كيف تشكلت الثقوب السوداء العملاقة في الكون المبكر

رصد تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) ثقوباً سوداء فائقة الكتلة بعد 400 مليون سنة و500 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم. يبدو الكون في تلك المرحلة أصغر من أن يكون قد أنتج أجساماً بهذا الحجم، وما زال علم الفلك بلا تفسير راسخ ومقبول على نطاق واسع لوجودها. ورقة بحثية جديدة تقترح مساراً محتملاً: تصادمات نجمية متكررة داخل عناقيد كثيفة في الكون المبكر، قد تكون أنتجت «بذور» ثقوب سوداء ضخمة، وربما فسّرت أيضاً ظاهرة «النقاط الحمراء الصغيرة» (Little Red Dots) التي حيّرت الفلكيين.

نُشرت الدراسة في مجلة «ذا أستروفيزيكال جورنال» (The Astrophysical Journal)، وقادتها كلير ويليامز (Claire Williams)، طالبة الدكتوراه في الفيزياء وعلم الفلك بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس (UCLA). يمكن الاطلاع على الدراسة المنشورة في المجلة. والعمل قائم على محاكاة حاسوبية لا على رصد مباشر، وهذا فارق جوهري عند قراءة نتائجه.

كيف بُنيت المحاكاة؟

انطلق الباحثون من شروط أولية مأخوذة من محاكاات AREPO الكونية، واستندوا في ضبط معايير الدراسة إلى رصد JWST لعناقيد نجمية مبكرة ومجرات ذات انزياح أحمر كبير. ثم غيّروا بيئات العناقيد وتشتّت سرعاتها ومنحنيات كثافة الكتلة فيها.

ويشرح المؤلفون منطلقهم بقولهم: «تشير الرصدات والمحاكاة الكونية إلى أن الكون المبكر احتضن أنظمة نجمية عديدة، مدمجة وعالية الكثافة، ومن المرجّح أن الاقتراب الشديد بين النجوم وتصادمها الفعلي كانا شائعين فيها». ويضيفون: «نطوّر إطاراً تصاعدياً لديناميكا النجوم في مثل هذه البيئات، يشمل أنظمة بثقوب سوداء متوسطة الكتلة وفائقة الكتلة وأنظمة بدونها، ويغطي أنظمةً قد تهيمن فيها التصادمات النجمية على التطور وأخرى لا تهيمن».

بدأت كل حالة اختبار بعدد محدّد من النجوم. يقول المؤلفون: «نبدأ بـ1000 نجم لكل حالة اختبار، تقع ضمن فرسخ فلكي واحد (1 pc) من المركز». وللمقارنة، تتفاوت التقديرات لعدد النجوم ضمن فرسخ فلكي واحد من الثقب الأسود في مركز درب التبانة، وبعضها يتجاوز 6000 نجم. وجدت المحاكاة أن التصادمات كانت واسعة الانتشار عبر طيف من بيئات العناقيد النجمية والعناقيد النجمية النووية.

Loading image...

ماذا يحدث حين تلتهم النجوم بعضها؟

تقول النتائج إن التصادمات المتتالية المتسارعة قد تنتج نجوماً فائقة الكتلة (VMS) في وقت مبكر من عمر الكون. وليس لهذا المصطلح تعريف موحّد، لكن يُستخدم كثيراً حدّ يزيد على 100 كتلة شمسية.

وتصف ويليامز أغرب ما خرجت به المحاكاة: «ربما كانت النتيجة الأغرب في محاكاتنا أن النجوم يمكن أن تندمج مراراً داخل العنقود حتى تكوّن نجماً عملاقاً واحداً بكتلة تعادل كتلة العنقود بأكمله». وتتابع: «حين يبلغ نجم بهذا الحجم نهاية حياته، تشير النماذج إلى أنه قد لا يملك خياراً سوى الانهيار على نفسه وتشكيل ثقب أسود ضخم».

وتصف الورقة نتائج غير مألوفة في هذه البيئات: «هناك، يمكن أن تقود التصادمات إلى نتائج غير معتادة، مثل التجدّد الظاهري لجمهرة قديمة عبر نواتج اندماج تبدو كنجوم فتية ضخمة».

