طی چهار سالی که تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) مشغول رصد عالم اولیه بوده است، دستاورد‌های علمی بسیاری را یکی پس از دیگری به ثبت رسانده است. با این حال، این تلسکوپ ۱۰ میلیارد دلاری یک مشکل بزرگ نیز پیش روی ستاره‌شناسان گذاشته است؛ مشکلی که به‌معنای واقعی کلمه به جرم مربوط می‌شود.
تلسکوپ فضایی جیمز وب به‌طور مرتب سیاه‌چاله‌های ابرپرجرمی را در عالم اولیه مشاهده کرده است که جرمشان به صدها میلیون برابر جرم خورشید می‌رسد؛ با توجه به اینکه عالم حتی پیش از یک میلیارد ساله‌شدن، نمی‌توانسته فرصت کافی برای رشد چنین اجرام عظیمی را در داشته باشد، بنابراین این سیاهچالهها بیش‌ازحد پرجرم به نظر می‌رسند.
این غول‌های کیهانی همچنین در مقایسه با جرم کهکشان‌های کوچک میزبانشان، بیش‌ازحد پرجرم به نظر می‌رسند و درک ستاره‌شناسان از رابطه میان سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم و کهکشان‌های میزبانشان را، که معمولاً در عالم امروزی مشاهده می‌شوند، به چالش کشیده‌اند.
اکنون پژوهشی جدید که توسط پژوهشگرانی از رصدخانه اخترشناسی رم وابسته به مؤسسه ملی اخترفیزیک ایتالیا (INAF) انجام شده است، نشان می‌دهد که شاید این مشکل آن‌قدرها هم بزرگ نباشد. تیم پژوهشی معتقد است که همه‌چیز به دیدگاه ما نسبت به این اجرام بستگی دارد و شاید این سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم اولیه، به اندازه‌ای که دانشمندان پیش‌تر تخمین زده بودند، عظیم نباشند.
پژوهشگران این پژوهش می‌گویند: «ما جرم‌هایی در حدود یک تا ۱۰ میلیون برابر جرم خورشید را برآورد می‌کنیم، در حالی که پیش‌تر جرم آن‌ها ده‌ها یا صدها میلیون برابر جرم خورشید تخمین زده شده بود. این سیاهچالهها همچنان اجرام بسیار عظیمی هستند وجرمشان با سیاه‌چاله‌ای که در مرکز کهکشان راه شیری قرار داد و جرمش چهار میلیون برابر جرم خورشید است، قابل مقایسه است یا ممکن است چند برابر بیشتر باشد؛ اما در بخش کم‌جرم‌تر جمعیت سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم قرار می‌گیرند، نه در میان شدیدترین نمونه‌ها. مهم‌تر از همه، این جرم‌ها سازگاری بسیار بیشتری با ویژگی‌های کهکشان‌های کوچک میزبانشان دارند.»
پاسخ این معما شاید در پرتوهای ایکسِ گمشده باشد
پژوهشگران هنگام بررسی معمای سیاه‌چاله‌های «بیش‌ازحد پرجرم» در عالم اولیه، به معمای دیگری درباره این اجرام برخوردند.
برای رسیدن به چنین جرم‌هایی، این سیاهچالهها باید با جاذبه زیادی گاز و غبار اطراف خود را بلعیده باشند. سیاه‌چاله‌هایی که در حال تغذیه هستند ومخازن گاز و غبار کیهانی اطرافشان، معمولاً منابع بسیار درخشانی از پرتو ایکس هستند. اما ظاهراً این موضوع درباره بسیاری از سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم عالم اولیه که جیمز وب مشاهده کرده است، صدق نمی‌کند. تیم پژوهشی ۱۴ سیاه‌چاله ابرپرجرمِ خاموش در پرتو ایکس را بررسی کرد و دریافت که می‌توان نبود این تابش را به شکل دیگری تفسیر کرد.
