يُظهر مفهوم هذا الفنان الكوازار الأكثر بُعدًا والأكثر نفوذاً في الثقب الأسود الهائل الذي يشغله. عند انزياح أحمر قدره 7.54 ، تتوافق ULAS J1342 + 0928 مع حوالي 29 مليار سنة ضوئية ؛ هذا هو الثقب الأسود النابض / الهائل للغاية الذي تم اكتشافه على الإطلاق. يصل ضوءنا إلى أعيننا اليوم ، في الجزء الراديوي من الطيف ، لأنه تم إصداره بعد 690 مليون سنة فقط من الانفجار الكبير. (معهد روبن دينيل / كارنيجي للعلوم)

ما كان عليه عندما تشكلت الثقوب السوداء الهائلة الأولى؟

كانت هذه العملاقة الكونية هائلة منذ العصور المبكرة. إليكم كيف جاءوا.

أحد أكبر التحديات التي تواجه الفيزياء الفلكية الحديثة هو وصف كيفية انتقال الكون من مكان موحد بدون كواكب أو نجوم أو مجرات إلى عالم غني ومنظم ومتنوع نراه اليوم. بقدر ما يمكننا أن نرى ، عندما كان عمر الكون لا يتجاوز بضع مئات من ملايين السنين ، نجد عددًا كبيرًا من الأشياء الرائعة. النجوم ومجموعات النجوم موجودة في وفرة. المجرات مع ربما مليار النجوم تضيء الكون. حتى الكوازارات مع الثقوب السوداء الكبيرة جدا التي تشكلت قبل الكون كان حتى مليار سنة.

لكن كيف صنع الكون مثل هذه الثقوب السوداء الضخمة في مثل هذه الفترات القصيرة من الزمن؟ بعد عقود من القصص المتضاربة ، يعتقد العلماء أخيرًا أننا نعرف ما حدث.

تصور فنان لما قد يبدو عليه الكون أثناء تكوينه النجوم للمرة الأولى. قد تصل النجوم إلى مئات أو حتى ألف كتلة شمسية ، وقد تؤدي إلى تكوين سريع نسبيًا لثقب أسود للكتلة التي يُعرف أن أول الكوازارات تمتلكها. (NASA / JPL-CALTECH / R. HURT (SSC))

بعد 50 إلى 100 مليون سنة فقط من الانفجار الكبير ، بدأت النجوم الأولى على الإطلاق تتشكل. بدأت غيوم الغاز الهائلة في الانهيار ، ولكن لأنها كانت تتكون من الهيدروجين والهيليوم وحدهما ، فإنها تكافح لإشعاع الحرارة بعيدًا وتبديد طاقتها. نتيجةً لذلك ، فإن هذه المجموعات التي تتشكل وتنمو بشكل جذري تحتاج إلى الحصول على كميات أكبر بكثير من المجموعات التي تشكل النجوم اليوم ، وهذا له تداعيات على شكل النجوم.

في حين أن اليوم ، عادة ما نشكل نجومًا تمثل حوالي 40٪ من كتلة الشمس ، كانت النجوم الأولى أكبر بحوالي 25 ضعفًا في المتوسط. نظرًا لأنك تحتاج إلى تبريد من أجل الانهيار ، فهي فقط أكبر المجموعات الضخمة التي تتشكل في وقت مبكر والتي ستؤدي إلى نجوم. قد يكون متوسط ​​"النجم الأول" عشرة أضعاف كتلة شمسنا ، حيث يصل عدد النجوم الفردية إلى مئات أو حتى ألف كتلة شمسية.

نظام التصنيف الطيفي Morgan-Keenan (الحديث) ، مع نطاق درجات الحرارة لكل فئة نجمية معروضة عليه ، في كيلفين. الغالبية العظمى من النجوم اليوم هم من فئة M- نجوم ، مع وجود نجم واحد من فئة O- أو B معروف في غضون 25 parsecs. شمسنا نجمة من فئة G. ومع ذلك ، في بداية الكون ، كانت كل النجوم تقريبًا نجومًا من فئة O أو B ، مع كتلة متوسط ​​أكبر 25 مرة من متوسط ​​النجوم اليوم. (WIKIMEDIA COMMONS USER LUCASVB ، ADDITIONS by E. SIEGEL)

ستنهي معظم هذه النجوم حياتها في سوبر نوفا ، مما يؤدي إما إلى نجم نيوتروني أو ثقب أسود قليل الكتلة. ولكن بدون أي عناصر ثقيلة على الإطلاق ، ستصل معظم النجوم الضخمة إلى درجات حرارة عالية في قلبها بحيث تصبح الفوتونات ، وهي جزيئات الضوء الفردية ، نشطة لدرجة أنها ستبدأ تلقائيًا في إنتاج أزواج المادة والمواد المضادة من الطاقة النقية وحدها.

