کشف جرم سیاه‌چاله‌ای باستانی که همه را شگفت زده کرد!

به گزارش مجله خبری نگار/انتخاب،کشف سیاه چاله‌ای غول پیکر که از کهکشان خود سنگین‌تر است، اما کسی نمی‌داند چگونهزومیت: اخترشناسان جرم سیاه‌چاله‌ای باستانی را اندازه گرفته و دریافته‌اند آن‌قدر سنگین است که احتمال دارد پیش از شکل‌گیری و رشد کهکشانش، پدید آمده باشد.

تقریباً بلافاصله پس از آنکه تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا در سال ۲۰۲۲ فعال شد و نور مربوط به چند میلیارد سال نخست پس از بیگ‌بنگ را جمع‌آوری کرد، آسمانی باستانی را دید که با لکه‌های نور قرمز و درخشان ریز پوشیده شده بود. از همان زمان، این «نقاط قرمز کوچک» (LRDs) تقریباً تمام چیز‌هایی را که دانشمندان فکر می‌کردند درباره‌ی جهان اولیه می‌دانند، به چالش کشیده‌اند.

اکثر اخترشناسان اکنون توافق دارند که هر یک از این نقاط بسیار کوچکِ سرخ‌رنگ که شباهت زیادی به ستارگان عظیم و بسیار دور دارند، در واقع در مرکز خود یک سیاه‌چاله در حال رشد دارند. اما اندازه‌ی این سیاه‌چاله‌ها و در نتیجه منشأ و نقش آنها در تاریخ کیهان، هنوز موضوع بحثی داغ است.

پژوهشگران در مقاله‌ای که به تازگی منتشر شده است، ادعا می‌کند که این سیاه‌چاله‌های اسرارآمیز بسیار پرجرم‌تر از حد تصور هستند. آنها با استفاده از جیمز وب و نگاه‌کردن به دورانی که جهان فقط ۷۰۰ میلیون سال عمر داشت، جرم یکی از این نقاط قرمز کوچک را با روشی تازه و به‌گفته خودشان دقیق‌تر اندازه‌گیری کرده‌اند.

نتیجه نشان داد که آن سیاه‌چاله حدود ۵۰ میلیون برابر خورشید جرم دارد؛ یافته‌ای که از زمان انتشار نسخه پیش‌انتشار مقاله در ماه اوت سال گذشته با تردید روبه‌رو بوده است؛ زیرا پیامدهایش باور‌های رایج اخترشناسان را زیر و رو می‌کند. وجود چنین سیاه‌چاله‌های عظیمی در این بازه بسیار ابتدایی از عمر جهان نشان می‌دهد که آنها حتی پیش از کهکشان‌های میزبانشان شکل گرفته‌اند و شاید حتی از همان آغاز زمان وجود داشته‌اند.

جنی گرین، اخترشناس دانشگاه پرینستون که در پژوهش مشارکت نداشته، می‌گوید: «اگر همه چیز این مقاله در ظاهر درست باشد، ما در جهانی عجیب‌تر از آنچه فکر می‌کردیم زندگی می‌کنیم. به همین دلیل، این موضوع بسیار مهم است.»

بحث اصلی به این برمی‌گردد که اول کدام شکل گرفته: توده‌های عظیم ستاره و گاز که کهکشان‌ها را می‌سازند یا سیاه‌چاله‌های بزرگی که معمولاً در مرکز آنها دیده می‌شوند. اگر سیاه‌چاله‌ها اول شکل گرفته باشند و به‌عنوان بذر‌های گرانشی برای رشد کهکشان‌ها عمل کرده باشند، باید در همان آغاز جهان بسیار سریع رشد کرده باشند.

پس از کشف پژوهشگران، بررسی‌های اولیه نشان داد که جرم هر یک از نقاط قرمز کوچک ممکن است به میلیون‌ها جرم خورشیدی برسد؛ یافته‌ای که می‌توانست از ایده «اول سیاه‌چاله‌ها» پشتیبانی کند. اما بعداً اخترشناسان این برآورد‌ها را به چالش کشیدند. روش‌های اولیه از تکنیک‌های غیرمستقیمی استفاده می‌کردند که برای سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در جهان امروزی به کار می‌رود، اما فرض می‌کردند که محیط نقاط قرمز کوچک مشابه کهکشان‌های مدرن است.

منتقدان می‌گویند برخلاف سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم، نقاط قرمز کوچک احتمالاً در میان ابر‌های بسیار متراکم‌تری از گاز قرار دارند؛ درنتیجه برای اندازه‌گیری دقیق جرمشان به روش مستقیم‌تری نیاز است. برخی از آنها حتی باور دارند که نقاط قرمز کوچک نوع کاملاً جدیدی از اجرام کیهانی هستند که «ستاره-سیاه‌چاله» نام گرفته‌اند. از بیرون، چنین جرمی شبیه ستاره غول‌پیکری قرمز به نظر می‌رسد، اما در مرکز آن به‌جای همجوشی هسته‌ای، سیاه‌چاله‌ای در حال رشد قرار دارد که با بلعیدن گاز، انرژی کافی برای روشن نگه‌داشتن پوشش اطرافش را تولید می‌کند.