پژوهشگران همچنین افزودند: «تقریباً هیچ‌کدام از آن‌ها حتی در رصدهای بسیار عمیق رصدخانه پرتو ایکس چاندرا ناسا نیز در پرتو ایکس شناسایی نشده‌اند. ما این نبود پرتو ایکس را نه به‌عنوان یک مشکل، بلکه به‌عنوان یک سرنخ در نظر گرفتیم. با وارد کردن این موضوع در تحلیل خود، دریافتیم که احتمالاً این اجرام بسیار کم‌جرم‌تر از برآوردهای قبلی هستند. این مسئله باعث می‌شود جرم تخمینی آن‌ها با ویژگی‌های کهکشان‌های میزبانشان سازگاری بیشتری پیدا کند.»
این موضوع تیم پژوهشی را به نتیجه دیگری نیز رساند:
شاید این سیاه‌چاله‌های اولیه آن‌قدر که پیش‌تر تصور می‌شد پرجرم نباشند، اما در عوض با سرعتی بسیار بیشتر از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد در حال تغذیه بوده باشند.
تصویری از ناحیه اطراف یک سیاه‌چاله ابرپرچرم در حال تغذیه. اعتبار تصویر: Robert Lea
در نگاه اول ممکن است این موضوع متناقض به نظر برسد. اگر سیاه‌چاله‌هایی که با سرعت زیادی ماده می‌بلعند، باید پرتو ایکس فراوانی تولید کنند، پس چگونه ممکن است سیاه‌چاله‌ای که به‌شدت در حال تغذیه است، در پرتو ایکس «خاموش» باشد؟
پژوهشگران همچنین توضیح می‌دهند که این تناقض ظاهری به اتفاقی مربوط می‌شود که هنگام جذب ماده با نرخ بسیار بالا رخ می‌دهد. در چنین شرایطی، قرص گازی اطراف سیاه‌چاله از نظر هندسی ضخیم می‌شود و ساختاری شبیه دونات ایجاد می‌کند که تنها یک قیف باریک در امتداد محور چرخش آن باقی می‌ماند. منطقه داغ داخلی که معمولاً باید پرتوهای ایکس قدرتمندی تولید کند، توسط این قرص ضخیم احاطه می‌شود.
پژوهشگران در ادامه توضیح می‌دهند که هنگامی که پرتوهای ایکس از این محیط خارج می‌شوند، بارها توسط گاز اطراف پراکنده می‌شوند و پیش از آنکه بتوانند بیرون بیایند، انرژی خود را از دست می‌دهند. در نتیجه، سیاه‌چاله در پرتو ایکس بسیار کم‌نورتر از چیزی دیده می‌شود که معمولاً انتظار داریم. بنابراین، نبود پرتو ایکس در این سناریو غیرمنتظره نیست؛ بلکه در واقع یکی از پیش‌بینی‌های این مدل است.علاوه بر این، چنین تغذیه بسیار شدیدی می‌تواند توضیح دهد که این سیاهچالهها چگونه توانسته‌اند زمانی که جهان تنها چند صد میلیون سال عمر داشته است، به جرم‌هایی معادل میلیون‌ها برابر جرم خورشید برسند.
فراتر از حد ادینگتون
یکی از مواردی که سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم در عالم اولیه را به یک معمای بزرگ تبدیل کرده، سرعت رشد آن‌هاست. سیاهچالهها از طریق بلعیدن ماده و همچنین ادغام با سیاه‌چاله‌های دیگر رشد می‌کنند. با این حال، محدودیتی برای سرعت جمع‌آوری یا «برافزایش» ماده توسط یک سیاه‌چاله یا هر جرم آسمانی وجود دارد.
این محدودیت «حد ادینگتون» نام دارد و دلیل آن این است که هرچه یک جرم ماده بیشتری برافزایش کند، تابش بیشتری نیز تولید می‌کند. بنابراین، هنگامی که قرص اطراف یک سیاه‌چاله در حال تغذیه، برای رشد سریع آن جرم کافی جمع می‌کند، باید آن‌قدر تابش تولید کند که ماده بیشتری را به بیرون براند و مانع از تأمین دوباره ماده شود.
