تلسکوپ اقلیدس ۳۱ کوازار باستانی را کشف کرد؛ چالشی برای مدل‌های شکل‌گیری سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم اولیه

تلسکوپ فضایی اقلیدس آژانس فضایی اروپا ۳۱ مورد از باستانی‌ترین کوازارهایی را که تاکنون مشاهده شده‌اند، شناسایی کرده است و درک ما از کیهان اولیه را به طور اساسی تغییر می‌دهد. در میان این مجموعه بی‌سابقه، دو مورد از دورترین کوازارهای ثبت‌شده وجود دارند که در زمانی می‌درخشیدند که کیهان تنها کسری از سن کنونی خود را داشت.

این یافته‌ها که در مجله علمی «ستاره‌شناسی و اخترفیزیک» منتشر شده‌اند، مرزهای رصد کیهانی را به دوران نوزادی جهان عقب می‌برند و نوری را ثبت می‌کنند که بیش از ۱۳ میلیارد سال سفر کرده تا به زمین برسد. این کشف یک نقطه عطف بزرگ در کیهان‌شناسی رصدی است و داده‌های جدید فراوانی را فراهم می‌کند که مدل‌های موجود در مورد چگونگی شکل‌گیری و رشد سریع اولین سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم بلافاصله پس از مه‌بانگ (بیگ بنگ) را به چالش می‌کشد.[1][2][3]

کوازارها هسته‌های بسیار درخشان کهکشان‌های فعال هستند که توسط سیاه‌چاله‌های کلان‌جرمی که به طور فعال مقادیر عظیمی از گاز و غبار اطراف را مصرف می‌کنند، تغذیه می‌شوند. در طول این فاز کوتاه و خشن از تکامل یک کهکشان، موادی که به سمت سیاه‌چاله می‌چرخند، یک دیسک برافزایشی تشکیل می‌دهند که تا دماهای بسیار بالا گرم می‌شود و مقادیر زیادی انرژی را در سراسر طیف الکترومغناطیسی آزاد می‌کند.

یک کوازار می‌تواند صدها یا حتی هزاران برابر از کل کهکشان میزبان خود درخشان‌تر باشد و این امر آن‌ها را به یکی از درخشان‌ترین اجرام در جهان تبدیل می‌کند. این درخشندگی فوق‌العاده است که به ستاره‌شناسان اجازه می‌دهد آن‌ها را در فواصل کیهانی بسیار زیاد تشخیص دهند و از آن‌ها به عنوان چراغ‌های راهنما برای روشن کردن دوران تاریک و اولیه تاریخ کیهانی استفاده کنند.[1][4]

دو کوازار رکوردشکن کشف‌شده توسط تیم اقلیدس، با نام‌های EUCL J172902.75+641018.1 و EUCL J125308.55+705432.3، به ترتیب دارای انتقال به سرخ (Redshift) تأییدشده ۷.۷۷ و ۷.۶۹ هستند. در کیهان‌شناسی، انتقال به سرخ یک معیار حیاتی برای فاصله و زمان است؛ با انبساط جهان، نور اجرام دور به طول موج‌های بلندتر و قرمزتر کشیده می‌شود.

این مقادیر شدید انتقال به سرخ از رکورد قبلی ۷.۶۴ که در سال ۲۰۲۱ ثبت شده بود، فراتر می‌روند و وجود این دو کوازار را تنها ۶۷۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ قرار می‌دهند. برای درک بهتر، آن‌ها در زمانی که جهان تنها ۵ درصد از سن ۱۳.۸ میلیارد ساله کنونی خود را داشت، با نوری معادل یک تریلیون خورشید می‌درخشیدند؛ دوره‌ای که اغلب به عنوان سپیده‌دم کیهانی شناخته می‌شود.[2][4]

این کشف، مدل‌های اخترفیزیکی موجود در مورد شکل‌گیری و رشد سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در کیهان اولیه را به طور اساسی به چالش می‌کشد. برای تأمین انرژی چنین کوازارهای بسیار درخشانی، سیاه‌چاله‌های مرکزی باید از قبل به جرم‌های عظیمی رسیده باشند—احتمالاً میلیون‌ها یا حتی میلیاردها برابر جرم خورشید ما. مدل‌های نظری در توضیح اینکه چگونه سیاه‌چاله‌ها توانسته‌اند چنین جرم عظیمی را در بازه زمانی کیهانی نسبتاً کوتاه ۶۷۰ میلیون ساله جمع‌آوری کنند، دچار مشکل هستند.

