سیاه‌چاله‌ای که از فروپاشی ستاره‌ای تشکیل نشده است 

سیاه‌چاله موجود در نقطه قرمز کوچک (LRD) Abell 2744-QSO1 که توسط JWST در اوایل جهان (حدود ۷۰۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ) مشاهده شده است، یک سیاه‌چاله فوق‌سنگین است که بدون کهکشان بسیار بزرگتری برای تغذیه به اندازه فعلی خود رسیده است. طبق مدل استاندارد تکامل ستاره‌ای، سیاه‌چاله‌ها از مرگ ستارگان بزرگتر در پایان دوره زندگی خود، زمانی که در نتیجه فروپاشی هسته ستاره‌ای، سوخت آنها تمام می‌شود، تشکیل می‌شوند. این سیاه‌چاله‌ها با تغذیه از ماده یک کهکشان بسیار بزرگتر، از نظر اندازه رشد می‌کنند. سیاه‌چاله نقطه قرمز کوچک QSO1 در این چارچوب قرار نمی‌گیرد و جدید است. این سیاه‌چاله مستقیماً بدون تکامل استاندارد ستاره‌ای تشکیل شده است، یعنی یک بقایای ستاره‌ای نیست. از فروپاشی هسته یک ستاره بزرگ در حال مرگ. در عوض، یا یک سیاهچاله فروپاشی مستقیم (DCBH) یا یک سیاهچاله اولیه (PBH) است. سیاهچاله‌هایی که از فروپاشی ستاره‌ای تشکیل نشده‌اند، قبلاً نظریه‌پردازی شده بودند. این مدرکی از سیاهچاله‌ای است که از طریق فرآیندی فراتر از استاندارد تشکیل شده است. تکامل ستاره‌ای.  

سیاه‌چاله چگونه تشکیل می‌شود؟ طبق مدل استاندارد تکامل ستارگان، سیاه‌چاله‌ها محصولات مرحله نهایی تکامل ستارگان عظیم هستند. ستارگان با گذشت زمان دستخوش تغییراتی می‌شوند. 

زندگی یک ستاره در ابرهای بزرگ بین ستاره‌ای گاز و غبار در کهکشان با تجمع گازها به دلیل دمای پایین تا چگالی بالا آغاز می‌شود. این توده‌ها به تدریج ماده بیشتری را جمع کرده و رشد می‌کنند. در مقطعی، توده‌ها به دلیل افزایش نیروی گرانشی به سمت داخل، فرو می‌ریزند. اصطکاک در طول فروپاشی، ماده را گرم می‌کند و یک ستاره نوزاد متولد می‌شود. این مرحله پیش‌ستاره در چرخه زندگی ستاره‌ای است. فروپاشی گرانشی همچنان ادامه می‌یابد و منجر به افزایش تدریجی دما و فشار در هسته پیش‌ستاره می‌شود. در زمان مناسب، دما و فشار به اندازه‌ای بالا می‌رود که به هسته‌های هیدروژن اجازه همجوشی می‌دهد. همجوشی هسته‌ای مقدار زیادی انرژی آزاد می‌کند که ماده را به اندازه کافی گرم می‌کند تا از فروپاشی بیشتر تحت گرانش جلوگیری شود. این «مرحله توالی اصلی» ستاره است. هیدروژن سوخت اصلی است. 

وقتی سوخت تمام می‌شود، همجوشی هسته‌ای متوقف می‌شود و دیگر انرژی برای گرم کردن مواد و متعادل کردن نیروی گرانش به سمت داخل وجود ندارد و هسته فرو می‌ریزد و یک بقایای فشرده از خود به جا می‌گذارد. این پایان ستاره است. ستاره مرده یا بقایای فشرده یا یک کوتوله سفید است، یا یک ستاره نوترونی، یا ... سیاه چاله بسته به جرم ستاره اصلی. ستارگان سنگین‌تر از ۲۰ جرم خورشیدی (>۲۰ جرم خورشید) در پایان تکامل ستاره‌ای، زمانی که سوختشان تمام می‌شود، به سیاه‌چاله تبدیل می‌شوند. این روش استاندارد است - ستاره‌ها و کهکشان‌ها ابتدا تشکیل می‌شوند و سیاه‌چاله‌ها بعداً به عنوان مرحله پایانی تکامل ستاره‌ای تشکیل می‌شوند. جرم چنین سیاه‌چاله‌هایی بسیار کمتر از جرم کلی کهکشان است. 

