تلسکوپ جیمز وب سیاه‌چاله‌ای ۵۰ میلیون برابر جرم خورشید را کشف کرد که قبل از کهکشان میزبانش شکل گرفته و جدول زمانی کیهانی را به چالش می‌کشد

در پس‌زمینه خوشه کهکشانی پاندورا، که توسط گرانش عظیم کهکشان‌های پیش‌زمینه بزرگ‌نمایی شده است، لکه‌ای درخشان از گاز هیدروژن و هلیوم به عرض تنها ۱,۳۰۰ سال نوری قرار دارد. این شیء که Abell2744-QSO1 نامگذاری شده، یک «نقطه قرمز کوچک» (Little Red Dot) است؛ دسته‌ای از منابع نوری فشرده و باستانی که توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) کشف شده‌اند.

نور آن بیش از ۱۳ میلیارد سال سفر کرده و جهان را تنها ۷۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ به ما نشان می‌دهد. اما در داخل این ابر گازی کوچک و دست‌نخورده، یک غول گرانشی پنهان شده است: یک سیاه‌چاله کلان‌جرم که ۵۰ میلیون برابر جرم خورشید ما وزن دارد. کشف چنین شیء عظیمی در این مرحله اولیه از تاریخ کیهانی، اخترفیزیکدانان را مجبور می‌کند تا جدول زمانی اساسی نحوه شکل‌گیری بزرگترین ساختارهای جهان را بازنگری کنند.[1][5]

برای دهه‌ها، ستاره‌شناسان سیاه‌چاله‌های دوردست را با استفاده از روش‌های غیرمستقیم اندازه‌گیری می‌کردند، که اغلب به درخشش گاز اطراف تکیه داشتند و فرض می‌کردند که این گاز مانند گاز موجود در کیهان محلی و مدرن رفتار می‌کند. اما طیف‌نگار فروسرخ نزدیک (NIRSpec) تلسکوپ جیمز وب به محققان این امکان را داد که جرم سیاه‌چاله QSO1 را مستقیماً اندازه‌گیری کنند. ستاره‌شناسان با ردیابی سرعت گاز هیدروژن که به دور مرکز می‌چرخید، یک الگوی چرخش کپلری تقریباً کامل را مشاهده کردند.

همانطور که سرعت سیارات در مدار خورشید، جرم خورشید را تعیین می‌کند، چرخش سریع و منظم این گاز به دانشمندان اجازه داد تا دقیقاً محاسبه کنند که چه مقدار جرم نامرئی آن را در جای خود نگه داشته است. محاسبه حاصل جرمی معادل ۵۰ میلیون برابر جرم خورشید را نشان داد، که تخمین‌های قبلی را تأیید کرد اما با دقتی بی‌سابقه.[1][2]

با این حال، آنچه که از اندازه مطلق سیاه‌چاله شگفت‌انگیزتر است، نسبت بین سیاه‌چاله و کهکشان میزبان آن است. در کیهان محلی، یک سیاه‌چاله کلان‌جرم معمولاً حدود ۰.۱٪ تا ۰.۵٪ از کل جرم کهکشان میزبان خود را تشکیل می‌دهد. در QSO1، این سیاه‌چاله حداقل ۶۶٪ – یعنی دو سوم – از جرم کل سامانه را شامل می‌شود.

منحنی چرخش گاز به قدری فشرده و منظم است که تقریباً هیچ فضای ریاضی برای وجود جمعیت قابل توجهی از ستارگان باقی نمی‌گذارد. اگر یک دیسک ستاره‌ای عظیم وجود داشت، گاز از چنین مدار کپلری کاملی به دور یک جرم نقطه‌ای واحد پیروی نمی‌کرد. این نسبت افراطی هزاران برابر بیشتر از چیزی است که در کهکشان‌های نزدیک مشاهده می‌شود، و نشان می‌دهد که سیاه‌چاله ویژگی غالب این سامانه است.[1][5]

مشکل یافتن چنین سیاه‌چاله عظیمی در این مرحله اولیه از جهان، محدودیت سرعت فیزیک است. سیاه‌چاله‌ها با جذب ماده رشد می‌کنند، اما با سقوط گاز به داخل، گرم شده و تابش شدیدی منتشر می‌کند. این تابش به سمت بیرون فشار می‌آورد و یک محدودیت سرعت طبیعی برای رشد ایجاد می‌کند که به عنوان حد ادینگتون شناخته می‌شود.

