ادغام‌های سریع سیاه‌چاله‌ها می‌توانند سیاه‌چاله‌های فراعظیم را شکل داده باشند
کلسترهای ستاره‌ای فوق‌چگال اولیه ممکن است بذرهای سیاه‌چاله‌های عظیم را کاشته باشند.
تصویر JWST از «نقطه‌های قرمز کوچک» مشاهده‌شده در کیهان اولیه.
اعتبار: NASA، ESA، CSA، STScI، دیل کوکِسکی (کالج کولبی)
یک شبیه‌سازی نوین می‌تواند به حل یکی از رازهای دیرینهٔ اخترشناسی کمک کند — اینکه سیاه‌چاله‌های فراعظیم چگونه این‌چندان سریع شکل گرفتند — و همچنین پرسشی تازه: «نقطه‌های قرمز کوچک» تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) چیست؟
غول‌های نامرئی در هستهٔ تقریباً تمام حدود دو هزار میلیارد کهکشان پراکنده در زمان‑فضا مخفی هستند. سیاه‌چاله‌های عظیم بلافاصله پس از تولد کیهان به صحنهٔ کیهانی وارد شدند و به سرعت رشد کردند و در کمتر از یک میلیارد سال به مقادیری برابر با میلیون‌ها یا حتی میلیاردها برابر جرم خورشید دست یافتند. ستاره‌شناسان مدتهاست که به این سؤال می‌پردازند که چگونه این سیاه‌چاله‌های فراعظیم می‌توانستند در چنین زمان کوتاهی این‌چنین بزرگ شوند.
در سال ۲۰۲۲، وقتی «نقطه‌های قرمز کوچک» در لبه‌های دور فضا شناسایی شدند، راز سیاه‌چاله‌های عظیم حتی پیچیده‌تر شد. وقتی این گوی‌های سرخی کوچک به‌طور ناگهانی در تصاویر JWST از کیهان دور ظاهر شدند، ماهیت آن‌ها به شدت مورد بحث قرار گرفت. اکنون که دانشمندان نمونه‌ای شامل صدها عدد از آن‌ها جمع‌آوری کرده‌اند، بسیاری بر این باورند که این نقاط نشان‌دهنده سیاه‌چاله‌های فراعظیم در حال رشد هستند.
مشکل این است که این نقاط حتی زودتر از آنچه ستاره‌شناسان ممکن می‌دانستند ظاهر می‌شوند، که چالش توضیح سیاه‌چاله‌های فراعظیم اولیه را سخت‌تر می‌سازد. مشاهدات نشان می‌دهد که نقطه‌های قرمز کوچک عمدتاً زمانی می‌درخشیدند که سن کیهان حدود ۶۰۰ میلیون سال بود و سپس در طول یک میلیارد سال آینده ناپدید شدند (سیاه‌چاله‌های فراعظیم تا به امروز باقی مانده‌اند، اما دیگر به‌صورت نقطه‌های قرمز کوچک نمی‌درخشند).
مطالعه‌ای نوین سعی می‌کند شکل‌گیری اولیهٔ این اجرام عظیم را از طریق هجوم‌های بزرگ ستارگان توجیه کند.
پیوند گمشده
بسیاری فکر می‌کردند شکل‌گیری سیاه‌چاله‌های عظیم این‌چنین سریع با قوانین فیزیک در تضاد است. اما مطالعه‌ای نوین توضیح می‌دهد که چگونه برخورد کلسترهای ستاره‌ای می‌توانست منجر به تشکیل سیاه‌چاله‌های فراعظیم در اولین صدها میلیون سال از عمر کیهان شود — بدون نیاز به فیزیک جدید.
«در حال حاضر، سه فرضیهٔ اصلی برای شکل‌گیری بذرهای سیاه‌چاله‌های فراعظیم وجود دارد: فروپاشی مستقیم ابرهای گازی، بقایای اولین ستارگان، و خوشه‌های ستارگی متراکم»، گفت فرید گارسیا، دانشجوی تحصیلات تکمیلی دانشگاه کلمبیا که رهبری این مطالعه را بر عهده داشت. «کار ما واقعاً از این حالت آخر حمایت می‌کند؛ خوشه‌های متراکم تکامل یافته و هستهٔ آن‌ها فرو می‌نشیند تا بذرهای سیاه‌چاله‌های میان‌توده‌ای را شکل دهد.»
