كيف كشفت ألوان البكسلات عن أزواج من الثقوب السوداء في بدايات الكون؟

اكتشاف أزواج «مختبئة بين البكسلات»

رصد علماء الفلك أربع ثنائيات مرشحة من «النقاط الحمراء الصغيرة» (LRDs)، وهي مصادر مدمجة شديدة الاحمرار اكتشفها تلسكوب جيمس ويب الفضائي، ويُعتقد أنها قد تمثل مرحلة مبكرة من النمو السريع للثقوب السوداء. اعتمد الفريق على تحليل لون الأشعة تحت الحمراء بكسلًا ببكسل، مع تخفيف بعض شروط compactness، أو مدى ظهور المصدر كنقطة مدمجة، حتى يتمكن من فصل نوى حمراء متجاورة قد تندمج بصريًا في جسم واحد عند استخدام طرق الاختيار التقليدية. 81

وتشير النتيجة إلى وجود عدد أكبر من المتوقع من أزواج الثقوب السوداء المرشحة، تفصل بينها مسافات من رتبة الكيلوفرسخ في الكون المبكر، مع بقاء الطبيعة الفيزيائية الدقيقة للنقاط الحمراء الصغيرة موضع نقاش. 81

أدلة على أن الأزواج متجاورة فعلًا

تقع الثنائيات الأربع على مسافات زاوية تتراوح بين 0.2 و1.2 ثانية قوسية في صور مسح COSMOS-Web. وقد أتاح تحليل الألوان على مستوى البكسل التعرف على هذه التكوينات القريبة أو المتداخلة، حتى عندما بدت كأنها مصادر مدمجة واحدة. 8

ولزوجين من أصل الأزواج الأربعة، التقطت أطياف JWST/COSMOS-3D غير الشَقّية خط انبعاث عند الطول الموجي المرصود نفسه لدى كل عضو من أعضاء الزوج. وإذا فُسرت هذه الخطوط العريضة ذات العرض المكافئ الكبير على أنها خطوط هيدروجين-ألفا (H-alpha)، فإنها تعطي انزياحين أحمرين مشتركين يبلغ أحدهما 5.822 والآخر 5.464. وهذا يدعم فكرة أن أعضاء كل زوج مرتبطون فيزيائيًا، بدل أن يكونوا جسمين غير مرتبطين تصادف اصطفافهما على خط النظر نفسه. 8

وبالاستناد إلى هذه القياسات الطيفية، تبلغ المسافتان المسقطتان بين عضوي الزوجين نحو 1.64 و7.36 كيلوفرسخ، أي ما يقارب 5300 و24,000 سنة ضوئية. ويعود الضوء الذي نراه من الأنظمة الأربعة إلى فترة قبل نحو 12.5–12.8 مليار سنة. 8

لماذا لا يبدو الاكتشاف مصادفة؟

قارن الباحثون النتائج بفهارس محاكاة إحصائية، ووجدوا أن إسقاط أجسام غير مرتبطة على خط النظر لا يفسر بسهولة هذه المسافات الصغيرة. كما بدا أن ترابط النقاط الحمراء الصغيرة على المقاييس الصغيرة أقوى بنحو 20 إلى 30 مرة من التمديد المتوقع لإشارة ترابط نوى المجرات النشطة التي يقيسها جيمس ويب على المقاييس الأكبر. 8

لذلك، تبدو هذه الأنظمة مرشحين معقولين لأسلاف اندماجات بين المجرات والثقوب السوداء، لا ثقوبًا سوداء ثنائية ثبت أنها وصلت بالفعل إلى مرحلة الاندماج الحلزوني الأخيرة. فما زالت طبيعة هذه الأجسام بوصفها ثقوبًا سوداء متنامية بحاجة إلى تأكيد إضافي، كما أن زمن اندماج كل زوج غير معروف. 81

صلة محتملة بنمو الثقوب السوداء فائقة الكتلة

إذا كان كل جسم من أعضاء الزوج يستضيف ثقبًا أسود يراكم المادة، فقد يؤدي اندماج المجرات إلى جمع كتلتي الثقبين ودفع الغاز نحو البقايا المركزية. ويمكن لهذا الغاز أن يزوّد الثقب الأسود بوقود إضافي، فيستمر نموه بسرعة.

ومع تكرار الاندماجات إلى جانب التراكم، قد تتوافر آلية تساعد على بناء ثقوب سوداء شديدة الكتلة خلال الفترة القصيرة نسبيًا التي تلت الانفجار العظيم. وتكتسب الفكرة أهميتها لأن النقاط الحمراء الصغيرة تُعد على نطاق واسع مرشحات لمرحلة مبكرة من نمو الثقوب السوداء فائقة الكتلة، بينما لا تزال آلية نموها السريع الظاهر غير محسومة. 81

هل الاندماج هو التفسير الوحيد؟

ليس بالضرورة. يقترح تفسير بديل أو مكمل أن يكون التراكم المستمر والسريع بصورة استثنائية للغاز هو العامل الأساسي، لا الاندماجات وحدها. كما طرحت نماذج ودراسات طيفية تصورًا للنقاط الحمراء الصغيرة على أنها نوى مجرية نشطة مدفونة داخل أغلفة أو «شرانق» كثيفة ومعتمة بصريًا من الغاز؛ وهي بيئة يمكن أن توفر الوقود وتعيد تشكيل الألوان الحمراء التي نرصدها. 32

ولا تتعارض الفكرتان بالضرورة: فالغاز الكثيف قد يدعم معدلات تراكم مرتفعة قبل الاندماج وأثناءه وبعده. لكن الأدلة الحالية لا تحدد بعد نسبة نمو الثقوب السوداء المبكرة التي أسهم فيها كل مسار. 83

ما الذي قد تكشفه عينات جيمس ويب الأكبر؟

يمكن لتطبيق اختيار الألوان بكسلًا ببكسل على مسوحات أوسع وأعمق لجيمس ويب أن يقيس بدقة أكبر معدل وجود أزواج قريبة ودالة ترابطها. وسيتيح ذلك معرفة مدى شيوع الرفاق القريبين للنقاط الحمراء الصغيرة، وكيف يتغير هذا المعدل مع الانزياح الأحمر واللمعان، وما إذا كانت الاندماجات شائعة بما يكفي لتكون قناة رئيسية لنمو الثقوب السوداء. 8

وقد تساعد هذه القياسات في تقدير معدلات الاندماج وكتل الثقوب السوداء الثنائية المبكرة، وتحسين اختيار الأهداف والتنبؤات بمعدلات الرصد لمراصد موجات الجاذبية الفضائية المستقبلية، مثل مرصد LISA ومقترحات الكواشف التي تعمل عند ترددات من رتبة الديسي-هرتز. 5

في الوقت الراهن، تمثل الدراسة دليلًا قويًا على وجود فائض من أزواج النقاط الحمراء الصغيرة المتقاربة، لكنها لا تمثل رصدًا مباشرًا لثقوب سوداء مندمجة أو لموجات الجاذبية الصادرة عنها. 8