در مدل استاندارد تکامل سیاه‌چاله‌ها، آن‌ها به تدریج از طریق برافزایش ماده یا ادغام با سایر سیاه‌چاله‌ها رشد می‌کنند، فرآیندی که باید میلیاردها سال طول بکشد تا هیولاهایی که اقلیدس مشاهده کرده است، تولید شوند. این شواهد نشان‌دهنده یک شکاف حیاتی در درک کنونی ما از مکانیک کیهانی اولیه است.[5][6]

برای حل این تنش نظری، اخترفیزیکدانان دو فرضیه اصلی را مطرح می‌کنند. اولین فرضیه نشان می‌دهد که «دانه‌های» اولیه سیاه‌چاله‌ها بسیار بزرگ‌تر از آنچه قبلاً تصور می‌شد بوده‌اند، شاید از فروپاشی مستقیم و سریع ابرهای گازی اولیه عظیم به جای مرگ آهسته ستارگان اولیه منفرد، تشکیل شده باشند.

فرضیه دوم این است که این سیاه‌چاله‌های اولیه دوره‌هایی از «برافزایش فوق-ادینگتون» را تجربه کرده‌اند، یعنی مصرف ماده با نرخ‌هایی که بسیار فراتر از محدودیت‌های نظری شناخته‌شده به عنوان حد ادینگتون بوده است؛ جایی که فشار بیرونی تابش باید از لحاظ نظری جریان بیشتر گاز به داخل را متوقف کند. داده‌های اقلیدس شواهد جدید و حیاتی را برای آزمودن این نظریه‌های رقیب فراهم می‌کند و اندازه نمونه بزرگ‌تری را برای تحلیل منحنی‌های رشد این اجرام باستانی ارائه می‌دهد.[2][6]

قبل از پرتاب اقلیدس، یافتن کوازارها از این دوره خاص، که به عنوان «دوره باز یونیده شدن» شناخته می‌شود، به طور استثنایی دشوار بود و تنها تعداد انگشت‌شماری از دورافتاده‌ترین و درخشان‌ترین‌ها کشف شده بودند. تلسکوپ‌های زمینی با کم‌نوری شدید اجرام و تداخل جو زمین، که بخش زیادی از نور فروسرخ لازم برای شناسایی اهداف با انتقال به سرخ بالا را جذب می‌کند، مشکل داشتند.

علاوه بر این، کوازارهای باستانی به شدت نادر هستند، زیرا تعداد بسیار کمی از کهکشان‌ها در کیهان اولیه زمان کافی برای رشد و میزبانی یک سیاه‌چاله کلان‌جرم را داشتند. نور اولیه آن‌ها نیز به راحتی با نشانه‌های ستارگان نزدیک‌تر و سردتر در کهکشان راه شیری خودمان اشتباه گرفته می‌شود، که نیاز به تحلیل دقیق برای جداسازی کوازارهای دوردست واقعی از نویز کیهانی محلی دارد.[3][5]

طراحی و قابلیت‌های منحصر به فرد اقلیدس به آن اجازه داد تا بر این موانع رصدی تاریخی غلبه کند. این تلسکوپ که در فاصله ۱.۵ میلیون کیلومتری از زمین در نقطه لاگرانژ دوم (L2) قرار دارد، میدان دید وسیع را با ابزارهای فروسرخ نزدیک بسیار حساس ترکیب می‌کند. این امر به اقلیدس اجازه می‌دهد تا بخش‌های وسیعی از آسمان را به طور مؤثر بررسی کند و نور کم‌نور و با انتقال به سرخ بالا را که تلسکوپ‌های نوری از دست می‌دهند، ثبت کند.

تنها در اولین سال رصد، با تحلیل داده‌های «بررسی گسترده اقلیدس»، این تلسکوپ تعداد کوازارهای شناخته‌شده با انتقال به سرخ بیشتر از ۷ را بیش از دو برابر کرده است. این یک نقطه عطف قابل توجه است که قبلاً بیش از یک دهه طول کشید تا جامعه جهانی ستاره‌شناسی با استفاده از مجموعه‌ای از رصدخانه‌های زمینی به آن دست یابد.[1][2][4]

فرآیند شناسایی این چراغ‌های راهنمای باستانی شامل یک رویکرد پیچیده و چندلایه بود. نامزدهای اولیه با استفاده از الگوریتم‌های پیشرفته یادگیری ماشینی علامت‌گذاری شدند که برای غربال کردن مجموعه‌داده‌های عظیم اقلیدس طراحی شده‌اند و به دنبال امضاهای خاص «حذف» می‌گردند—قطع‌های ناگهانی در طیف نور که مشخصه اجرام با انتقال به سرخ بالا هستند و توسط هیدروژن بین کهکشانی جذب می‌شوند.

