جهان اولیه به رشد سیاه چاله ها کمک می کند اما نه در بلند مدت

در مرکز کهکشان راه شیری در فاصله ای حدود 27,000 سال نوری از زمین سیاه چاله ای با جرمی بیش از 4 میلیون برابر خورشید نهفته است. تقریباً همه ی کهکشان ها میزبان چنین موجودات عظیمی اند اما پرسش اساسی این است این غول ها چگونه به وجود آمده اند؟ جهان اولیه به رشد سیاه چاله ها کمک می کند اما نه در بلند مدت

برخی از این سیاه چاله ها مانند آنچه در کهکشان بیضوی M87 قرار دارد جرمی برابر 6.5 میلیارد برابر خورشید دارند. حتی سیاه چاله هایی با جرم بیش از 40 میلیارد جرم خورشیدی نیز شناسایی شده اند. این اندازه ها با زمان کوتاهِ عمر اولیه جهان سازگار نیست — پس چگونه این موجودات در کمتر از یک میلیارد سال پس از مهبانگ شکل گرفته اند؟

چطور تلسکوپ جیمز وب (James Webb Telescope) این راز را آشکار کرد؟

تلسکوپ فضایی جیمز وب (James Webb Space Telescope – JWST) در سال 2022 آغاز به کار کرد و نگاه ما را به گذشته ی کیهان تغییر داد. این تلسکوپ توانست کهکشان هایی را در فاصله ای بسیار دور — و در نتیجه در زمانی بسیار ابتدایی از تاریخ کیهان — مشاهده کند.

داده های JWST نشان می دهد که برخی از کهکشان های بسیار جوان تنها 500 میلیون سال پس از مهبانگ دارای سیاه چاله هایی با جرم بیش از یک میلیارد خورشید بوده اند. این یافته مدل های سنتی رشد تدریجی و ادغام سیاه چاله ها (Mergers) را به چالش کشیده است.

به بیان ساده طبق قوانین فعلی فیزیک چنین رشد سریعی نباید ممکن باشد. اما جهان اولیه داستان متفاوتی داشته است.

حد ادینگتون (Eddington Limit) ترمزی برای رشد سیاه چاله ها

وقتی ماده به درون سیاه چاله سقوط می کند بر اثر اصطکاک و فشار شدید به حالت پلاسما درخشان درمی آید. این پلاسما تابش نیرومندی ایجاد می کند که ماده ی اطراف را به بیرون می راند. در نقطه ای خاص فشار تابش و نیروی گرانش به تعادل می رسند. این نقطه همان حد ادینگتون (Eddington Limit) است — حداکثر سرعت رشد یک سیاه چاله.

به طور نظری اگر نرخ رشد از این حد فراتر رود انرژی آزادشده باعث توقف یا کاهش تغذیه ی سیاه چاله می شود. بنابراین حتی اگر در جهان اولیه ماده ی فراوانی در دسترس بوده قوانین فیزیک مانع رشد بی پایان می شده اند.

وقتی جهان هنوز تاریک بود عصر تاریکی کیهانی (Cosmic Dark Age)

پیش از شکل گیری نخستین ستارگان جهان در دوره ای تاریک و سرد به سر می برد که به آن عصر تاریکی کیهانی (Cosmic Dark Age) گفته می شود. در این دوران الکترون ها و پروتون ها به هم پیوستند و اتم های خنثی تشکیل دادند اما هنوز هیچ منبع نوری در فضا وجود نداشت.

دانشمندان معتقدند که در همین بازه ی زمانی — بین 300 هزار تا یک میلیارد سال پس از مهبانگ — نخستین هسته های کهکشانی و احتمالاً بذرهای اولیه سیاه چاله ها (Seed Black Holes) به وجود آمدند.

همین دوره مبهم کلید فهم راز رشد سیاه چاله های اولیه است. اگر در آن زمان چگالی ماده بیش از حد بالا بوده شاید شرایطی فراهم شده که قوانین امروزی مانند حد ادینگتون دقیقاً صدق نکنند.

شبیه سازی های جدید نشان می دهند رشد فوق ادینگتونی واقعاً ممکن است

در مقاله ای منتشرشده در arXiv با عنوان “How Fast Could Supermassive Black Holes Grow At the Epoch of Reionization?” تیمی از پژوهشگران شامل Ziyong Wu Renyue Cen و Romain Teyssier از مدل های پیچیده ی هیدرودینامیکی (Hydrodynamic Models) برای بازسازی شرایط آن دوران استفاده کردند.

نتایج شبیه سازی نشان داد که در برخی مناطق بسیار چگال پلاسما و گازهای داغ اطراف سیاه چاله نمی توانند به سرعت پراکنده شوند. در نتیجه سیاه چاله برای مدتی کوتاه می تواند با نرخ فوق ادینگتونی (Super-Eddington Growth) رشد کند.

