چگونه کشف «ستاره سیاه‌چاله» قوانین طبقه‌بندی ستارگان و نور کیهان اولیه را بازنویسی می‌کند

ستاره‌شناسان جرمی را در کیهان اولیه کشف کرده‌اند که شبیه یک ستاره به نظر می‌رسد اما انرژی آن توسط یک سیاه‌چاله تأمین می‌شود. این هیبرید کیهانی که «ستاره سیاه‌چاله» نامیده شده، شامل یک سیاه‌چاله پرجرم است که در پیله‌ای متراکم از گاز هیدروژن به اندازه منظومه شمسی ما پیچیده شده است. این جرم با نوری معادل ۱۰۰ میلیارد خورشید می‌درخشد، با این حال، برای تولید این قدرت عظیم، کاملاً به گرانش متکی است و نه همجوشی هسته‌ای.[1][4]

برای چندین دهه، اخترفیزیکدانان تلاش کرده‌اند توضیح دهند که چگونه سیاه‌چاله‌های پرجرم – این هیولاهای چند میلیارد برابر جرم خورشید که کهکشان‌های امروزی را در مرکز خود نگه داشته‌اند – توانسته‌اند بلافاصله پس از بیگ بنگ به این سرعت شکل بگیرند. مدل‌های استاندارد فروپاشی ستاره‌ای و برافزایش به سادگی اجازه نمی‌دهند که یک سیاه‌چاله به اندازه کافی سریع تغذیه کند تا در عرض تنها چند صد میلیون سال به چنین ابعاد شگفت‌انگیزی برسد.[5]

کشف MoM-BH*-1، جرمی که به ۶۶۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ بازمی‌گردد، یک راه‌حل ملموس ارائه می‌دهد. این جرم که در داده‌های میدان عمیق تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) یافت شد، در ابتدا به صورت یک «نقطه قرمز کوچک» ظاهر شد – یکی از صدها منبع مرموز، فشرده و قرمز رنگی که از زمان فعال شدن تلسکوپ در سال ۲۰۲۲، ستاره‌شناسان را گیج کرده بود.[2][3]

در ابتدا، محققان فرض می‌کردند که این نقاط قرمز صرفاً کهکشان‌های اولیه هستند که به شدت توسط گرد و غبار پوشیده شده‌اند، درست مانند زمانی که دود آتش‌سوزی خورشید را قرمز می‌کند. اما هنگامی که تیمی به رهبری محققان MIT و دانشگاه هاوایی طیف نوری MoM-BH*-1 را تجزیه و تحلیل کردند، تقریباً هیچ عنصری به جز هیدروژن و هلیوم پیدا نکردند. بنابراین، گرد و غبار عامل اصلی نبود.[1][4]

در عوض، طیف نوری یک «شکست بالمر» (Balmer break) شدید را نشان داد – افت ناگهانی نور در طول موج‌های کوتاه‌تر که ناشی از جذب انرژی‌های خاص توسط اتم‌های هیدروژن است. در حالی که مجموعه‌های معمولی ستارگان می‌توانند شکست بالمر ایجاد کنند، عمق محض این افت در MoM-BH*-1 بی‌سابقه بود. این امر وجود یک خوشه ستاره‌ای معمولی را رد کرد.[2][4]

برای درک آنچه مشاهده می‌کردند، تیم شبیه‌سازی‌های کامپیوتری انجام داد. آنها دریافتند که یک منبع انرژی مرکزی، که تقریباً ۱۰۰ میلیارد برابر درخشندگی خورشید ما خروجی دارد، می‌تواند دقیقاً این امضا را ایجاد کند، به شرطی که در داخل یک پرده هیدروژنی فوق‌العاده متراکم و مات دفن شده باشد.[1][3]

تنها موتوری که قادر به تولید این حجم انرژی در چنین فضای فشرده‌ای است، یک سیاه‌چاله است. محققان تخمین می‌زنند که سیاه‌چاله مرکزی در MoM-BH*-1 تقریباً ۱۰۰,۰۰۰ برابر جرم خورشید است. هنگامی که گاز به سمت افق رویداد سقوط می‌کند، تا دماهای بسیار بالا گرم شده و سیلی از تابش را آزاد می‌کند.[3][4]

