جهان اولیه احتمالا مملو از سیاه‌چاله‌ها بوده است

در واقع ستاره‌شناسان منابع فشرده بسیار درخشانی را که در مراکز کهکشان‌ها به نام اختروش‌ها(ابرسیاه‌چاله‌های در حال رشد سریع) قرار دارند، زمانی که کیهان کمتر از یک میلیارد سال سن داشته است، شناسایی کرده‌اند.

اکنون یک مطالعه جدید از پژوهشگران دانشگاه استکهلم در مجله Astrophysical Journal Letters منتشر شده است که از مشاهدات تلسکوپ فضایی هابل استفاده کرده تا نشان دهد که ابرسیاه‌چاله‌های بسیار بیشتری که بسیار کمتر نورانی بوده‌اند، در کیهان اولیه نسبت به تخمین‌های قبلی وجود داشته است.

متیو هایس(Matthew Hayes) سرپرست این مطالعه می‌گوید: به طور هیجان انگیزی این موضوع می‌تواند به ما در درک چگونگی شکل‌گیری آنها کمک کند و البته اینکه چرا به نظر می‌رسد بسیاری از آنها بزرگتر از حد انتظار هستند.

سیاه‌چاله‌ها با بلعیدن موادی که آنها را احاطه کرده است، در فرآیندی به نام برافزایش(accretion) رشد می‌کنند. این فرآیند مقدار زیادی تشعشع تولید می‌کند و فشار ناشی از این تشعشع محدودیتی اساسی برای سرعت رشد سیاه‌چاله‌ها ایجاد می‌کند.

بنابراین دانشمندان در توضیح این اختروش‌های عظیم اولیه با یک چالش مواجه شدند. بدون وجود زمان زیادی که در آن تغذیه شوند، یا باید سریع‌تر از حد ممکن رشد کرده باشند، یا به طرز شگفت‌انگیزی از همان ابتدا عظیم متولد شده باشند.

اما اصلاً سیاه‌چاله‌ها چگونه تشکیل می‌شوند؟ چندین احتمال وجود دارد. اولین مورد این است که به اصطلاح «سیاه‌چاله‌های نخستین» از مدت کوتاهی پس از مه‌بانگ وجود داشته‌اند. در حالی که این فرض برای سیاه‌چاله‌های با جرم کم قابل قبول است، اما سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم نمی‌توانند بر اساس مدل استاندارد کیهان‌شناسی به تعداد قابل توجهی تشکیل شده باشند.

سیاه‌چاله نخستین(Primordial black hole) که به اختصار PBH نیز نامیده می‌شود، نوعی سیاه‌چاله فرضی است که بلافاصله پس از انفجار بزرگ مه‌بانگ شکل گرفت. در کیهان اولیه، چگالی بالا و شرایط ناهمگن می‌توانست مناطقی به ‌اندازه کافی متراکم را به سمت رمبش گرانشی سوق و سیاه‌چاله‌ها را تشکیل دهد.

سیاه‌چاله‌ها قطعاً می‌توانند در مراحل پایانی عمر کوتاه برخی از ستاره‌های کلان‌جرم معمولی شکل بگیرند که اکنون توسط نجوم امواج گرانشی تأیید شده است. چنین سیاه‌چاله‌هایی در اصل اگر در خوشه‌های ستاره‌ای بسیار متراکم تشکیل شوند، یعنی جایی که ستاره‌ها و سیاه‌چاله‌ها می‌توانند ادغام شوند، می‌توانند به سرعت رشد کنند. این «دانه‌های توده ستاره‌ای» همان سیاه‌چاله‌ها هستند که خیلی سریع رشد می‌کنند.

گزینه جایگزین این است که آنها می‌توانند از «دانه‌های سنگین» با جرمی حدود ۱۰۰۰ برابر بیشتر از ستاره‌های کلان‌جرم شناخته شده تشکیل شوند. یکی از این مکانیسم‌ها «فروپاشی مستقیم» است که در آن ساختارهای اولیه ماده ناشناخته و نامرئی معروف به ماده تاریک، ابرهای گازی را محدود می‌کند، در حالی که تشعشعات پس‌زمینه از تشکیل ستاره‌ها جلوگیری می‌کند. در عوض، آنها به سیاه‌چاله تبدیل شده‌اند.

مشکل اینجاست که فقط تعداد کمی از هاله‌های ماده تاریک به اندازه کافی بزرگ می‌شوند که چنین دانه‌هایی را تشکیل دهند. بنابراین اگر سیاه‌چاله‌های نخستین به اندازه کافی نادر باشند، این توضیح کار می‌کند.

