كيف أصبحت الثقوب السوداء بهذا الحجم والسرعة؟ الإجابة تكمن في الظلام

ربما ساعد الإشعاع الناتج عن المادة المظلمة في الكون المبكر على إبقاء غاز الهيدروجين ساخنًا بدرجة كافية ليتكثف في شكل ثقوب سوداء.

• عادة ما يستغرق تشكل الثقوب السوداء الهائلة مليارات السنين. ولكن تلسكوب جيمس ويب الفضائي هل يتم العثور عليهم بعد فترة ليست طويلة؟ الانفجار العظيم – قبل أن يكون لديهم الوقت الكافي للتشكل.
• جامعة كاليفورنيا اكتشف علماء الفيزياء الفلكية أنه إذا تحللت المادة المظلمة، فإن الفوتونات التي تنبعث منها تحافظ على غاز الهيدروجين ساخنًا بدرجة كافية حتى تتمكن الجاذبية من جمعه في سحب عملاقة وتكثيفه في النهاية إلى كتلة هائلة. ثقب اسود.
• وبالإضافة إلى تفسير وجود ثقوب سوداء هائلة الحجم في وقت مبكر للغاية، فإن هذا الاكتشاف يدعم وجود نوع من المادة المظلمة القادرة على التحلل إلى جزيئات مثل الفوتونات.

تشكل الثقوب السوداء الهائلة

يستغرق الأمر وقتًا طويلاً حتى تتشكل الثقوب السوداء الهائلة، مثل تلك الموجودة في مركز مجرتنا. درب التبانة في العادة، يتطلب ولادة ثقب أسود احتراق نجم عملاق بكتلة تعادل خمسين كتلة شمسية على الأقل ــ وهي عملية قد تستغرق مليار سنة ــ وانهيار قلبه على نفسه.

ومع ذلك، فإن الثقب الأسود الناتج عن ذلك، والذي تبلغ كتلته نحو 10 أضعاف كتلة الشمس فقط، بعيد كل البعد عن الثقب الأسود الذي تبلغ كتلته 4 ملايين كتلة شمسية، والذي يُعرف باسم “الرامي أ*”، والذي يوجد في مجرتنا درب التبانة، أو الثقوب السوداء الهائلة التي تبلغ كتلتها مليار كتلة شمسية والتي توجد في مجرات أخرى. ويمكن لمثل هذه الثقوب السوداء العملاقة أن تتشكل من ثقوب سوداء أصغر حجماً عن طريق تراكم الغاز والنجوم، وعن طريق الاندماج مع ثقوب سوداء أخرى، وهو ما يستغرق مليارات السنين.

أسرار يكشفها تلسكوب جيمس ويب الفضائي

ولكن لماذا إذن يكتشف تلسكوب جيمس ويب الفضائي ثقوباً سوداء هائلة الكتلة قرب بداية الزمن نفسه، قبل آلاف السنين من إمكانية تشكلها؟ توصل علماء الفيزياء الفلكية من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس إلى إجابة غامضة بقدر غموض الثقوب السوداء نفسها: فقد منعت المادة المظلمة الهيدروجين من التبريد لفترة كافية لكي تعمل الجاذبية على تكثيفه إلى سحب كبيرة وكثيفة بما يكفي لكي يتحول إلى ثقوب سوداء بدلاً من النجوم. وقد نُشرت النتائج في السابع والعشرين من أغسطس/آب في مجلة “نيتشر كوميونيكيشنز” (Nature Communications). رسائل المراجعة المادية.

قال ألكسندر كوسينكو، أستاذ الفيزياء والفلك بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس والمؤلف الرئيسي للدراسة: “لقد كان من المدهش حقًا العثور على ثقب أسود هائل تبلغ كتلته مليار كتلة شمسية في حين أن عمر الكون نفسه نصف مليار عام فقط. الأمر أشبه بالعثور على سيارة حديثة بين عظام الديناصورات والتساؤل عمن بنى تلك السيارة في عصور ما قبل التاريخ”.

تحدي تبريد الغاز في الفضاء

وقد افترض بعض علماء الفيزياء الفلكية أن سحابة ضخمة من الغاز قد تنهار لتكوّن ثقباً أسود هائلاً بشكل مباشر، متجاوزين بذلك التاريخ الطويل من احتراق النجوم وتراكمها واندماجها. ولكن هناك مشكلة واحدة: فالجاذبية سوف تجذب سحابة ضخمة من الغاز معاً، ولكن ليس في سحابة واحدة ضخمة. بل إنها بدلاً من ذلك تجمع أجزاء من الغاز في هالات صغيرة تطفو بالقرب من بعضها البعض ولكنها لا تشكل ثقباً أسود.

