوشههای کهکشانی که امروز در سراسر کیهان پراکندهاند.
در نهایت، این پژوهش دیدگاه تازهای به ما میدهد:
سیاهچالههای ابرپرجرم نهتنها محصول ادغامهای دیرهنگام نیستند، بلکه میتوانند میراث مستقیمِ دوران آغازین کیهان باشند؛ دورهای که در آن قوانین فیزیک، دما و چگالی با آنچه امروز میشناسیم بسیار متفاوت بود.
در دل تاریکی مطلق و پیش از پیدایش نخستین نورها، شاید دانههای اولیهی این هیولاهای کیهانی کاشته شده باشند — دانههایی که هنوز هم در قلب کهکشانها میتپند و رازهای عمیق پیدایش جهان را در خود پنهان کردهاند.