اصطدامات النجوم قد تحل لغز الثقوب السوداء القديمة التي عثر عليها تلسكوب Webb

طرح علماء فيزياء فلكية يبحثون في الكون المبكر آلية قد تحل واحداً من أكثر الاكتشافات إثارة للحيرة التي حققتها المراصد الفضائية الحديثة: الانتشار غير المتوقع لأجرام سماوية متراصة وفائقة السطوع تُعرف باسم "Little Red Dots". ووفقاً لما أورده الصحفي العلمي Robert Lea، يدرس الباحثون ما إذا كانت الاصطدامات بين النجوم القديمة داخل عناقيد بدائية شديدة الكثافة يمكن أن تفسر كلاً من البصمات الرصدية المميزة لهذه الأجرام والتشكل السريع للثقوب السوداء فائقة الكتلة التي تواجه النماذج الكونية القياسية صعوبة في تفسيرها. وتعالج هذه النتائج لغزاً رئيسياً كشفت عنه عمليات رصد المجال العميق بالأشعة تحت الحمراء، والتي أظهرت وفرة من الثقوب السوداء الهائلة النشطة خلال أول مليار سنة أعقبت Big Bang.

## Key facts

- حددت عمليات الرصد التي أُجريت باستخدام James Webb Space Telescope مئات النوى المجرية المتراصة والمائلة إلى الحمرة، والمعروفة باسم "Little Red Dots"، والتي يعود تاريخها إلى ما بين 600 million و1.5 billion سنة بعد Big Bang. - تعجز فيزياء التراكم القياسية، المحكومة بحد Eddington النظري، عن تفسير وصول الثقوب السوداء بسهولة إلى ملايين أو مليارات الكتل الشمسية في مثل هذا الوقت المبكر من التاريخ الكوني دون تغذية مستمرة دون انقطاع أو بذور أولية هائلة الكتلة. - يقترح النموذج المطروح أن الاصطدامات النجمية المتسلسلة في العناقيد النجمية المبكرة فائقة الكثافة يمكن أن تُنتج بذوراً نجمية متوسطة أو ثقيلة الكتلة، مما يسرع نمو الثقوب السوداء مع توليد ملامح انبعاث مميزة. - يعمل James Webb Space Telescope، وهو مشروع تعاوني بين NASA وEuropean Space Agency وCanadian Space Agency، عند نقطة Lagrange الثانية، على بُعد نحو 1.5 million كيلومتر من Earth. - تظل التفسيرات الرصدية الحالية لـ Little Red Dots منقسمة بين انبعاثات تهيمن عليها أقراص تراكم الثقوب السوداء التي تتغذى بنشاط وانبعاثات ناتجة عن تركزات هائلة من النجوم القديمة.

## What happened

منذ بدء تشغيل James Webb Space Telescope في منتصف عام 2022، كشفت المسوح العميقة بالأشعة تحت الحمراء عن وجود عدد كبير وغير متوقع من الأجرام الصغيرة المائلة للحمرة عند انزياحات حمراء عالية، تتراوح عادة بين z = 4 وz = 9. تبدو هذه الأجرام، التي أطلق عليها الباحثون الذين يحللون صور الفضاء العميق من أجهزة مثل Near-Infrared Camera اسم "Little Red Dots"، متراصة للغاية، إذ لا يتجاوز عرضها في كثير من الأحيان بضع عشرات إلى بضع مئات من السنين الضوئية، لكنها تبث طاقة تضاهي مجرات حديثة بأكملها.

وقد أسفر التحليل الطيفي لهذه الأجرام عن تفسيرات متباينة؛ إذ تشير خطوط الانبعاث العريضة، مثل انتقالات Balmer للهيدروجين المرصودة في الإطار الساكن للطيف البصري، عادةً إلى غاز يدور بسرعات تصل إلى آلاف الكيلومترات في الثانية حول ثقب أسود فائق الكتلة يلتهم المادة بنشاط. ومع ذلك، إذا طُبقت علاقات القياس المعتادة المستمدة من الكون المحلي على هذه الأنظمة، فإن كتل الثقوب السوداء المستنتجة تبدو ضخمة بشكل غير متناسب مقارنة بالأنظمة النجمية المضيفة لها، إذ تمثل في بعض الحالات ما بين 10 إلى 100 percent من إجمالي كتلة المجرة المضيفة، مقارنة بنسبة 0.1 percent المعتادة في المجرات الحديثة.

