وقتی تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) آغاز به کار کرد، نخستین تصاویر مستقیم از دوره‌ای را به ما نشان داد که اخترشناسان آن را سپیده‌دم کیهانی (Cosmic Dawn) می‌نامند. این دوره کیهانی در فاصله حدود ۵۰ میلیون تا یک میلیارد سال پس از مهبانگ (Big Bang) روی داد؛ زمانی که نخستین ستارگان و کهکشان‌ها در جهان شکل گرفتند. آنچه وب از این دوران آشکار کرد، هم موجب شگفتی و هم مایه حیرت دانشمندان شد.
وب نه تنها شمار زیادی از «نقاط قرمز کوچک» (Little Red Dots) یا همان کهکشان‌های بسیار پرنور و سرخ را ثبت کرد، بلکه نشانه‌هایی از «دانه‌های اولیه» یا بذرهای تشکیل سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم (SMBHs) را نیز مشاهده نمود.
این یافته‌ها با مدل‌های پذیرفته‌شده کیهان‌شناسی همخوانی نداشتند؛ چراکه این کهکشان‌های جوان و سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم، بیش از حد بزرگ به نظر می‌رسیدند تا در کمتر از یک میلیارد سال پس از مهبانگ شکل گرفته باشند. همین مسئله دانشمندان را وادار کرد تا نظریه‌های تازه‌ای در مورد شکل‌گیری ستارگان و سیاه‌چاله‌ها در عصر سپیده‌دم کیهانی ارائه دهند.
در یک پژوهش نظری تازه، جاناتان تان (Jonathan Tan)، اخترفیزیک‌دان دانشگاه ویرجینیا، چارچوبی جامع برای تولد سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم پیشنهاد کرده است. این مدل نشان می‌دهد که این سیاه‌چاله‌ها ممکن است به‌عنوان بقایای نخستین ستارگان جهان متولد شده باشند.
تان استاد پژوهشی در دانشکده هنر و علوم دانشگاه ویرجینیا و همچنین استاد در دانشگاه فناوری چالمرز در سوئد است. مقاله‌ای که او در آن «نظریه Pop III.1» را مطرح کرده، اخیراً در نشریه Astrophysical Journal Letters منتشر شده است. این نظریه نه تنها راهی برای توضیح پیدایش بذرهای سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم ارائه می‌دهد، بلکه می‌تواند درک ما از دوره‌ای به نام عصر یونش مجدد (Epoch of Reionization) را متحول سازد.
از دوران تاریک کیهانی تا پیدایش ستارگان نخستین
بر اساس پذیرفته‌شده‌ترین مدل کیهان‌شناسی، یعنی لامبدا-ماده تاریک سرد (ΛCDM)، اندکی پس از مهبانگ، جهان در تاریکی فرو رفت. این دوره به نام عصر تاریک کیهانی شناخته می‌شود. در این زمان، جهان آکنده از هیدروژن خنثی بود و تنها منبع نور، فوتون‌های بازمانده از مهبانگ، یعنی همان تابش زمینه کیهانی (CMB) بودند.
تنها زمانی که ستارگان نخستین ـ معروف به جمعیت سوم (Population III) ـ پدیدار شدند، پرتوهای فرابنفش آزادشده از آن‌ها موجب یونش دوباره هیدروژن شد و جهان بار دیگر روشن گردید. این ستارگان نخستین بسیار پرجرم، درخشان و کوتاه‌عمر بودند و نور آن‌ها سرآغاز عصر یونش مجدد بود؛ دوره‌ای که از حدود ۳۸۰ هزار سال تا یک میلیارد سال پس از مهبانگ ادامه یافت.
دانشمندان سال‌ها می‌دانستند که در مرکز بیشتر کهکشان‌های بزرگ، سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم حضور دارند و نقش مهمی در تکامل کهکشان‌ها ایفا می‌کنند. مدت‌ها این فرضیه وجود داشت که چنین سیاه‌چاله‌هایی در همان کیهان آغازین به وجود آمده و جزئی از نخستین کهکشان‌ها بوده‌اند. مشاهدات وب این فرضیه را تأیید کرد. با این حال، مسئله اصلی آن بود که این سیاه‌چاله‌های آغازین بسیار بزرگ‌تر از آن چیزی بودند که مدل استاندارد کیهان‌شناسی اجازه می‌داد. همین کشف، بحث‌های تازه‌ای را درباره چگونگی شکل‌گیری این هیولاهای گرانشی برانگیخت.
