ربما يكون العلماء قد حلوا لغزًا كونيًا كان يزعجهم منذ أن بدأ تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) عمليات الرصد في عام 2022.

عندما بدأ علماء الفلك في النظر إلى الأيام الأولى للكون باستخدام المرصد المتطور، اكتشفوا ذلك الثقوب السوداء الهائلة يبدو أنها تشكلت قبل أن يبلغ عمر الكون مليار سنة، وهو أمر لا تستطيع نماذجنا الحالية للكون تفسيره. لكن دراسة جديدة وجدت أن الثقب الأسود “يتغذى بجنون” قد يفسر كيف ولدت هذه الوحوش الكونية في وقت مبكر جدًا من تاريخ الكون.

وقال قائد البحث داكسال ميهتا من جامعة ماينوث في بيان: “لقد وجدنا أن الظروف الفوضوية التي كانت موجودة في الكون المبكر أدت إلى نمو ثقوب سوداء أصغر حجما إلى الثقوب السوداء فائقة الضخامة التي نراها لاحقا، بعد جنون التغذية الذي التهم المواد المحيطة بها”. “لقد كشفنا، باستخدام أحدث عمليات المحاكاة الحاسوبية، أن الجيل الأول من الثقوب السوداء – تلك التي ولدت بعد بضع مئات الملايين من السنين فقط الانفجار العظيم نما بسرعة لا تصدق، إلى عشرات الآلاف من المرات حجم شمسنا.”

من خلال إجراء عمليات محاكاة حاسوبية معقدة، وجد هذا الفريق من الباحثين أن الظروف المضطربة والغنية بالغاز الكثيف في المجرات الأولى ربما سمحت للثقوب السوداء بالدخول في مراحل قصيرة من الشراهة الضخمة، متجاوزة الحاجز المعروف باسم “حد إدينغتون”. يحدد هذا الحد كمية المواد التي يمكن أن تسقط على جسم مثل النجم أو الثقب الأسود قبل أن يدفع الإشعاع الناتج عن هذا التراكم المزيد من المادة بعيدًا، مما يؤدي إلى إفراغ مخزن الجسم المركزي من الغاز والغبار، وبالتالي قطع إمدادات الغذاء عنه.

تُعرف فترات الاستهلاك الفائق التي تتحدى هذا الحد باسم “تراكم إدنجتون الفائق” وتكون بمثابة الحلقة المفقودة بين الثقوب السوداء التي تتشكل عندما تموت النجوم الضخمة في انفجارات السوبرنوفا والثقوب السوداء الهائلة.

تقع الثقوب السوداء الهائلة التي تبلغ كتلتها ملايين أو حتى مليارات المرات من كتلة الشمس في قلب جميع المجرات الكبيرة في الكون الحديث البالغ من العمر 13.8 مليار عام، وهو ما لا يصعب تفسيره على الإطلاق، حيث كان لديها متسع من الوقت لتنمو.

تكمن المشكلة في اكتشاف الثقوب السوداء الهائلة منذ 500 مليون سنة بعد الانفجار الكبير، وهي مجموعة من الثقوب السوداء التي اكتشفها تلسكوب جيمس ويب الفضائي بشكل روتيني خلال السنوات الثلاث والنصف الماضية. وذلك لأن عمليات الاندماج والتغذية التي يُعتقد أنها تسمح للثقوب السوداء بالوصول إلى حالة فائقة الكتلة، يُعتقد أنها تستغرق مليار سنة على الأقل.

قال عضو فريق البحث والعالم في جامعة ماينوث جون ريجان لموقع Space.com: “إن الأمر يشبه رؤية عائلة تسير في الشارع، ولديها مراهقان يبلغ طولهما ستة أقدام، ولكن لديهم أيضًا طفلًا صغيرًا يبلغ طوله ستة أقدام”. “هذه مشكلة صغيرة. كيف أصبح هذا الطفل طويل القامة؟ والأمر نفسه بالنسبة للثقوب السوداء الهائلة في الكون. كيف أصبحت ضخمة بهذه السرعة؟”

تشير عمليات المحاكاة التي أجراها الفريق إلى أن جنون التغذية الفائق لإدينجتون كان من الممكن أن يسمح للجيل الأول من الثقوب السوداء بالتهام الغاز الكثيف الموجود في الكون المبكر للوصول إلى كتل تصل إلى عشرات الآلاف من أضعاف كتلة الشمس. في حين أن هذا لا يوصلنا إلى الثقوب السوداء الهائلة، إلا أنه يوفر بداية مهمة في عملية الاندماج التي من شأنها أن تشهد تصادم الثقوب السوداء ذات الحجم المتزايد وتندمج معًا لتكوين ثقب أسود أكثر ضخامة.

وقال ميهتا: “كان يُعتقد في السابق أن هذه الثقوب السوداء الصغيرة أصغر من أن تنمو لتصبح الثقوب السوداء العملاقة التي لوحظت في مراكز المجرات المبكرة”. “ما أظهرناه هنا هو أن هذه الثقوب السوداء المبكرة، على الرغم من صغر حجمها، قادرة على النمو بسرعة مذهلة، في ظل الظروف المناسبة.”

يمكن أن يساعد بحث الفريق العلماء في تحديد ما إذا كانت الثقوب السوداء فائقة الكتلة المبكرة قد بدأت كـ “بذور خفيفة”، تبلغ كتلتها ما بين عشرة إلى بضع مئات من أضعاف كتلة شمسنا، أو “بذور ثقيلة”، تبلغ كتلتها ما يصل إلى 100000 مرة كتلة الشمس. في السابق، كان من المفترض أن البذور الثقيلة فقط هي التي ستكون ضخمة بما يكفي لتسهيل النمو السريع للثقوب السوداء فائقة الكتلة.

قال ريجان: “الآن لسنا متأكدين من ذلك”. “البذور الثقيلة أكثر غرابة إلى حد ما وقد تحتاج إلى ظروف نادرة للتشكل. تظهر عمليات المحاكاة لدينا أن الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية المتنوعة يمكن أن تنمو بمعدلات قصوى في الكون المبكر.”

لا يقترح بحث الفريق طريقًا جديدًا لنمو الثقب الأسود الهائل فحسب، بل يُظهر أيضًا مدى أهمية عمليات المحاكاة عالية الدقة في تحقيقاتنا للكون المبكر.

وقال ريجان: “إن الكون المبكر كان أكثر فوضوية واضطرابًا مما توقعنا، مع وجود عدد أكبر بكثير من الثقوب السوداء الضخمة مما توقعنا أيضًا”.

أما بالنسبة لجمع الأدلة على هذه النظرية، فقد لا يكون ذلك مهمة تلسكوب جيمس ويب الفضائي أو أي جهاز فلكي تقليدي آخر، بل أدوات مصممة للكشف عن التموجات الصغيرة في الفضاء المعروفة باسم موجات الجاذبية التي تندمج مثل هذا الإشعاع. من الأهمية بمكان أن يكون أول كاشف فضائي لموجات الجاذبية، وهو هوائي مقياس التداخل الليزري الفضائي (ليزا)، مشترك وكالة الفضاء الأوروبية/ مهمة ناسا من المقرر إطلاقها في عام 2035.

وخلص ريجان إلى أن “ملاحظات موجات الجاذبية المستقبلية من تلك المهمة قد تكون قادرة على اكتشاف اندماج هذه الثقوب السوداء الصغيرة والمبكرة وسريعة النمو”.

نُشر بحث الفريق يوم الأربعاء (21 يناير) في المجلة علم الفلك الطبيعة.