في العقود القليلة الماضية ، تمكن الفلكيون من النظر إلى أبعد من ذلك في الكون (وأيضًا في الماضي) ، تقريبًا إلى بدايات الكون. وبذلك تعلموا الكثير عن بعض المجرات الأولى في الكون وتطورها اللاحق. ومع ذلك ، لا تزال هناك بعض الأشياء التي لا تزال محظورة ، مثل عندما ظهرت المجرات ذات الثقوب السوداء الهائلة (SMBHs) والطائرات الضخمة لأول مرة.
وفقًا لدراسات حديثة من المدرسة الدولية للدراسات المتقدمة (SISSA) وفريق من علماء الفلك من اليابان وتايوان يقدمون رؤية جديدة حول كيف بدأت الثقوب السوداء الهائلة في تشكيل 800 مليون سنة فقط بعد الانفجار العظيم ، والطائرات النسبية أقل من 2 مليار سنة بعد. هذه النتائج هي جزء من حالة متزايدة تظهر كيف أن الأجسام الضخمة في الكون لدينا تشكلت في وقت أقرب مما كنا نعتقد.
لقد عرف الفلكيون عن SMBHs لأكثر من نصف قرن. مع مرور الوقت ، أدركوا أن معظم المجرات الضخمة (بما في ذلك درب التبانة) تضعها في قلبها. كان الدور الذي تلعبه في تطور المجرات أيضًا موضوع الدراسة ، حيث استنتج علماء الفلك الحديثون أنهم مرتبطون بشكل مباشر بمعدل تكوين النجوم في المجرات.
وبالمثل ، وجد علماء الفلك أن SMBHs لديها أقراص تراكم ضيقة حولها حيث يتم تسريع الغاز والغبار ليقترب من سرعة الضوء. هذا يتسبب في أن يصبح مركز بعض المجرات ساطعًا جدًا - ما يُعرف باسم نوى المجرات النشطة (AGNs) - لدرجة أنها تتفوق على النجوم في أقراصها. في بعض الحالات ، تؤدي أقراص التراكم هذه أيضًا إلى نفث مواد ساخنة يمكن رؤيتها على بعد مليارات السنين الضوئية.
وفقًا للنماذج التقليدية ، لم يكن لدى المجرات الوقت الكافي لتطوير الثقوب السوداء المركزية عندما كان عمر الكون أقل من مليار سنة (حوالي 13 مليار سنة). ومع ذلك ، فقد أظهرت الملاحظات الأخيرة أن الثقوب السوداء كانت تتشكل بالفعل في مركز المجرات في ذلك الوقت. ولدى معالجة ذلك ، اقترح فريق من العلماء من SISSA نموذجًا جديدًا يقدم تفسيرًا ممكنًا.
لدراستهم ، التي قادتها Lumen Boco - دكتوراه. طالب من معهد الفيزياء الأساسية للكون (IFPU) - بدأ الفريق بحقيقة معروفة وهي أن SMBHs تنمو في المناطق الوسطى من المجرات المبكرة. كان لهذه الأجسام ، أسلاف المجرات الإهليلجية اليوم ، تركيز عالٍ جدًا من الغاز ومعدل شديد للغاية لتكوين النجوم الجديدة.
كانت الأجيال الأولى من النجوم في هذه المجرات قصيرة العمر وتطورت بسرعة إلى ثقوب سوداء كانت صغيرة نسبيًا ، ولكنها مهمة من حيث العدد. أدى الغاز الكثيف الذي أحاط بهم إلى احتكاك ديناميكي كبير وتسبب في هجرتهم بسرعة إلى مركز المجرة. هذا هو المكان الذي اندمجوا فيه لإنشاء بذور الثقوب السوداء الهائلة - التي نمت ببطء بمرور الوقت.
كما أوضح فريق البحث في البيان الصحفي الأخير لـ SISS:
"وفقًا للنظريات الكلاسيكية ، ينمو ثقب أسود فائق الكتلة في مركز مجرة يلتقط المادة المحيطة ، وبشكل أساسي الغاز ،" ينموها "على نفسها ويأكلها أخيرًا على إيقاع يتناسب مع كتلتها. لهذا السبب ، خلال المراحل الأولى من تطوره ، عندما تكون كتلة الثقب الأسود صغيرة ، يكون النمو بطيئًا جدًا. إلى الحد الذي ، وفقًا للحسابات ، للوصول إلى الكتلة المرصودة ، مليارات المرات من الشمس ، سيكون هناك حاجة إلى وقت طويل جدًا ، أكبر من عمر الكون الصغير. "
ومع ذلك ، أظهر النموذج الرياضي الأصلي الذي طوروه أن عملية تكوين الثقوب السوداء المركزية يمكن أن تكون سريعة جدًا في مراحله الأولية. هذا لا يقدم تفسيرا فقط لوجود بذور SMBH في أوائل الكون ولكن أيضا يوفق توقيت نموها مع العمر المعروف للكون.
