جیمز وب یک ستارۀ «غیرممکن» کشف کرد!
بیگ بنگ: تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا(JWST) جرمی فشرده و سرخرنگ را شناسایی کرده که آنقدر درخشان است که نمیتوان تولید انرژی آن را با همجوشی هستهای معمولی توضیح داد. این جرم ستاره مانند در جهان جوان در حال درخشیدن است؛ اما درخششی که نباید برای یک ستاره امکانپذیر باشد!
به گزارش بیگ بنگ، این جرم ظاهری شبیه یک ستاره دارد و ممکن است ابری از گاز در ابعادی هماندازه منظومه شمسی آن را احاطه کرده باشد؛ اما حدود ۱۰۰ میلیارد برابر بیشتر از هر ستاره شناختهشدهای که از نظر فیزیکی قادر به تولید آن باشد، انرژی تابش میکند.
توضیح اصلی اما بسیار عجیبتر است: این نور خیرهکننده ممکن است از یک سیاهچاله که با سرعت زیادی در حال بلعیدن ماده است سرچشمه بگیرد؛ سیاهچالهای که درون پوششی عظیم و بسیار متراکم از هیدروژن پنهان شده است.
یک «ستاره سیاهچالهای» در جهان اولیه
اخترشناسان نام پیشنهادی «ستاره سیاهچالهای» (Black Hole Star) را برای این نوع جرم انتخاب کردهاند. اگر این تفسیر درست باشد، این کشف میتواند مرحلهای ناشناخته از رشد سیاهچالههای پرجرم را آشکار کند و به حل یکی از معماهای ماندگار تلسکوپ جیمز وب کمک کند: تعداد بسیار زیاد اجرام فشردهای که به «نقاط قرمز کوچک» (Little Red Dots) معروف شدهاند.
این جرم که MoM-BH-1* نام دارد، زمانی مشاهده شده که تنها چند صد میلیون سال از مهبانگ گذشته بود. پژوهش مربوط به آن نیز در مجله Nature منتشر شده است.
روهان نایدو، نویسنده اصلی پژوهش، میگوید تصویر دانشمندان از این جرم همچنان با سرعت زیادی در حال تغییر است. به گفته او، احتمالاً در مرکز این ساختار یک سیاهچاله با جرمی حدود ۱۰۰ هزار برابر جرم خورشید قرار دارد و در اطراف آن پوششی بسیار گسترده از گاز وجود دارد که از نظر اندازه میتواند در حد کل منظومه شمسی باشد.
معمای «نقاط قرمز کوچک» جیمز وب
تلسکوپ جیمز وب تا حدی برای بررسی نخستین کهکشانها و سیاهچالههای جهان ساخته شد؛ اما خیلی زود اجرامی را پیدا کرد که با تصورات قبلی دربارۀ سرعت شکلگیری ساختارها پس از بیگ بنگ سازگار نبودند. یکی از بزرگترین شگفتیها، همین «نقاط قرمز کوچک» بودند؛ اجرامی بسیار کوچک و فوقالعاده فشرده که در رصدهای جهان دوردست بهطور مکرر دیده میشوند.
بسیاری از آنها نشانههایی دارند که میتواند به وجود سیاهچالههایی اشاره کند که بهطور فعال در حال بلعیدن ماده هستند. با این حال، برخی ویژگیهای دیگرشان بیشتر شبیه ستارهها یا کهکشانها است.
نایدو میگوید این نقاط قرمز کوچک در جهان اولیه تقریباً همهجا دیده میشوند، اما در جهان امروزی تقریباً ناپدید شدهاند. اینکه دقیقاً چه هستند، یکی از بحثبرانگیزترین موضوعات دوران جیمز وب بوده است.
MoM-BH*-1 ممکن است دید واضحتری از آنچه درون دستکم برخی از این اجرام رخ میدهد، در اختیار دانشمندان بگذارد. برخلاف بسیاری از نقاط قرمز کوچک که نور کهکشان میزبان اطرافشان میتواند تصویر را پیچیده کند، در این مورد به نظر میرسد منبع عجیب و مرکزی خودش تقریباً تمام نور را تأمین میکند.