والسبب في ذلك هو أن سحابة الغاز تبرد بسرعة كبيرة. فما دام الغاز ساخناً فإن ضغطه قادر على مقاومة الجاذبية. ولكن إذا برد الغاز فإن الضغط ينخفض، وقد تسود الجاذبية في العديد من المناطق الصغيرة، التي تنهار إلى أجسام كثيفة قبل أن تتاح للجاذبية فرصة سحب السحابة بأكملها إلى ثقب أسود واحد.

قال المؤلف الأول وطالب الدكتوراه ييفان لو: “إن سرعة تبريد الغاز لها علاقة كبيرة بكمية الهيدروجين الجزيئي”. “تبدد ذرات الهيدروجين المرتبطة ببعضها البعض في الجزيء الطاقة عندما تواجه ذرة هيدروجين فضفاضة ذرة“تتحول جزيئات الهيدروجين إلى عوامل تبريد لأنها تمتص الطاقة الحرارية وتشعها بعيدًا. كانت سحب الهيدروجين في الكون المبكر تحتوي على الكثير من الهيدروجين الجزيئي، وبرد الغاز بسرعة وشكل هالات صغيرة بدلاً من السحب الكبيرة.”

كتب لو والباحث ما بعد الدكتوراه زاكاري بيكر كودًا لحساب جميع العمليات المحتملة لهذا السيناريو واكتشفا أن الإشعاع الإضافي يمكن أن يسخن الغاز ويفصل جزيئات الهيدروجين، مما يغير طريقة تبريد الغاز.

وأضاف لو “إذا أضفت الإشعاع في نطاق طاقة معين، فإنه يدمر الهيدروجين الجزيئي ويخلق ظروفًا تمنع تفتيت السحب الكبيرة”.

دور المادة المظلمة في تكوين الثقوب السوداء

ولكن من أين يأتي الإشعاع؟

إن جزءاً ضئيلاً للغاية من المادة في الكون هو النوع الذي يتكون منه أجسامنا وكوكبنا والنجوم وكل شيء آخر يمكننا ملاحظته. والواقع أن الغالبية العظمى من المادة، التي يمكن رصدها من خلال تأثيراتها التجاذبية على الأجرام النجمية ومن خلال انحناء أشعة الضوء القادمة من مصادر بعيدة، تتكون من بعض الجسيمات الجديدة التي لم يتمكن العلماء من تحديدها بعد.

إن أشكال وخصائص المادة المظلمة تشكل لغزاً لا يزال يتعين حله. ورغم أننا لا نعرف ما هي المادة المظلمة، فإن علماء الجسيمات كانوا يتصورون منذ فترة طويلة أنها قد تحتوي على جسيمات غير مستقرة يمكن أن تتحلل إلى فوتونات، وهي جسيمات الضوء. وقد أدى إدراج مثل هذه المادة المظلمة في المحاكاة إلى توفير الإشعاع اللازم لبقاء الغاز في سحابة كبيرة أثناء انهياره في ثقب أسود.

قد تكون المادة المظلمة مكونة من جسيمات تتحلل ببطء، أو قد تكون مكونة من أكثر من جسيم واحد صِنف:بعضها مستقر وبعضها يتحلل في وقت مبكر. وفي كلتا الحالتين، يمكن أن يكون ناتج التحلل إشعاعًا في شكل فوتونات، والتي تكسر الهيدروجين الجزيئي وتمنع سحب الهيدروجين من التبريد بسرعة كبيرة. حتى التحلل الخفيف جدًا للمادة المظلمة ينتج إشعاعًا كافيًا لمنع التبريد، وتشكيل سحب كبيرة، وفي النهاية ثقوب سوداء فائقة الكتلة.

وقال بيكر “قد يكون هذا هو الحل لسبب اكتشاف الثقوب السوداء الهائلة في وقت مبكر جدًا. وإذا كنت متفائلًا، فيمكنك أيضًا قراءة هذا باعتباره دليلًا إيجابيًا على نوع واحد من المادة المظلمة. وإذا تشكلت هذه الثقوب السوداء الهائلة نتيجة لانهيار سحابة غازية، فربما يتعين على الإشعاع الإضافي المطلوب أن يأتي من الفيزياء غير المعروفة للقطاع المظلم”.

مرجع: “الانهيار المباشر للثقوب السوداء الهائلة من تحلل الجسيمات المتبقية” بقلم ييفان لو وزاكاري إس سي بيكر وألكسندر كوسينكو، 27 أغسطس 2024، رسائل المراجعة المادية.
دوى: 10.1103/PhysRevLett.133.091001