اكتشف علماء الفلك لأول مرة مجرة ظهر فيها ثقب أسود قبل النجوم
حتى القرن الحادي والعشرين، كانت الصورة الكلاسيكية لتكوين المجرات كما يلي: أولاً، تظهر النجوم الضخمة الأولى، وتنتج عن انفجاراتها ثقوب سوداء. ثم تندمج هذه الثقوب السوداء مع بعضها البعض وتمتص الغاز المحيط بها، وتكتسب كتلة وتتحول تدريجيًا إلى ثقوب فائقة الكتلة – إلى ملايين، أو حتى مليارات، من كتلة الشمس. في عام 2010، نشأت أسئلة جدية حول هذه الصورة. العديد من المجرات، بعد مليار سنة فقط من الانفجار الكبير، لديها بالفعل ثقوب سوداء ضخمة للغاية، على الرغم من أنه في مئات الملايين من السنين الأولى من الكون، حتى النجوم لم يكن لديها وقت للاشتعال. نشرت Nature مؤخرًا ورقة بحثية تشكك في إمكانية تكوين أول ثقوب سوداء فائقة الكتلة من النجوم الأولى في الكون. أظهر فريق دولي من العلماء أن الجسم Abell 2744−QSO1 ليس مجرد ثقب أسود بكتلة لا تقل عن 50 مليون شمس، ولكنه أيضًا جسم تدور حوله مجرة بأكملها. فقط الكتلة النجمية لهذه المجرة أقل من نصف كتلة ثقبها الأسود المركزي. من الواضح أن السيناريو الكلاسيكي لنمو ثقب أسود هائل لم ينجح هنا. يمتص الثقب الأسود المادة بسرعة معينة لا يمكن تجاوزها لأسباب فيزيائية بحتة (حد إدنجتون). ترى التلسكوبات Abell 2744−QSO1 كما كانت بعد 700 مليون سنة فقط من الانفجار الكبير. ومن الصعب جدًا أن نتخيل كيف يمكن للثقب الأسود، في مثل هذا الوقت، أن يمتص عددًا من النجوم والغازات من حيث الكتلة أكبر مما يوجد في المجرة المحيطة به. بالإضافة إلى ذلك، وجد علماء الفلك في العمل أن Abell 2744−QSO1 يمتص المادة بشكل أبطأ بكثير من حد إدينغتون. ويستنتج المؤلفون: “على حد علمنا، هذا… يجعل من QSO1 أكثر الثقوب السوداء الضخمة التي تم اكتشافها على الإطلاق”. بمعنى آخر، تتكون هذه المجرة بشكل أساسي من ثقب أسود، وعدد النجوم حوله أقل من أي جسم آخر معروف بطبيعته. وفي مناطق الكون القريبة منا، تكون نسبة كتلة الثقب الأسود والنجوم المحيطة به أقل بحوالي ألف مرة. وذكر العلماء أن هذا يتناسب بشكل جيد مع الأعمال السابقة، والتي بموجبها يحتوي هذا الجسم على عدد قليل جدًا من العناصر الثقيلة. تشكلت العناصر الأثقل من الهيليوم والليثيوم في الكون بشكل رئيسي نتيجة لتطور النجوم. من المنطقي أنه في المجرة التي تحتوي على الحد الأدنى من النجوم لا توجد مثل هذه العناصر تقريبًا. ويعتقد الباحثون أن التفسير الحقيقي الوحيد لمثل هذه “النقطة الحمراء الصغيرة” هو ما يسمى بالثقب الأسود “التكوين البدائي”. أي أنه لم ينشأ من النجوم، بل تشكل نتيجة عمليات أخرى. واعتبر المؤلفون «الانهيار المباشر» للغاز الأولي في الثقوب السوداء، متجاوزًا مرحلة تكوين النجوم، مرشحًا لمثل هذه العمليات. أو ما يسمى بالثقوب السوداء البدائية، التي تشكلت لسبب ما في الثانية الأولى بعد الانفجار الكبير، عندما كانت كثافة المادة في الكون لا تزال عالية جدًا. وفي الوقت نفسه، فإن سيناريو الانهيار المباشر سيتطلب إشعاعًا قويًا للأشعة فوق البنفسجية من المنطقة. لكن لا توجد آثار لمثل هذا الإشعاع هناك. وبسبب هذا والوفرة المنخفضة للغاية للعناصر الثقيلة في هذه المنطقة، اعتبر علماء الفلك أن التفسير الأكثر ترجيحًا للغز Abell 2744−QSO1 هو وجود ثقب أسود بدائي. صحيح أن هناك تعقيدًا هنا: فمعظم نماذج تكوين الثقوب السوداء البدائية تظهر أنها نشأت بكتلة منخفضة نسبيًا. ليس من السهل أن نفهم كيف تمكنا من الاندماج في أول 700 مليون سنة من تاريخ الكون بهذه السرعة لدرجة أننا رأينا Abell 2744−QSO1 بكتلة تبلغ خمسين مليون كتلة شمسية. واقترح الباحثون أن هذا يمكن تفسيره من خلال تكوين الثقوب السوداء البدائية في مجموعات كثيفة. إذا كانت كثيفة جدًا حقًا، فمن الأسهل على الثقوب السوداء الموجودة فيها أن تندمج مع بعضها البعض. تكمن نقطة الضعف في هذا التفسير في أن جميع نماذج تشكل الثقوب السوداء البدائية اليوم تتطلب إشراك آليات غريبة لا تتبع مباشرة نظريات فيزيائية مثبتة. ولكن هناك أيضًا نماذج لتطور الكون يحدث فيها تكوين أجسام مثل Abell 2744−QSO1 بشكل طبيعي دون استخدام آليات أو نظريات فيزيائية جديدة. وفي إطار فرضية نيكولاي غوركي حول الكون الدوري، تنتقل الثقوب السوداء من دورة تطور الكون إلى أخرى، أي أنها قادرة على النجاة من الانفجار الكبير.
على الرغم من أن كتلة معظمها تساوي عدة شموس (مثل الثقوب السوداء التي سجل مرصد LIGO اندماجها)، إلا أن بعض هذه الثقوب السوداء المتبقية كانت لها كتلة أكبر منذ بداية تطور الكون. ونتيجة لذلك، فإنها تصبح كائنات تنشأ حولها المجرات – أولاً على شكل سحب من الغاز، ثم تخرج منها نجوم.
