بفضل تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST)، حصل علماء الفلك على لمحة عن الآليات التي تستخدمها الثقوب السوداء فائقة الكتلة لتغذية نفسها. يمكن أن تساعد الملاحظات العلماء على اكتشاف كيف أن الثقوب السوداء الهائلة التي تبلغ كتلتها ملايين، وربما حتى مليارات المرات، من كتلة الشمس، نمت بسرعة كبيرة بعد وقت قصير من الانفجار الكبير.
في حين أن جميع المجرات الكبيرة لديها الثقوب السوداء الهائلة في قلوبهم، بعضها عبارة عن عمالقة نائمة، تستهلك القليل من الغاز والغبار المحيط بها، بينما يتغذى البعض الآخر بنهم ويعمل كمحركات لمناطق المجرة المركزية الساطعة التي تسمى النوى المجرية النشطة (AGN). تقوم هذه الثقوب السوداء المغذية أيضًا بإخراج المادة من أقطابها في نفاثات يمكنها دفع الغاز والغبار – المادة الخام اللازمة لتكوين النجوم – خارج المجرات المضيفة، وبالتالي قطع ولادة النجوم و”قتل” هذه المجرات بشكل فعال.
بالإضافة إلى ذلك، فإن العمالقة الكونيين الأقوياء يصبحون محيرين حقًا عندما يستخدم علماء الفلك JWST اكتشفهم قبل أن يبلغ عمر الكون مليار سنة. وذلك لأن الآليات التي من خلالها تلتهم الثقوب السوداء المادة تنمو ثم تندمج لتكوين المزيد من الكتلة الثقوب السوداء يجب أن يستغرق ما لا يقل عن مليار سنة للوصول إلى حالة فائقة الكتلة. وهذا الأمر أكثر إرباكًا لأن النظريات تقول أيضًا أن الثقوب السوداء هي الأكثر نهمًا في تغذية الثقوب السوداء (وبالتالي الأسرع نموًا). يجب كما يقومون أيضًا بإبعاد المادة التي يستخدمونها لتحقيق هذا النمو، مما يعني في الواقع اتباع نظام غذائي. إذن، مع أخذ كل هذا في الاعتبار، كيف نمت الثقوب السوداء الهائلة بهذه السرعة في بداية الكون؟
يشير أحد التفسيرات إلى أن الثقوب السوداء فائقة الكتلة تدفع الغاز بعيدًا، مما يؤدي إلى تجويع نفسها كما هو متوقع، ولكن أيضًا تبرد هذه المادة في النهاية وتعود إلى الثقب الأسود. وهذا من شأنه أن يسمح بفترة أخرى من التغذية وبالتالي النمو.
ويشير هذا التفسير أيضًا إلى أنه عندما يبرد هذا الغاز، فإنه يشكل “شرائط” أو خيوطًا من الغاز يبلغ عرضها بضع مئات من السنين الضوئية فقط ولكنها تمتد لآلاف السنين الضوئية. ستعود هذه العناصر إلى مركز المجرة وتشكل قرصًا دوارًا حول ثقبها الأسود الموجود، مما يغذيها مرة أخرى ويطلق فترة جديدة من النمو. سيؤدي هذا بعد ذلك إلى إعادة تشغيل النفاثات من الثقب الأسود، مما سيقطع مرة أخرى إمدادات الغذاء عن العملاق الكوني، مما يسمح للعملية برمتها بالبدء مرة أخرى.
ستكون العملية في جوهرها عبارة عن دورة ذاتية التنظيم من الولائم يتبعها الصيام. ومع ذلك، فإن العلاقة بين هذه الخيوط والثقوب السوداء الهائلة كانت بعيدة المنال، مما يعني أن هذه الآلية قاومت التأكيد.
“ما يكشفه تلسكوب جيمس ويب الفضائي هو أن الثقوب السوداء قد تكون أدوات إعادة التدوير الكونية النهائية،” قائدة الفريق جولي هلافاسيك-لاروندو من جامعة مونتريال. قال في بيان. “إنها تطلق كميات هائلة من الطاقة التي تعمل على تسخين البيئة المحيطة بها، ومع ذلك فإن نفس الغاز يمكن أن يبرد لاحقًا إلى خيوط رقيقة تتراجع إلى الداخل وتغذي الثقب الأسود مرة أخرى. ونحن أخيرًا نرى هذه الدورة ذاتية الاستدامة في العمل.”
اتباع نظام غذائي ثقب أسود هائل
لحل لغز ولائم الثقوب السوداء، حول تلسكوب جيمس ويب الفضائي انتباهه إلى نوى نشطة قريبة نسبيًا تقع في قلب المجرة المركزية لمجموعة قنطورس. إن جي سي 4696، وتقع على بعد 145 مليون سنة ضوئية فقط من الأرض.
ال تلسكوب هابل الفضائي سبق أن درست هذه المجرة، واكتشفت دوامة غريبة من الغاز على شكل خطاف بالقرب من الثقب الأسود المركزي الهائل في NGC 4696.
تابع تلسكوب جيمس ويب الفضائي هذا الاكتشاف من خلال إنتاج خريطة مفصلة للغاز المتدفق في قلب المجرة. وكشف هذا عن ميزة على شكل خطاف يبلغ عرضها حوالي 800 سنة ضوئية، وتتكون من غاز يتحرك بسرعات مذهلة تبلغ حوالي 1.3 مليون ميل في الساعة (600 كيلومتر في الثانية).
والأمر الأكثر إثارة هو أن دوامة الغاز تبدو مرتبطة بخيط ضخم من المواد التي تسقط باتجاه الثقب الأسود المركزي الهائل.
اختبر الفريق ملاحظات تلسكوب جيمس ويب الفضائي مقابل محاكاة حاسوبية، ووجد أن العثور على الغاز في سيناريو الفتيل المتساقط سيأخذ بالفعل شكلًا مشابهًا لذلك الذي شوهد في NGC 4696.
وقالت عضوة الفريق هيلين راسل من كلية الفيزياء وعلم الفلك بجامعة نوتنغهام في المملكة المتحدة في البيان: “يُظهر لنا تلسكوب جيمس ويب الفضائي الآن الرابط الأخير لهذه الحلقة المغلقة”. “إن الشبكة الخيطية الواسعة من تدفقات الغاز تقوم في النهاية بتوجيه الغاز إلى القرص الذي يغذي الثقب الأسود.”
تم نشر بحث الفريق يوم الأربعاء (16 يوليو) في مجلة رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.