سیاه‌چاله‌های متعدد

برای سال‌ها ما تصویر خوبی از تعداد کهکشان‌ها در یک میلیارد سال اول عمر کیهان داشته‌ایم، اما یافتن سیاه‌چاله‌ها در این محیط‌ها بسیار چالش برانگیز بود و فقط اختروش‌های نورانی قابل اثبات بودند.

اگرچه سیاه‌چاله‌ها با بلعیدن مواد اطراف رشد می‌کنند، اما این با سرعت ثابتی اتفاق نمی‌افتد. آنها تغذیه خود را به وعده‌های غذایی تقسیم می‌کنند که باعث می‌شود روشنایی آنها در طول زمان تغییر کند.

محققان می‌گویند ما برخی از اولین کهکشان‌ها را از نظر تغییر در روشنایی در یک دوره ۱۵ ساله زیر نظر گرفتیم و از آن برای انجام یک سرشماری جدید از تعداد سیاه‌چاله‌ها استفاده کردیم. اکنون به نظر می‌رسد که سیاه‌چاله‌ها در کهکشان‌های اولیه چندین برابر بیشتر از آنچه در ابتدا تصور می‌کردیم، وجود داشته‌اند.

دیگر کارهای پیشگامانه اخیر با تلسکوپ فضایی جیمز وب(JSTW) برای رسیدن به نتایج مشابهی آغاز شده است. در مجموع تعداد سیاه‌چاله‌های ما بیشتر از آن چیزی است که در اثر فروپاشی مستقیم ایجاد می‌شود.

راه دیگر و عجیب‌تری برای تشکیل سیاه‌چاله‌ها وجود دارد که می‌تواند دانه‌هایی بزرگ و فراوان تولید کند. ستارگان از انقباض گرانشی ابرهای گازی تشکیل می‌شوند. اگر بتوان تعداد قابل توجهی از ذرات ماده تاریک را در مرحله انقباض گرفت، آنگاه ساختار داخلی می‌تواند به طور کامل اصلاح شود و از اشتعال هسته‌ای جلوگیری شود.

بنابراین رشد می‌تواند چندین برابر بیشتر از عمر معمولی یک ستاره معمولی ادامه یابد و به آنها اجازه می‌دهد بسیار عظیم‌تر شوند. با این حال، مانند ستارگان معمولی و اجرام فروپاشیده مستقیم، هیچ چیز در نهایت قادر به مقاومت در برابر نیروی عظیم گرانش نیست. این بدان معناست که این «ستارگان تاریک» نیز باید در نهایت فرو بریزند و سیاه‌چاله‌های عظیمی را تشکیل دهند.

ستاره‌شناسان می‌گویند ما اکنون معتقدیم که فرآیندهای مشابه این باید برای تشکیل تعداد زیادی سیاه‌چاله که در جهان اولیه مشاهده می‌کنیم، اتفاق افتاده باشد.

برنامه‌های آینده

مطالعات مربوط به تشکیل سیاه‌چاله‌های نخستین در دو سال گذشته دستخوش دگرگونی شده است، اما به یک معنا این تازه آغاز ماجراست.

رصدخانه‌های جدید در فضا مانند مأموریت اقلیدس یا تلسکوپ فضایی رومی نانسی گریس، سرشماری ما از اختروش‌های کم نورتر را در زمان‌های اولیه انجام خواهند داد. ماموریت نیو آتنا(NewAthena) و آرایه کیلومتر مربعی در استرالیا و آفریقای جنوبی نیز درک ما را از بسیاری از فرآیندهای پیرامون سیاه‌چاله‌ها در زمان‌های نخستین باز می‌کند.

اما این جیمز وب خواهد بود که ما باید در آینده نزدیک آن را تماشا کنیم. با حساسیت این تلسکوپ فضایی برای تصویربرداری و نظارت و قابلیت‌های طیف‌سنجی برای مشاهده فعالیت‌های بسیار ضعیف سیاه‌چاله‌ها، ما انتظار داریم که در پنج سال آینده واقعاً اعداد سیاه‌چاله‌ها را با مشاهده شکل‌گیری اولین کهکشان‌ها مشخص کنیم.

حتی ممکن است با مشاهده انفجارهای مرتبط با فروپاشی اولین ستارگان دست نخورده، تشکیل سیاه‌چاله را در عمل ببینیم. مدل‌ها می‌گویند این امکان پذیر است، اما مستلزم تلاش هماهنگ و اختصاصی ستاره‌شناسان است.