ترکیب یک سیاهچاله و یک ستاره عظیم هرگز پیش از این دیده نشده بود و میتواند معمای «نقاط قرمز کوچک» مرموز را که اغلب در تصاویر اعماق فضا یافت میشوند، توضیح دهد، ستاره سیاهچاله.
ستارهشناسان دانشگاه امآیتی و سایر مراکز، یک لکه قرمز بسیار درخشان را در جهان اولیه شناسایی کردهاند. این جرم به اندازه یک ستاره عظیم است و وسعتی به اندازه منظومه شمسی ما دارد. اما در عین حال، ۱۰۰ میلیارد برابر بیشتر از هر ستاره شناخته شدهای انرژی تولید میکند. در واقع، چنین انرژیهایی بیشتر به آنچه یک سیاهچاله تولید میکند، شباهت دارد.
این ترکیب عجیب نشان میدهد که لکه قرمز، نوعی کاملاً جدید از منبع اخترفیزیکی است. اخترشناسان آن را «ستاره سیاهچاله» (black hole star) نامیدهاند.
در مقالهای که امروز در مجله Nature منتشر شده، تیم تحقیقاتی تحلیل خود را از این جرم جدید ارائه کرده است که با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) ناسا کشف شده است. این تلسکوپ لکه قرمز درخشان را در جهان بسیار اولیه، تنها چند صد میلیون سال پس از مهبانگ (بیگبنگ)، رصد کرده است.
دانشمندان نتیجه گرفتهاند که محتملترین توضیح برای این لکه قرمز عجیب، ترکیبی از یک سیاهچاله و یک ستاره است – ترکیبی که تاکنون هرگز مشاهده نشده بود. این جرم احتمالاً ابری بسیار چگال از گاز است که نه توسط همجوشی هستهای استاندارد، بلکه توسط یک سیاهچاله مرکزی نیرو میگیرد.
«تصویر ما از این جرم به سرعت در حال تکامل است،» میگوید روهان نایدو (Rohan Naidu)، نویسنده اصلی مقاله، محقق فوقدکترای ناسا هابل و پاپالاردو در مؤسسه اخترفیزیک و تحقیقات فضایی کاولی (MKI) در امآیتی. «ما فکر میکنیم یک سیاهچاله مرکزی وجود دارد که ۱۰۰,۰۰۰ برابر جرم خورشید است. و در اطراف این سیاهچاله، پوشش عظیمی از گاز وجود دارد که مانند ستارهای به اندازه منظومه شمسی به نظر میرسد. این جرم بسیار عظیم است.»
اگر این لکه قرمز درخشان واقعاً یک ستاره سیاهچاله باشد، به حل هویت «نقاط قرمز کوچک» مرموز دیگری کمک میکند که تقریباً در هر تصویر اعماق فضایی که JWST تاکنون گرفته است، ظاهر شدهاند.
«این نقاط قرمز کوچک به نظر میرسد در جهان اولیه همهجا هستند، اما اساساً تا امروز ناپدید میشوند،» میگوید نایدو. «اینکه این اجرام دقیقاً چه هستند، یکی از بحثبرانگیزترین موضوعات دوران JWST بوده است.»
همکاران امآیتی این مطالعه عبارتند از: رابرت سیمکو (Robert Simcoe)، مدیر MKI و استاد فیزیک تجربی برونو بی. روسی؛ و وندی سان (Wendy Sun) از کلاس ۲۰۲۶، به همراه همکارانی از چندین مؤسسه دیگر.
فهرست مطالب
یک منبع منحصربهفرد
نایدو و همکارانش قصد نداشتند یک ستاره سیاهچاله پیدا کنند. آنها به دنبال دورترین و قدیمیترین کهکشانها بودند، به عنوان بخشی از طرحی که آن را «سراب یا معجزه» (Mirage or Miracle – MoM) نامیدند. تیم از JWST برای نگاه به اعماق فضا، به زمانی که جهان تنها چند صد میلیون سال سن داشت، استفاده کرد. هدف آنها یافتن کهکشانهایی بود که واقعاً در آن دوران اولیه شکل گرفته بودند.
«معمای بسیاری از کهکشانهای درخشان که در زمانهای بسیار اولیه ظاهر میشوند، وجود داشته است،» میگوید نایدو. «آنچه ما پیدا کردیم این است که آنچه به نظر میرسد یک کهکشان اولیه بسیار درخشان است، که «معجزه» نامیده میشود، در برخی موارد در واقع میتواند یک «سراب» باشد.»
هنگامی که آنها تصاویر JWST را برای منابع جالب جستجو میکردند، به ویژگیای برخوردند که از بقیه متمایز بود: نقطهای بسیار قرمز و بسیار درخشان.
«وقتی چیزی بسیار قرمز را در جهان میبینیم، اغلب فرض میکنیم که توسط غبار احاطه شده است، مانند دوده یا خاکستر،» سیمکو توضیح میدهد. «همانطور که دود آتشسوزیهای اخیر کانادا آسمان بوستون را قرمز درخشان نشان داد، اجرام نجومی نیز وقتی از میان پرده غبار دیده میشوند، میتوانند قرمزتر از رنگ واقعی خود به نظر برسند.»