کشفی که «سراب یا معجزه» نام گرفت
پژوهشگران در ابتدا بهطور خاص به دنبال چنین جرمی نبودند. نایدو و همکارانش هنگام جستوجوی کهکشانهای بسیار دوردست با استفاده از برنامهای از تلسکوپ جیمز وب به نام «Mirage or Miracle» یا «سراب یا معجزه» به این جرم برخوردند.
نام این برنامه به معمایی اشاره دارد که مدت کوتاهی پس از آغاز رصدهای جیمز وب از جهان اولیه شکل گرفت. برخی منابع آنقدر درخشان به نظر میرسیدند که دانشمندان تصور میکردند با کهکشانهایی فوقالعاده پرجرم روبهرو هستند که در مدتزمانی بسیار کوتاه شکل گرفتهاند.
اما ظاهر میتواند فریبدهنده باشد. در واقع چیزی که در نگاه اول مانند یک «معجزه» و یک کهکشان فوقالعاده درخشان و بسیار قدیمی به نظر میرسید، در برخی موارد ممکن بود در حقیقت یک «سراب» باشد.
MoM-BH*-1 به شکل غیرمعمولی سرخ بود؛ در طول موجهای بلندتر بسیار درخشان و در طول موجهای کوتاهتر تقریباً نامرئی بود. بررسیهای طیفسنجی بعدی نشان دادند که انتقال به سرخ آن حدود ۷٫۷۶ است؛ یعنی این جرم در اعماق دورهای قرار دارد که به آن طلوع کیهانی گفته میشود.
چرا MoM-BH*-1 اینقدر سرخ است؟
اخترشناسان معمولاً برای اجرام بسیار سرخ یک توضیح ساده دارند: غبار. ذرات بسیار ریز اطراف یک ستاره، کهکشان یا سیاهچاله میتوانند طول موجهای کوتاهتر نور را جذب و پراکنده کنند و باعث شوند یک جرم سرختر از رنگ واقعی خود به نظر برسد. اما MoM-BH*-1 مانند یک جرم معمولی که پشت پردهای از غبار پنهان شده باشد رفتار نمیکرد.
یک شکست بالمر بسیار شدید
طیف این جرم یک تغییر بسیار شدید و ناگهانی داشت که به آن شکست بالمر (Balmer Break) گفته میشود. در طول موجی مشخص، مقدار نور ثبتشده ناگهان بهشدت افت میکرد. این شکست بسیار شدیدتر از چیزی بود که اخترشناسان از یک جمعیت معمولی از ستارهها انتظار داشتند.
برای مقایسه، کرکس یا وگا (Vega)، یکی از درخشانترین ستارههای آسمان شب زمین، نیز به دلیل جذب برخی فوتونها توسط هیدروژن موجود در جو ستارهای خود، شکست بالمر دارد. اما MoM-BH*-1 نسخهای فوقالعاده شدید از همین پدیده را نشان میدهد.
نایدو میگوید شکست بالمر مشاهدهشده در این جرم عمیقترین شکستی است که تاکنون در هر جرمی دیده شده و همین موضوع وجود ستارههای معمولی را بهعنوان منبع نور رد میکند. در عین حال، این پرسش را ایجاد کرده که آیا دانشمندان شاهد نوع جدیدی از «جو ستارهای» هستند؛ اما در مقیاسی خارقالعاده.
بررسی دقیقتر نشان داد شدت شکست بالمر حدود ۷٫۷ است؛ مقداری بسیار بالاتر از آنچه جمعیتهای معمولی و بدون غبار ستارهای میتوانند ایجاد کنند. سرنخ دیگری نیز از ترکیب شیمیایی این جرم به دست آمد. طیف آن نشانه بسیار کمی از عناصر سنگینتر از هیدروژن و هلیوم داشت.
سیاهچالهای پیچیدهشده در هیدروژن
پژوهشگران مدلهای مختلفی را بررسی کردند تا ببینند آیا یک آرایش غیرمعمول از گاز میتواند ویژگیهای مشاهدهشده را توضیح دهد یا نه. آنها این پرسش را مطرح کردند: آیا میتوان جرمی با این میزان سرخی، تنها با هیدروژن و بدون وجود غبار ایجاد کرد؟
پاسخ شگفتانگیز بود: بله.
