العشاء على حافة الكون

نموذج جديد يشرح عملية تشكل الثقوب السوداء فائقة الكتلة

يوجد في أطراف الكون ثقوب سوداء ضخمة تبلغ كتلتها مليار مرة كتلة شمسنا. تمتص هذه الأجرام السماوية، التي تسمى "الكوازارات"، كميات هائلة من الغاز بين النجوم باستمرار. ويفقد الغاز الذي يبتلعه الثقب الأسود طاقة تنبعث على شكل ضوء، وهو ما نراه بالتلسكوبات بعد أن يعبر الكون ويصل إلينا. وهكذا، عندما نلاحظ نجمًا زائفًا، فإننا في الواقع نلاحظ الماضي. ويبلغ عمر الكون اليوم حوالي 14 مليار سنة، بينما تظهر لنا هذه الكوازارات الموجودة في حافة الكون كما كانت بعد أقل من مليار سنة من الانفجار الأعظم. أي أن العلاقة بين اليوم وعصر الكوازارات القديمة تشبه العلاقة بين شخص بالغ يبلغ من العمر 40 عامًا وطفل عمره عامين.

يحاول علماء الفيزياء الفلكية الذين يدرسون الثقوب السوداء بالفعل فهم كيفية وصول النجوم الزائفة إلى حجمها الهائل. إن آلية التكوين الشائعة للثقوب السوداء هي انهيار الشمس التي تبلغ كتلتها عدة عشرات من الكتل الشمسية على نفسها، عندما ينفد مخزون الوقود النووي فيها، ولا يعود هناك شيء يقف أمام جاذبيتها الذاتية. في هذه العملية، يتخلص النجم من جزء كبير من كتلته في انفجار مستعر أعظم، بينما ينهار الجزء الآخر في قلبه ويشكل ثقبًا أسودًا كتلته10 الألواح الشمسية.

وهنا يطرح سؤال يشغل علماء الفيزياء الفلكية منذ اكتشاف الكوازارات القديمة: كيف نما ثقب أسود صغير وتطور إلى كوازار عملاق يزن مليار كتلة شمسية وأكثر في مثل هذا الوقت القصير بعد الانفجار الأعظم؟ ما هي الآلية التي تسمح للثقب الأسود الأصلي "ابتلاع" هذه الكميات الكبيرة من المادة والنمو بسرعة؟

فيما يلي عمليتان شائعتان تؤديان في الواقع إلى إبطاء نمو الثقب الأسود: عندما لا تتحرك المادة مباشرة نحو فم الثقب الأسود، يمكنها الهروب منه والدوران حوله. وعندما تسقط المادة أخيرًا في الثقب الأسود، فإنها تنضغط، وتفرك، وتسخن، وتصدر ضوءًا "يدفع للخارج". تسحب الجاذبية، ويدفع الضوء، وفي النهاية يتم إنشاء توازن يمنع ابتلاع المزيد من المادة إلى الثقب الأسود، ويبطئ نموه.

إذا كان الأمر كذلك، فكيف نمت الكوازارات على أي حال؟ البروفيسور طال الكسندر، رئيس قسم فيزياء الجسيمات والفيزياء الفلكية في معهد وايزمان للعلوم، اقترح مؤخرًا حلاً لهذه المشكلة - في المقالة والذي نشر في المجلة العلمية علوم بالتعاون مع شريكه البحثي البروفيسور بريامفادا ناتاراجان من جامعة ييل.

يبدأ نموذج النمو - الذي أظهر البروفيسور ألكسندر جدواه - بتكوين ثقب أسود صغير في الكون المبكر. في ذلك الوقت، كانت تيارات الغاز في الكون باردة وكثيفة، وتحتوي على كمية أكبر بكثير من المادة مقارنة ببقايا الغاز المتناثرة التي لا تزال موجودة في الكون اليوم. وكان الثقب الأسود الصغير، المولود حديثا، يتحرك ويغير اتجاه حركته مرارا وتكرارا تحت تأثير النجوم الأخرى في "الحضانة" الكونية. وتسببت هذه التغيرات في عدم قدرة الغاز على التكيف مع التغير السريع والدخول في مدار محيطي حول الثقب الأسود، فيبتلع داخله. وهكذا امتص الثقب الأسود كميات كبيرة من المادة بسرعة متزايدة باستمرار. يوضح البروفيسور ألكسندر أن هذا معدل نمو أسرع من المعدل الأسي (الفائق الأسي). استمرت فترة النمو المتسارع10 مليون سنة (غمضة عين من حيث تاريخ الكون)، وفي نهايتها كان للثقب الأسود بالفعل كتلة تساوي10,000 الألواح الشمسية. منذ ذلك الحين فصاعدًا، تباطأ معدل النمو نسبيًا، لكن مسار الثقب الأسود كان ممهدًا بالفعل، مما قاده بأمان إلى مجد الكوازار.