برخورد ستاره‌های باستانی می‌تواند نقاط قرمز کوچک مرموز و سیاه‌چاله‌های «غیرممکن» را توضیح دهد

تحقیقات جدید نشان می‌دهد که برخورد بین ستاره‌ها در کیهان اولیه رایج بوده است، که می‌تواند به توضیح رشد سریع سیاه‌چاله‌های پرجرم و وجود نقاط قرمز کوچک عجیب و غریب که توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) دیده می‌شود، کمک کند.

تیم پشت این تحقیق شبیه سازی هایی از کیهان اولیه انجام داد و متوجه شد که منظومه های ستاره ای به شدت فشرده شده اند که منجر به برخورد ستارگان مکرر با یکدیگر می شود. در حالی که برخوردهای سریع ستارگان درگیر را از بین می بردند، برخوردهای آهسته تر به ادغام های مکرر منجر می شد و ستارگان منفرد بیش از حد پرجرم را ایجاد می کرد که می توانند فرو بریزند و سیاهچاله های بزرگتر از حد معمول را در پایان عمر خود تشکیل دهند. اینها می توانند دانه های اولین سیاهچاله های کلان پرجرم باشند.

محیط های ستاره ای متراکم هنوز در جهان مدرن در قلب کهکشان ها وجود دارد. با این حال، اینها برای انواع برخوردهایی که باعث تولد ستارگان بسیار پرجرم می شوند، مناسب نیستند. دلیل آن این است که در قلب کهکشان‌های امروزی سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم وجود دارد و تأثیر گرانشی عظیم آن‌ها به دور ستاره‌ها سرعت می‌بخشد، به این معنی که برخوردهایی که اتفاق می‌افتند، سریع و مخرب هستند، بنابراین ستارگان پرجرم به دنیا نمی‌آیند.

کلر ویلیامز، عضو تیم، از دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس (UCLA) در بیانیه‌ای گفت: «شاید عجیب‌ترین نتیجه شبیه‌سازی‌های ما این باشد که ستارگان می‌توانند بارها و بارها در داخل خوشه ادغام شوند تا زمانی که یک ستاره غول‌پیکر با جرم کل یک خوشه را تشکیل دهند. زمانی که ستاره‌ای به این بزرگی به پایان عمر خود می‌رسد، مدل‌ها پیشنهاد می‌کنند که ممکن است چاره‌ای جز سقوط به درون خود و تشکیل یک سیاه‌چاله عظیم نداشته باشد.

من، تو بزرگ نشدی؟ چگونه سیاهچاله های پرجرم اینقدر سریع بزرگ شدند؟

وجود سیاهچاله های کلان پرجرم قبل از اینکه کیهان حتی یک میلیارد سال عمر کند، چیزی است که از زمانی که JWST شروع به شناسایی آنها در سال 2022 کرد، اخترشناسان را متحیر کرده است.

این به این دلیل است که سیاهچاله‌ها باید حداقل 1 میلیارد سال برای تکمیل فرآیندهای تغذیه و ادغام نیاز داشته باشند که منجر به یک وضعیت "بسیار پرجرم" با داشتن میلیون‌ها یا میلیاردها برابر جرم خورشید می‌شود.

یکی از پیشنهادهای دانشمندان برای توضیح این موضوع این است که سیاهچاله های کلان جرم از ابتدا شروع نمی شوند. در عوض، آنها از دانه های سیاهچاله به نام سیاهچاله های با جرم متوسط ​​تشکیل می شوند.

یک تصویر یک دانه سیاهچاله عظیم را در کنار یک سیاهچاله استاندارد ستاره ای نشان می دهد (اعتبار تصویر: رابرت لی (ایجاد شده با Canva)) به طور معمول، هنگامی که یک ستاره پرجرم فرو می ریزد، سیاهچاله ای با جرم ستاره ای به دنیا می آورد که جرمی بین 10 تا 100 برابر جرم خورشید دارد. این سیاهچاله به طور قابل توجهی کوچکتر از سیاهچاله های کلان پرجرم است که بر قلب همه کهکشان های مدرن با جرم میلیون ها تا میلیاردها برابر ستاره ما تسلط دارند.

تصور می شود که سیاهچاله های با جرم متوسط ​​بین این دو خانواده از تیتان های کیهانی با جرمی بین 100 تا 100000 برابر خورشید قرار دارند. مشکل این است که هیچ ستاره ای نباید جرم کافی برای فروپاشی و ایجاد یک سیاهچاله با جرم متوسط ​​داشته باشد. اما این فقط برای شرایطی معتبر است که ما در جهان "مدرن" 13.8 میلیارد ساله در مجاورت کیهانی خود می بینیم. شرایط در خارج از جهان و دورتر در زمان بسیار متفاوت بود.

