کشف نزدیک‌ترین جفت سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در کیهان اولیه توسط JWST و ALMA

اخترشناسان نزدیک‌ترین جفت شناخته شده از سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم فعال در حال تغذیه را در کیهان اولیه کشف کرده‌اند. این دو سیاه‌چاله که در یک سیستم کهکشانی در حال ادغام به نام LID-۱۱۶۶ قرار دارند، تنها ۴۹۰۰ سال نوری یا ۱/۵ کیلوپارسک از هم فاصله دارند.

از آنجا که این سیستم در انتقال به سرخ (Redshift) تقریباً ۴/۵ قرار دارد، اخترشناسان آن را در وضعیتی مشاهده می‌کنند که تنها ۱/۳ میلیارد سال پس از بیگ بنگ (مه‌بانگ) وجود داشته است. این کشف یک حلقه مفقوده حیاتی در درک چگونگی شکل‌گیری غول‌پیکرترین سیاه‌چاله‌های اولیه کیهان فراهم می‌کند.[1][2]

این موفقیت بر ترکیبی از داده‌های با وضوح بالا از تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) و آرایه میلی‌متری/زیرمیلی‌متری بزرگ آتاکاما (ALMA) متکی است. پیش از این، هسته‌های فعال کهکشانی دوتایی (AGNs) در چنین فواصل نزدیک در مقیاس کیلوپارسک، تنها در کیهان محلی و مدرن تأیید شده بودند. یافتن یک جفت تأیید شده در این دوره اولیه از تاریخ کیهانی ثابت می‌کند که این سیستم‌ها در شدیدترین دوره شکل‌گیری کهکشان‌ها در کیهان وجود داشته‌اند، اگرچه شناسایی آن‌ها بسیار دشوار است.[1][2]

اخترشناسان چگونه دو سیاه‌چاله را که در اعماق یک کهکشان متراکم و غبارآلود در حال ادغام مدفون شده‌اند، شناسایی می‌کنند؟ آن‌ها نمی‌توانند خود سیاه‌چاله‌ها را ببینند؛ در عوض، به دنبال گاز درخشانی می‌گردند که به دور آن‌ها می‌چرخد.

ابزار طیف‌نگار فروسرخ نزدیک (NIRSpec) تلسکوپ جیمز وب توانست از میان غبار پنهان‌کننده عبور کند و دو منبع مجزا و فشرده از انتشار پهن H-alpha را شناسایی کند. این طول موج خاص نور به عنوان امضایی از گاز داغ و یونیزه شده عمل می‌کند که با سرعت‌های فوق‌العاده در اطراف سیاه‌چاله‌های فعال در حال تغذیه شتاب می‌گیرد.[1][2]

ALMA دومین قطعه حیاتی این پازل را با نقشه‌برداری از محیط میان‌ستاره‌ای سرد کهکشان‌های میزبان فراهم کرد. با ردیابی انتشار کربن یونیزه شده منفرد، که در میان اخترشناسان به [CII] معروف است، ALMA دو مخزن مجزا از نظر مکانی و سینماتیکی از گاز سرد را آشکار کرد. داده‌ها نشان دادند که دو هسته کهکشانی با اختلاف سرعت خط دید تقریباً ۱۶۴ کیلومتر بر ثانیه در حال حرکت هستند، که تأیید می‌کند یک ادغام عظیم و غنی از گاز در حال انجام است.[1]

ادعای اصلی تیم تحقیقاتی این است که هر دو سیاه‌چاله در حال «افزایش جرم فوق‌ادینگتون» (Super-Eddington accretion) هستند—یعنی با سرعتی مواد اطراف را مصرف می‌کنند که در واقع از محدودیت‌های نظری استاندارد فراتر می‌رود. این تغذیه سریع توسط مقادیر عظیمی از گاز سرد تأمین می‌شود که به دلیل آشفتگی گرانشی ناشی از ادغام در حال انجام، به مرکز کهکشان رانده شده است. این افزایش جرم شدید، تابش قدرتمندی تولید می‌کند که سیستم AGN دوتایی را در میلیاردها سال نوری قابل مشاهده می‌سازد.[1][2]

نکته مهم این است که داده‌های رصدی نشان می‌دهند که با وجود سن کم کیهان، سیاه‌چاله‌های موجود در LID-۱۱۶۶ در حال حاضر بر روی «رابطه جرم سیاه‌چاله-میزبان» محلی قرار دارند. در کیهان مدرن، جرم یک سیاه‌چاله کلان‌جرم مرکزی ارتباط نزدیکی با جرم برآمدگی ستاره‌ای کهکشان میزبان خود دارد.

یافتن این رابطه تناسبی که از پیش در LID-۱۱۶۶ برقرار شده است، نشان می‌دهد که دوره‌های افزایش جرم شدید و پنهان که توسط ادغام‌ها تحریک می‌شوند، می‌توانند به سرعت جرم سیاه‌چاله را افزایش دهند و در عین حال هم‌تکاملی کهکشان و سیاه‌چاله مرکزی آن را حفظ کنند.[1][2]

این کشف مستقیماً به یکی از پایدارترین رازهای اخترفیزیک مدرن می‌پردازد: چگونه سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم به این سرعت در کیهان اولیه به میلیاردها برابر جرم خورشید رسیدند؟ مدل‌های نظری مدت‌هاست پیشنهاد کرده‌اند که کهکشان‌های اولیه مکرراً با هم برخورد می‌کردند، سیاه‌چاله‌های مرکزی خود را به هم می‌کشیدند و مقادیر عظیمی از گاز را به سمت آن‌ها هدایت می‌کردند. وجود LID-۱۱۶۶ شواهد رصدی مستقیم و تفکیک‌شده مکانی ارائه می‌دهد که ادغام‌های غنی از گاز در واقع مکانیسمی بسیار کارآمد برای این رشد سریع و اولیه هستند.[1][2]

با این حال، این شواهد محدودیت‌های سختی در مورد آنچه در آینده رخ خواهد داد، دارند. در حالی که داده‌ها به وضوح یک سیستم AGN دوتایی را نشان می‌دهند که به هم نزدیک می‌شوند، جدول زمانی دقیق برای اینکه چه زمانی—یا آیا—این دو سیاه‌چاله سرانجام ادغام خواهند شد، نامشخص است.

«مسئله پارسک نهایی» در اخترفیزیک نشان می‌دهد که وقتی سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم بسیار به هم نزدیک می‌شوند، ممکن است فروپاشی مداری آن‌ها قبل از ادغام متوقف شود. رصدخانه‌های کنونی نمی‌توانند فیزیک در مقیاس زیر پارسک مورد نیاز برای پیش‌بینی سرنوشت گرانشی نهایی آن‌ها را تفکیک کنند.[2]

علاوه بر این، هنوز مشخص نیست که آیا LID-۱۱۶۶ یک مورد نادر و فوق‌العاده غنی از گاز است یا نماینده‌ای از جمعیت گسترده و پنهانی از AGNهای دوتایی به شدت پوشیده شده است.

از آنجا که این سیستم در بررسی‌های عمیق نوری قبلی کاملاً شناسایی نشده بود و تنها از طریق مشاهدات هدفمند فروسرخ و رادیویی آشکار شد، محققان گمان می‌کنند که بسیاری از سیستم‌های مشابه توسط برآوردهای آماری فعلی نادیده گرفته شده‌اند. بررسی‌های میدانی گسترده در آینده برای تعیین اینکه این ادغام‌های با فاصله نزدیک در سپیده‌دم کیهانی چقدر رایج بوده‌اند، مورد نیاز خواهد بود.[1][2]