وكما ذكر Robert Lea، يشير الباحثون الآن إلى ديناميكيات النجوم الكثيفة كتفسير موحد. فوفقاً لهذا الإطار، وصلت العناقيد النجمية البدائية التي تشكلت في الكون المبكر إلى كثافات مركزية تفوق بملايين المرات تلك المشاهدة في Milky Way المحلية. وفي مثل هذه البيئات، اصطدمت النجوم الفردية واندمجت حتماً قبل إتمام دورات حياتها التطورية القياسية. وكان من الممكن لهذه السلسلة من الاصطدامات المتسارعة أن تبني أجراماً نجمية هائلة الحجم انهارت سريعاً لتتحول إلى بذور ثقوب سوداء ثقيلة، مما يوفر مساراً معقولاً لتجاوز القيود الزمنية القياسية التي تحد من نمو الثقوب السوداء عبر تراكم الغاز وحده. وفي الوقت نفسه، يمكن لديناميكيات الغاز عالية السرعة، والكثافات النجمية القصوى، وسحب الغبار داخل هذه البيئات أن تحاكي أو تعدل السمات الطيفية التي تقسم آراء الراصدين حالياً، مما يوفر أساساً فيزيائياً للتفسيرات المتباينة التي يدور حولها النقاش حالياً في المجتمع الفلكي.

## Why it matters

يمثل وجود ثقوب سوداء فائقة الكتلة ومكتملة النمو خلال مئات الملايين الأولى من السنين من الزمن الكوني تحدياً كبيراً للفيزياء الفلكية الحديثة. ففي إطار نموذج Lambda Cold Dark Matter القياسي لعلم الكونيات، تتشكل الهياكل بنمط تسلسلي هرمي: حيث تنهار التقلبات الصغيرة أولاً، لتتجمع ببطء وتتحول إلى نجوم وعناقيد نجمية صغيرة ومجرات قزمة قبل الاندماج في هياكل أكبر على مدى مليارات السنين.

وعندما ينمو الثقب الأسود بشكل أساسي عن طريق تراكم الغاز البينجمي المحيط به، يدفع ضغط الإشعاع المواد الساقطة إلى الخارج. ويُعرَّف الحد الأقصى لمعدل التراكم المتماثل كروياً دون تشتيت مصدر الوقود بـ Eddington limit. وإذا كانت الثقوب السوداء الأولى قد تشكلت حصراً من انهيار الجيل الأول من النجوم—والتي تُعرف غالباً بنجوم Population III، بكتل أولية تعادل ربما عشرات أو مئات المرات من كتلة الشمس—فإن وصولها إلى ملايين أو مليارات الكتل الشمسية بحلول الانزياح الأحمر z = 6 يتطلب إما تراكم Eddington مستمراً وبأقصى كفاءة، أو فترات من التراكم المستمر بمعدل "super-Eddington". وكلا السيناريوهين يتطلب إمدادات وقود مضبوطة بدقة ودون انقطاع، وهو ما يصعب التوفيق بينه وبين آليات التغذية الراجعة الهيدروديناميكية، التي تعمل عادة على تشتيت سحب الغاز البارد.

ومن خلال إثبات أن الاصطدامات النجمية المتسلسلة داخل العناقيد فائقة الكثافة يمكن أن تُنتج مباشرة ثقوباً سوداء بذرية ثقيلة—تمتلك آلافاً أو عشرات الآلاف من الكتل الشمسية—أو تخلّف بصمات رصدية تغير تقديرات الكتلة، يمكن للباحثين تسوية هذا التعارض دون تقويض النسبية العامة أو الأطر الكونية العامة. وعلاوة على ذلك، يُعد تحديد طبيعة Little Red Dots أمراً بالغ الأهمية لمعايرة التقديرات حول كيفية مساهمة الإشعاع المنبعث من المجرات المبكرة ومحركاتها المركزية في إعادة تأين الكون، وهي الحقبة التحولية التي انتُزعت خلالها الإلكترونات من الهيدروجين المحايد في الوسط بين المجري بواسطة فوتونات عالية الطاقة.

## The background

لعقود طويلة سبقت إطلاق James Webb Space Telescope، اعتمدت أبحاث الثقوب السوداء ذات الانزياح الأحمر العالي بشكل أساسي على المراصد الأرضية البصرية وتلك العاملة بالأشعة تحت الحمراء، إلى جانب Hubble Space Telescope وChandra X-ray Observatory. ورصدت هذه المنشآت بانتظام أشباه نجوم (كوازارات) شديدة السطوع تغذيها ثقوب سوداء تبلغ كتلتها مليارات الكتل الشمسية عند انزياحات حمراء تتجاوز z = 6، غير أن عمليات الرصد تلك لم تمثل سوى الحالات الإحصائية النادرة والشديدة السطوع عبر أحجام هائلة من الفضاء.

وجاء نشر James Webb Space Telescope في December 2021، يليه وضعه عند نقطة L2 Lagrange بين الشمس والأرض وإصدار صوره العلمية الأولى في July 2022، ليوفر حساسية غير مسبوقة في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة بين 0.6 و28 ميكروناً. وأتاحت هذه الإمكانية لعلماء الفلك النظر مباشرة في الضوء البصري في الإطار الساكن للمجرات النموذجية ذات السطوع المنخفض التي كانت موجودة خلال أول مليار سنة بعد Big Bang.

