این هدف از همان ابتدا در طراحی و مأموریت تلسکوپ وب در نظر گرفته شده بود: ثبت تصاویری با وضوح بالا از نخستین کهکشانهای عالم تا دانشمندان بتوانند روند تحول و تکامل آنها را در طول میلیاردها سال بهتر درک کنند. بخشی اساسی از این هدف، مطالعهی سیاهچالههای پرجرم در آغاز کیهان است؛ همانهایی که با گذر زمان رشد کرده و به سیاهچالههای ابرپرجرم (SMBH) کنونی در مرکز کهکشانها تبدیل شدهاند.
اما در کمال شگفتی، مشاهدات اولیهی وب نشان داد که در جهان اولیه، جمعیتی از کهکشانها و سیاهچالهها وجود داشتهاند که بسیار بزرگتر از پیشبینی مدلهای کیهانشناسی بودند. این یافتهی غیرمنتظره سبب شد نظریههای تازهای دربارهی چگونگی شکلگیری سریع کهکشانها و سیاهچالههای پرجرم در نخستین میلیارد سال کیهان مطرح شود.
در مطالعهای جدید، گروهی بینالمللی از پژوهشگران دو کهکشان را بررسی کردند که در مرکز خود سیاهچالههایی عظیم داشتند و حدود ۱۲٫۹ میلیارد سال پیش (یعنی تنها یک میلیارد سال پس از مهبانگ) وجود داشتهاند. نتایج این پژوهش بینشهای تازهای در اختیار ما میگذارد دربارهی اینکه چگونه این «غولهای گرانشی» توانستهاند مسیر تحول کهکشانهای اولیه را شکل دهند.
این تحقیق را «ماسافوسا اونوه» (Masafusa Onoue) استادیار مؤسسهی مطالعات پیشرفتهی واسِدا (WIAS) و «ژوهِنگ دینگ» (Xuheng Ding)، استاد دانشگاه ووهان، رهبری کردند. شماری از اعضای تیم نیز از پژوهشگران مؤسسهی کاولی برای فیزیک و ریاضیات کیهان (IMPU) بودند و با همکارانی از مؤسسهی کاولی در MIT برای اخترفیزیک و پژوهشهای فضایی، مرکز پژوهشهای فضا و تحول کیهانی، مرکز سپیدهدم کیهانی (DAWN)، مؤسسهی ماکس پلانک برای نجوم، مؤسسهی ماکس پلانک برای اخترفیزیک، رصدخانهی ملی ژاپن (NAOJ)، سازمان فضایی ژاپن (JAXA)، و چندین دانشگاه و مؤسسهی علمی دیگر در سراسر جهان همکاری داشتند.
از دههی ۱۹۵۰، دانشمندان به مجموعهای از کشفیات دست یافتند که نشان میداد در مرکز کهکشانهای پرجرم، سیاهچالههای ابرپرجرم وجود دارند. نخستین نشانهی این موضوع از کشف منابع درخشان رادیویی در فضا بهدست آمد که به آنها «اجرام شبهستارهای» یا اختروش (quasar) گفته شد. بررسیهای دقیقتر نشان داد این اجرام در واقع هستههای فعال کهکشانها هستند که به دلیل درخشندگی زیاد خود قابل مشاهدهاند؛ به همین دلیل اصطلاح «هستهی کهکشانی فعال» یا AGN برای توصیف آنها رواج یافت. از دههی ۱۹۷۰ به بعد مشخص شد که در مرکز این هستههای فعال، اجرامی بسیار متراکم وجود دارند که همان سیاهچالهها هستند، با جرمهایی بین چند صد هزار تا صدها میلیارد برابر جرم خورشید.
مطالعهی اختروشها به اخترشناسان کمک میکند که کهکشانهای بسیار دور را شناسایی کرده و نحوهی تحول شکل و رفتار آنها را در گذر زمان بررسی کنند. مشاهدات اختروشهای نزدیکتر به کهکشان راه شیری نیز نشان داده است که میان جرم کهکشان و سیاهچالهی مرکزی آن ارتباط تنگاتنگی وجود دارد؛ گویی هر دو بهصورت همزمان تکامل یافتهاند. با وجود این پیشرفتها، هنوز پرسشهای اساسی دربارهی رابطهی میان سیاهچالهها و کهکشانهای میزبانشان بیپاسخ مانده است. به همین دلیل، اخترشناسان مشتاقاند که کهکشانها را همانگونه که در جهان اولیه (کمتر از یک میلیارد سال پس از مهبانگ) بودهاند، مشاهده کنند.
در این پژوهش، تیم تحقیقاتی بر دو اختروش بسیار دور تمرکز کرد: J2236+0032 و J1512+442. این دو، از دورترین اختروشهای شناختهشده هستند که نخستین بار توسط تلسکوپ سوبارو در هاوایی و در قالب برنامهی Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program (HSC-SSP) شناسایی شدند. پس از آن، این اختروشها با ابزار طیفسنج فروسرخ نزدیک وب (NIRSpec) مورد مشاهدهی دقیقتر قرار گرفتند. دادههای بهدستآمده نشان داد که کهکشانهای مادر این اختروشها تا ۱۲٫۹ میلیارد سال پیش به جرمهایی در حدود ۴۰ تا ۶۰ میلیارد برابر جرم خورشید رسیده بودند — رشد خیرهکنندهای، با توجه به اینکه در آن زمان کل جهان تنها حدود ۸۰۰ میلیون سال عمر داشت.
این یافتهها برای دانشمندان بسیار غافلگیرکننده بود، زیرا بر اساس تحقیقات پیشین، سیاهچالههای ابرپرجرم معمولاً رشد کهکشان میزبان را مهار میکنند و مانع شکلگیری ستارگان جدید میشوند؛ فرایندی که به آن خاموشی یا quenching میگویند. تصور میشد که همین پدیده باعث میشود کهکشانهایی که با نرخ بالایی ستارهسازی میکنند (معروف به «کهکشانهای فوران ستارهای» یا starburst) به مرور خاموش و آرام شوند. با این حال، اونوه در بیانیهای از مؤسسهی IMPU گفت:
«اینکه چنین کهکشانهای بالغی را در جهانی که کمتر از یک میلیارد سال از عمرش میگذرد ببینیم، کاملاً غیرمنتظره بود. شگفتانگیزتر اینکه این کهکشانهای در حال مرگ هنوز میزبان سیاهچالههای ابرپرجرم فعال هستند!»
اهمیت این کشف در آن است که نشان میدهد سیاهچالههای ابرپرجرم چگونه بر رشد سریعترین کهکشانهای آغازین کیهان اثر گذاشتهاند. این یافتهها به ما در درک بهتر تاریخچهی رشد کهکشانها کمک میکند و میتواند سرنخهایی تازه دربارهی برخی از رازهای بزرگ کیهانشناسی — مانند مادهی تاریک و انرژی تاریک — در اختیار دانشمندان بگذارد.
پژوهشگران امیدوارند با ادامهی تحلیل دادههای تلسکوپ وب و انجام مشاهدات بیشتر، بتوانند درک دقیقتری از پویایی سیاهچالههای ابرپرجرم و کهکشانهای میزبان آنها در دوران اولیهی عالم بهدست آورند. شاید پاسخ بسیاری از پرسشهای بنیادین دربارهی منشأ ساختارهای کیهانی و تحول آنها در همین اعماق تاریک و دوردست نهفته باشد؛ جایی که نور نخستین کهکشانها هنوز پس از میلیاردها سال به سوی ما میتابد و داستان پیدایش جهان را روایت میکند. ✨