من المحتمل أن الإشعاع الصادر عن المادة المظلمة في الكون المبكر قد أبقى غاز الهيدروجين ساخنًا بدرجة كافية ليتكثف في الثقوب السوداء.
- عادة ما تستغرق الثقوب السوداء الهائلة مليارات السنين لتتشكل. لكن تلسكوب جيمس ويب الفضائي ولم يتم العثور عليهم إلا بعد وقت طويل .الانفجار العظيم – يجب أن يكون لديهم الوقت للتطور.
- جامعة كاليفورنيا اكتشف علماء الفيزياء الفلكية أنه عندما تتحلل المادة المظلمة، فإن الفوتونات التي تنبعث منها تحافظ على غاز الهيدروجين ساخنًا بما يكفي لتجمعه الجاذبية في سحب عملاقة، وتحوله في النهاية إلى كتلة فائقة الكتلة. الثقب الأسود.
- ويفسر هذا الاكتشاف وجود ثقوب سوداء فائقة الكتلة في وقت مبكر جدًا، ويدعم وجود نوع من المادة المظلمة القادرة على التحلل إلى جسيمات مثل الفوتونات.
تشكيل الثقوب السوداء الهائلة
تستغرق الثقوب السوداء الضخمة، مثل الثقوب السوداء الموجودة في قلبنا، وقتًا أطول درب التبانة كوكبة، لخلق. بشكل عام، تتطلب ولادة الثقب الأسود أن يحترق نجم عملاق تبلغ كتلته ما لا يقل عن 50 كتلة من شمسنا – وقد يستغرق ذلك مليار سنة – ثم ينهار قلبه على نفسه.
ومع ذلك، فإن الثقب الأسود الناتج الذي تبلغ كتلته حوالي 10 أضعاف كتلة الشمس، بعيد عن الثقب الأسود الذي تبلغ كتلته 4 ملايين كتلة شمسية، أو ثقب أسود يبلغ كتلته مليار كتلة شمسية موجود في مجرتنا درب التبانة. وجدت في المجرات الأخرى. يمكن لمثل هذه الثقوب السوداء الهائلة أن تتشكل من ثقوب سوداء أصغر حجمًا من خلال تراكم الغاز والنجوم والاندماج مع الثقوب السوداء الأخرى، وهو ما يستغرق مليارات السنين.
أسرار كشفها تلسكوب جيمس ويب الفضائي
فلماذا اكتشف تلسكوب جيمس ويب الفضائي الثقوب السوداء الهائلة في بداية الزمن، قبل سنوات عديدة من تشكلها؟ لدى علماء الفيزياء الفلكية في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس (UCLA) إجابة غامضة مثل الثقوب السوداء: تمنع المادة المظلمة الهيدروجين من التبريد لفترة كافية حتى يتحول إلى سحب كبيرة وكثيفة، ويتحول إلى ثقوب سوداء بدلاً من النجوم. تم نشر الاكتشاف في 27 أغسطس في المجلة رسائل المراجعة البدنية.
وقال المؤلف الكبير ألكسندر كوسينكو، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة كاليفورنيا: “كم هو مدهش العثور على ثقب أسود هائل تبلغ كتلته مليار كتلة شمسية بينما يبلغ عمر الكون نفسه نصف مليار سنة”. “إنه مثل العثور على سيارة حديثة بين عظام الديناصورات والتساؤل عن من قام ببناء تلك السيارة في عصور ما قبل التاريخ.”
التحدي المتمثل في تبريد الغاز في الفضاء
اقترح بعض علماء الفيزياء الفلكية أن سحابة ضخمة من الغاز تنهار لتشكل ثقبًا أسود هائلًا مباشرةً، متجاوزة التاريخ الطويل لاحتراق النجوم وتراكمها واندماجها. ولكن هناك مشكلة: الجاذبية، في الواقع، تقوم بسحب سحابة كبيرة من الغاز معًا، ولكن ليس داخل سحابة كبيرة. وبدلا من ذلك، فهو يجمع مناطق من الغاز في هالات صغيرة تطفو بالقرب من بعضها البعض ولكنها لا تشكل ثقبا أسود.