این رشد سریع باعث می شود سیاه چاله ها تا حدود 10,000 جرم خورشیدی افزایش جرم پیدا کنند — چیزی بسیار فراتر از نرخ های رشد ممکن در جهان امروزی.

اما چرا این رشد سریع در بلندمدت کم اثر است؟

شبیه سازی ها نشان می دهد که پس از رسیدن به آستانه ای حدود 10^4 جرم خورشیدی سیاه چاله وارد مرحله ی پایداری می شود. تابش ساطع شده از پلاسما محیط اطراف را آن قدر داغ می کند که مانع ورود گاز بیشتر می شود — همان چرخه ی بازخوردی (Feedback Loop) که در حد ادینگتون تعریف شده است.

در نتیجه سیاه چاله هایی که در ابتدا با سرعت بسیار بالا رشد کرده اند در بلندمدت با سیاه چاله هایی که از ابتدا به آرامی رشد کرده اند به جرم های مشابهی می رسند. به تعبیری شاعرانه پژوهشگران می گویند

«سیاه چاله های سریع مانند اوسین بولت هستند اما در مسیر طولانی ماراتن دویان مثل الیود کیپچوگه از آن ها پیشی می گیرند.»

فرضیه جدید بذرهای اولیه سیاه چاله ها (Seed Black Holes)

از آنجا که رشد فوق ادینگتونی تنها تا حدی مؤثر است دانشمندان اکنون به فرضیه ی بذرهای بزرگ اولیه روی آورده اند. بر اساس این دیدگاه سیاه چاله های ابرپرجرم شاید از سیاه چاله هایی با جرم اولیه بسیار زیاد — حاصل از فروپاشی مستقیم گاز (Direct Collapse) یا حتی نوسانات کوانتومی در دوران تورم کیهانی (Inflationary Era) — به وجود آمده باشند.

به این ترتیب به جای رشد از اندازه های ستاره ای این بذرها ممکن است از همان آغاز ده ها هزار برابر خورشید جرم داشته اند و این به آن ها فرصت داده تا در چندصد میلیون سال نخست به هیولاهای میلیاردی تبدیل شوند.

واکنش جامعه علمی و نتایج مقاله Wu et al. (2025)

انتشار مقاله ی Wu و همکاران در پایگاه arXiv 2510.16532 بازتاب گسترده ای در مجامع علمی داشت. در زیر برخی از واکنش ها و اظهارنظرهای کلیدی آمده است

خط زمانی تکامل سیاه چاله ها از مهبانگ تا امروز (Timeline)

آینده پژوهی از جهان اولیه تا رصدخانه های فردا

پژوهش جدید Wu و همکاران مسیر تازه ای در فهم رشد سیاه چاله ها گشوده است. اگرچه رشد فوق ادینگتونی می تواند آغازگر سیاه چاله های نخستین باشد اما راز واقعی شاید در ذات خودِ کیهان نهفته باشد — در نوسانات اولیه ای که بلافاصله پس از مهبانگ رخ داده اند.

با آغاز مأموریت های آینده مانند تلسکوپ لیزری رصد امواج گرانشی (LISA) و رصدخانه ی رادیویی SKA احتمالاً در دهه ی آینده نخستین نشانه های مستقیم از این سیاه چاله های اولیه را مشاهده خواهیم کرد.

پرسش های متداول (FAQ)

1. چرا سیاه چاله های جوان در اوایل جهان این قدر بزرگ بودند؟ زیرا جهان اولیه چگال تر بود و امکان رشد فوق ادینگتونی برای مدتی کوتاه وجود داشت.

2. حد ادینگتون (Eddington Limit) چیست؟ محدوده ای فیزیکی است که در آن فشار تابش و نیروی گرانش سیاه چاله به تعادل می رسند و رشد بیشتر متوقف می شود.

3. آیا رشد فوق ادینگتونی قوانین فیزیک را نقض می کند؟ خیر بلکه در شرایط خاص جهان اولیه این رشد برای مدت کوتاهی ممکن بوده است.

4. آیا بذرهای اولیه سیاه چاله ها (Seed Black Holes) واقعاً وجود داشتند؟ مدل های جدید و داده های JWST نشان می دهند که چنین بذرهایی محتمل اند اما هنوز مشاهده مستقیم نداریم.

5. تلسکوپ جیمز وب چه نقشی در این کشف داشت؟ JWST نخستین کهکشان های دارای سیاه چاله های میلیاردی را در 500 میلیون سال پس از مهبانگ شناسایی کرد.

6. آیا ادغام کهکشان ها باعث رشد این سیاه چاله ها شده اند؟ در مراحل بعدی بله اما رشد اولیه در زمان بسیار کوتاه نیازمند بذرهای سنگین تری است.

7. گام بعدی پژوهشگران چیست؟ شبیه سازی های دقیق تر و جست وجوی امضاهای گرانشی از سیاه چاله های اولیه توسط مأموریت های آینده مانند LISA.