اگر یک لایه بسیار متراکم از هیدروژن وجود داشته باشد؛ آنقدر متراکم که بیشتر از آنکه شبیه یک سحابی پراکنده میانستارهای باشد، مانند سطح یک ستاره عظیم به نظر برسد. تصور کنید بهجای یک ستاره معمولی که در هسته آن همجوشی هستهای رخ میدهد، یک سیاهچاله درون جوی عظیم، ضخیم و مات از گاز قرار گرفته باشد.
مادهای که به سمت سیاهچاله سقوط میکند، مقدار عظیمی انرژی آزاد میکند. هیدروژن اطراف سیاهچاله سپس این تابش را جذب، پراکنده و بازپردازش میکند و در نهایت بخشی از آن را به فضا میفرستد. از فاصلهای بسیار دور، کل این ساختار میتواند برخی ویژگیهای ظاهری یک ستاره را داشته باشد؛ در حالی که موتور مرکزی آن کاملاً متفاوت است.
پیلهای شبیه ستاره در اطراف سیاهچاله
مدل دقیق ارائهشده در پژوهش Nature، سیاهچاله را درون پوششی متراکم از گاز قرار میدهد که حدود ۱۰ تا ۱۰۰ واحد نجومی امتداد دارد. در یکی از مدلهای اصلی، این پوشش حدود ۴۰ واحد نجومی وسعت دارد. برای مقایسه، یک واحد نجومی تقریباً برابر با فاصله متوسط زمین تا خورشید است.
در نتیجه، چیزی که از بیرون شبیه سطح یک ستاره دیده میشود، در واقع یک «سطح ستارهای کاذب» است. گاز نقش جوی ستاره را ایفا میکند و در عوض انرژیای که در یک ستاره معمولی از همجوشی هستهای تأمین میشود، اینجا از برافزایش ماده به سمت سیاهچاله به دست میآید.
آنقدر درخشان که نمیتواند یک ستاره معمولی باشد
در نهایت، چیزی که توضیح ستاره معمولی را تقریباً غیرممکن میکند، درخشندگی فوقالعاده زیاد این جرم است. نایدو میگوید با جرمی روبهرو هستیم که کمی شبیه ستاره به نظر میرسد، اما ۱۰۰ میلیارد برابر درخشانتر است. چنین چیزی نمیتواند با همجوشی هستهای نیرو بگیرد؛ همان فرایندی که منبع انرژی قلب تمام ستارههای شناختهشده است.
اما سیاهچالهها چنین محدودیتی ندارند. خود سیاهچاله از درون افق رویدادش نور منتشر نمیکند، اما مادهای که به سمت آن مارپیچوار سقوط میکند میتواند بهشدت داغ و درخشان شود. سیاهچالههای کلانجرم فعال نیز میتوانند اختروشها را به وجود آورند؛ اختروشهایی که در میان درخشانترین اجرام پایدار جهان قرار دارند.
شبیهسازیها به وجود یک سیاهچاله در حال تغذیه اشاره میکنند
پژوهشگران در مدلهای خود یک سیاهچاله در حال برافزایش ماده قرار دادند و آن را با هیدروژن متراکم احاطه کردند. طیف شبیهسازیشده بهخوبی چندین ویژگی عجیب MoM-BH*-1 را بازتولید کرد؛ از جمله شکست بالمر شدید، تابش ضعیف فرابنفش و خطوط غیرمعمول هیدروژن. اما جرم دقیق سیاهچاله همچنان به مدل مورد استفاده بستگی دارد.
نایدو سناریویی را مطرح کرده که در آن سیاهچاله حدود ۱۰۰ هزار برابر جرم خورشید است. با این حال، تحلیل دقیقتر در مقاله Nature تخمینهایی تا محدوده میلیونها برابر جرم خورشید را نیز بررسی میکند؛ این تفاوت به فرضیات مربوط به تأثیر گاز اطراف بر تابش مشاهدهشده بستگی دارد.
پژوهشگران تأکید میکنند که در چنین شرایط افراطی، روشهای معمول اندازهگیری جرم سیاهچالههای فعال دوردست ممکن است نتایج گمراهکنندهای ارائه دهند. اگر گاز متراکم واقعاً بتواند نور خارجشده از سیاهچالههای جهان اولیه را بهشدت تغییر دهد، اخترشناسان ممکن است مجبور شوند جرم برآوردشده برای دیگر اجرام دوردستی را که جیمز وب شناسایی کرده، دوباره بررسی کنند.