ربما تكون قد سمعت عن E = mc² لآينشتاين ، وربما يكون هذا هو أقوى تطبيق لها: يمكن أن ينتج شكل نقي من الطاقة ، مثل الفوتونات ، جزيئات ضخمة طالما أن القواعد الكمومية الأساسية التي تحكم الطبيعة قد تمتثل لها. أسهل طريقة لجعل المادة والمواد المضادة هي الحصول على الفوتونات تنتج زوجًا من الإلكترون / البوزيترون ، وهو ما سيحدث لوحده إذا كانت درجات الحرارة مرتفعة بدرجة كافية.

يوضح هذا الرسم البياني عملية إنتاج الزوج التي يعتقد علماء الفلك أنها أدت إلى حدث hypernova المعروف باسم SN 2006gy. عندما يتم إنتاج فوتونات ذات طاقة عالية بما فيه الكفاية ، فإنها تخلق أزواج الإلكترون / البوزيترون ، مما تسبب في انخفاض الضغط ورد فعل هارب يدمر النجم. اللمعان الذروة للفرنوفا أكبر بعدة مرات من اللمعان

في هذه النجوم الهائلة للغاية ، كما هو الحال في جميع النجوم ، يحاول الجاذبية جذب كل هذه المسألة نحو الوسط. لكن الفوتونات ، وكل الإشعاعات الناتجة في قلب هذه النجوم ، تتراجع وتحمل النجم ، وتمنع انهياره.

عندما تبدأ في إنتاج أزواج إلكترونية-بوزيترون من هذه الفوتونات ، ستفقد بعضًا من ذلك الضغط الإشعاعي. أنت تستنزف قدرة نجمك على الصمود أمام انهيار الجاذبية. وعلى الرغم من أنه يوجد عدد قليل من النطاقات الضيقة التي تؤدي إلى تدمير النجم بالكامل ، إلا أن جزءًا كبيرًا من الحالات سينتج عنه النجم بأكمله مباشرة ليشكل حفرة سوداء.

أنواع المستعرات الأعظمية كدالة للكتلة الأولية والمحتوى الأولي لعناصر أثقل من الهيليوم (المعدني). لاحظ أن النجوم الأولى تشغل الصف السفلي من المخطط ، كونها خالية من المعدن ، وأن المناطق السوداء تتوافق مع الثقوب السوداء الانهيار المباشر. (فولفيو 314 / ويكيميديا ​​كومونز)

هذه خطوة رائعة! هذا يعني أن أكثر النجوم هائلًا على الإطلاق ، مع وجود مئات أو حتى ألف كتلة شمسية ، يمكن أن تتشكل عندما يبلغ عمر الكون 100 مليون عام أو نحو ذلك: أقل من 1٪ من عمره الحالي. سوف تحترق هذه النجوم من خلال الوقود النووي الأسرع ، في 1 أو 2 مليون سنة ، قمم. وبعد ذلك ، ستصبح قلوبهم ساخنة لدرجة أنها ستبدأ في تحويل الفوتونات إلى جزيئات وجسيمات مضادة ، مما يتسبب في انهيار النجم وتسخينه بشكل أسرع.

بمجرد تجاوز حد معين ، كل ما يمكنك فعله هو الانهيار. وهذه ليست مجرد نظرية ، لقد رأينا في الواقع تنهار النجوم مباشرة دون المستعر الأعظم ، مما يؤدي مباشرة إلى ما يمكن أن يكون سوى ثقب أسود.

تُظهر الصور المرئية / القريبة من الأشعة تحت الحمراء من هابل نجمًا هائلًا ، أي حوالي 25 ضعف كتلة الشمس ، التي تراجعت عن الوجود ، دون وجود سوبر نوفا أو أي تفسير آخر. الانهيار المباشر هو التفسير الوحيد المعقول للمرشح. (NASA / ESA / C. KOCHANEK (OSU))

لكن هذه فقط البداية. كلما كان لديك مجموعة كبيرة من الأجسام الضخمة تعمل أساسًا بقوة الجاذبية ، يتم ركل كائنات مختلفة من هذه التفاعلات. الأجسام الأقل كثافة هي الأجسام الأسهل للطرد ، في حين أن الأجسام الأكبر هي الأصعب في الإخراج. نظرًا لأن هذه النجوم ، وغيوم الغاز ، والكتل ، والثقوب السوداء ترقص حولها ، فإنها تخضع لما يُعرف بالفصل الجماعي: حيث تقع أثقل الأجسام على مركز الجاذبية ، حيث تتفاعل ، بل ويمكن دمجها.

