كيفية إنشاء ثقب أسود من الهواء الرقيق

كم عدد الطرق المتاحة لمغادرة هذا الكون؟

ولعل المخرج الأكثر شهرة يستلزم موت نجم. في عام 1939، توقع الفيزيائي ج. روبرت أوبنهايمر وطالبه هارلان سنايدر، من جامعة كاليفورنيا، بيركلي، أنه عندما ينفد الوقود النووي الحراري من نجم ضخم بما فيه الكفاية، فإنه ينهار إلى الداخل ويستمر في الانهيار إلى الأبد، مما يؤدي إلى انكماش المكان والزمان والضوء. حول نفسه فيما يسمى اليوم بالثقب الأسود.

ولكن اتضح أنه قد لا تكون هناك حاجة لنجم ميت لتكوين ثقب أسود. بدلًا من ذلك، على الأقل في بداية الكون، ربما انهارت سحب عملاقة من الغاز البدائي مباشرة إلى ثقوب سوداء، متجاوزة ملايين السنين التي قضاها في النجومية.

هذا هو الاستنتاج المبدئي الذي توصلت إليه مؤخرًا مجموعة من علماء الفلك الذين يدرسون UHZ-1، وهي بقعة من الضوء يعود تاريخها إلى فترة ليست طويلة بعد الانفجار الكبير. في الواقع، UHZ-1 هو (أو كان) نجمًا زائفًا قويًا أطلق نارًا وأشعة سينية من ثقب أسود هائل قبل 13.2 مليار سنة، عندما لم يكن عمر الكون قد بلغ 500 مليون سنة.

من الناحية الكونية، يعد هذا أمرًا قريبًا على نحو غير معتاد، حيث يمكن لثقب أسود ضخم جدًا أن يظهر إلى الوجود من خلال انهيارات النجوم واندماجها. تؤكد بريامفادا ناتاراجان، عالمة فلك في جامعة ييل والمؤلفة الرئيسية لورقة بحثية منشورة في مجلة Astrophysical Journal Letters، وزملاؤها أنهم اكتشفوا في UHZ-1 نوعًا سماويًا جديدًا، يسمونه مجرة ​​الثقب الأسود الهائلة، أو OBG. في جوهرها، OBG هي مجرة ​​شابة ترتكز على ثقب أسود أصبح كبيرًا جدًا وبسرعة كبيرة.

إن اكتشاف هذا الكوازار المبكر يمكن أن يساعد علماء الفلك على حل اللغز ذي الصلة الذي أثار حيرةهم لعقود من الزمن. يبدو أن كل مجرة ​​مرئية في الكون الحديث تقريبًا تحتوي في مركزها على ثقب أسود هائل يبلغ حجمه ملايين المليارات من المرات مثل كتلة الشمس. من أين أتت تلك الوحوش؟ هل من الممكن أن تنمو الثقوب السوداء العادية بهذه السرعة؟

تقترح الدكتورة ناتاراجان وزملاؤها أن UHZ-1، وربما العديد من الثقوب السوداء الهائلة، بدأت كسحب بدائية. من الممكن أن تكون هذه السحب قد انهارت إلى حبات كانت ثقيلة قبل الأوان، وكانت كافية لبدء نمو مجرات الثقوب السوداء الضخمة. إنها تذكير آخر بأن الكون الذي نراه محكوم بهندسة الظلام غير المرئية.

وكتبت الدكتورة ناتاراجان وزملاؤها: “باعتباره أول مرشح لـ OBG، يقدم UHZ-1 أدلة دامغة على تكوين بذور أولية ثقيلة من الانهيار المباشر في الكون المبكر”. وأضافت في رسالة بالبريد الإلكتروني: “يبدو أن الطبيعة تصنع بذور BH بعدة طرق، بما يتجاوز مجرد موت النجوم!”

وقال دانييل هولز، المنظر بجامعة شيكاغو الذي يدرس الثقوب السوداء: “لقد وجدت بريا ثقبًا أسود مثيرًا للغاية، إذا كان هذا صحيحًا”.

وأضاف: “إنها ببساطة كبيرة جدًا ومن المبكر جدًا. إنه مثل النظر إلى فصل دراسي في روضة أطفال، وهناك من بين جميع الأطفال البالغين من العمر 5 سنوات طفل يبلغ وزنه 150 رطلاً و/أو طوله ستة أقدام.

وفقا للقصة التي ظل علماء الفلك يحكيونها لأنفسهم عن تطور الكون، فإن النجوم الأولى تكثفت من سحب الهيدروجين والهيليوم التي خلفها الانفجار الكبير. لقد احترقت ساخنة وسريعة، وسرعان ما انفجرت وانهارت لتشكل ثقوبًا سوداء أكبر من كتلة الشمس بـ 10 إلى 100 مرة.

وعلى مر العصور، تشكلت أجيال متتالية من النجوم من رماد النجوم السابقة، مما أدى إلى إثراء كيمياء الكون. واستمرت الثقوب السوداء المتبقية من موتها في الاندماج والنمو بطريقة ما، لتشكل الثقوب السوداء الهائلة في مراكز المجرات.