باختصار ، أظهرت دراستهم أن عملية الهجرة واندماج الثقوب السوداء المبكرة يمكن أن تؤدي إلى إنشاء بذرة SMBH من 10000 إلى 100000 كتلة شمسية في 50-100 مليون سنة فقط. كما أوضح الفريق:
"سيصبح نمو الثقب الأسود المركزي وفقًا للتراكم المباشر المذكور للغاز ، الذي تتوخاه النظرية القياسية ، سريعًا جدًا ، لأن كمية الغاز التي ستنجح في جذبها وامتصاصها ستصبح هائلة ، وتسيطر على العملية التي نقترحها. ومع ذلك ، على وجه التحديد ، حقيقة البدء من هذه البذرة الكبيرة كما تتصورها آليتنا تسرع النمو العالمي للثقب الأسود الهائل وتسمح بتكوينه ، أيضًا في الكون الصغير. باختصار ، في ضوء هذه النظرية ، يمكننا القول أنه بعد 800 مليون سنة من الانفجار العظيم ، يمكن للثقوب السوداء الهائلة أن تملأ الكون بالفعل. "
بالإضافة إلى اقتراح نموذج عمل لبذور SMBH الملحوظة ، اقترح الفريق أيضًا طريقة لاختباره. من ناحية ، هناك موجات الجاذبية التي قد تسببها هذه الاندماجات ، والتي يمكن التعرف عليها باستخدام كاشفات موجات الجاذبية مثل Advanced LIGO / Virgo وتتميز بتلسكوب آينشتاين المستقبلي.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن مراحل التطوير اللاحقة لـ SMBHs هي شيء يمكن التحقيق فيه من قبل بعثات مثل هوائي الفضاء التداخل بالليزر (LISA) التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ، والذي من المتوقع إطلاقه بحلول عام 2034. وفي سياق مماثل ، استخدم فريق آخر من علماء الفلك مؤخرًا Atacama صفيف المليمتر / المليمتر الكبير (ALMA) لمعالجة لغز آخر حول المجرات ، وهذا هو السبب في أن البعض لديه طائرات والبعض الآخر لا.
وقد لوحظت هذه التيارات سريعة الحركة من المادة المؤينة ، التي تسير بسرعات نسبية (جزء من سرعة الضوء) تنبثق من مركز بعض المجرات. تم ربط هذه النفاثات بمعدل تكوين النجوم للمجرة بسبب الطريقة التي تطرد بها المادة التي كانت ستنهار لتكوين نجوم جديدة. وبعبارة أخرى ، تلعب هذه الطائرات دورًا في تطور المجرات ، مثل SMBHs كثيرًا.
لهذا السبب ، سعى علماء الفلك لمعرفة المزيد حول كيفية تفاعل طائرات الثقب الأسود والسحب الغازية مع مرور الوقت. لسوء الحظ ، كان من الصعب ملاحظة هذه الأنواع من التفاعلات خلال الكون المبكر. باستخدام مصفوفة Atacama المليمترية الكبيرة / تحت المليمتر (ALMA) ، تمكن فريق من علماء الفلك من الحصول على أول صورة محلولة للسحب الغازية المضطربة القادمة من الكوازار البعيد جدًا.
ظهرت الدراسة التي تصف نتائجهم ، بقيادة البروفيسور كايكي تارو إنوي من جامعة كينداي ، في الآونة الأخيرة رسائل مجلة الفيزياء الفلكية. كما أوضح إينوي وزملاؤه ، كشفت بيانات ALMA عن وجود طائرات نفاثة ثنائية القطب تنبثق من MG J0414 + 0534 ، وهو كوازار يقع على بعد 11 مليار سنة ضوئية من الأرض. تظهر هذه النتائج أن المجرات ذات SMBHs والطائرات كانت موجودة عندما كان عمر الانفجار العظيم أقل من 3 مليار سنة.
بالإضافة إلى ALMA ، اعتمد الفريق على تقنية تعرف باسم عدسة الجاذبية ، حيث تضخم جاذبية المجرة المتداخلة الضوء القادم من جسم بعيد. بفضل هذا التلسكوب الكوني ودقة ALMA العالية ، تمكن الفريق من مراقبة الغيوم الغازية المضطربة حول MG J0414 + 0534 وتحديد أنها ناتجة عن الطائرات الصغيرة المنبعثة من SMBH في مركز المجرة.
كما أوضح كويشيرو ناكانيشي ، أستاذ مشارك في المشروع في المرصد الفلكي الوطني الياباني / SOKENDAI ، في بيان صحفي لـ ALMA:
"من خلال الجمع بين هذا التلسكوب الكوني وملاحظات ALMA عالية الدقة ، حصلنا على رؤية حادة بشكل استثنائي ، وهي أفضل بـ 9000 مرة من البصر البشري. بهذه الدقة العالية للغاية ، تمكنا من الحصول على توزيع وحركة السحب الغازية حول الطائرات التي تم إخراجها من ثقب أسود فائق الكتلة. "
وأظهرت هذه الملاحظات أيضًا أن الغاز تأثر حيث اتبعت اتجاه الطائرات ، مما تسبب في تحرك الجسيمات بعنف وتصبح مسرعة بسرعات تصل إلى 600 كم / ثانية (370 ميجابت في الثانية). والأكثر من ذلك ، أن هذه السحب الغازية المتأثرة والطائرات نفسها كانت أصغر بكثير من حجم مجرة نموذجية في هذا العمر.
من هذا ، استنتج الفريق أنهم يشهدون مرحلة مبكرة جدًا من تطور النفاثة في مجرة MG J0414 + 0534. إذا كان هذا صحيحًا ، فقد سمحت هذه الملاحظات للفريق بمشاهدة عملية تطورية رئيسية في المجرات خلال الكون المبكر. كما أوجز Inoue:
"MG J0414 + 0534 هو مثال ممتاز بسبب شباب الطائرات. وجدنا دليلاً واضحًا على التفاعل الكبير بين الطائرات والسحب الغازية حتى في المرحلة التطورية المبكرة جدًا من الطائرات. أعتقد أن اكتشافنا سيمهد الطريق لفهم أفضل للعملية التطورية للمجرات في أوائل الكون ".
تظهر هذه الدراسات معًا أن اثنتين من أقوى الظواهر الفلكية في الكون ظهرت في وقت أبكر مما كان متوقعًا. يوفر هذا الاكتشاف أيضًا لعلماء الفلك فرصة استكشاف كيفية تطور هذه الظواهر بمرور الوقت ، والدور الذي لعبوه في تطور الكون.