فجأة ، بدلاً من بضع مئات من الثقوب السوداء من بضع مئات أو عدة آلاف من الكتل الشمسية ، يمكنك الانتهاء من ثقب أسود واحد يضم حوالي 100000 كتلة شمسية أو أكثر.

تحدث الأحداث الكارثية في جميع أنحاء المجرة وعبر الكون ، من المستعرات الأعظمية إلى الثقوب السوداء النشطة إلى دمج النجوم النيوترونية والمزيد. في مجموعة أو كتلة تشكل العديد من الثقوب السوداء ، ستجذب الجاذبية وتطرد كائنات أخرى أصغر ، مما يؤدي إلى سلسلة من عمليات الدمج الهائلة وتنمية ثقب أسود كبير مركزي. (J. معهد وايز / جورجيا للتكنولوجيا وجامعة جيه ريغان / جامعة مدينة دبلن)

على الرغم من أن الجاذبية قد تستغرق عشرات الملايين من السنين حتى يحدث هذا ، إلا أن ذلك لا يتطلب إلا مجموعة من النجوم الواحدة! يقوم الكون ، منذ مراحله الأولى ، بتكوين مجموعات النجوم هذه في كل مكان ، ثم تبدأ مجموعات النجوم هذه في جذب بعضها البعض بشكل جذري. بمرور الوقت ، ستؤثر مجموعات النجوم المختلفة هذه على بعضها البعض ، وستجمع الجاذبية بينها.

بحلول الوقت الذي لا يتجاوز عمر الكون فيه 250 مليون عام ، سيبدأون في الاندماج معًا بشكل جماعي ، مما يؤدي إلى أول مجرات أولية. الجاذبية هي قوة تحبذ حقًا السحب الزائد ، ومع مرور الوقت ، يمكن أن تتجمع عشرات ، بل المئات ، وحتى الآلاف من هذه المجموعات الأولية المبكرة لتنمو لتصبح مجرات أكبر وأكبر. تؤدي الشبكة الكونية إلى دمج الهياكل مع بعضها البعض بشكل أكبر.

إسقاط واسع النطاق من خلال وحدة تخزين Illustris عند z = 0 ، تتمحور حول الكتلة الأكثر كثافة ، بعمق 15 ميجا بت في الساعة. يظهر كثافة المادة المظلمة (يسار) مع الانتقال إلى كثافة الغاز (يمين). لا يمكن تفسير بنية الكون على نطاق واسع بدون مادة مظلمة. المجموعة الكاملة لما هو موجود في الكون تملي تلك البنية على المقاييس الصغيرة أولاً ، مما يؤدي في النهاية إلى مقاييس أكبر وأكبر تدريجياً. (تعاون ILLUSTRIS / المحاكاة التوضيحية)

يمكن أن يأخذنا هذا بسهولة إلى الكتل التي تضم عشرات الملايين من الكتل الشمسية في الوقت الذي نصل فيه إلى المجرات الأولى ، ولكن يحدث شيء آخر أيضًا. إنها ليست مجرد ثقوب سوداء تندمج مع بعضها لبناء ثقوب ضخمة في الوسط ؛ أي مسألة تقع فيها! هذه المجرات المبكرة هي كائنات مدمجة ، ومليئة بالنجوم ، والغاز ، والغبار ، ومجموعات النجوم ، والكواكب وغيرها. كلما اقترب أي شيء من الثقب الأسود ، فإنه يتعرض لخطر التهام.

تذكر أن الجاذبية هي قوة مطلقة: كلما زاد عدد كتلتك ، زادت كتلة جاذبيتك. وإذا اقترب شيء ما من الثقب الأسود ، فسوف يتم تمديده وتسخينه ، حيث يصبح جزءًا من قرص تراكم الثقب الأسود. سيتم تسخين بعض هذه المسألة وتسريعها ، حيث يمكن أن تنبعث منها طائرات الكوازار. لكن بعضها سيحدث أيضًا ، مما يتسبب في زيادة كتلة الثقب الأسود أكثر.

عندما تتغذى الثقوب السوداء على المسألة ، فإنها تخلق قرص تراكم وطائرة ثنائية القطب عمودي عليه. عندما تشير طائرة من ثقب أسود فائق الكتلة إلينا ، فإننا نسميها إما كائن BL Lacertae أو بليزار. ويعتقد الآن أن هذا مصدر رئيسي لكل من الأشعة الكونية والنيوتريونات عالية الطاقة. (NASA / JPL)

إذا كانت هناك كلمة واحدة من المفردات التي يرغب علماء الفيزياء الفلكية الذين يدرسون نمو الجسم عن طريق الجاذبية أن يعرفها عامة الناس ، فستكون هذه غرابة: غير خطية. عندما يكون لديك مساحة مساحة أكثر كثافة من المتوسط ​​، فإنها تجذب المواد بشكل تفضيلي. إذا كانت الكثافة أقل من المتوسط ​​بقليل ، فإن جاذبية الجاذبية تكون أكثر بقليل من النسبة بفاعلية عن المتوسط. ضاعف المبلغ الزائد ، وتضاعف المبلغ الذي تكون أكثر فاعلية في جذب الأشياء.