سیاهچالههای اولیه چگونه اینقدر سریع رشد کردند؟
اخترشناسان سیاهچالههای کلانجرمی را پیدا کردهاند که حدود یک میلیارد برابر جرم خورشید هستند، در زمانی که جهان هنوز کمتر از یک میلیارد سال عمر داشت. توضیح اینکه این سیاهچالهها چگونه توانستند در چنین مدت کوتاهی به این اندازه عظیم برسند، یکی از مشکلات بزرگ اخترشناسی است؛ زیرا زمان بسیار کمی برای رشد آنها در اختیار بوده است.
یکی از توضیحات پیشنهادی این است که سیاهچالههای جوان گاهی دورههایی از تغذیه فوقالعاده سریع را تجربه کردهاند؛ در حالی که در میان حجم عظیمی از گاز پنهان بودهاند. پوششهای متراکم گاز میتوانستند تابش را به دام بیندازند و دوباره توزیع کنند و به سیاهچاله اجازه دهند تحت شرایطی بسیار متفاوت از آنچه در بیشتر کهکشانهای نزدیک میبینیم، همچنان به بلعیدن ماده ادامه دهد.
MoM-BH*-1 ممکن است نگاهی اجمالی به چنین مرحلهای ارائه دهد. این پژوهش نشان میدهد ویژگیهای این جرم با سناریوهایی سازگار است که در آن یک سیاهچاله اولیه توسط گازی متراکم احاطه و تغذیه میشود و احتمالاً دورهای از برافزایش فوقالعاده سریع را پشت سر میگذارد.
با این حال، اینکه چنین سامانههایی در ابتدا دقیقاً چگونه شکل گرفتهاند، هنوز مشخص نیست. حتی شواهد اولیهای وجود دارد که نشان میدهد MoM-BH*-1 ممکن است درخشندگی متغیری داشته باشد.
رصدهای انجامشده در زمانهای مختلف نشان میدهند که این جرم ممکن است حدود ۳۰ درصد درخشانتر شده باشد؛ البته پژوهشگران هشدار میدهند که این اندازهگیریها با پیکربندیهای رصدی متفاوت انجام شدهاند. اگر این تغییرات در رصدهای آینده تأیید شوند، میتوانند سرنخ دیگری باشند که نشان دهد یک سیاهچاله فشرده و فعال عامل اصلی این نور است.
آیا این جرم میتواند راز «نقاط قرمز کوچک» را حل کند؟
پژوهشگران نام MoM-BH-1* را برای این جرم انتخاب کردند؛ نامی که بخش پایانی آن به معنای «نخستین ستاره سیاهچالهای» در نظر گرفته شده است. آنها احتمال میدهند MoM-BH*-1 نمونهای بسیار آشکار از پدیدهای باشد که در جهان اولیه بسیار رایجتر بوده است. به گفته نایدو، هر یک از نقاط قرمز کوچک میتواند با یک ستاره سیاهچالهای سازگار باشد که درون یک کهکشان اولیه معمولی قرار گرفته است.
اما چیزی که MoM-BH*-1 را خاص میکند این است که ستاره سیاهچالهای تقریباً بهطور کامل بر کهکشان میزبان خود غلبه کرده و آن را از نظر درخشندگی تحتالشعاع قرار داده است؛ بنابراین چیزی که جیمز وب میبیند تقریباً نور خالص همان ستاره سیاهچالهای است. پژوهشهای دیگر نیز بهتدریج از این احتمال حمایت میکنند که این اجرام تنها یک پدیده عجیب و منفرد نیستند، بلکه ممکن است بخشی از یک جمعیت بزرگتر از اجرام کیهانی باشند.
یک مطالعه در سال ۲۰۲۶ روی ۹۸ نقطه قرمز کوچک شواهدی در سطح جمعیتی پیدا کرده که با وجود پوششهای متراکم گاز در اطراف سیاهچالههای مرکزی سازگار است. در پژوهشی جداگانه نیز صدها نامزد شناسایی شدهاند که ممکن است نورشان بهشدت تحت سلطه ساختارهایی مشابه «ستارههای سیاهچالهای» باشد. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Nature منتشر شده است.
سایت علمی بیگ بنگ / منبع: scitechdaily.com
لینک کوتاه نوشته : https://bigbangpage.com/?p=109908
