کهکشان‌های «نقطه قرمز کوچک» که توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب در کیهان اولیه کشف شده‌اند، ظاهراً تحت سلطه سیاه‌چاله‌های ابرپرجرمی هستند که جرمی هزار برابر بیشتر از حد انتظار دارند.
ستاره‌شناسان با استفاده از تلسکوپ جیمز وب موفق به کشف سیاه‌چاله‌های ابرپرجرمی بسیار دور و بسیار عظیم در جهان اولیه شده‌اند. جرم این سیاه‌چاله‌ها نسبت به جرم ستاره‌های کهکشان‌های میزبان آن‌ها بیش از حد زیاد به نظر می‌رسد.
در جهان کنونی و در کهکشان‌های نزدیک به کهکشان راه شیری، سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم معمولاً جرمی برابر با ۰.۰۱٪ جرم ستاره‌ای کهکشان میزبان خود دارند. به‌عبارت‌دیگر، به ازای هر ۱۰,۰۰۰ جرم خورشیدی ستاره‌ها در یک کهکشان، تقریباً یک جرم خورشیدی به سیاهچاله ابرپرجرم مرکزی اختصاص می‌یابد.
در مطالعه‌ای جدید، پژوهشگران به‌صورت آماری محاسبه کردند که سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم در برخی از کهکشان‌های اولیه دیده‌شده توسط تلسکوپ جیمز وب، جرمی برابر با ۱۰٪ جرم ستاره‌ای کهکشان‌های خود دارند. به‌عبارت‌دیگر، به ازای هر ۱۰,۰۰۰ جرم خورشیدی ستاره در هرکدام از این کهکشان‌ها، ۱,۰۰۰ جرم خورشیدی به سیاهچاله ابرپرجرم اختصاص دارد.
«جرم این سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم بسیار زیاد است، در مقایسه با جرم ستاره‌ای کهکشان‌های میزبانشان»، دکتر جوری ماتِی، دانشمند مؤسسه علم و فناوری اتریش (ISTA)، به Space.com گفت. «بر اساس اندازه‌گیری‌های ما، به‌طور سطحی، جرم سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم برابر با ۱۰٪ جرم ستاره‌ای کهکشان‌های مورد مطالعه ماست. در سناریوی افراطی، این بدان معناست که سیاه‌چاله‌ها ۱,۰۰۰ برابر بیش‌ازحد سنگین هستند.»
این کشف می‌تواند ستاره‌شناسان را یک گام به حل معمای چگونگی رشد سریع سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم با جرمی میلیون‌ها یا حتی میلیاردها برابر خورشید در جهان اولیه نزدیک کند.
دکتر ماتِی افزود: «به‌جای این‌که بگوییم این کشف “نگران‌کننده” است، باید گفت که “امیدبخش” است، زیرا این اختلاف بزرگ نشان می‌دهد که ما در آستانه یادگیری چیزی جدید هستیم.»
داستان با «نقاط قرمز کوچک» آغاز می‌شود
از زمانی که تلسکوپ جیمز وب در تابستان ۱۴۰۱ شروع به ارسال داده‌ها به زمین کرد، این تلسکوپ ۱۰ میلیارد دلاری به ستاره‌شناسان کمک کرده است تا درک خود را از کیهان اولیه اصلاح کنند.
این دستاورد شامل کشف سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم با جرمی میلیون‌ها برابر جرم خورشید در زمانی است که جهان کمتر از یک میلیارد سال عمر داشت. این موضوع مشکل‌ساز است، زیرا دانشمندان تخمین زده‌اند که زنجیره‌های ادغام سیاه‌چاله‌ها و بلعیدن ماده اطراف، که به سیاه‌چاله‌ها اجازه می‌دهند به چنین ابعاد عظیمی برسند، بیش از یک میلیارد سال زمان می‌برد.
یکی دیگر از جنبه‌های مهم این بررسی از جهان اولیه توسط جیمز وب، کشف کهکشان‌های «نقطه قرمز کوچک» بوده است. برخی از این کهکشان‌ها فقط ۱.۵ میلیارد سال پس از مهبانگ وجود داشته‌اند، زمانی که سن جهان حدود ۱۱٪ سن کنونی آن بوده است.