اما نشانههای دیگری در نور وجود داشت که با آنچه فیزیکدانان از غبار انتظار دارند، کاملاً مطابقت نداشت. تیم همچنین الگوی عجیب دیگری را مشاهده کرد: نور این نقطه بسیار درخشان بود، به جز در زیر طولموجهای خاصی که نور کاملاً ناپدید میشد.
این افت طیفی به عنوان «شکست بالمر» (Balmer break) شناخته میشود – نشانهای که به طور سنتی با گاز متراکمی همراه است که فوتونها را در جو ستارگانی که چند صد میلیون سال سن دارند، جذب میکند. وگا (کرکس نشسته)، یکی از درخشانترین ستارگان آسمان شب، دقیقاً این الگو را نشان میدهد.
«شکستی که در این جرم مشاهده کردیم، عمیقترین شکستی است که تاکنون در هیچ جرمی مشاهده کردهایم و ستارگان «معمولی» را به عنوان منبع رد میکند،» میگوید نایدو. «اما این سوال را برای ما ایجاد کرد که آیا ما شاهد نوع جدیدی از «جو ستارهای» هستیم، اما در مقیاسی خارقالعاده.»
علاوه بر این، نور این نقطه قرمز تقریباً هیچ نشانهای از فلزات یا عناصری غیر از هیدروژن و هلیوم نداشت. «این جرم از بسیاری جهات واقعاً منحصربهفرد بود،» میگوید نایدو.
نور خالص
برای کشف منبع این نقطه قرمز، تیم شبیهسازیهای مختلفی را اجرا کرد تا ببیند چه ترکیبی از ویژگیهای اخترفیزیکی میتواند رنگ متمایز این نقطه را تولید کند.
«شروع به پرسیدن این سوال کردیم: آیا میتوانید چیزی به این قرمزی را فقط با استفاده از هیدروژن، بدون هیچ غباری بسازید؟» میگوید سیمکو. «در کمال تعجب، مشخص شد که بله، اگر یک پرده هیدروژنی بسیار متراکم داشته باشید، آنقدر متراکم که بیشتر شبیه سطح یک ستاره عظیم باشد تا یک سحابی میانستارهای نازک.»
شبیهسازیهای آنها نشان داد که این نقطه قرمز احتمالاً نوعی منبع انرژی قدرتمند و پوشیده در یک پیله بسیار متراکم از هیدروژن است. اگر چنین بود، این امر شکست بالمر مسدودکننده نور و عدم وجود هر چیزی غیر از هیدروژن و هلیوم را که اخترشناسان مشاهده کردند، توضیح میداد. اما هنوز درخشندگی فوقالعاده این جرم را توضیح نمیداد.
«چیزی دارید که کمی شبیه یک ستاره است اما ۱۰۰ میلیارد بار درخشانتر است،» میگوید نایدو. «این بدان معناست که شما نمیتوانید این را با همجوشی هستهای، که منبع انرژی در قلب تمام ستارگانی است که میشناسیم، تأمین کنید.»
با این حال، سیاهچالهها به طور معمول در مقیاسهایی که تیم مشاهده کرد، انرژی تولید میکنند. نایدو و همکارانش یک سیاهچاله فعال و در حال افزایش جرم را در شبیهسازیهای خود از ستاره پوشیده در هیدروژن گنجاندند و جرم سیاهچاله را همراه با سایر پارامترها تغییر دادند. سپس روشنایی حاصل از شبیهسازی «ستاره سیاهچاله» را با روشنایی مشاهده شده توسط JWST از نقطه قرمز مقایسه کردند.
از این شبیهسازیها، آنها نزدیکترین تطابق را یافتند و به این نتیجه رسیدند که محتملترین سناریو برای توضیح این نقطه قرمز، یک ستاره سیاهچاله است. به طور خاص، این جرم احتمالاً شامل یک سیاهچاله مرکزی با جرم حدود ۱۰۰,۰۰۰ برابر خورشید است. این هسته قدرتمند توسط یک پیله متراکم و ستارهمانند از هیدروژن احاطه شده است که تقریباً به اندازه منظومه شمسی است.
تیم این جرم را MoM-BH-۱ نامیده است، برگرفته از طرحی که آن را کشف کرد، و همچنین لقب «ستاره سیاهچاله – یک»، که نشان میدهد این جرم اولین از دیگران است. محققان گمان میکنند که ستارههای سیاهچاله میتوانند بسیاری از نقاط قرمز کوچک دیگر را که در تصاویر JWST ظاهر میشوند، توضیح دهند. آن اجرام به اندازه MoM-BH-۱ درخشان نیستند.
«هر نقطه قرمز کوچکی با یک ستاره سیاهچاله، که در یک کهکشان اولیه معمولی جاسازی شده است، سازگار است،» میگوید نایدو. «اما چیزی که در مورد MoM-BH*-۱ خاص است این است که ستاره سیاهچاله اساساً کهکشان میزبان اطراف خود را کاملاً تحتالشعاع قرار میدهد، به طوری که ما نور خالص ستاره سیاهچاله را میبینیم.»
