בהמות של מיליארד המונים: חורים שחורים של היקום הקדום עצום באופן מפתיע מאתגר את התיאוריות הקוסמיות

לא מרהיב באופן מפתיע: החור השחור כבר שקל יותר ממיליארד מסות שמש ביקום המוקדם למרות התיאבון הממוצע.

בהצצה לשלבים המוקדמים של היקום בן 13.8 מיליארד השנים, ה טלסקופ החלל ג'יימס ווב זיהה גלקסיה כפי שהתקיימה רק 700 מיליון שנים לאחר המפץ הגדול. זה תמוה איך חור שחור במרכזו כבר יכול היה לשקול מיליארד מסות שמש כשהיקום עדיין היה בחיתוליו. התצפיות של ג'יימס ווב נועדו לבחון מקרוב את מנגנון ההאכלה, אך הם לא מצאו דבר יוצא דופן. ככל הנראה, חורים שחורים כבר צמחו בצורה דומה להיום. אבל התוצאה משמעותית פי כמה: היא יכולה להראות שאסטרונומים יודעים פחות על איך נוצרות גלקסיות ממה שחשבו. ועדיין המידות אינן מאכזבות בשום פנים ואופן. לעומת זאת.

המסתורין של חורים שחורים מוקדמים

מיליארד השנים הראשונות של ההיסטוריה הקוסמית מציבים אתגר: לחורים השחורים המוכרים הקדומים ביותר במרכזי הגלקסיות יש מסות גדולות באופן מפתיע. איך הם נעשו כל כך מסיביים, כל כך מהר? התצפיות החדשות המתוארות כאן מספקות ראיות חזקות נגד כמה הסברים מוצעים, בעיקר נגד "מצב האכלה יעיל במיוחד" עבור החורים השחורים המוקדמים ביותר.

הגבולות של צמיחת חור שחור סופר מסיבי

כוכבים וגלקסיות השתנו מאוד במהלך 13.8 מיליארד השנים האחרונות, משך חייו של היקום. הגלקסיות גדלו ורכשו מסה רבה יותר, בין אם על ידי צריכת גז מסביב או (מדי פעם) על ידי התמזגות זו עם זו. במשך זמן רב, האסטרונומים הניחו שהחורים השחורים העל-מאסיביים במרכזי הגלקסיות היו גדלים בהדרגה יחד עם הגלקסיות עצמן.

אבל צמיחת חור שחור לא יכולה להיות מהירה באופן שרירותי. חומר הנופל על חור שחור יוצר "דיסק הצטברות" מתערבל, לוהט ובוהק. כאשר זה קורה סביב חור שחור סופר מסיבי, התוצאה היא גרעין גלקטי פעיל. העצמים הבהירים ביותר מסוג זה, המכונים קוואזרים, הם בין העצמים האסטרונומיים הבהירים ביותר בקוסמוס כולו. אבל הבהירות הזו מגבילה כמה חומר יכול ליפול אל החור השחור: האור מפעיל לחץ שיכול למנוע מחומר נוסף ליפול פנימה.

איך חורים שחורים נעשו כל כך מסיביים, כל כך מהר?

זו הסיבה שאסטרונומים הופתעו כאשר במהלך עשרים השנים האחרונות, תצפיות על קוואזרים מרוחקים חשפו חורים שחורים צעירים מאוד, שבכל זאת הגיעו למסה של עד 10 מיליארד מסות שמש. לאור לוקח זמן לעבור מאובייקט מרוחק אלינו, לכן התבוננות בחפצים רחוקים פירושה הסתכלות אל העבר הרחוק. אנו רואים את הקוואזרים הידועים הרחוקים ביותר כפי שהיו בעידן המכונה "שחר קוסמי", פחות ממיליארד שנים לאחר המפץ הגדול, כאשר הכוכבים והגלקסיות הראשונים נוצרו.

הסבר החורים השחורים המאסיביים המוקדמים הללו הוא אתגר משמעותי עבור המודלים הנוכחיים של התפתחות הגלקסיות. האם יכול להיות שחורים שחורים מוקדמים היו הרבה יותר יעילים בהצבת גז מאשר עמיתיהם המודרניים? או שמא נוכחות אבק יכולה להשפיע על הערכות המסה הקוואזרית באופן שגרם לחוקרים להעריך יתר על המידה מסות של חורים שחורים מוקדמים? יש הרבה הסברים מוצעים בשלב זה, אבל אף אחד לא מקובל.

מבט מקרוב על צמיחה מוקדמת של חורים שחורים

ההחלטה איזה – אם בכלל – מההסברים נכונים דורשת תמונה מלאה יותר של קוואזרים ממה שהייתה זמינה קודם לכן. עם הופעתו של טלסקופ החלל JWST, במיוחד מכשיר האינפרה האדום האמצעי של הטלסקופ MIRI, יכולתם של אסטרונומים לחקור קוואזרים מרוחקים עשתה קפיצת מדרגה עצומה. למדידת ספקטרום קוואזר רחוק, MIRI רגיש פי 4000 מכל מכשיר קודם.