والسبب هو أن سحابة الغاز تبرد بسرعة كبيرة. وطالما أن الغاز ساخن، فإن ضغطه يقاوم الجاذبية. ومع ذلك، عندما يبرد الغاز، ينخفض الضغط وتسود الجاذبية في العديد من المناطق الصغيرة التي تنهار إلى مادة كثيفة، مما يسمح للجاذبية بسحب السحابة بأكملها إلى ثقب أسود واحد.
وقال المؤلف الأول وطالب الدكتوراه ييفان لو: “إن مدى سرعة تبريد الغاز يرتبط بكمية الهيدروجين الجزيئي”. “إن ذرات الهيدروجين المرتبطة ببعضها البعض في الجزيء تبدد الطاقة عندما تواجه هيدروجينًا سائبًا. الذري. تصبح جزيئات الهيدروجين عوامل تبريد لأنها تمتص الطاقة الحرارية وتطلقها. كانت سحب الهيدروجين في بداية الكون تحتوي على المزيد من الهيدروجين الجزيئي، وتم تبريد الغاز بسرعة ليشكل هالات صغيرة بدلاً من السحب الكبيرة.
كتب لو وباحث ما بعد الدكتوراه زاكاري بيكر رمزًا لحساب جميع العمليات المحتملة في هذا السيناريو، وأضافا أن الإشعاع الإضافي يمكن أن يسخن الغاز ويقسم جزيئات الهيدروجين، مما يغير كيفية تبريد الغاز.
وقال لو: “إذا أضفت إشعاعًا عند نطاق طاقة معين، فإنه يدمر الهيدروجين الجزيئي ويخلق ظروفًا تمنع السحب الكبيرة من التفكك”.
دور المادة المظلمة في تكوين الثقب الأسود
ولكن من أين يأتي الإشعاع؟
إن جزءًا صغيرًا فقط من المادة الموجودة في الكون هو من النوع الذي يشكل أجسادنا وكوكبنا والنجوم وكل شيء آخر يمكننا ملاحظته. إن الكثير من المادة التي تم اكتشافها عن طريق تأثيرات الجاذبية على المواد الموجودة بين النجوم وعن طريق انحناء الضوء من مصادر بعيدة، تتكون من بعض الجسيمات الجديدة التي لم يتعرف عليها العلماء بعد.
لذا فإن أشكال وخصائص المادة المظلمة هي لغز يجب حله. على الرغم من أننا لا نعرف ما هي المادة المظلمة، فقد تكهن واضعو نظريات الجسيمات منذ فترة طويلة بأنها قد تحتوي على جسيمات غير مستقرة يمكن أن تتحلل إلى فوتونات، وهي جسيمات الضوء. إن إضافة مثل هذه المادة المظلمة إلى عمليات المحاكاة توفر الإشعاع اللازم لبقاء الغاز في سحابة ضخمة أثناء انهياره في ثقب أسود.
تتكون المادة المظلمة من جسيمات تتحلل ببطء أو أكثر من جسيم واحد صِنف: بعضها مستقر وبعضها يتحلل في أوقات مبكرة. في كلتا الحالتين، يمكن أن يكون ناتج الاضمحلال إشعاعًا على شكل فوتونات، تعمل على تفتيت الهيدروجين الجزيئي وتمنع سحب الهيدروجين من التبريد بسرعة كبيرة. حتى أقل اضمحلال للمادة المظلمة قدم ما يكفي من الإشعاع لمنع التبريد، وتشكيل سحب كبيرة، وفي نهاية المطاف، ثقوب سوداء هائلة.
وقال بيكر: “قد يكون هذا هو الجواب على سبب اكتشاف الثقوب السوداء الهائلة في وقت مبكر جدًا”. “إذا كنت متفائلاً، فيمكن أيضًا قراءة هذا كدليل إيجابي على وجود شكل من أشكال المادة المظلمة. وإذا تشكلت هذه الثقوب السوداء الهائلة نتيجة انهيار سحابة غازية، فإن الإشعاع الإضافي المطلوب يجب أن يأتي من فيزياء الظلام غير المعروفة”. مجال.”
المرجع: “الانكماش المباشر للثقوب السوداء فائقة الكتلة نتيجة اضمحلال الجسيمات المتبقية” ييفان لو، زاكاري إس سي بيكر وألكسندر كوسينكو، 27 أغسطس 2024، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/PhysRevLett.133.091001
