ستاره‌شناسان سه سیاه‌چاله ابرجرم فعال را در یک کهکشان منفرد در فاصله بیش از ۱۲.۵ میلیارد سال نوری از زمین کشف کرده‌اند. این یافته که توسط یک تیم بین‌المللی پژوهشی به سرپرستی مؤسسه ماکس پلانک برای فیزیک فرازمینی (MPE) به دست آمده، نگاهی کمیاب به نحوه رشد و تعامل سیاه‌چاله‌های عظیم در نخستین مراحل تاریخ جهان ارائه می‌دهد.
این سیاه‌چاله‌ها در کهکشانی به نام J0148-4214 قرار دارند. هر سه سیاه‌چاله به طور فعال در حال انباشت ماده هستند که از طریق دیسک‌های اطراف متشکل از گاز و سایر مواد به سمت آن‌ها مارپیچ می‌کند. از آنجا که این کهکشان بسیار دور است، نور آن حدود ۱۲.۵ میلیارد سال در فضا سفر کرده تا به زمین برسد. این بدان معناست که ستاره‌شناسان آن را در وضعیتی مشاهده می‌کنند که تنها ۱.۲ میلیارد سال از مهبانگ (بیگ‌بنگ) گذشته بود.
در چنین فواصل عظیمی، انبساط جهان نور را به طول موج‌های بلندتر و قرمزتر می‌کشد. ستاره‌شناسان این اثر را از طریق ویژگی‌ای به نام «انتقال به سرخ» اندازه‌گیری می‌کنند. برای کهکشان J0148-4214، پژوهشگران مقدار انتقال به سرخ z=5.02 را اندازه گرفتند که امکان تعیین فاصله شگفت‌انگیز آن را فراهم کرد.
سه سیاه‌چاله در یک کهکشان باستانی
«این نخستین شاهد وجود سه سیاه‌چاله فعال در یک کهکشان منفرد در جهان دوردست است»، به گفته هانا اوبلر، سرپرست گروه پژوهشی در MPE و نویسنده اصلی مطالعه.
دو مورد از سیاه‌چاله‌ها نزدیک مرکز کهکشان قرار دارند و با فاصله تصویر شده فقط ۶۲۰ سال نوری از هم جدا هستند. سومین سیاه‌چاله بسیار دورتر، حدود ۵۵۰۰ سال نوری از مرکز واقع شده است.
این کشف شواهد مهمی درباره چگونگی کنار هم آمدن سیاه‌چاله‌های جرم‌دار در جهان جوان ارائه می‌دهد.
«این یافته نشان می‌دهد که فرآیندهای در جهان اولیه در کنار هم قرار دادن سیاه‌چاله‌های جرم‌دار کارآمد بوده‌اند و زمینه را برای ادغام سیاه‌چاله‌های عظیمی که انتظار داریم با رصدخانه‌های آینده امواج گرانشی آشکار شوند، فراهم کرده است»، اوبلر اظهار داشت.
ستاره‌شناسان معتقدند که برخوردها و ادغام کهکشان‌ها در تاریخ اولیه جهان رایج بوده است. هنگامی که کهکشان‌ها با هم ترکیب می‌شدند، سیاه‌چاله‌های مرکزی آن‌ها نیز می‌توانستند به هم نزدیک‌تر شده و در نهایت ادغام شوند. این ادغام‌ها منجر به تولید سیاه‌چاله‌های سنگین‌تر در مراکز کهکشان‌های تازه شکل‌گرفته می‌شد که شاید توضیح دهد چگونه برخی از آن‌ها به سرعت و در زمان کوتاه پس از مهبانگ به ابعاد عظیم رسیدند.
چگونه ستاره‌شناسان سیاه‌چاله‌های پنهان را شناسایی کردند
پژوهشگران با بررسی الگوهای متمایز در نور ساطع‌شده از گاز هیدروژن، سه سیاه‌چاله را شناسایی کردند. در نزدیکی یک سیاه‌چاله، نیروهای شدید گرانشی باعث حرکت گاز با سرعت‌های بسیار بالا می‌شوند. این حرکات امضاهای قابل شناسایی در طیف نور ایجاد می‌کنند و به ستاره‌شناسان اجازه می‌دهد فعالیت سیاه‌چاله را حتی زمانی که خود اجرام به صورت مستقیم قابل مشاهده نیستند، تشخیص دهند.
در مرکز کهکشان J0148-4214، تیم پژوهشی الگوی تابش هیدروژنی بسیار پیچیده‌ای یافت. بهترین توضیح برای این پدیده، حضور دو سیاه‌چاله با فاصله کم از هم بود، نه یک منبع واحد.
برای تمایز بین آن‌ها، دانشمندان از تکنیک اندازه‌گیری دقیقی به نام «طیف‌سنجی‌ستاره‌شناسی» (spectro-astrometry) استفاده کردند. با ردیابی تغییرات ظریف در موقعیت‌های تابش‌های طیفی در سراسر کهکشان، آن‌ها توانستند مکان هر دو سیاه‌چاله مرکزی را شناسایی کنند، اگرچه تلسکوپ قادر به تفکیک آن‌ها به دو نقطه نور مجزا نبود.