در واقع، چنین دانه‌هایی از این شبیه‌سازی‌های جدید در محیط‌های خوشه‌بندی ستاره‌ای متراکم پدید آمدند، که می‌توانست این معما را با اجازه دادن به این فرآیندهای رشد برای شروع اولیه حل کند.

ویلیامز گفت: «خوشه‌های ستاره‌ای متراکم، محل تولد طبیعی دانه‌های سیاهچاله عظیم در مدل ما هستند. همان محیطی که سیاهچاله را تشکیل می دهد می تواند ستاره ها و گازهایی را نیز فراهم کند که بر رشد بعدی آن تأثیر بگذارد.

با این حال، این می تواند یک معامله دو به یک باشد. JWST همچنین به طور معمول در حال کشف اجسام نجومی به نام نقاط قرمز کوچک در کیهان اولیه بوده است. نقاط قرمز کوچک کنجکاو هستند، زیرا به نظر می رسد تا زمانی که کیهان به سن 2 میلیارد سال می رسد کاملا ناپدید شده اند.

Little Red Dots فیل کیهانی در اتاق

Little Red Dots اجسام بسیار فشرده ای در جهان اولیه هستند که نام خود را از این واقعیت گرفته اند که مانند نقاط قرمز به نظر می رسند.

اسمدار نائوز عضو تیم و محقق UCLA گفت: "نقاط قرمز کوچک یک موضوع داغ در نجوم است. شما می توانید مطالعات افرادی را که سعی در درک نقاط قرمز کوچک دارند با داستان افراد نابینایی که سعی در توصیف یک فیل با لمس کردن آن دارند، مقایسه کنید، و هر فرد بر اساس قسمتی که لمس می کند، آن را متفاوت توصیف می کند." "تحقیق ما چندین مورد از این دیدگاه‌ها را به هم متصل می‌کند و ممکن است به ما کمک کند بیشتر از فیل ببینیم."

پیشنهادهای زیادی در مورد ماهیت واقعی این اجرام وجود دارد، اما یک نظریه نشان می‌دهد که آنها دارای یک سیاهچاله به سرعت در حال رشد در قلب خود هستند.

شبیه‌سازی‌های این تیم نشان می‌دهد که نقاط قرمز کوچک ممکن است خوشه‌های ستاره‌ای متراکم باشند که دائما توسط برخوردهای مکرر ستاره‌ای تکان می‌خورند. این منجر به یک ستاره بسیار بزرگ می شود که در نهایت فرو می ریزد و به سیاهچاله ای با جرم متوسط ​​تبدیل می شود.

اما اگر اینطور است، چرا هیچ نقطه قرمز کوچکی برای جشن گرفتن تولد 2 میلیاردی جهان وجود نداشت؟

فقط برخی از کهکشان‌های "نقطه قرمز کوچک" کشف شده در جهان اولیه توسط JWST (اعتبار تصویر: NASA، ESA، CSA، STScI، Dale Kocevski (کالج کلبی)) کمتر از 1 میلیارد سال پس از انفجار بزرگ، جهان فاقد کهکشان های مارپیچی منظم بود، اما در عوض پر از خوشه های متراکم و پر هرج و مرج ستارگان بود. از آنجایی که این نواحی با برخوردهای مکرر ستارگان تکان می خوردند، شرایط برای تشکیل ستارگان بسیار پرجرم و فروپاشی آن ها به سیاهچاله های با جرم متوسط ​​فراهم بود.

با این حال، با سرد شدن و انبساط جهان، این مکان‌ها به بلوک‌های سازنده کهکشان‌های بسیار کم‌تر آشفته تبدیل شدند. بنابراین، اگر نقاط قرمز کوچک خوشه‌های ستاره‌ای پر هرج و مرج هستند که برای تشکیل سیاه‌چاله‌های با جرم متوسط ​​مورد نیاز هستند، پیشرفت به سمت حالت تعادل می‌تواند توضیح دهد که چرا آنها به طور ناگهانی از جهان ناپدید شدند. کیهان به اندازه کافی افراطی نبود که بتواند دیگر نقاط قرمز کوچک را حفظ کند.

تحقیقات این تیم روز دوشنبه (26 اکتبر) در مجله Astrophysical منتشر شد.