پژوهشگران از شبیه‌سازی‌های کیهانی استفاده کردند تا اولین ۷۰۰ میلیون سال از تاریخ کائنات را بازسازی کنند و بر شکل‌گیری یک کهکشان کوچک تمرکز کردند. در کهکشان مجازی آن‌ها، موج‌های ستارگان در انفجارهای کوتاه و شدید ظاهر شدند، همان‌طور که ابرهای گاز سرد در هالو ماده تاریک فرو می‌نشستند. به‌جای یک دورهٔ تک‌بار ستارگان‌زایی که پس از آن بارش ثابت شکل‌گیری ستارگان ادامه می‌یافت (چنان‌که گارسیا پیش‌بینی کرده بود)، دو دورهٔ اصلی تولد ستاره‌ای رخ داد. تمام خوشه‌های ستارگان به‌مانند چراغ‌های درخت کریسمس جرقه زدند.
«کیهان اولیه مکان شلوغی فوق‌العاده‌ای بود»، گفت گارسیا. «ابرهای گازی چگال‌تر بودند، ستارگان سریع‌تر شکل می‌گرفتند و در این محیط‌ها، جذب گرانشی ستارگان به این سامانه‌های بسیار متراکم امری طبیعی است.»
این خوشه‌ها ابتدا در اطراف کهکشان پراکنده بودند، اما همانند آب جاری که به سمت حفرهٔ سینک می‌چرخد، به مرکز افتادند. پس از آمدن به هسته، آن‌ها ادغام شدند و یک خوشهٔ عظیم به نام خوشهٔ ستاره‌ای هسته‌ای (به‌این‌دلیل که در هستهٔ کهکشان قرار دارد) را تشکیل دادند. قلب جوان گالاکسی با نور یک میلیون خورشید می‌درخشید و ممکن است زمینه‌ای برای شکل‌گیری سیاه‌چالهٔ فراعظیم فراهم کرده باشد.
یک تغییر ساده به‌نظر می‌رسید برای دقیق‌تر ساختن شبیه‌سازی نسبت به نسخه‌های قبلی لازم بود. «اکثراً شبیه‌سازی‌ها برای آسان‌تر کردن محاسبات ساده‌سازی می‌شوند، اما این کار واقعیت را فدا می‌کند»، گفت گارسیا. «ما از مدلی پیشرفته استفاده کردیم که اجازه می‌داد شکل‌گیری ستارگان بسته به شرایط محلی تغییر کند و نه اینکه به‌صورت ثابت پیش برود، همان‌طور که در مدل‌های پیشین بود.»
با استفاده از مرکز محاسباتی فوق‌العادهٔ دانشگاه مریلند به نام زاراتان، گارسیا در شش ماه کاری انجام داد که روی یک مک‌بوک ۱۲ سال زمان می‌برد.
برخی ابرها تا ۸۰٪ گاز خود را به ستارگان تبدیل کردند — نرخ شدیدی در مقایسه با ۲٪ معمول در کهکشان‌های نزدیک امروز. این ابرها به‌مانند جرقه‌ای از نور می‌درخشیدند، خوشه‌های نوپای ستارگان را تشکیل دادند که توسط گرانش متقابل خود به‌هم پیوسته و مسیر جدیدی برای شکل‌گیری سیاه‌چاله‌های فراعظیم در زمان‌های بسیار زودکهنهٔ کیهان باز می‌گرداند.
مرغ یا تخم؟
اکثریت کهکشان‌ها، از جمله کهکشان ما، توسط یک خوشهٔ ستاره‌ای هسته‌ای که دور یک سیاه‌چالهٔ فراعظیم می‌چرخد، تثبیت می‌شوند. اما ارتباط بین این دو هنوز کاملاً روشن نیست — آیا سیاه‌چالهٔ عظیم ابتدا شکل گرفته و سپس ستارگان را به خود جذب کرده، یا خوشهٔ ستاره‌ای منبع پیدایش سیاه‌چاله بوده است؟
شبیه‌سازی از فرضیهٔ دوم حمایت می‌کند. در نهایت، بسیاری از ستارگان در خوشهٔ فوق‌چگال انفجار می‌شوند و پس‌زمینهٔ سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای را به‌جا می‌گذارند که سپس به‌طور عمیق‌تری به دل کهکشان می‌نشینند.
