بفضل القدرات المحسنة بشكل كبير لتلسكوبات اليوم ، بدأ الفلكيون في التعمق أكثر في الكون وعودة إلى الماضي. من خلال ذلك ، تمكنوا من معالجة بعض الألغاز القديمة حول كيفية تطور الكون منذ الانفجار العظيم. أحد هذه الألغاز هو كيف تشكلت الثقوب السوداء الهائلة (SMBHs) ، التي تلعب دورًا حاسمًا في تطور المجرات ، خلال الكون المبكر.
باستخدام تلسكوب ESO الكبير جدًا (VLT) في تشيلي ، لاحظ فريق دولي من علماء الفلك المجرات لأنها ظهرت بعد حوالي 1.5 مليار سنة بعد الانفجار العظيم (قبل 12.5 مليار سنة). والمثير للدهشة أنهم لاحظوا خزانات كبيرة من غاز الهيدروجين البارد الذي كان يمكن أن يوفر "مصدرًا غذائيًا" كافًا لـ SMBHs. يمكن لهذه النتائج أن تشرح كيف نمت SMBHs بسرعة كبيرة خلال الفترة المعروفة باسم الفجر الكوني.
قاد الفريق الدكتور إيمانويل باولو فارينا من معهد ماكس بلانك لعلم الفلك (MPIA) ومعهد ماكس بلانك للفيزياء الفلكية (MPA). وانضم إليه باحثون من كل من MPIA و MPA ، والمرصد الجنوبي الأوروبي (ESO) ، و UC Santa Barbara ، ومرصد Arcetri للفيزياء الفلكية ، ومرصد الفيزياء الفلكية وعلوم الفضاء في بولونيا ، ومعهد Max Planck للفيزياء خارج الأرض (MPEP).
على مدى عقود ، كان الفلكيون يدرسون SMBHs ، التي توجد في قلب معظم المجرات ويتم التعرف عليها من خلال نوى Galatic النشطة (AGN). يمكن لهذه النوى ، والمعروفة أيضًا باسم النجوم الزائفة ، أن تنبعث طاقة وضوءًا أكثر من بقية النجوم في المجرة مجتمعة. حتى الآن ، أبعد مسافة تمت ملاحظتها هي ULAS J1342 + 0928 ، والتي تقع على بعد 13.1 مليار سنة ضوئية.
بالنظر إلى أن النجوم الأولى يقدر أنها تشكلت بعد 100000 سنة فقط من الانفجار الكبير (حوالي 13.8 مليار سنة) ، وهذا يعني أن SMBHs كان يجب أن تكون قد تشكلت بسرعة من أول النجوم لتموت. حتى الآن ، على الرغم من ذلك ، لم يجد الفلكيون الغبار والغاز بكميات عالية بما يكفي خلال الكون المبكر لتفسير هذا النمو السريع.
بالإضافة إلى ذلك ، كشفت الملاحظات السابقة التي أجريت مع مجموعة Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) أن المجرات المبكرة تحتوي على الكثير من الغبار والغاز ، مما أدى إلى تكوين النجوم السريع. أشارت هذه النتائج إلى أنه لم يكن هناك الكثير من المواد المتبقية لإطعام الثقوب السوداء ، مما أدى فقط إلى تعميق سر كيفية نموها بسرعة كبيرة أيضًا.
لمعالجة هذا الأمر ، اعتمد فارينا وزملاؤه على البيانات التي جمعتها أداة المستكشف الطيفي متعدد الوحدات (MUSE) في VLT لمسح 31 كوازارات على مسافة حوالي 12.5 مليار سنة ضوئية (وبالتالي مراقبة ما بدوا عليه قبل 12.5 مليار سنة). هذا يجعل مسحهم أحد أكبر عينات الكوازارات من هذه الفترة المبكرة للكون. ما وجدوه هو 12 سحابة هيدروجينية ممتدة وكثيفة بشكل مدهش.
تم تحديد هذه السحب الهيدروجينية من خلال توهجها المميز في ضوء الأشعة فوق البنفسجية. بالنظر إلى مسافة وتأثير الانزياح الأحمر (حيث يمتد طول موجة الضوء بسبب التمدد الكوني) ، فإن التلسكوبات الأرضية تشير إلى التوهج كضوء أحمر. كما أوضحت فارينا في بيان صحفي لـ MPIA:
“التفسير الأكثر ترجيحًا للغاز الساطع هو آلية الفلورة. يقوم الهيدروجين بتحويل الإشعاع الغني بالطاقة من الكوازار إلى ضوء بطول موجة محدد ، يمكن ملاحظته بواسطة وميض.”
شكلت غيوم الهيدروجين الباردة الكثيفة - التي كانت تبلغ عدة مليارات من المرات كتلة الشمس - هالات حول المجرات المبكرة التي امتدت لـ 100،000 سنة ضوئية من الثقوب السوداء المركزية. عادةً ما يكون اكتشاف مثل هذه الغيوم حول النجوم الزائفة (التي تكون شديدة السطوع) أمرًا صعبًا إلى حد ما. ولكن بفضل حساسية أداة MUSE - التي وصفتها Farina بأنها "مغير اللعبة" - وجدها الفريق بسرعة.
قالت أليسا دريك ، الباحثة في MPIA التي ساهمت أيضًا في الدراسة:
“من خلال الدراسات الحالية ، بدأنا للتو بالتحقيق في الكيفية التي تمكنت بها الثقوب السوداء الهائلة الأولى من التطور بسرعة كبيرة. لكن أدوات جديدة مثل MUSE وتلسكوب جيمس ويب الفضائي المستقبلي تساعدنا في حل هذه الألغاز المثيرة.”
ووجد الفريق أن هالات الغاز هذه مرتبطة بإحكام بالمجرات ، مما يوفر "مصدر الغذاء" المثالي للحفاظ على تكوين النجوم السريع ونمو الثقوب السوداء الفائقة الكتلة. تحل هذه الملاحظات بشكل فعال لغز الكيفية التي يمكن أن توجد بها الثقوب السوداء الهائلة في وقت مبكر جدًا من تاريخ الكون. كما تلخصه فارينا:
“أصبح بإمكاننا الآن أن نثبت ، للمرة الأولى ، أن المجرات البدائية لديها ما يكفي من الغذاء في بيئاتها للحفاظ على نمو الثقوب السوداء الهائلة للغاية وتشكيل النجوم القوي.. وهذا يضيف قطعة أساسية إلى اللغز الذي يبنيه الفلكيون لتصور كيف تشكلت الهياكل الكونية قبل أكثر من 12 مليار سنة.”
في المستقبل ، سيكون لدى الفلكيين أدوات أكثر تعقيدًا يمكن من خلالها دراسة المجرات و SMBHs في أوائل الكون ، والتي يجب أن تكشف المزيد من التفاصيل حول سحب الغاز القديمة. وهذا يشمل تلسكوب ESO الكبير للغاية (ELT) ، وكذلك التلسكوبات الفضائية مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST).
ظهرت الدراسة التي تصف نتائج الفريق في عدد 20 ديسمبر من المجلة الفيزيائية الفلكية.