تشکیل غیر ستاره‌ای سیاهچاله‌ها

آیا سیاهچاله‌ها می‌توانند از راه‌هایی غیر از فروپاشی هسته ستاره‌ای تشکیل شوند؟ دو کانال تشکیل «غیرستاره‌ای» به صورت نظری مطرح شده‌اند. 

در جهان اولیه، یک ابر گازی اولیه بزرگ ممکن است مستقیماً به یک سیاه‌چاله فرو بریزد و از تشکیل و تکامل عادی ستاره‌ها عبور کند و چیزی را ایجاد کند که ما آن را سیاه‌چاله‌های فروپاشی مستقیم (DCBH) می‌نامیم. سیاه‌چاله‌های فرضی دیگری که مستقیماً و بدون دخالت تکامل استاندارد ستاره‌ای تشکیل شده‌اند، سیاه‌چاله‌های اولیه (PBH) هستند. PBHها یادگارهایی از انفجار بزرگ هستند که در نوسانات شدید چگالی جهان اولیه، اندکی پس از انفجار بزرگ، تشکیل شده‌اند. 

سیاه‌چاله‌هایی که از طریق کانال‌های «غیرستاره‌ای» تشکیل می‌شوند، فقط در حد نظریه هستند، بنابراین فرضیه محسوب می‌شوند. اما با پرتاب JWST در دسامبر ۲۰۲۱، یک رصدخانه فضایی مادون قرمز که به مطالعه جهان اولیه اختصاص دارد، اوضاع به سرعت شروع به تغییر کرد.

تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) مطالعه جهان اولیه را متحول می‌کند 

JWST مشاهدات متعددی انجام داده است که درک ما از جهان اولیه را به چالش می‌کشد. مشاهده کهکشان JADES-GS-z14-0 با انتقال به سرخ ۱۴.۳۲ که آن را به دورترین کهکشان شناخته شده تبدیل می‌کند. این کهکشان در جهان اولیه حدود ۲۹۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ تشکیل شد، با این حال یک کهکشان بزرگ، عظیم و بسیار درخشان است. همچنین مشخص شد که غنی از فلز است، به این معنی که نسل‌های ستارگان عظیم، دوره زندگی خود را از بدو تولد تا انفجار ابرنواختر، حدود ۲۹۰ میلیون سال در جهان اولیه به پایان رسانده بودند. به طور مشابه، کهکشان جهان اولیه GS-NDG-9422 که حدود یک میلیارد سال پس از انفجار بزرگ قدمت دارد، از نظر شیمیایی پیچیده و بدون ستاره جمعیت III بود. طبق درک فعلی، اولین نسل از ستارگان جهان اولیه باید ستارگان جمعیت III با فلزیت صفر باشند. (در نجوم، هر عنصر سنگین‌تر از هلیوم فلز محسوب می‌شود. غیرفلزات شیمیایی مانند اکسیژن، نیتروژن و غیره در زمینه کیهان‌شناسی فلز هستند. ستارگان در هر نسل پس از رویداد ابرنواختر، فلز غنی‌تری دریافت می‌کنند). 

JWST همچنین سیاهچاله‌های ابرپرجرم را در کیهان اولیه رصد کرده است. یکی از این سیاهچاله‌ها حدود ۷۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ قدمت دارد و جرم آن حدود چند میلیون برابر جرم خورشید اندازه‌گیری شده است. همه چیز با رصد نقاط قرمز کوچک (LRD) توسط JWST آغاز شد که در اولین انتشار داده‌های JWST در سال ۲۰۲۲ مشاهده شدند. این اجرام فشرده قرمز رنگ طیف V شکل داشتند و انتشار گاز هیدروژن با سرعت بالا را نشان می‌دادند. 