لكن عندما تصل إلى عتبة معينة تقارب ضعف المتوسط ​​، فإنك تصبح أكثر من ضعف فعالية جذب الأشياء الأخرى. عندما تبدأ "الفوز" في حرب الجاذبية ، فإنك تربح أكثر فأكثر مع مرور الوقت. وبالتالي فإن أكثر المناطق كثافة لا تنمو بسرعة فحسب ، بل إنها تأكل كل شيء من حولها. بحلول الوقت الذي يمر نصف مليار سنة ، يمكنك أن تكون هائلة.

المجرة البعيدة MACS1149-JD1 يتم عدستها بالجاذبية من خلال مجموعة متقدمة ، مما يسمح بتصويرها بدقة عالية وفي أدوات متعددة ، حتى بدون تقنية الجيل التالي. (ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) ، NASA / ESA HUBBLE SPACE TELESCOPE ، وو تشنغ (JHU) ، M. POSTMAN (STSCI) ، فريق الصدام ، هاشيموتو وآخرون)

تعد أقدم المجرات وأشباه النجوم التي وجدناها من بين الأذكى والأكثر ضخامة التي نتوقع وجودها. هم الفائزون العظماء في حروب الجاذبية في أوائل الكون: السحب الكوني النهائي. بحلول الوقت الذي تكشف فيه التلسكوبات لدينا ، بعد 400 إلى 700 مليون سنة من الانفجار العظيم (أقدم الكوازار يأتي من 690 مليون سنة) ، لديهم بالفعل مليارات من النجوم والثقوب السوداء الهائلة لمئات الملايين من الكتل الشمسية.

لكن هذه ليست كارثة كونية. هذا هو الدليل الذي يعرض قوة الجاذبية الهائلة في عالمنا. تندمج هذه الكائنات وتزرع داخل مجموعة من النجوم الأولى من النجوم والثقوب السوداء الكبيرة نسبيًا ، ثم تنمو بشكل أكبر مع اندماج المجموعات لتكوين مجرات ودمج المجرات لتكوين مجرات أكبر. بحلول اليوم ، لدينا ثقوب سوداء عشرات المليارات من الضخامة مثل الشمس. ولكن حتى في المراحل المبكرة يمكننا أن نلاحظ أن الثقوب السوداء ذات الكتلة الشمسية التي تصل إلى مليار نسمة في متناول اليد. وبينما نقذف الحجاب الكوني ، نأمل أن نتعلم بالضبط كيف يكبرون.

مزيد من القراءة حول ما كان عليه الكون عندما:

  • كيف كان حال الكون عندما كان منتفخاً؟
  • كيف كان الوضع عندما بدأ الانفجار الكبير لأول مرة؟
  • كيف كان الحال عندما كان الكون في أحر حالاته؟
  • كيف كان الوضع عندما خلق الكون أول الأمر أكثر من المادة المضادة؟
  • كيف كان الحال عندما أعطى هيغز الكتلة للكون؟
  • كيف كان الوضع عندما صنعنا البروتونات والنيوترونات لأول مرة؟
  • كيف كان الوضع عندما فقدنا آخر مادة مضادة لدينا؟
  • كيف كان شكل الكون عندما صنع عناصره الأولى؟
  • كيف كان الحال عندما صنع الكون الذرات لأول مرة؟
  • كيف كان حال عدم وجود نجوم في الكون؟
  • كيف كان الوضع عندما بدأت النجوم الأولى بإضاءة الكون؟
  • كيف كان حال وفاة النجوم الأولى؟
  • كيف كان شكل الكون عندما صنع الجيل الثاني من النجوم؟
  • كيف كان الحال عندما صنع الكون أول مجرات؟
  • كيف كان الوضع عندما اخترق ضوء النجوم لأول مرة ذرات الكون المحايدة؟

يبدأ تطبيق "بدء بـ A Bang" الآن في مجلة "فوربس" ، ويتم إعادة نشره على "متوسط" بفضل أنصار باتريون لدينا. قام إيثان بتأليف كتابين ، "وراء المجرة" ، وعلم التكنولوجيا: "علم ستار تريك" من ترايكردز إلى وارب درايف.