این کهکشان‌های اولیه به‌طور شگفت‌انگیزی روشن، رنگ قرمز خود را احتمالاً از گاز و غبار موجود در یک دیسک برافزایشی که ماده را به سمت سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم تغذیه می‌کند، می‌گیرند. این فرایند باعث انتشار مقادیر عظیمی از انرژی الکترومغناطیسی از ناحیه‌ای فشرده به نام هسته کهکشانی فعال (AGN) می‌شود.
دکتر ماتِی گفت: «در سال‌های ۱۴۰۲ و ۱۴۰۳، ما و سایر گروه‌ها یک جمعیت پنهان از AGNها را در جهان اولیه کشف کردیم. نوری که از این اجرام می‌بینیم، به‌ویژه نور قرمزتر، از دیسک‌های برافزایشی اطراف سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم می‌آید. این اجرام به‌عنوان “نقاط قرمز کوچک” شناخته شدند، زیرا در تصاویر جیمز وب به این صورت ظاهر می‌شوند.»
در حال حاضر، این جمعیت کهکشانی اولیه بسیار هیجان‌انگیز، اما همچنان تا حد زیادی ناشناخته است. به‌عنوان‌مثال، در جهان اولیه، نقاط قرمز کوچک به‌نظر می‌رسد که تعدادشان به‌مراتب بیشتر از جمعیت‌های شناخته‌شده قبلی AGNها باشد که از زمین به‌صورت اختروش‌های تغذیه‌شده توسط سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم دیده می‌شدند.
دکتر ماتِی گفت: «نقاط قرمز کوچک همچنین ویژگی‌های بسیار قابل‌توجهی از خود نشان می‌دهند، مانند ضعف در انتشار پرتو ایکس که برای AGNها نسبتاً غیرمعمول است، و همچنین انتشار غیرمعمول در مادون‌قرمز.» وی افزود: «به دلیل این پیچیدگی‌ها، ما در تفسیر نوری که از نقاط قرمز کوچک مشاهده می‌کنیم، دچار مشکل هستیم، و این موضوع باعث می‌شود مطالعه ویژگی‌های آن‌ها بسیار دشوار شود.»
استفاده از نقشه سه‌بعدی دقیق
در همین‌جا کار جدید دکتر ماتِی و همکارانش اهمیت می‌یابد. با استفاده از مجموعه داده‌های چرخه دوم (سال دوم) تلسکوپ جیمز وب، به‌نام بررسی “تمام چیزهای کوچک” (All the Little Things یا ALT)، تیم پژوهشی یک نقشه سه‌بعدی دقیق از تمام کهکشان‌های موجود در یک ناحیه خاص از آسمان ایجاد کرد.
دکتر ماتِی گفت: «در آن ناحیه، ما هفت نقطه قرمز کوچک را شناسایی کرده‌ایم که شبیه به مطالعات قبلی هستند، اما اکنون توانسته‌ایم مکان این نقاط قرمز کوچک را در نقشه سه‌بعدی کهکشان‌ها مقایسه کنیم.»
نقاط قرمز کوچک شناسایی‌شده توسط این تیم در فاصله‌ای قرار دارند که نور آن‌ها حدود ۱۲.۵ میلیارد سال طول کشیده تا به ما برسد. این نقاط در شبکه کیهانی کهکشان‌ها خوشه‌بندی شده‌اند، و موقعیت آن‌ها بسیار مهم است.
نقاط قرمز کوچک: گره‌های کوچک در شبکه کیهانی
موقعیت کهکشان‌ها در شبکه کیهانی به نوع کهکشان‌ها بستگی دارد. کهکشان‌های پیشرفته‌تر و پرجرم‌تر معمولاً در نواحی پرتراکم، مانند گره‌هایی که در آن رشته‌های شبکه به هم می‌رسند، یافت می‌شوند. کهکشان‌های جوان‌تر و کم‌جرم‌تر به‌طور معمول در نواحی کم‌تراکم‌تر شبکه کیهانی و در امتداد رشته‌های انفرادی، دور از گره‌ها قرار دارند.