מכשירים כמו MIRI נבנים על ידי קונסורציונים בינלאומיים, כאשר מדענים, מהנדסים וטכנאים עובדים בשיתוף פעולה הדוק. באופן טבעי, קונסורציום מעוניין מאוד לבדוק אם המכשיר שלהם מתפקד כמו שצריך. בתמורה לבניית המכשיר, קונסורציונים מקבלים בדרך כלל כמות מסוימת של זמן תצפית. בשנת 2019, שנים לפני השקת JWST, הקונסורציום האירופי של MIRI החליט לנצל חלק מהזמן הזה כדי לצפות במה שהיה אז הקוואזר הידוע הרחוק ביותר, אובייקט העונה לשם J1120+0641.

התבוננות באחד החורים השחורים המוקדמים ביותר

ניתוח התצפיות נפל בידי ד"ר שרה בוסמן, חוקרת פוסט-דוקטורט במכון מקס פלנק לאסטרונומיה (MPIA) וחברה בקונסורציום האירופי MIRI. התרומות של MPIA למכשיר MIRI כוללות בניית מספר חלקים פנימיים מרכזיים. בוסמן התבקש להצטרף לשיתוף הפעולה של MIRI במיוחד כדי להביא מומחיות כיצד להשתמש בצורה הטובה ביותר במכשיר כדי לחקור את היקום המוקדם, בפרט את החורים השחורים העל-מאסיביים הראשונים.

התצפיות בוצעו בינואר 2023, במהלך מחזור התצפיות הראשון של JWST, ונמשכו כשעתיים וחצי. הם מהווים את המחקר האמצעי-אינפרא אדום הראשון של קוואזר בתקופת השחר הקוסמי, 770 מיליון שנים בלבד לאחר המפץ הגדול (הסטה לאדום z=7). המידע נובע לא מתמונה, אלא מספקטרום: פירוק דמוי קשת בענן של אור האובייקט למרכיבים באורכי גל שונים.

איתור אבק וגז שזז במהירות

הצורה הכוללת של ספקטרום האינפרא אדום האמצעי ("המשכיות") מקודדת את המאפיינים של טורוס גדול של אבק המקיף את דיסק ההצטברות בקוואזרים טיפוסיים. טורוס זה עוזר להנחות את החומר אל דיסק ההצטברות, "להזין" את החור השחור. החדשות הרעות עבור אלה שהפתרון המועדף עליהם לחורים השחורים המוקדמים המאסיביים טמון בדרכי צמיחה מהירות חלופיות: נראה שהטורוס, ובהרחבה מנגנון ההזנה בקוואזר הקדום הזה, זהים לאלה של עמיתיו המודרניים יותר. ההבדל היחיד הוא כזה ששום מודל של צמיחה קוואזרית מוקדמת לא חזה: טמפרטורת אבק גבוהה במקצת בסביבות מאה קלווין חמה יותר מ-1300 K שנמצאו עבור האבק החם ביותר בקוואזרים רחוקים יותר.

החלק הקצר יותר של אורך הגל של הספקטרום, שנשלט על ידי הפליטות מדיסקת ההצטברות עצמה, מראה שעבורנו כצופים רחוקים, האור של הקוואזר אינו מעומעם על ידי אבק יותר מהרגיל. טיעונים שאולי אנחנו רק מעריכים יתר על המידה את מסות החורים השחורים המוקדמים בגלל אבק נוסף אינם הפתרון.

קוואזרים מוקדמים "נורמליים באופן מזעזע"

אזור הקו הרחב של הקוואזר, שבו גושי גז מקיפים את החור השחור במהירויות הקרובות למהירות האור – מה שמאפשר הסקנות לגבי מסת החור השחור, והצפיפות והיינון של החומר שמסביב – נראה נורמלי גם כן. כמעט לפי כל המאפיינים שניתן להסיק מהספקטרום, J1120+0641 אינו שונה מקוואזרים בזמנים מאוחרים יותר.

"בסך הכל, התצפיות החדשות רק מוסיפות לתעלומה: קוואזרים מוקדמים היו נורמליים להחריד. לא משנה באיזה אורכי גל אנו צופים בהם, הקוואזרים כמעט זהים בכל התקופות של היקום", אומר בוסמן. לא רק החורים השחורים הסופר-מאסיביים עצמם, אלא גם מנגנוני ההזנה שלהם כבר היו כנראה "בשלים" לחלוטין כשהיקום היה רק ​​5% מגילו הנוכחי. על ידי שלילת מספר פתרונות חלופיים, התוצאות תומכות מאוד ברעיון שחורים שחורים סופר-מסיביים התחילו עם מסות ניכרות מההתחלה, בשפת האסטרונומיה: שהם "ראשוניים" או "גדולים בזרעים". חורים שחורים סופר מסיביים לא נוצרו משאריות של כוכבים מוקדמים, ואז גדלו מסיביים מהר מאוד. הם כנראה נוצרו מוקדם עם מסות ראשוניות של לפחות מאה אלף מסות שמש, ככל הנראה באמצעות קריסת ענני גז מוקדמים ומסיביים.