اگر یک سیاه‌چاله به عنوان یک «بذر» از یک ستاره پرجرم فروپاشیده – که معمولاً بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر جرم خورشید وزن دارد – شروع می‌کرد، باید به طور مداوم با حداکثر نرخ نظری خود برای میلیاردها سال تغذیه می‌کرد تا به ۵۰ میلیون برابر جرم خورشید برسد. یافتن یکی به این بزرگی تنها ۷۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ به این معناست که مدل استاندارد بذرهای باقیمانده ستاره‌ای نمی‌تواند به راحتی وجود آن را توضیح دهد.[1][3]

کشف QSO1 بخشی از یک راز گسترده‌تر در مورد «نقاط قرمز کوچک» است، جمعیتی از اجرام که اولین بار توسط تلسکوپ جیمز وب در سال ۲۰۲۲ مشاهده شدند. در ابتدا، ستاره‌شناسان فکر می‌کردند که این منابع فشرده و مایل به قرمز ممکن است کهکشان‌های بالغ و بسیار پرجرمی باشند که به طرز شگفت‌انگیزی زود شکل گرفته‌اند.

با این حال، طیف‌های آن‌ها خطوط نشری پهنی را نشان داد که مشخصه هسته‌های فعال کهکشانی – سیاه‌چاله‌های در حال تغذیه – هستند که در گاز متراکم پوشیده شده‌اند. QSO1 یک نمونه اولیه از نقاط قرمز کوچک محسوب می‌شود، و از آنجایی که توسط خوشه پاندورا عدسی گرانشی شده و سه تصویر از آن ایجاد شده است، یکی از واضح‌ترین نماها را از دینامیک داخلی این اجرام اسرارآمیز ارائه می‌دهد.[1][3]

تحلیل طیف‌سنجی بیشتر QSO1 نشان داد که گاز اطراف سیاه‌چاله به طور فوق‌العاده‌ای دست‌نخورده است. محققان با مقایسه قدرت خطوط نشری اکسیژن با خطوط نشری هیدروژن، فلزینگی گاز را تعیین کردند. نتیجه حیرت‌آور بود: فلزینگی کمتر از ۰.۵٪ چیزی است که در خورشید ما یافت می‌شود.

در یک کهکشان معمولی، نسل‌های ستاره‌ها عناصر سبک را به عناصر سنگین‌تر مانند اکسیژن و کربن تبدیل می‌کنند و آن‌ها را از طریق انفجارهای ابرنواختری پراکنده می‌سازند. فقدان تقریباً کامل این عناصر سنگین‌تر در QSO1 نشان می‌دهد که شکل‌گیری گسترده ستاره‌ها هنوز رخ نداده است.[2][4]

این ترکیب از یک سیاه‌چاله عظیم و یک کهکشان شکل‌نگرفته و بدون ستاره، مستقیماً مدل کلاسیک «مرغ و تخم‌مرغ» تکامل کیهانی را به چالش می‌کشد. اجماع سنتی بر این بود که ابتدا یک کهکشان جوان شکل می‌گیرد، گاز را جمع‌آوری کرده و ستارگان را شعله‌ور می‌سازد. در نهایت، یک سیاه‌چاله بذری کوچک شروع به تغذیه از مواد اطراف می‌کند و در طول میلیاردها سال به طور همزمان با کهکشان میزبان خود رشد می‌کند.

QSO1 این جدول زمانی را بر هم می‌زند. داده‌ها قویاً نشان می‌دهند که در این مورد، سیاه‌چاله کلان‌جرم ابتدا شکل گرفته و کهکشان تازه در حال جمع شدن به دور آن است. سیاه‌چاله در پوششی تقریباً دست‌نخورده از گاز اولیه قرار دارد و منتظر تشکیل ستارگان است.[2][4]

اگر سیاه‌چاله از یک ستاره فروپاشیده در داخل یک کهکشان موجود رشد نکرده است، چگونه به این سرعت به ۵۰ میلیون برابر جرم خورشید رسید؟ شواهد QSO1 به مدل «فروپاشی مستقیم» اعتبار می‌بخشد. این نظریه پیشنهاد می‌کند که در کیهان اولیه، ابرهای عظیم گاز دست‌نخورده به طور کامل از مرحله تشکیل ستاره عبور کردند.

