سیاه‌چاله‌ها چگونه این‌قدر سریع رشد کردند؟

هیولای مرکزی کهکشان ما جرمی معادل میلیون‌ها خورشید دارد، درحالی‌که برخی از بزرگ‌ترین سیاه‌چاله‌های فوق‌عظیم می‌توانند جرمی بیش از یک میلیارد خورشید داشته باشند. سال‌ها تصور می‌شد که این سیاه‌چاله‌ها به مرور زمان رشد کرده و تنها پس از گذشت یک میلیارد سال یا بیشتر به اندازه کنونی خود رسیده‌اند. اما مشاهدات تلسکوپ وب نشان می‌دهد که حتی جوان‌ترین کهکشان‌ها نیز حاوی سیاه‌چاله‌های عظیمی هستند. پس چگونه سیاه‌چاله‌های فوق‌عظیم توانستند این‌قدر سریع رشد کنند؟ کلید پاسخ ممکن است در جت‌های قدرتمندی باشد که سیاه‌چاله‌ها تولید می‌کنند.

هرچند این موضوع متناقض به نظر می‌رسد، اما بلعیدن ماده و رشد کردن برای سیاه‌چاله‌ها دشوار است. کشش گرانشی سیاه‌چاله بسیار قوی است، اما مواد اطراف آن بیشتر احتمال دارد که در مدار چاه گرانشی به دام بیفتند تا اینکه مستقیم وارد آن شوند. برای ورود به یک سیاه‌چاله، مواد باید به اندازه کافی سرعت خود را کاهش دهند تا به درون آن سقوط کنند. هنگامی که یک سیاه‌چاله جتی از مواد با سرعت بالا از منطقه قطبی خود خارج می‌کند، این پلاسما با سرعت بالا می‌تواند حرکت چرخشی مواد اطراف را کاهش دهد و به این ترتیب آن‌ها را قادر به سقوط به درون سیاه‌چاله کند. به همین دلیل، سیاه‌چاله‌هایی که جت‌های قدرتمندی دارند، بیشترین رشد را نیز تجربه می‌کنند.

ما می‌توانیم سیاه‌چاله‌های سریع‌الرشد بسیاری را در جهان دوردست به شکل کوازارها یا هسته‌های فعال کهکشانی مشاهده کنیم. از این رو می‌دانیم که در دوران میانی کیهان، بسیاری از سیاه‌چاله‌های فوق‌عظیم به سرعت در حال افزایش جرم بودند. یک نظریه این است که جوان‌ترین سیاه‌چاله‌های فوق‌عظیم نیز جت‌های فعالی داشتند که به آن‌ها اجازه می‌دادند به سرعت جرمی معادل یک میلیون خورشید یا بیشتر کسب کنند. اما اثبات این موضوع دشوار است.

مشکل اینجاست که مشاهده جت‌های دوران اولیه کیهان بسیار دشوار است. نوری که از آن دوران دور به ما می‌رسد، به قدری انتقال به سرخ یافته که تابش درخشان اولیه آن به شکل نور رادیویی کم‌فروغ درآمده است. پیش از این مطالعه اخیر، دورترین جتی که مشاهده کرده بودیم، دارای انتقال به سرخ z = 6.1 بود، به این معنا که این نور برای نزدیک به ۱۲.۸ میلیارد سال به ما رسیده است. در این مطالعه جدید، تیمی یک بلیزار با انتقال به سرخ z = 7.0 کشف کرد، به این معنا که این پدیده مربوط به زمانی است که کیهان تنها ۷۵۰ میلیون سال قدمت داشت.

بلیزار زمانی رخ می‌دهد که جت یک سیاه‌چاله فوق‌عظیم مستقیماً به سمت ما نشانه گرفته باشد. ازآنجاکه ما مستقیماً به داخل پرتو نگاه می‌کنیم، جت را در قوی‌ترین حالت خود مشاهده می‌کنیم. بلیزارها معمولاً به ما امکان می‌دهند شدت واقعی جت را محاسبه کنیم، اما در این مورد، انتقال به سرخ بسیار قوی است و نتیجه‌گیری ما باید اندکی محتاطانه باشد.

یک احتمال این است که جت این سیاه‌چاله فوق‌عظیم واقعاً مستقیماً به سمت ما نشانه رفته است. بر این اساس، این سیاه‌چاله آن‌قدر سریع رشد می‌کند که به راحتی در اولین میلیارد سال عمر کیهان، جرمی معادل بیش از یک میلیون خورشید کسب می‌کند. اما بسیار نادر است که جت یک سیاه‌چاله از چنین فاصله‌ای دقیقاً به سمت ما نشانه رود. بنابراین، به لحاظ آماری، این بدان معناست که بسیاری سیاه‌چاله‌های اولیه دیگر نیز به همان اندازه فعال و در حال رشد سریع هستند، اما به گونه‌ای تنظیم نشده‌اند که ما آن‌ها را مشاهده کنیم.

احتمال دیگر این است که بلیزار به طور دقیق به سمت ما نشانه نرفته باشد، اما گسترش کیهان طی ۱۲.۹ میلیارد سال انرژی آن را به سمت ما متمرکز کرده باشد. به عبارت دیگر، ممکن است بلیزار به دلیل نسبیت کیهانی پرانرژی‌تر از واقعیت به نظر برسد. اما اگر چنین باشد، جت این سیاه‌چاله کمتر پرانرژی است اما همچنان قدرتمند است. به لحاظ آماری، این بدان معناست که اکثر سیاه‌چاله‌های اولیه به همان اندازه قدرتمند هستند.

بنابراین، این پژوهش اخیر نشان می‌دهد که یا درصدی از سیاه‌چاله‌های اولیه بسیار سریع به هیولاهایی بزرگ تبدیل شدند، یا اینکه بیشتر سیاه‌چاله‌ها سریع رشد کردند، حتی در زمانی که از حد مشاهدات ما فراتر می‌رود. در هر صورت، مشخص است که سیاه‌چاله‌های اولیه جت‌هایی ایجاد کردند و این جت‌ها به ظهور سیاه‌چاله‌های فوق‌عظیم اولیه در زمان کوتاه کمک کردند.