هنگامی که نامزدها توسط نرم‌افزار شناسایی شدند، برای اطمینان از اینکه واقعاً کوازارهای دوردست هستند و نه مصنوعات محلی، نیاز به تأیید دقیق داشتند. این تأیید از طریق مشاهدات طیف‌سنجی پیگیری گسترده با استفاده از برخی از قدرتمندترین تأسیسات زمینی روی زمین، از جمله رصدخانه کک در هاوایی، تلسکوپ‌های ماژلان در شیلی، و تلسکوپ سوبارو، به دست آمد.[2][6]

نکته مهم این است که کوازارهای تازه کشف‌شده به طور قابل توجهی کم‌نورتر از تعداد انگشت‌شمار کوازارهای باستانی شناخته‌شده قبلی هستند. در حالی که اکتشافات قبلی تنها درخشان‌ترین و افراطی‌ترین موارد دورافتاده کیهان اولیه را نشان می‌دادند، نمونه اقلیدس نگاهی بسیار نماینده‌تر به جمعیت عمومی کوازارهای اولیه ارائه می‌دهد.

این نمونه گسترده‌تر و کم‌نورتر، شواهد حیاتی برای ستاره‌شناسانی است که تلاش می‌کنند تابع درخشندگی کوازار را به دقت ترسیم کنند—معیاری برای تعداد کوازارهایی که در سطوح مختلف درخشندگی وجود دارند. درک این توزیع برای محاسبه کل خروجی انرژی کوازارها در دوران نوزادی جهان و تعیین نقش دقیق آن‌ها در شکل‌دهی تکامل کهکشان‌های اولیه ضروری است.[2][5]

این داده‌های جمعیتی گسترش‌یافته مستقیماً به یکی از مبرم‌ترین سؤالات در کیهان‌شناسی مدرن می‌پردازد: چه چیزی دوره باز یونیده شدن را هدایت کرد؟ در طول این دوره، گاز هیدروژن خنثی که کیهان اولیه را پر کرده بود، یونیده شد و الکترون‌ها را از پروتون‌ها جدا کرد و کیهان را همانطور که امروز می‌بینیم، شفاف ساخت.

منابع دقیق این سیل عظیم تابش یونیزه‌کننده—اینکه آیا عمدتاً توسط نور جمعی نسل اول ستارگان در کهکشان‌های اولیه هدایت می‌شد، یا توسط تابش شدید ساطع‌شده از کوازارهای اولیه—همچنان موضوع بحث‌های شدید است. ۳۱ کوازار جدید کشف‌شده توسط اقلیدس، نقاط داده حیاتی جدیدی را برای کمک به حل این رمز و راز فراهم می‌کنند.[5][6]

در حالی که کشف خود کوازارها به طور قوی توسط داده‌های پیگیری طیف‌سنجی پشتیبانی می‌شود، عدم قطعیت‌های قابل توجهی در مورد خواص فیزیکی دقیق آن‌ها باقی می‌ماند. جرم دقیق این سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم تازه کشف‌شده هنوز به طور مستقیم اندازه‌گیری نشده است و اخترفیزیکدانان نظری را وادار می‌کند که به تخمین‌های مشتق‌شده از درخشندگی آن‌ها تکیه کنند.

علاوه بر این، محیط‌های اطراف این کوازارها—کهکشان‌های میزبانی که آن‌ها را تغذیه می‌کنند—تا حد زیادی از دید پنهان مانده‌اند و توسط درخشش شدید سیاه‌چاله مرکزی مبهم شده‌اند. اعتراف شفاف به این ناشناخته‌ها یک جزء اصلی از بسته شواهد است و نشان می‌دهد که داده‌های کنونی کجا به پایان می‌رسند و کمپین‌های رصدی آینده باید از کجا شروع شوند.[2]

برای پر کردن این شکاف در درک، مشاهدات آینده به شدت به تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) متکی خواهند بود. در حالی که اقلیدس به عنوان یک تلسکوپ پیمایشی برای یافتن این اجرام نادر در مناطق وسیعی از آسمان طراحی شده است، JWST به عنوان یک ابزار دقیق عمل می‌کند که قادر است با وضوح بی‌سابقه‌ای روی اهداف منفرد زوم کند.

مشاهدات پیگیری با JWST برای مشخص کردن کهکشان‌های میزبان این کوازارها، اندازه‌گیری دقیق جرم سیاه‌چاله‌های مرکزی آن‌ها با استفاده از تحلیل طیف‌سنجی دقیق، و نقشه‌برداری از محیط بین کهکشانی اطراف ضروری خواهد بود. در حالی که اقلیدس مأموریت شش‌ساله خود را برای نقشه‌برداری از یک‌سوم آسمان ادامه می‌دهد، ستاره‌شناسان پیش‌بینی می‌کنند که صدها کوازار باستانی دیگر کشف شوند و شواهد قطعی لازم برای بازنویسی قوانین شکل‌گیری سیاه‌چاله‌های اولیه را فراهم کنند.[1][2][6]