در یک سیاه‌چاله استاندارد، این تابش گاز اطراف را به بیرون پرتاب می‌کند، منبع غذایی سیاه‌چاله را قطع کرده و رشد آن را متوقف می‌سازد – این مرز فیزیکی سخت به عنوان حد ادینگتون شناخته می‌شود. اما در یک ستاره سیاه‌چاله، پوشش هیدروژنی اطراف آنقدر عظیم و متراکم است که تابش را به دام می‌اندازد.[5][6]

این اثر به دام انداختن فوتون‌ها، کل پوشش را به یک محفظه فشار تبدیل می‌کند. گاز مات شده و انرژی به دام افتاده را از سطح بیرونی خود تابش می‌دهد، و باعث می‌شود کل ساختار شبیه یک ستاره قرمز درخشان و فوق‌العاده بزرگ به نظر برسد و عمل کند.[1][6]

مهم‌تر از آن، این پیله متراکم به سیاه‌چاله اجازه می‌دهد تا حد ادینگتون را دور بزند. سیاه‌چاله که با خیال راحت در داخل پوشش ستاره‌ای خود پنهان شده است، می‌تواند با نرخ «فرا-ادینگتون» گاز اطراف را ببلعد و به طور تصاعدی سریع‌تر از آنچه مدل‌های استاندارد اجازه می‌دهند، رشد کند.[5][7]

این سازوکار شکاف موجود در درک ما از کیهان اولیه را به طور کامل پر می‌کند. اگر ستاره‌های سیاه‌چاله در اولین میلیارد سال پس از بیگ بنگ رایج بودند، به عنوان محفظه‌های رشد سریع مورد نیاز برای تولید سیاه‌چاله‌های پرجرمی که امروزه در مراکز کهکشان‌ها می‌بینیم، عمل می‌کردند.[1][5]

مفهوم ستاره سیاه‌چاله – که از نظر تاریخی در فیزیک نظری به عنوان «شبه‌ستاره» (quasi-star) شناخته می‌شد – کاملاً جدید نیست. این مفهوم تقریباً دو دهه پیش به عنوان یک راه‌حل ریاضی برای مشکل سیاه‌چاله‌های کیهان اولیه فرضیه‌سازی شد. اما تا پیش از JWST، هیچ تلسکوپی حساسیت فروسرخ لازم برای مشاهده واقعی چنین جرمی را نداشت.[6][7]

شایان ذکر است که بین این کشف و سایر نظریه‌های اخیر مربوط به سیاه‌چاله‌ها و ستارگان تفاوت وجود دارد. در اواخر سال ۲۰۲۳، گروه دیگری از محققان «ستاره‌های هاوکینگ» را پیشنهاد کردند – ستارگان رشته اصلی مانند خورشید ما که ممکن است سیاه‌چاله‌های میکروسکوپی و اولیه را در هسته خود جای داده باشند.[7]

MoM-BH*-1 یک پدیده کاملاً متفاوت است. این یک ستاره معمولی نیست که به آرامی توسط یک انگل کوچک خورده می‌شود؛ بلکه یک سیاه‌چاله عظیم است که مستقیماً از فروپاشی یک ابر گازی اولیه و غول‌پیکر تشکیل شده و پوشش بیرونی خود را حفظ کرده تا ساختاری هیبریدی به اندازه کل منظومه شمسی ایجاد کند.[2][4]

در حالی که مدل «ستاره سیاه‌چاله» در حال حاضر بهترین تطابق را با داده‌ها دارد، اما همچنان تفسیری از یک طیف نوری است، نه یک تصویر مستقیم از خود سیاه‌چاله. جامعه ستاره‌شناسی به مشاهدات طیف‌سنجی بیشتری از سایر نقاط قرمز کوچک نیاز خواهد داشت تا تأیید کند که آیا همه آنها این ساختار یکسان را دارند یا خیر.[2][7]

اگر این تفسیر درست باشد، نشان‌دهنده یک تغییر اساسی در طبقه‌بندی ستارگان است. کیهان فقط ستارگانی با انرژی همجوشی و سیاه‌چاله‌هایی با انرژی برافزایش تولید نکرده است؛ بلکه در دوران جوانی آشفته خود، ترکیبی تماشایی از این دو را ایجاد کرده که حریص‌ترین خورندگان کیهان را پشت نقاب درخشان یک ستاره پنهان کرده است.[1][5]