در نهایت، این فرایند می‌تواند منبع تغذیه سیاه‌چاله را قطع کرده ورشد آن را محدود کند. با این حال، این پژوهش نشان می‌دهد که سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم ممکن است وارد دوره‌های کوتاهی از تغذیه «فراادینگتونی» شوند؛ یعنی با نرخی بالاتر از حد ادینگتون ماده جذب کنند.
پژوهشگران می‌گویند: «اگر جرم این سیاهچالهها تا ۳۰ برابر کمتر از تخمین‌های قبلی باشد، مقدار ماده‌ای که باید در زمان موجود جمع شود بسیار کمتر خواهد بود و تاریخچه رشد آن‌ها دیگر آن‌قدر افراطی به نظر نمی‌رسد. به‌جای اینکه نیاز به رشدی پیوسته و بدون وقفه در طول صدها میلیون سال داشته باشیم، تصویر جدید شامل دوره‌های کوتاه‌تری از برافزایش بسیار سریع ماده است؛ رفتاری که دقیقاً می‌توان انتظار داشت در کهکشان‌های سرشار از گاز و از نظر دینامیکی فعال در عالم اولیه رخ دهد.»
تصویری از تلسکوپ فضایی جیمز وب که همچنان افق‌های جدیدی را در علم نجوم می‌گشاید. اعتبار تصویر: Robert Lea
البته تأیید نظریه این تیم درباره دوره‌های تغذیه بسیار شدید سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم، به شواهد رصدی بیشتری نیاز دارد؛ شواهدی که دست‌کم در حال حاضر ممکن است به‌سختی به دست بیایند.
پژوهشگران همچنین افزودند: «مستقیم‌ترین آزمایش این است که اجرام مشابهی را بررسی کنیم که با سرعت بسیار زیادی در حال برافزایش ماده هستند، اما در انتقال‌به‌سرخ‌های کمتر و مربوط به دوره‌های جدیدتر کیهان قرار دارند؛ جایی که می‌توانیم محیط اطراف آن‌ها را با جزئیات بسیار بیشتری مشاهده و بررسی کنیم. با این حال، چنین اجرامی بسیار نادر هستند. برای جمعیت دوردستی که توسط جیمز وب مشاهده شده‌اند، مأموریت‌های آینده که توانایی انجام رصدهای عمیق‌تر در پرتو ایکس و تهیه طیف‌های بهبودیافته را دارند، بسیار مهم خواهند بود. این مأموریت‌ها شاید بتوانند تابش ضعیف پرتو ایکسی را که این سناریو پیش‌بینی می‌کند، شناسایی کنند.»
در بلندمدت، اندازه‌گیری مستقیم و مستقل جرم سیاهچالهها در دوره‌های هرچه ابتدایی‌تر تاریخ کیهان، قوی‌ترین آزمون برای این نظریه خواهد بود. در حال حاضر، این پژوهش نمونه قابل‌توجهی از توانایی دانشمندان در استخراج اطلاعات از مواردی است که شناسایی نشده‌اند، نه فقط از شناسایی‌های مثبت.
در نهایت پژوهشگران این پژوهش بیان می‌کنند :«جالب‌ترین بخش کار این بود که دیدیم از چیزی که اصلاً مشاهده نکرده بودیم، چه مقدار اطلاعات می‌توان استخراج کرد. یک عدم‌شناسایی ممکن است در نگاه اول کم‌اطلاع‌ترین نوع مشاهده به نظر برسد، اما در این مورد، نبود پرتو ایکس یک محدودیت مهم ایجاد کرد و به ما کمک کرد تصویر فیزیکی این پدیده را حتی روشن‌تر از چیزی که شناسایی‌های مثبت به‌تنهایی می‌توانستند نشان دهند، مشخص کنیم.»
این پژوهش ماه ژوئن در مجله Astronomy & Astrophysics منتشر شده است.
مترجم: نگار شفیعی ثابت
ویراستار: فائزه فتحی
منبع: space