شبیه سازی تشکیل سیاه‌چاله‌های ابرسنگین در آغاز عالم

زمانی که کیهان هنوز در دوران کودکی خود بود، یعنی در کمتر از یک میلیارد سالگی‌اش؛ برخی از ستارگان فوقِ سنگینش به سیاه‌چاله‌هایی بسیار عظیم و بزرگ تبدیل شدند. یکی از رازهای کلیدی در اخترشناسی این است که:‌ «چرا در کیهانِ آغازین سیاه‌چاله‌های ابَرسنگین به تعداد زیاد وجود داشته‌اند؟»

مطالعات جدید که توسط بنیاد ملی علم انجام شده است (این مطالعات تحت حمایت مالی ناسا و کمک‌های کمیسیون اروپا انجام شده) پیشنهاد می‌کند که سیاه‌چاله‌های سنگین هنگامی رشد کرده و بزرگ می‌شوند، که کهکشان‌ها به سرعت تشکیل شوند. یعنی سرعت تشکیل کهکشان‌ها در آن عالمِ آغازین بالا باشد. این پژوهش و یافته‌ها بر اساس «شبیه‌سازی رنسانس» انجام شده است.

تأثیر سرعت تشکیل کهکشان‌ها:

شبیه‌سازی‌های رنسانس جامع‌ترین شبیه‌سازی‌هایی است که ابتدایی‌ترین مراحلِ گردهم‌آوری و برهمکنش گرانشیِ گاز اولیه‌ای را نشان می‌دهد که پس از مهبانگ، منجر به تشکیل اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها شده است. این گاز ابتدایی، ترکیبی از هیدروژن، هلیوم و ماده تاریک سرد است.

این مطالعاتِ مبنی بر شبیه‌سازی، که در ۲۳ ژانویه ۲۰۱۹ در نشریه نیچر منتشر شد؛ همچنین بیان می‌کند که وجود سیاه‌چاله‌های ابرسنگین خیلی بیش از آن‌چه که قبلا تصور می‌شد، رایج هستند.

بر اساس سناریویی که به تازگی در این شبیه‌سازی کشف شده این معیار کلیدی که: «تعیین مکان سیاه‌چاله‌های سنگینی که در دوران کودکی کیهان شکل گرفته‌اند، وابسته به رشد سریع ابرهای گازیِ پیش ـ کهکشانی‌ای است که پیشگام تشکیل کهکشان‌های امروزی هستند» بدین معنی است که سیاه‌چاله‌های ابرسنگین در عالم آغازین، منشأ یکسانی داشته‌اند.

برای تشکیل یک کهکشان به ستاره‌ها نیاز است، که این ستاره‌ها از درون ابرهای گازی متولد می‌شوند. اما به ماده‌ای نامرئی که همانند چسبی این ستاره‌ها را نگاه می‌دارد تا از کهکشانِ خودشان فرار نکنند هم نیاز است: آری، ماده تاریک! در این شبیه‌سازی جدید مشخص شده است که اگر ساختار «هاله»ی ماده تاریک در ابتدای عمر خودش به سرعت رشد کند، جریان تشکیل ستارگان فروخواهد نشست. در عوض سیاه‌چاله‌های سنگین می‌توانند قبل از آن‌که کهکشان به تکامل برسد، تشکیل شوند. این سیاه‌چاله‌های سنگین در رقابتِ مصرف گازهای اولیه‌ای که می‌توانند به ستارگان زیادی تبدیل شوند، برنده می‌شوند و به راحتی و با سرعت، گازهای فراوانی را که در آن فضاها وجود دارند، فرو می‌بلعند و بزرگ و بزرگ‌تر می‌شوند.

این تصویر ناحیه‌ای به وسعت ۳۰٫۰۰۰ سال نوری را از شبیه‌ساز رنسانس نشان می‌دهد. ناحیه‌ای که مرکز آن خوشه‌ای از کهکشان‌های جوان، تابش‌ها (سفید) و فلزات (سبز) را تولید کرده‌اند. و همین تابش‌ها موجب گرم شدن گازهای اطراف آن‌ها شده است. هاله ماده تاریکِ خارج از این ناحیه گرم شده توانسته سه ستاره ابَرسنگین را تولید کند (داخل کادر) که هرکدام ۱۰۰۰ برابر خورشید جرم دارند. این ستاره‌ها به سرعت به سیاه‌چاله‌های سنگین فرومی‌رمبند و در نهایت پس از چند میلیارد سال به سیاه‌چاله‌های ابرسنگین تبدیل می‌شوند.