نقطه قرمز کوچک QSO1 (یا Abell2744-QSO1) 

QSO1 (یا Abell2744-QSO1) یک نقطه قرمز کوچک نمونه اولیه با قطر حدود ۱۳۰۰ سال نوری و فاصله بیش از ۱۳ میلیارد سال نوری است. این نقطه در جهان اولیه، تنها ۷۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ وجود داشته است. این نقطه توسط خوشه کهکشانی Abell 2744 (خوشه پاندورا) تحت تأثیر عدسی گرانشی قرار گرفته است، از این رو هم بزرگنمایی شده و هم سه برابر تصویر شده است و در سه مکان مختلف در آسمان ظاهر می‌شود. در نتیجه، مطالعه QSO1 آسان‌تر از اکثر نقاط قرمز کوچک دیگر است. 

مطالعه دقیق این نقطه قرمز کوچک (LRD) محققان را به این نتیجه رسانده است که برخی از سیاهچاله‌های فوق‌پرجرم از ابتدا بسیار عظیم بوده‌اند. آنها بدون مرحله فروپاشی ستاره‌ای و بدون کهکشان میزبان بسیار عظیم‌تری که آنها را تغذیه کند، تشکیل شده‌اند. 

QSO مخفف عبارت Quasi-Stellar Object (که معمولاً به آن کوازار گفته می‌شود) است. 

مطالعات اولیه نشان داده بود که QSO1 چیزی بیش از ابری از گاز هیدروژن و هلیوم درخشان است که به دور یک سیاه‌چاله ابرپرجرم با جرمی حدود ۴۰ میلیون برابر جرم خورشید می‌چرخد. با این حال، در مورد اینکه آیا واقعاً تا این حد عظیم است یا خیر، عدم قطعیت وجود داشت. دلیل این امر این بود که پیش از این، تمام اندازه‌گیری‌های جرم سیاه‌چاله‌ها در جهان اولیه غیرمستقیم و بر اساس فرضیاتی از آنچه در مورد آنها در جهان محلی می‌دانیم، بوده است. ما نمی‌دانستیم که آیا این فرضیات واقعاً در مورد جهان اولیه صدق می‌کنند یا خیر. 

محققان تشخیص دادند که اگر سیاه‌چاله QSO1 واقعاً اینقدر عظیم باشد، باید بتوانند از واحد میدان انتگرالی (IFU) در JWST برای ردیابی اثرات گرانش آن بر گاز چرخان اطرافش استفاده کنند، ضمن اینکه توزیع عناصر مختلف در گاز را نیز نقشه‌برداری کنند. از این رو، آنها از مشاهدات IFU استفاده کردند و حرکات گاز هیدروژن اطراف سیاه‌چاله را نقشه‌برداری کردند. 

نمودار سرعت چرخش به عنوان تابعی از فاصله از مرکز نشان داد که گاز دارای حرکت کپلری است، به این معنی که بیشتر جرم نقطه قرمز کوچک QSO1 در سیاهچاله مرکز متمرکز شده است. اگر جرم توزیع شده بود، گاز به روش کپلری کامل، مانند سیارات منظومه شمسی که به دور خورشید می‌چرخند، به دور یک نقطه مرکزی نمی‌چرخید. 

با توجه به اینکه حرکت کپلری تابع قوانین گرانش است، اندازه‌گیری‌های سرعت گاز محققان را قادر ساخت تا جرم سیاه‌چاله را مستقیماً محاسبه کنند. این اولین اندازه‌گیری مستقیم جرم سیاه‌چاله جهان اولیه بود. مشخص شد که سیاه‌چاله QSO1 حدود ۵۰ میلیون جرم خورشیدی است. همچنین، این سیاه‌چاله دو سوم کل جرم QSO1 را تشکیل می‌دهد. این بسیار نادر است زیرا سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم در کهکشان‌های نزدیک معمولاً تنها بخش کوچکی از کل جرم کهکشان میزبان را تشکیل می‌دهند.

