تلسکوپ جیمز وب دوباره خبرساز شد: کشف نخستین سیاه‌چاله کیهان

تلسکوپ فضایی جیمز وب احتمالاً موفق به شناسایی قدیمی‌ترین و دورترین سیاه‌چاله شناخته‌شده کیهان شده است؛ سیاه‌چاله‌ای عظیم در مرکز کهکشان GHZ2 که تنها چند صد میلیون سال پس از بیگ‌بنگ شکل گرفته. چنین کشفی می‌تواند درک ما درباره چگونگی شکل‌گیری نخستین سیاه‌چاله‌ها را دگرگون کند.

به‌گفته اخترشناسانی که داده‌های تلسکوپ جیمز وب را بررسی کرده‌اند، این سیاه‌چاله کلان جرم آن‌قدر از ما دور است که آن را در زمانی می‌بینیم که جهان فقط ۳۵۰ میلیون سال از عمرش گذشته بود. جزئیات این پژوهش ۴ نوامبر در پایگاه arXiv منتشر شده، اما هنوز مورد بررسی دقیق قرار نگرفته است. برای این بررسی، پژوهشگران از داده‌های ابزار طیف‌نگار فروسرخ نزدیک (NIRSpec) و ابزار فروسرخ میانی (MIRI) استفاده کرده‌اند؛ ابزارهایی که می‌توانند نور مرئی و فرابنفشی را که در اثر انبساط کیهان به ناحیه فروسرخ کشیده شده است را شناسایی کنند.

اسکار چاوز اورتیز (Oscar Chavez Ortiz)، نویسنده اصلی مقاله و دانشجوی دکتری دانشگاه تگزاس، می‌گوید:

GHZ2 در دوره‌ای از تاریخ کیهان قرار دارد که جهان هنوز بسیار جوان بود؛ دوره‌ای که در آن فرصت چندانی برای رشد هم‌زمان یک سیاه‌چاله کلان جرم و کهکشان میزبانش وجود نداشته است. در جهان نزدیک به ما، می‌دانیم که سیاه‌چاله‌ها و کهکشان‌ها به‌طور هم‌زمان تکامل پیدا می‌کنند؛ اما مشاهده چنین سامانه‌ای در دوره آغازین کیهان، پرسش‌های مهمی را درباره این‌که سیاه‌چاله‌ها چگونه می‌توانند در زمانی به این کوتاهی جرم بگیرند و رشد کنند، مطرح می‌کند.

اسرار خطوط طیفی

از زمان گزارش شناسایی GHZ2 در سال ۲۰۲۲، تلسکوپ جیمز وب ده‌ها کهکشان دوردست را آشکار کرده است؛ بااین‌حال، GHZ2 به‌دلیل برخورداری از خطوط نشری (emission lines) بسیار قوی، همچنان موردی شاخص به شمار می‌رود. خطوط نشری نوارهای درخشانی از نور هستند که زمانی پدید می‌آیند که الکترون‌های اتم‌ها برانگیخته می‌شوند و سپس با بازگشت به سطح انرژی پایین‌تر، انرژی آزاد می‌کنند. این خطوط، سرنخ‌های مهمی درباره فرایندهای فیزیکی و شیمیایی درون کهکشان‌ها در اختیار پژوهشگران می‌گذارند.

خورخه زاوالا (Jorge Zavala)، استاد دانشگاه ماساچوست و نویسنده دیگر این پژوهش، می‌گوید:

ما خطوطی را مشاهده می‌کنیم که تولیدشان به انرژی بسیار زیادی نیاز دارد؛ خطوطی با درجه یونش بالا که معمولاً انتظار نمی‌رود با چنین شدتی در مناطق زایش ستاره‌ها ظاهر شوند.

چنین خطوطی غالباً در هسته‌های فعال کهکشانی (AGN) دیده می‌شوند؛ ناحیه‌ای که در آن سیاه‌چاله‌های فعال با تابش‌های بسیار پرانرژی خود گاز پیرامون را تا حد زیادی یونیزه می‌کنند.

یکی از شاخص‌ترین نشانه‌ها، شناسایی خط نشری C IV λ۱۵۴۸ بود؛ خطی که از کربن سه‌بار یونیزه‌شده سرچشمه می‌گیرد. چاوز اورتیز می‌گوید:

برداشتن سه الکترون از یک اتم کربن به میدان تابشی بسیار شدید نیاز دارد؛ شدتی که به‌سختی می‌توان آن را صرفاً با فرآیندهای ستاره‌ای توضیح داد.

قدرت این خط نشان می‌داد که GHZ2 احتمالاً میزبان یک سیاه‌چالهٔ فعال است و همین امر محققان را به انجام تحلیل دقیق‌تر واداشت.

متمایز بودن GHZ2

به‌دلیل ویژگی‌های غیرعادی GHZ2، پژوهشگران مدل‌های دقیقی ایجاد کردند تا مشخص کنند چه مقدار از نور کهکشان از ستاره‌ها و چه مقدار از هسته‌های فعال کهکشانی ناشی می‌شود.

تحلیل‌ها نشان داد که گرچه بخش زیادی از خطوط طیفی با تشکیل ستاره‌ها قابل توضیح است، اما شدت بسیار بالای خط کربن تنها در حضور یک سیاه‌چالهٔ فعال قابل توجیه است.

با این حال، زاوالا اشاره کرد که GHZ2 برخی از نشانه‌های معمول هسته‌های فعال کهکشانی را ندارد. بنابراین احتمال دارد که انرژی اصلی کهکشان بیشتر از ستاره‌ها تأمین شود؛ یا ستاره‌هایی پرجرم با صدها تا هزاران برابر جرم خورشید، یا فرایند ستاره‌زایی که در GHZ2 بسیار متفاوت از آنچه امروز می‌شناسیم، رخ داده باشد.