دکتر ماتِی توضیح داد: «ما دریافتیم که نقاط قرمز کوچک در محیط‌هایی قرار دارند که شبیه به کهکشان‌های جوان و کم‌جرم هستند. این نشان می‌دهد که کهکشان‌های نقاط قرمز کوچک نیز کهکشان‌های کم‌جرم و جوان هستند.»
واقعیت این‌که این کهکشان‌های نقاط قرمز کوچک دارای هسته‌های کهکشانی فعال (AGN) هستند، شواهدی ارائه می‌دهد که نشان می‌دهد سیاه‌چاله‌های اولیه در کهکشان‌هایی با جرم ستاره‌ای حدود ۱۰۰ میلیون برابر خورشید فعالانه در حال رشد بوده‌اند.
رشد سریع سیاه‌چاله‌ها در جهان اولیه
یک توضیح احتمالی این است که سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم در جهان اولیه توانسته‌اند بسیار کارآمدتر از سیاه‌چاله‌های جهان کنونی شکل بگیرند و رشد کنند. این امر ممکن است به دلیل مصرف سریع‌تر گاز و ماده اطراف باشد.
دکتر ماتِی گفت: «به‌نظر من، محتمل‌ترین توضیح این است که رشد سریع سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم به‌وسیله چگالی بالای گاز در کهکشان‌های جهان اولیه تقویت شده است. این چگالی‌ها به‌طور هم‌زمان به چگالی بالای ستاره‌ای منجر می‌شوند که باعث تشکیل سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم از طریق برخوردهای فراری سیاه‌چاله‌های باقی‌مانده می‌شود.»
اگر این فرضیه درست باشد، تشکیل ستاره‌ها و سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم در کهکشان‌ها به‌طور ذاتی به هم مرتبط هستند، و این فرآیندها به یکدیگر وابسته‌اند. هرچند سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم در کهکشان‌های اولیه سریع‌تر رشد می‌کنند، تشکیل ستاره‌ها نیز به‌مرور به آن‌ها می‌رسد و نسبت جرم ۱:۱۰۰ امروزی را به‌وجود می‌آورد.
این موضوع هنوز به‌طور قطعی فرضیه رشد سریع را نسبت به سایر توضیحات، مانند ایده رشد سیاه‌چاله‌ها از «بذرهای عظیم» ناشی از فروپاشی مستقیم ابرهای بزرگ گاز و غبار، تأیید نمی‌کند.
دکتر ماتِی همچنین افزود که اکنون نظریه‌پردازان به سختی می‌توانند از جرم کم کهکشان‌های میزبان هنگام بررسی نظریه‌های رقیب چشم‌پوشی کنند.
گام‌های بعدی
گام‌های بعدی برای تیم تحقیقاتی و جامعه نجومی گسترده‌تر شامل حذف احتمال خطا در اندازه‌گیری‌ها یا سوگیری انتخابی است که ممکن است به نفع سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم بسیار فعال و پرجرم‌تر عمل کرده باشد.
این کار احتمالاً شامل کشف کهکشان‌های بیشتری از نوع نقاط قرمز کوچک خواهد بود، تلاشی که تلسکوپ جیمز وب بدون شک در مرکز آن قرار خواهد داشت.
دکتر ماتِی در پایان گفت: «تلسکوپ جیمز وب از دو جهت اهمیت زیادی داشته است: بدون آن، ما نمی‌توانستیم این جمعیت‌های کم‌نور از AGNها را کشف کنیم. همچنین، بدون جیمز وب، نمی‌توانستیم نقشه سه‌بعدی دقیقی از توزیع کهکشان‌ها تهیه کنیم که برای استنتاج ویژگی‌های کهکشان‌های میزبان AGNها به کار بردیم. این یک زمینه تحقیقاتی بسیار هیجان‌انگیز است!»
تحقیقات تیم هنوز در یک مجله علمی معتبر داوری نشده است و در حال حاضر در پایگاه مقالات arXiv منتشر شده است.