«تمام سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای که به مرکز خوشهٔ ستاره‌ای مهاجرت می‌کنند، در نهایت خوشهٔ بسیار چگال و گرانشی‌پیوسته‌ای را در داخل خوشهٔ ستاره‌ای هسته‌ای بزرگ‌تر تشکیل می‌دهند»، گفت ماتیاس لیامپی گونزالس، دکتری‌جوی دانشگاه ساپینزا رم که در این مطالعه مشارکت نداشته است. «در این «هستهٔ تاریک» متراکم، سیاه‌چاله‌ها آن‌قدر به‌یکدیگر نزدیک می‌شوند که ادغام‌شان ناگزیر می‌شود. یک سیاه‌چاله با سیاه‌چاله دیگر ادغام می‌شود، سیاه‌چالهٔ جدید (بزرگ‌تر) با سیاه‌چالهٔ سوم ادغام می‌شود و به این ترتیب ادامه می‌یابد.» گونزالس افزوده است که این فرآیند ادغام پی‌درپی سیاه‌چاله‌ها می‌تواند منجر به شکل‌گیری یک جنین سیاه‌چالهٔ فراعظیم شود.
یافته‌ها کار نظری پیشین را تأیید می‌کند. «دیدن ویژگی‌های این خوشه‌های ستاره‌ای هسته‌ای متراکم که نویسندگان در دوره‌های بسیار اولیهٔ کیهانی گزارش می‌دهند، بسیار امیدبخش است»، گفت پریاموادا ناتاراجان، فیزیک‌دان نظری اخترشناسی دانشگاه ییل که در شبیه‌سازی مشارکت نداشته است. ناتاراجان پیش‌تر مقالهٔ دیگری هم‌نویسی کرده بود که پیشنهاد می‌کرد سیاه‌چاله‌های فراعظیم می‌توانند به‌سرعت این‌چنان شکل بگیرند، تا حدی با جذب گاز سرد در خوشه‌های ستاره‌ای هسته‌ای. «این خوشه‌ها می‌توانند به‌عنوان باردیگرهای شکل‌گیری و رشد سریع بذرهای سیاه‌چاله خدمت کنند، همان‌طور که ما به‌صورت نظری در سال ۲۰۱۴ پیش‌بینی کرده بودیم.»
این شبیه‌سازی ممکن است به توضیح برخی از مشاهدات شگفت‌انگیز JWST کمک کند، مانند دسته‌های خوشه‌های ستاره‌ای که به ترتیب ۴۶۰ و ۶۰۰ میلیون سال پس از تولد کیهان کشف شده‌اند. مشاهدات آینده می‌توانند ارتباط واضح‌تری بین خوشه‌های ستارگی اولیه و سیاه‌چاله‌های فراعظیم و نقطه‌های قرمز کوچک برقرار کنند.
«این کار شبیه‌سازی بسیار هیجان‌انگیز در سال‌های آینده امکان مقایسه مستقیم با داده‌های JWST را فراهم خواهد کرد»، گفت ناتاراجان. مأموریت هدایت‌شده توسط ESA به نام LISA، که می‌خواهد یک آشکارساز امواج گرانشی در فضا بگذارد، حتی می‌تواند این سیاه‌چاله‌های ادغام‌شده در خوشه‌های ستاره‌ای هسته‌ای اولیه را شناسایی کند. ترکیب مشاهدات از مأموریت‌های مختلف می‌تواند به‌زودی داستان کامل چگونگی شکل‌گیری اولین نورهای کیهان و ساختن غول‌های تاریک آن را بازگو کند.
مجلهٔ باز اخترشناسی، ۲۰۲۵. DOI: 10.33232/001c.145064
اشلی دربارهٔ فضا برای یک پیمانکار مرکز فضایی گودارد ناسا می‌نویسد و به عنوان نویسندهٔ مستقل در حوزه محیط زیست فعالیت می‌کند. او دارای مدارک کارشناسی ارشد در مطالعات فضایی از دانشگاه نورث داكوتا و در نوشتن علمی از دانشگاه جانز هاپکینز است. او اکثر مقالاتش را در حالی می‌نویسد که یکی از نوزادانش بر زانوهای او نشسته است.