سیاه چاله های کلان جرم چگونه به سرعت رشد کردند؟

ستاره شناسان با انجام مطالعات جدید وجود سیاه چاله های کلان جرم مدت کوتاهی پس از شکل گیری عالم هستی را تأیید کرده و علت رشد سریع این غول های کیهانی عظیم الجثه را توضیح داده اند.

مطالعات جدید محققان نشان می دهد که سیاه چاله های کلان جرم از دوران آغاز شکل گیری عالم هستی یعنی زمانی که تنها 800 میلیون سال از عمر آن می گذشته، وجود داشته اند. اما این سیاله چاله ها چگونه توانسته اند با جمع آوری مقدار غیر قابل تصوری ماده در مدت زمان کوتاه به سیاه چاله کلان جرم (Supermassive black hole) تبدیل شوند؟

محققان ایتالیایی برای پاسخ به این سوال با انتشار مقاله ای در ژورنال The Astrophysical Journal مدلی را پیشنهاد داده اند که یک پروسه شکل گیری بسیار سریع را در فازهای آغازین توسعه سیاه چاله های کلان جرم نشان می دهد.

محققان می گویند سیاه چاله های کلان جرم به خاطر ادغام باقی مانده ستاره های فشرده مثل ستاره های نوترونی با سیاه چاله های ستاره‌وار کوچک، به سرعت رشد می کنند. نتایج تحقیقات آنها وجود سیاه چاله های کلان جرم را مدت کوتاهی پس از مهبانگ تأیید کرده و شکل گیری آنها در مدت زمان کوتاه با توجه به محدودیت های سن عالم هستی را امکان پذیر می داند.

محققان در مطالعات خود رشد سیاه چاله های کلان جرم در کهکشان های اولیه را بررسی کردند. این کهکشان های اولیه جد کهکشان های بیضی شکل عالم هستی مثل کهکشان راه شیری محسوب شده و تراکم گاز و نرخ تولد ستاره در آنها بالا بود.

محققان می گویند بزرگ ترین ستاره ها طول عمر بسیار کوتاهی دارند و به سرعت به سیاله چاله ستاره‌وار (Stellar black hole) تبدیل می شوند. این سیاه چاله ها جرم کم و چندین برابر خورشید داشته ولی بسیاری از آنها درون کهکشان های اولیه شکل می گیرند.

گازهای متراکم اطراف این کهکشان ها اثر اصطکاک دینامیکی بسیار قدرتمندی داشته و سیاه چاله های کوچک تر را به سرعت به مرکز کهکشان هدایت می کنند. این سیاله چاله ها پس از رسیدن به مرکز کهکشان در یکدیگر ادغام شده و دانه شکل گیری سیاه چاله کلان جرم را شکل می دهند.

بر اساس تئوری های کلاسیک، سیاه چاله کلان جرم با جذب مواد اطراف (عمدتاً گاز)، رشد دادن و سپس بلعیدن آنها با ریتم متناسب با جرم خود، در مرکز کهکشان شکل می گیرد. به همین دلیل در فازهای اولیه توسعه یعنی زمانی که جرم سیاه چاله کوچک است، رشد به کندی صورت می گیرد. این رشد آنقدر کند است که بر اساس محاسبات برای رسیدن به جرمی میلیاردها برابر خورشید به زمان بسیار طولانی و فراتر از عمر عالم هستی جوان (young Universe) نیاز است.

اما محققان در تحقیقات خود نشان دادند که این رشد می تواند با سرعت بسیار بیشتری رخ دهد. محاسبات آنها نشان می دهد پروسه حرکت و ادغام سیاه چاله های ستاره‌وار می تواند جرم دانه سیاه چاله کلان جرم را در تنها 50 الی 100 میلیون سال، به 10 تا 100 هزار برابر خورشید برساند. در این حالت رشد سیاه چاله مرکزی با جذب پیوسته و مستقیم گازها به سرعت رخ می دهد.

محققان می گویند به دلیل آغاز پروسه شکل گیری از دانه بسیار بزرگ، مکانیزم سیاه چاله مرکزی رشد سیاه چاله کلان جرم در همه ابعاد را امکان پذیر کرده و سبب شکل گیری آن در مدت زمان کوتاه پس از مهبانگ می شود. به عبارت کوتاه، 800 میلیون سال پس از مهبانگ سیاه چاله های کلان جرم توانایی شکل گیری داشته اند.