تئوری‌های پیشین دانشمندان می‌گفت که تابش‌های قدرتمند کهکشان‌های دیگر موجب توقف جریان ستاره‌سازی در این ناحیه‌های جوان که شامل سیاه‌چاله‌های سنگین هستند، می‌شده است و همین امر به رشد و توسعه بیشتر آن سیاه‌چاله‌ها کمک می‌کرده است. اما پژوهش و شبیه سازی جدید، مکانیزم کاملا جدیدی را آشکار کرده است که  منجر به شروع شکل‌گیری سیاه‌چاله‌های عظیم در هاله‌های ماده تاریک در اطراف کهکشان‌ها می‌شود. این مکانیزم نشان می‌دهد که سرعت زیاد در توسعه کهکشان‌ها نکته کلیدی در رشد سیاه‌چاله‌های ابرسنگینِ آغازین هستند.

این تصویر قسمت کوچکی به ابعاد ۳۰ سال نوری از هاله ماده تاریک را در این خوشه کهکشانی جوان نشان می‌دهد. قرص چرخان گازها به سه توده تقسیم شده که هر کدام تحت اثر نیروی گرانشِ خودش به یک ستاره فوق سنگین تبدیل می‌شوند.

سیاه‌چاله‌ها:

سیاه‌چاله فشرده‌ترین و چگال‌ترین جسم نجومی است که هیچ چیزی حتی نور هم قدرت فرار از آن را ندارد! هنگامی که ستاره سنگینی در یک انفجار ابرنواختری منفجر شود، می‌تواند سیاه‌چاله‌ای را از خود به جای بگذارد. به این دسته از سیاه‌چاله‌ها، سیاه‌چاله کوچک و ستاره‌گون گفته می‌شود. از طرف دیگر یک ستاره فوق سنگین می‌تواند به سرعت، تمام سوخت خود را بسوزاند و بدون هیچ انفجاری، به علت شدت زیاد نیروی گرانش مستقیما به یک سیاه‌چاله تبدیل شود. دانشمندان می‌گویند این حالت دوم است که چگونگی تشکیل تعداد زیادِ سیاه‌چاله‌های بسیار سنگین در پیش ـ کهکشان‌هایی که به سرعت در حال تشکیل هستند، را توجیه می‌کند.

توضیح کاملی در مورد سیاه‌چاله‌ها را در مقاله «۷ نکته از سیاه‌چاله‌ها» مطالعه کنید:

نقش ماده تاریک:

ماده تاریک، قسمت زیادی از ماده موجود در عالم است که با وجودی که هنوز به صورت مستقیم مشاهده نشده است؛ اما آثار گرانشیِ کاملا مشخص و مهمی را از آن  در ساختار کهکشان‌ها (به خصوص کهکشان‌های مارپیچی) و خوشه‌های کهکشانی، مشاهده می‌کنیم. این ماده در تحول کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی نقشی کلیدی دارد. براساس مدل‌ها و شبیه‌سازی‌های انجام شده در مورد سیر تحول کیهان در آن دوران‌های اولیه، آثار بسیار مهمی هم از این ماده تاریک مشاهده می‌شود. به عنوان مثال کهکشان‌های اولیه در مراحل آغازین تشکیل‌شان حتما نیاز به هاله‌ای از ماده تاریک در اطرافشان دارند تا هم گازهای داغِ اولیه را در ساختار کهکشان نگه دارند و هم مانع فرار ستاره‌هایی که در آن‌ها ساخته می‌شوند، بشوند. ماده تاریک بر روی هاله‌های کهکشان‌ها فرومی‌ریزد و همچون یک چسب گرانشی برای همه کهکشان‌ها عمل می‌کند.

بر اساس تئوری‌های موجود، توده‌های عظیمی از گازهای اولیه که منشأ تشکیل کهکشان‌های آغازین بوده‌اند، دمای‌شان به قدری بالا بوده که نمی‌توانسته‌اند به خودی خود در اثر نیروی گرانش خودشان به اجسام پایداری یعنی کهکشان‌ها تبدیل شوند. ولی گرانشِ ناشی از ماده تاریک که به صورت هاله‌ای اطراف آن توده‌های گازی را احاطه کرده‌اند، باعث شده تا ستاره‌هایی که در این کهکشان‌های اولیه شکل یافته‌اند، در کنار هم باقی بمانند و فرصتِ شکل یافتن یک کهکشان را داشته باشند.

محققان این پژوهش برای زوم کردن روی توده‌های متراکمی که ستاره‌ها و سیاه‌چاله‌ها را در این شبیه‌سازی می‌سازند، از تکنیکی به نام پالایش شبکه تطبیقی استفاده می‌کنند. به علاوه آن‌ها در این شبیه‌سازی، منطقه‌ای به قدر کافی بزرگ از کیهان اولیه را برای تشکیل هزاران جرم کیهانی پوشش می‌دهند؛ که این الزامی برای مطالعه اجرام نادری همچون سیاه‌چاله‌های ابرسنگین اولیه است. در واقع برای رسیدن به چنین نتیجه‌ای، تفکیک بالا، فیزیک غنی و نمونه‌های بزرگی از هاله‌های فروریزنده نیاز است.

تهیه و تنظیم: محمد همایونی

منابع: nasa.gov و sciencedaily.com