علاوه بر این، تجزیه و تحلیل نقشه‌های ترکیب IFU نشان داد که گاز موجود در سراسر QSO1 تقریباً به طور کامل از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده است. یک کهکشان غنی از ستاره و بقایای ستاره‌ای باید عناصر سنگین‌تری مانند اکسیژن داشته باشد، اما QSO1 فلزیسیته بسیار کمی دارد، کمتر از 0.5٪ از خورشید، که نشان می‌دهد QSO1 یک محیط کهکشانی بسیار بکر دارد.

جرم عظیم QSO1 نسبت به کهکشان میزبانش نشان می‌دهد که نباید از ادغام تدریجی و تغذیه سیاهچاله‌های ستاره‌ای کوچکتر تشکیل شده باشد. ظاهراً سیاهچاله QSO1 نقطه قرمز کوچک، پیش از فرآیند تکامل ستاره‌ای وجود داشته است. این سیاهچاله می‌تواند از یک دانه سنگین که در ثانیه اول بیگ بنگ (سیاهچاله اولیه) یا کمی بعد از فروپاشی یک ابر غول‌پیکر گازی (سیاهچاله فروپاشی مستقیم) تشکیل شده باشد، تکامل یافته باشد و ممکن است در مراحل اولیه ساخت یک کهکشان در اطراف خود باشد. در حال حاضر نمی‌توان گفت که آیا سیاهچاله فوق عظیم QSO1 نقطه قرمز کوچک، یک سیاهچاله اولیه (PBH) است یا یک سیاهچاله فروپاشی مستقیم (DCBH)؛ با این حال، شواهدی از تشکیل غیرستاره‌ای سیاهچاله‌ها در جهان اولیه وجود دارد.

***

منابع: 

1. مایولینو آر. و همکاران ۲۰۲۶. سیاه‌چاله‌ای در کهکشانی تقریباً بکر در ۷۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ. اطلاعیه‌های ماهانه انجمن سلطنتی نجوم، جلد ۵۴۸، شماره ۱، مه ۲۰۲۶، staf2109. منتشر شده در ۶ آوریل ۲۰۲۶. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. جودژبالیس، آی.، مارکونچینی، سی.، دیوژنیو، اف. و همکاران. اندازه‌گیری مستقیم جرم سیاه‌چاله در یک نقطه قرمز کوچک با انتقال به سرخ بالا. نیچر ۶۵۳، ۱۰۱۷–۱۰۲۱ (۲۰۲۶). منتشر شده در ۲۷ مه ۲۰۲۶. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. تلسکوپ وب ناسا سیاه‌چاله‌ای را آشکار کرد که قبل از کهکشانش شکل گرفته است. ارسال شده در ۲۷ مه ۲۰۲۶. موجود در https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

***

مقالات مرتبط 

تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST): اولین رصدخانه فضایی اختصاص داده شده به مطالعه جهان اولیه (6 نوامبر 2021) 

مطالعه جهان اولیه: آزمایش REACH برای شناسایی خط 21 سانتی متری گریزان از هیدروژن کیهانی(3 اوت 2022) 

کوتوله های قهوه ای (BDs): تلسکوپ جیمز وب کوچکترین جسمی را که به شیوه ای ستاره مانند تشکیل شده است را شناسایی می کند. (5 ژانویه 2024) 

قدیمی ترین سیاهچاله از کیهان اولیه مدل تشکیل سیاهچاله را به چالش می کشد (24 ژانویه 2024) 

جهان اولیه: دورترین کهکشان "JADES-GS-z14-0" مدل های تشکیل کهکشان را به چالش می کشد (12 اوت 2024) 

پارادوکس ستارگان غنی از فلز در جهان اولیه (27 سپتامبر 2024)

***