بذور الثقوب السوداء من «النجوم المظلمة» قد تكشف تاريخ الكون المبكر

وهكذا تصبح الصلة غير مباشرة، لكنها مهمة: قياس موجات الجاذبية في عصرنا قد يختبر نتائج مسار مقترح لتكوّن الأجسام الضخمة في فجر الكون.

لماذا يهم تجاوز مليون كتلة شمسية؟

يصبح سيناريو النجوم المظلمة أكثر أهمية عندما تنمو هذه الأجسام إلى نحو 10^6 كتلة شمسية أو أكثر. فالانهيار عند هذا الحجم قد يمنح الثقب الأسود نقطة انطلاق أثقل بكثير من البذور الخفيفة في السيناريوهات التقليدية. وإذا تشكل عدد كافٍ من هذه البقايا وشارك لاحقاً في عمليات اندماج، فقد يرفع ذلك الخلفية المتوقعة لمصفوفات توقيت النجوم النابضة بوضوح.

لكن النتيجة مشروطة بافتراضات النموذج. فهي لا تثبت أن النجوم المظلمة فائقة الكتلة كانت موجودة، ولا تثبت أن الإشارة المرصودة مصدرها الوحيد بقايا هذه النجوم. ما تقوله هو أن مجموعة وفيرة بما يكفي من النجوم المظلمة الضخمة قد تترك وراءها سلالات من الثقوب السوداء قادرة على الإسهام بقوة في الإشارة.

مقارنة مع ثقوب الانهيار المباشر

قارن غودلا وإيلي بقايا النجوم المظلمة بثقوب الانهيار المباشر (DCBH)، وهي قناة أخرى مقترحة لتكوين بذور ثقيلة للثقوب السوداء في الكون المبكر. ووفق النموذج الذي تلخصه الدراسة، يمكن لبقايا النجوم المظلمة، عند كثافة عددية مشتركة تقارب 10^-3 لكل ميغابارسك مكعب، أن تقدم مساهمة كبيرة، وربما مهيمنة، في خلفية مصفوفات التوقيت. أما قناة ثقوب الانهيار المباشر، ومع استخدام الكثافات المنخفضة المعتمدة في المقارنة، فلا تقدم سوى مساهمة هامشية أو تبقى دون غيرها.

ويرتبط هذا الفرق بشروط التكوّن في كل سيناريو. فعادةً ما تتطلب ثقوب الانهيار المباشر بيئات نادرة ينهار فيها الغاز البدائي من دون أن يتفتت إلى نجوم صغيرة، وغالباً تحت تأثير إشعاع فوق بنفسجي شديد صادر عن تشكل النجوم القريب. أما نموذج النجوم المظلمة، فيمكن أن يسمح بمجموعة أكبر عدداً إذا كانت الهالات الصغيرة المعزولة المناسبة شائعة، وإذا استطاعت تلك الأجسام مواصلة اكتساب الغاز حتى تصل إلى المقاييس فائقة الكتلة.

ولا تستبعد هذه المقارنة ثقوب الانهيار المباشر. لكنها تشير إلى أن وفرة البذور قد تكون مهمة بقدر كتلتها الفردية: فمجموعة أكبر عدداً من بقايا النجوم المظلمة قد تولّد خلفية اندماجات متأخرة أكبر من قناة بذور ثقيلة أكثر ندرة، وفق افتراضات الدراسة.

ماذا تقول بيانات مصفوفات التوقيت؟

تضع الحسابات نفسها قيداً أعلى على حجم مجموعة البذور المبكرة. ففي الإطار الذي استخدمه الباحثان، قد تنتج كثافات تقارب 10^-2 إلى 10^-1 لكل ميغابارسك مكعب طاقةً زائدة من موجات الجاذبية مقارنة بالخلفية التي ترصدها مصفوفات التوقيت. لذلك تستبعد البيانات، ضمن هذا النموذج وبافتراض أن الإشارة ناجمة أساساً عن أزواج الثقوب السوداء فائقة الكتلة، مجموعات البذور التي تقع في هذا النطاق.

وهذا قيد على مستوى السكان، وليس إحصاءً مباشراً للنجوم المظلمة. وتعتمد قوته على افتراضات تتعلق بتكوّن البذور، ومعدلات التراكم، وتاريخ اندماج الهالات، واقتران الأزواج وتطورها، وكذلك على تفسير إشارة مصفوفات التوقيت نفسها. فهذه المصفوفات ترصد أو تقيّد خلفية موجات جاذبية؛ ولا تفكك نجماً بدائياً منفرداً في الكون المبكر.

نافذة جديدة على فجر الكون

تكمن أهمية الفكرة الأوسع في أن علم فلك موجات الجاذبية قد يختبر أجساماً اختفت منذ مليارات السنين. فقد تبحث المراصد الكهرومغناطيسية عن أجسام شديدة السطوع أو ضخمة على انزياحات حمراء عالية، بينما تختبر مصفوفات توقيت النجوم النابضة تاريخ اندماج الثقوب السوداء التي ربما خلّفتها تلك الأجسام.

وإذا حسّنت القياسات المستقبلية تقدير سعة الخلفية وطيفها، وظل تفسيرها القائم على أزواج الثقوب السوداء فائقة الكتلة هو الأرجح، فقد تساعد النتائج في التمييز بين بقايا النجوم المظلمة، وثقوب الانهيار المباشر، وقنوات أخرى لتكوين البذور المبكرة.

وتتمثل مساهمة الدراسة الأساسية في مدّ جسر بين فيزياء فجر الكون والرصد الحالي عند الترددات النانوية: فقد تحتفظ خلفية موجات الجاذبية بمعلومات عن الطريقة التي زُرعت بها أولى الثقوب السوداء الضخمة، حتى لو لم تعد النجوم المظلمة الأصلية مرئية.