از آنجایی که گاز فاقد عناصر سنگین برای خنک کردن و تکه‌تکه شدن به هسته‌های ستاره‌ای کوچک‌تر بود، کل ابر تحت وزن خود مستقیماً به یک بذر سیاه‌چاله سنگین با وزن حداکثر ۱۰۰,۰۰۰ برابر جرم خورشید فروپاشید. این شروع عظیم به سیاه‌چاله اجازه می‌دهد تا بسیار سریع‌تر به وضعیت کلان‌جرم برسد.[1][2]

یک احتمال دوم و عجیب‌تر این است که سیاه‌چاله «اولیه» (Primordial) باشد. در این سناریو، سیاه‌چاله اصلاً از فروپاشی گاز تشکیل نشده، بلکه در نوسانات چگالی شدید اولین ثانیه جهان، بلافاصله پس از بیگ بنگ، شکل گرفته است. در حالی که سیاه‌چاله‌های اولیه هنوز نظری هستند، فقدان شدید غنی‌سازی شیمیایی در اطراف QSO1 با شیئی سازگار است که قبل از هر فرآیند ستاره‌ای وجود داشته است. اگر سیاه‌چاله‌های اولیه وجود داشته باشند، می‌توانند به عنوان لنگرهای بنیادی عمل کنند که اولین کهکشان‌ها در نهایت به دور آن‌ها انباشته شدند.[2][4]

نظریه سوم شامل برافزایش فوق‌ادینگتون است، جایی که یک سیاه‌چاله معمولی با جرم ستاره‌ای به نحوی موفق می‌شود ماده را بسیار سریع‌تر از حد نظری مجاز مصرف کند. در حالی که این امر می‌تواند افزایش سریع جرم را از نظر ریاضی توضیح دهد، اما در توجیه محیط دست‌نخورده مشاهده شده در QSO1 با مشکل مواجه است.

اگر یک سیاه‌چاله با این شدت از یک کهکشان اطراف تغذیه می‌کرد، انتظار داشتیم که نشانه‌های شیمیایی ستارگانی را که در کنار آن شکل گرفته‌اند، ببینیم. فقدان تقریباً کامل اکسیژن و سایر عناصر سنگین، سناریوی فوق‌ادینگتون را برای این شیء خاص کمتر محتمل می‌سازد.[2][4]

با وجود استحکام داده‌های چرخش کپلری، ستاره‌شناسان درجه‌ای از عدم قطعیت شفاف را در مورد کهکشان میزبان حفظ می‌کنند. در حالی که دینامیک گاز جایی برای یک دیسک ستاره‌ای عظیم باقی نمی‌گذارد، محققان نمی‌توانند وجود یک «جنین» کوچک و بسیار فشرده از یک کهکشان – شاید یک خوشه ستاره‌ای هسته‌ای متراکم – را که درست قبل از سیاه‌چاله شکل گرفته است، به طور کامل رد کنند.

حد بالای دینامیکی برای هر جرم ستاره‌ای به شدت در ۲۰ میلیون برابر جرم خورشید محدود شده است. اگر چنین خوشه‌ای وجود داشته باشد، به این معنی است که سیاه‌چاله به سادگی با نرخی تصاعدی سریع‌تر از میزبان خود رشد کرده است، نه اینکه لزوماً قبل از آن وجود داشته باشد.[2][3]

QSO1 یک ناهنجاری مجزا نیست و تحلیل آن پیامدهایی برای کل کاتالوگ نقاط قرمز کوچک کشف شده توسط تلسکوپ جیمز وب دارد. ستاره‌شناسان در حال حاضر در حال تجزیه و تحلیل طیف اجرام مشابه هستند تا مشخص کنند که آیا آن‌ها نیز سیاه‌چاله‌هایی با اندازه بیش از حد در ابرهای گازی دست‌نخورده دارند یا خیر.

اگر QSO1 نماینده این جمعیت باشد، یک تغییر پارادایم اساسی را تأیید خواهد کرد: کیهان اولیه بسیار پویاتر بوده و قادر به ساخت غول‌های کیهانی بسیار سریع‌تر از آنچه قبلاً تصور می‌شد، بوده است. به جای رشد همزمان، این سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم اولیه ممکن است همان بذرهایی بوده باشند که اولین کهکشان‌ها به دور آن‌ها ساخته شدند.[2][4]

مشاهدات آینده برای تثبیت این جدول زمانی جدید حیاتی خواهد بود. ستاره‌شناسان در نظر دارند داده‌های فروسرخ تلسکوپ جیمز وب را با مشاهدات عمیق پرتو ایکس از رصدخانه پرتو ایکس چاندرا ترکیب کنند تا بیشتر به دیسک‌های برافزایشی این نقاط قرمز کوچک نگاه کنند.

محققان امیدوارند با اندازه‌گیری انتشار پرتو ایکس پرانرژی، دقیقاً مشخص کنند که این سیاه‌چاله‌ها چگونه تغذیه می‌کنند و آیا در حال گذار از «ستارگان سیاه‌چاله» پوشیده شده در گاز به سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم کاملاً آشکار هستند یا خیر. تا آن زمان، QSO1 قانع‌کننده‌ترین شواهد است که در بحث مرغ و تخم‌مرغ کیهانی، سیاه‌چاله اول آمده است.[1][3]