دو دیدگاه اصلی درباره پیدایش سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم
۱. گروهی از دانشمندان معتقد بودند که این سیاه‌چاله‌ها از بقایای ستارگان جمعیت سوم شکل گرفته‌اند؛ یعنی ستارگان بسیار پرجرمی که پس از مرگ، در اثر فروپاشی گرانشی به سیاه‌چاله تبدیل شده‌اند.
- گروه دیگر فرضیه‌ای به نام سیاه‌چاله‌های فروپاشی مستقیم (Direct Collapse Black Holes – DCBHs) را مطرح کردند. بر اساس این ایده، ابرهای عظیم گاز و غبار بدون آنکه ابتدا به ستاره تبدیل شوند، به طور مستقیم فروپاشیده و به سیاه‌چاله کلان‌جرم بدل شده‌اند.
مدل تازه تان، یعنی Pop III.1، به وضوح از فرضیه فروپاشی مستقیم پشتیبانی می‌کند. او در بیانیه‌ای مطبوعاتی توضیح داد که این مدل می‌تواند پیامدهای عمیقی برای بخش‌های گوناگون کیهان‌شناسی داشته باشد:
«مدل ما می‌گوید که ستارگان فوق‌العاده پرجرم، که پیش‌ستاره‌های سیاه‌چاله‌ها بودند، به سرعت گاز هیدروژن کیهان را یونیزه کرده‌اند. تولد آن‌ها با درخشش‌های شدیدی همراه بود که تمام فضا را پر کرد. جالب اینجاست که این مرحله اضافی از یونش، بسیار زودتر از یونشی که توسط کهکشان‌های عادی رخ داد، به وقوع پیوسته است. همین پدیده می‌تواند برخی تناقض‌ها و مسائل اخیر کیهان‌شناسی را حل کند؛ از جمله “تنش هابل”، “انرژی تاریک پویا” و حتی تمایل برخی مدل‌ها به “جرم منفی برای نوترینوها”. ارتباطی که ما در ابتدا انتظارش را نداشتیم، اما ممکن است به طرز شگفت‌انگیزی مهم باشد.»
شواهد و پیامدهای مدل جدید
شواهدی برای پشتیبانی از وجود سیاه‌چاله‌های فروپاشی مستقیم پیش‌تر هم وجود داشت؛ به‌ویژه کوازارهای عجیب و غریبی که تنها ۵۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ شناسایی شدند. اما اکنون، به لطف تلسکوپ جیمز وب، اخترشناسان برای نخستین بار نشانه‌های مستقیم این سیاه‌چاله‌های آغازین را مشاهده می‌کنند.
ریچارد الیس، یکی از برجسته‌ترین کیهان‌شناسان رصدی و استاد اخترفیزیک در دانشگاه کالج لندن، درباره مدل تان چنین می‌گوید:
«پروفسور تان مدلی زیبا و قانع‌کننده ارائه داده که می‌تواند یک فرآیند دو مرحله‌ای در تولد ستارگان و یونش کیهان را توضیح دهد. ممکن است نخستین ستارگان تنها در یک درخشش کوتاه و باشکوه شکل گرفته و سپس نابود شده باشند ـ به این معنا که آنچه اکنون با تلسکوپ جیمز وب می‌بینیم، در واقع موج دوم تولد ستارگان باشد. جهان، همان‌طور که پیداست، هنوز هم پر از شگفتی است.»
جمع‌بندی
پژوهش تازه تان، تصویری کاملاً نو از چگونگی پیدایش نخستین سیاه‌چاله‌ها در جهان ترسیم می‌کند. اگر این مدل درست باشد، باید بپذیریم که جهان در نخستین صدها میلیون سال خود شاهد تولد ستارگانی فوق‌العاده پرجرم و درخشان بوده که به سرعت نابود شدند و به سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم اولیه بدل گشتند. همین سیاه‌چاله‌ها بعدها هسته کهکشان‌های بزرگ را شکل دادند و مسیر تکامل کیهان را تعیین کردند.
از همه مهم‌تر، این نظریه می‌تواند به پرسش‌های اساسی دیگری نیز پاسخ دهد؛ از جمله معماهایی چون تنش هابل یا ماهیت انرژی تاریک. شاید جهان ما هنوز در حال فاش‌کردن اسراری است که می‌تواند تمام چارچوب‌های کیهان‌شناسی کنونی را دگرگون کند.