مشاهدات همچنین سیاه‌چاله فعال سوم را در ناحیه بیرونی کهکشان آشکار کرد.
سه سیاه‌چاله با جرم‌های به طور چشمگیری متفاوت
این سه سیاه‌چاله از نظر اندازه تفاوت چشمگیری دارند. طبق محاسبات پژوهشگران، جرم آن‌ها تقریباً ۸۰ میلیون، ۶۰۰ هزار و ۲ میلیون برابر جرم خورشید است.
شگفت‌انگیز اینکه بزرگ‌ترین سیاه‌چاله، همان چیزی نیست که با بیشترین شدت تغذیه می‌کند. همسایه کوچک‌تر آن با جرم تقریبی ۶۰۰ هزار برابر خورشید، با نرخ بسیار بالاتری در حال انباشت ماده است. در واقع، نرخ تخمینی تغذیه آن از حداکثر پیش‌بینی مدل‌های پایه رشد سیاه‌چاله (حد اددینگتون) فراتر می‌رود.
این رشد غیرعادی سریع ممکن است سرنخ‌هایی درباره چگونگی تبدیل شدن برخی سیاه‌چاله‌ها به ابعاد فوق‌العاده عظیم در زمان نسبتاً کوتاه موجود در جهان اولیه ارائه دهد.
«داده‌های JWST به ما اجازه داد نه تنها سه سیاه‌چاله را شناسایی کنیم، بلکه جرم، نرخ برافراکنی و جرم ستاره‌ای کهکشان را نیز تخمین بزنیم»، به گفته دکتر جووانی ماتزولاری، نویسنده دوم مطالعه و پژوهشگر در MPE. «ما جرم ستاره‌ای کل حدود ۱.۳ میلیارد برابر خورشید را یافتیم و سیاه‌چاله‌ها بخش قابل توجهی از آن را تشکیل می‌دهند.»
ادغام سیاه‌چاله باستانی در حال وقوع
دو سیاه‌چاله نزدیک مرکز کهکشان انتظار می‌رود طی چند صد میلیون سال آینده ادغام شوند. برخورد نهایی آن‌ها می‌تواند به تولید سیاه‌چاله‌ای حتی عظیم‌تر کمک کند و فرآیندی را نشان دهد که احتمالاً برای رشد غول‌های کیهانی نخستین جهان ضروری بوده است.
«این نتایج بسیار هیجان‌انگیز هستند»، روبرتو مایولینو، استاد دانشگاه کمبریج و هم‌نویسنده مطالعه، افزود. «آن‌ها نشان می‌دهند که ادغام سیاه‌چاله‌ها ممکن است مسیر اضافی و سریعی برای رشد سریع آن‌ها در جهان اولیه باشد.»
سیاه‌چاله سوم معمای جذاب دیگری را مطرح می‌کند. این سیاه‌چاله که کاملاً خارج از مرکز کهکشان قرار دارد، ممکن است بازمانده‌ای از یک ادغام قبلی باشد که با پس‌زنی گرانشی قدرتمند به بیرون پرتاب شده است. چنین لگدی می‌تواند زمانی رخ دهد که سیاه‌چاله‌های در حال ادغام، امواج گرانشی را به صورت نابرابر ساطع کنند و سیاه‌چاله حاصل را در جهت مخالف پرتاب نمایند.
احتمال دیگر این است که سیاه‌چاله سوم به تدریج به سمت مرکز کهکشان حرکت می‌کند و ممکن است در نهایت با دو مورد دیگر تعامل داشته باشد.
جیمز وب سیاه‌چاله‌هایی را آشکار می‌کند که در غیر این صورت پنهان می‌ماندند
این کشف قابلیت‌های شگفت‌انگیز تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) را برای مطالعه سیاه‌چاله‌ها در کهکشان‌های دوردست برجسته می‌کند.
به ویژه، یافته‌ها اهمیت طیف‌سنجی میدان انتگرالی را نشان می‌دهند که به ستاره‌شناسان اجازه می‌دهد بررسی کنند نور و امضاهای طیفی آن چگونه در بخش‌های مختلف یک کهکشان تغییر می‌کند.
با استفاده از طیف‌نگار مادون قرمز نزدیک وب در حالت طیف‌سنجی میدان انتگرالی (NIRSpec-IFS)، پژوهشگران توانستند سیگنال‌هایی را که در غیر این صورت به نظر می‌رسید از یک سیاه‌چاله واحد منشأ گرفته‌اند، تفکیک کنند.
بدون آن اطلاعات فضایی دقیق، ستاره‌شناسان احتمالاً تنها یکی از سه سیاه‌چاله فعال کهکشان را شناسایی می‌کردند.
نتایج نشان می‌دهد که کهکشان‌های دوردست دیگر ممکن است حاوی سیاه‌چاله‌های چندگانه در حال رشد باشند که شناسایی نشده‌اند. یافتن بیشتر این سیستم‌های پنهان می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا تاریخ ادغام سیاه‌چاله‌ها را بازسازی کنند و بهتر بفهمند جهان چگونه سیاه‌چاله‌های عظیم‌ترین خود را در این مرحله زودهنگام تاریخ کیهانی تولید کرده است.