هر دو توضیح می‌تواند انقلابی در اخترفیزیک رقم بزند. اگر این سیاه‌چاله‌ها در جهان اولیه این‌قدر زود تا ده‌ها میلیون برابر جرم خورشید رشد کرده باشند، منشأ آنها بسیار رازآلودتر خواهد شد. گرین می‌گوید: «این موضوع شما را به سمت چیز‌های بسیار عجیب می‌برد.» درمقابل، تعیین اندازه کوچک‌تر برای نقاط قرمز کوچک مشکل سیاه‌چاله‌های بیش‌ازحد بزرگ را دور می‌زند، اما در عوض آنها را به گونه‌ای کاملاً جدید و ناشناخته به نام «ستاره-سیاه‌چاله» تبدیل می‌کند.

بااین‌حال، روبرتو مایولینو، اخترفیزیکدان از دانشگاه کمبریج و از نویسندگان مقاله، می‌گوید وقتی با داده‌های جدید و مبهم روبه‌برو می‌شویم، تمایل زیادی داریم که آنها را مربوط به پدیده‌های کاملاً جدید بدانیم. ایگناس یودژبالیس، نویسنده اصلی مطالعه نیز معتقد است که احتمالاً داریم یک جسم آشنا را از زاویه‌ای ناآشنا می‌بینیم.

اندازه‌گیری جدید با تکنیکی به نام «طیف‌اخترسنجی مکانی» انجام شده؛ روشی که به‌تازگی برای تعیین دقیق جرم سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در کهکشان‌های امروزی به کار می‌رود. در این مورد، پژوهشگران با تلسکوپ جیمز وب نوری را بررسی کردند که از اتم‌های هیدروژن موجود در جریان چرخان گاز در مدار‌های دوردست اطراف سیاه‌چاله ساطع می‌شد.

نور ساطع‌شده طول موج یا رنگ بسیار خاصی دارد، اما مشاهدات تلسکوپ جیمز وب نشان داد که این رنگ در دو سوی توده‌ی متلاطم گاز، تغییری بسیار جزئی دارد و علت آن، حرکت هیدروژن درون جریان چرخان است. درست همان‌طور که صدای آژیر آمبولانس هنگام نزدیک‌شدن زیرتر و هنگام دورشدن بم‌تر می‌شود، نور نیز به‌دلیل اثر دوپلر دچار تغییر می‌شود؛ بدین صورت که در جایی که اتم‌های هیدروژن به سمت ما حرکت می‌کنند، کمی به سمت طیف آبی جابه‌جا شده و در بخشی که در حال دورشدن هستند، اندکی به سمت طیف قرمز متمایل شده است.

پژوهشگران از همین تغییر بسیار کوچک در طول موج، توانستند سرعت گاز را در فواصل مداری مختلف از آن نقطه قرمز کوچک محاسبه کنند. یودژبالیس می‌گوید: «شما هم‌زمان اندازه‌گیری‌های مستقل از سرعت و فاصله دارید و این یعنی می‌توانید جرم دقیق جسمی را که در مرکز قرار دارد محاسبه کنید.»

برای توضیح اختلاف سرعت‌ها، جرم سیاه‌چاله باید حدود ۵۰ میلیون برابر خورشید باشد. اگر این نتیجه صحیح باشد، با فرضیه‌ی «ستاره-سیاه‌چاله» کاملاً در تضاد خواهد بود.

در واقع، این اندازه‌گیری نشان می‌دهد که سیاه‌چاله از محیط اطرافش و شاید حتی از کل کهکشان میزبانش، سنگین‌تر است؛ البته اگر چنین کهکشانی اصلاً وجود داشته باشد. چنین سیاه‌چاله‌ی منزوی، اما غول‌پیکری ممکن است محصول فروپاشی مستقیم ابر‌های گازی پس از بیگ‌بنگ یا حتی سیاه‌چاله‌ای آغازین باشد؛ نوعی فرضی از این اجرام که در اولین ثانیه‌های کیهان به‌وجود آمدند.

اما از آنجا که این سیاه‌چاله بسیار دور است، برخی تردید دارند که آیا چنین روش ظریفی برای اندازه‌گیری جرم آن اصلاً مطمئن است یا نه. گرین می‌گوید: «این یک اندازه‌گیری بسیار جسورانه و دشوار است. اگر کسی بتواند آن را مستقل تکرار کند، بیشتر به آن توجه خواهم کرد.»

در آینده، ابزار‌های رصدی پیشرفته‌تر مانند تلسکوپ زمینی فوق‌العاده بزرگ اروپا در شیلی که در دهه ۲۰۳۰ فعال خواهد شد، احتمالاً جنبه‌ی بیشتری از معما را روشن خواهند کرد. به نظر می‌رسد اخترشناسان در دهه‌های آینده، بالاخره تصویر دقیق‌تری از بزرگ‌ترین اجرام جهان که عملاً همه چیز به آنها وابسته است، ارائه خواهند داد.

یودژبالیس می‌گوید: «ما داده‌های لازم را خواهیم داشت. قطعاً در طول عمر من، نه‌تنها ماهیت نقاط قرمز کوچک، بلکه منشأ کلی سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم را نیز خواهیم فهمید.»