وقد تم تصميم تلسكوب جيمس ويب الفضائي، الذي أُطلق قبل عامين في عيد الميلاد هذا العام، لاختبار هذه الفكرة. تمتلك أكبر مرآة في الفضاء، يبلغ قطرها 21 قدمًا. والأهم من ذلك، أنه تم تصميمه لتسجيل الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء المنبعثة من ضوء أبعد النجوم وبالتالي أقدمها في الكون.

ولكن بمجرد أن تم توجيه التلسكوب الجديد إلى السماء، تمكن من رؤية مجرات جديدة ضخمة ومشرقة لدرجة أنها تحدت توقعات علماء الكون. وقد احتدمت الحجج على مدى العامين الماضيين حول ما إذا كانت هذه الملاحظات تهدد في الواقع نموذجًا طويل الأمد للكون. يصف النموذج الكون بأنه يتكون من أثر للمادة المرئية، وكميات مذهلة من “المادة المظلمة”، التي توفر الجاذبية لربط المجرات معًا، و”الطاقة المظلمة” التي تدفع هذه المجرات بعيدًا عن بعضها البعض.

يمثل اكتشاف UHZ-1 نقطة انعطاف في هذه المناقشات. استعدادًا للمراقبة المستقبلية بواسطة تلسكوب جيمس ويب الفضائي لمجموعة ضخمة من المجرات في كوكبة النحات، طلب فريق الدكتور ناتاراجان وقتًا في مرصد شاندرا للأشعة السينية التابع لناسا. تعمل كتلة العنقود كعدسة جاذبية، مما يؤدي إلى تكبير الأجسام الموجودة خلفها في المكان والزمان. كان الباحثون يأملون في الحصول على لمحة من الأشعة السينية لأي شيء قد تعرضه العدسة.

ما وجدوه كان نجمًا زائفًا مدعومًا بثقب أسود هائل يبلغ حجمه حوالي 40 مليون مرة كتلة الشمس. وأكدت المزيد من الملاحظات التي أجراها تلسكوب ويب أنه كان على بعد 13.2 مليار سنة ضوئية. (يقع عنقود النحات على بعد حوالي 3.5 مليار سنة ضوئية). وكان أبعد وأقدم كوازار تم اكتشافه حتى الآن في الكون.

وقال أكوس بوجدان من مركز الفيزياء الفلكية بجامعة هارفارد وسميثسونيان في بيان صحفي: “كنا بحاجة إلى ويب للعثور على هذه المجرة البعيدة بشكل ملحوظ، وشاندرا للعثور على ثقبها الأسود الهائل”. “لقد استفدنا أيضًا من العدسة المكبرة الكونية التي عززت كمية الضوء التي اكتشفناها.”

وتشير النتائج إلى أن الثقوب السوداء الهائلة كانت موجودة منذ 470 مليون سنة بعد الانفجار الكبير. هذا ليس وقتًا كافيًا للسماح للثقوب السوداء التي أنشأها الجيل الأول من النجوم – بدءًا من 10 إلى 100 كتلة شمسية – بالنمو إلى هذا الحد.

هل كانت هناك طريقة أخرى لتكوين ثقوب سوداء أكبر؟ في عام 2017، اقترح الدكتور ناتاراجان أن انهيار سحب الغاز البدائي يمكن أن يؤدي إلى ولادة ثقوب سوداء أكبر من كتلة الشمس بـ 10000 مرة.

قال الدكتور هولز: «يمكنك بعد ذلك أن تتخيل واحدًا منها ينمو لاحقًا ليشكل هذا الثقب الأسود الصغير والكبير في وقت مبكر». ونتيجة لذلك، أشار إلى أنه “في كل وقت لاحق في تاريخ الكون، سيكون هناك دائمًا بعض الثقوب السوداء الكبيرة بشكل مدهش”.

قال الدكتور ناتاراجان: “حقيقة أن هذه الأشياء تبدأ في حياة مفرطة الكتلة تعني أنها من المحتمل أن تتطور في النهاية إلى ثقوب سوداء فائقة الكتلة”. لكن لا أحد يعرف كيف يعمل ذلك. تشكل الثقوب السوداء 10% من كتلة النجم الكوازار المبكر UHZ-1، في حين أنها تشكل أقل من واحد في الألف من كتلة المجرات الحديثة مثل المجرة العملاقة ميسييه 87، التي يبلغ وزن ثقبها الأسود 6.5 كتلة. مليار كتلة شمسية عندما التقطت صورته بواسطة تلسكوب أفق الحدث في عام 2019.

ويشير ذلك إلى أن تأثيرات ردود الفعل البيئية المعقدة تهيمن على نمو وتطور هذه المجرات وثقوبها السوداء، مما يتسبب في زيادة كتلتها في النجوم والغاز.

قال الدكتور ناتاراجان: “في الواقع، تقوم مجموعات OBG المبكرة هذه بإرسال المزيد من المعلومات حول فيزياء البذور وإلقاء الضوء عليها بدلاً من النمو والتطور اللاحق”. وأضافت: “رغم أن لها مضامين مهمة”.

قال الدكتور هولز: “سيكون الأمر رائعًا بالتأكيد إذا تبين أن هذا هو ما يحدث، لكنني لا أدري حقًا”. وأضاف: “ستكون قصة رائعة بغض النظر عن كيفية حل لغز الثقوب السوداء الكبيرة المبكرة”.