أما صلة ذلك بجوارنا الكوني، فتوضحها ويليامز: «أحد الأماكن في الكون القريب التي تشيع فيها التصادمات بين النجوم هو مركز المجرة». وتضيف: «في نموذجنا، حين تتحول هذه النجوم فائقة الكتلة إلى ثقوب سوداء متوسطة الكتلة، يشبه النظام مركز مجرتنا، أي ثقباً أسود تحيط به عنقود نجمي كثيف». والمقصود هنا Sgr A*، الثقب الأسود في قلب درب التبانة، والعنقود النجمي النووي القريب منه. وتُظهر البيانات أن معظم المجرات تحتضن ثقباً أسود فائق الكتلة، وأن نحو 80% من المجرات المبكرة تحتضن أيضاً عنقوداً نجمياً نووياً. وهذا ما يجعل المقارنة بين العناقيد المبكرة والعناقيد النجمية النووية مقارنة منطقية.

وتلخّص ويليامز الفكرة: «توفّر العناقيد النجمية الكثيفة مهداً طبيعياً لبذور الثقوب السوداء الضخمة في نموذجنا». وتتابع: «البيئة نفسها التي تُكوّن الثقب الأسود يمكن أن تمدّه كذلك بالنجوم والغاز المؤثرين في نموه اللاحق». ويرى المؤلفون أن التصادمات شكّلت التطور الديناميكي والفيزيائي للثقوب السوداء الضخمة والعناقيد المستضيفة لها.

Loading image...

وما علاقة ذلك بـ«النقاط الحمراء الصغيرة»؟

بعض التصادمات في المحاكاة كان مدمّراً: يفني النجمين معاً ويحوّلهما إلى غاز. وتشير النتائج إلى أن هذا النوع من التصادمات قد يبني بسرعة بيئات غازية شديدة الكثافة حول الثقوب السوداء الضخمة.

وهنا يأتي الرابط بـالنقاط الحمراء الصغيرة، وهي أجسام مدمجة تبدو ثقوباً سوداء يحيط بها غاز وفير. وتتغذى ثقوبها السوداء بسرعة، وقد تنمو بمعدل يفوق حدّ إدينغتون. يقول المؤلفون: «أخيراً، نبيّن أن المعدلات العالية للتصادمات المدمّرة يمكن أن تبني بسرعة بيئات غازية شديدة الكثافة حول الثقوب السوداء الضخمة، ما قد يوفّر نظيراً للجمهرة المرصودة من النقاط الحمراء الصغيرة». وتربط الدراسة إذن بين الغاز الكثيف الناتج عن التصادمات حول الثقوب السوداء وهذه النقاط المرصودة.

وتصف سمدار ناؤوز (Smadar Naoz)، عالمة الفيزياء الفلكية في UCLA والمشاركة في الدراسة، حال الجدل القائم: «النقاط الحمراء الصغيرة موضوع ساخن في علم الفلك. يمكنكم تشبيه دراسات من يحاولون فهمها بحكاية العميان الذين يحاولون وصف فيل باللمس، فيصفه كل منهم على نحو مختلف بحسب الجزء الذي يلمسه». وتضيف: «بحثنا يربط عدداً من هذه المنظورات معاً، وقد يساعدنا على رؤية جزء أكبر من الفيل».

أين تقف الثقوب السوداء متوسطة الكتلة؟

تفتح الدراسة بابا آخر: قد تكون عناقيد الكون المبكر أنجبت ثقوباً سوداء متوسطة الكتلة (IMBHs)، وهي أثقل من الثقوب السوداء النجمية وأخف من الفائقة الكتلة. وتتنبأ بها نظرية النمو الهرمي للثقوب السوداء، لكن المرشحات لهذه الفئة ما زالت موضع خلاف.

ويُعدّ عنقود أوميغا قنطورس (Omega Centauri) ربما أفضل مثال على ثقب أسود متوسط الكتلة. أما غيره فرُصد عبر الأمواج الثقالية الناجمة عن الاندماجات التي كوّنته. وربما كانت اندماجات هذه الثقوب أكثر شيوعاً في الماضي، فولّدت الثقوب السوداء الفائقة الكتلة التي نراها اليوم.

والفكرة ليست وليدة JWST؛ فتفسير نشوء الثقوب السوداء الفائقة الكتلة المبكرة بالتصادمات النجمية كان قيد البحث قبل التلسكوب بعقود. الجديد أن الرصد الحديث وفّر ألغازاً أكثر إلحاحاً، وأن المحاكاة باتت قادرة على اختبار الفكرة ضمن بيئات مستمدة من أرصاد فعلية. يبقى السؤال المفتوح: هل ستنجح مثل هذه النماذج في الصمود أمام أرصاد أدق لثقوب متوسطة الكتلة لا تزال مرشحاتها محل نزاع؟