وعوضاً عن العثور على أعداد متفرقة من الأنظمة الوليدة المتواضعة، رصدت المسوح العميقة مثل مسح Cosmic Evolution Early Release Science ومسح JWST Advanced Deep Extragalactic Survey المئات من المصادر الحمراء الخافتة والمتراصة. وسرعان ما استقطب الجدل حول هذه الأجرام الأوساط العلمية؛ إذ جادلت مجموعة من الباحثين بأن خطوط الانبعاث العريضة التي رصدها Near-Infrared Spectrograph أثبتت أن هذه الأجرام هي نوى مجرية نشطة تضم ثقوباً سوداء ذات كتل هائلة مفاجئة تحجبها أعمدة كثيفة من الغبار. في المقابل، رأت مجموعة أخرى أن غياب انبعاثات الأشعة السينية المقابلة التي يمكن لمنشآت مثل Chandra رصدها، إلى جانب فواصل طيفية محددة، يشير إلى أن Little Red Dots هي مجرات انفجار نجمي "فائقة التراص" تحتوي على مليارات النجوم المحشورة في أحجام مكانية لا تتجاوز حجماً نموذجياً لعنقود نجمي مغلق.

ودفع هذا الانقسام الباحثين إلى تشبيه الوضع بالرواية التقليدية للعميان الذين يصفون فيلاً انطلاقاً من أجزاء منفصلة يلمسونها، حيث تؤدي المناهج التحليلية المتباينة لنفس مجموعات البيانات الرصدية إلى استنتاجات متناقضة جوهرياً حول طبيعة الجرم.

## Reaction

أثار الحراك العلمي المحيط بـ Little Red Dots نقاشات حامية في مجالات الفيزياء الفلكية النظرية والرصدية. وفي حين تظل البيانات المؤسسية المباشرة حول الأوراق البحثية الفردية نادرة قبل الوصول إلى إجماع أوسع، نظمت مجموعات عمل داخل المجتمع الفلكي الدولي ندوات متخصصة وجلسات مراجعة في تجمعات كبرى، شملت اجتماعات American Astronomical Society وEuropean Astronomical Society.

ورحب المتخصصون في ديناميكيات النجوم والمحاكاة العددية عموماً بنماذج الاصطدامات، مشيرين إلى أن محاكاة N-body تنبأت منذ فترة طويلة بأن انهيار النواة في العناقيد فائقة التراص يفترض أن يطلق اندماجات متسارعة إذا كان وقت استرخاء العنقود أقصر من عمر النجوم الهائلة. وعلى العكس من ذلك، شدد راصدون يعملون في علم فلك الأشعة السينية على توخي الحذر، مشيرين إلى أنه إذا كانت Little Red Dots تستضيف ثقوباً سوداء ضخمة تراكم الغاز بمعدلات مرتفعة، فإن غياب رصد الأشعة السينية الرخوة والصلبة في بيانات Chandra المجمعة يتطلب آليات فيزيائية قاسية، مثل الحجب من نوع Compton-thick أو هياكل غير نمطية تماماً لأقراص التراكم.

من جانبهم، أوضح باحثون يركزون على تخليق التجمعات النجمية أن تفسير Little Red Dots بالكامل من خلال العناقيد النجمية الكثيفة يتطلب دوال كتلة أولية غير مألوفة تهيمن عليها نجوم متوسطة الكتلة، وهي أنماط تفتقر حالياً إلى نظائر محلية. ونتيجة لذلك، ينشر المنظرون بنشاط نماذج متنافسة، وتتركز النقاشات حول ما إذا كانت الخصائص المرصودة تتطلب ثقباً أسود نشطاً، أو نظاماً نجمياً متطرفاً، أو بنية هجينة نشأت عن اصطدامات نجمية كثيفة.

## What we don't know yet

لا تزال هناك فجوات كبيرة في البيانات الرصدية والنماذج النظرية. ويأتي في مقدمتها ما إذا كانت Little Red Dots تحتوي بالفعل على ثقوب سوداء حقيقية فائقة الكتلة، أم أن خطوط الانبعاث الطيفية العريضة ناتجة عن رياح نجمية، أو أغلفة مستعرات عظمى تتمدد، أو الحركة الديناميكية للنجوم داخل كمونات جاذبية شديدة الانحدار. وإذا كانت الثقوب السوداء موجودة، فإن كتلها الحقيقية لا تزال غير مؤكدة بفارق يصل إلى رتبتين من حيث الحجم، نظراً لأن مقدرات الكتلة التقليدية تعتمد على علاقات قياس جرت معايرتها بالكامل على أنظمة حديثة ذات انزياح أحمر منخفض.

بالإضافة إلى ذلك، لم يثبت بعد ما إذا كانت العناقيد النجمية الكثيفة عند انزياحات حمراء عالية قادرة على الحفاظ على الشروط المحددة اللازمة لحدوث اندماجات متسارعة دون أن تتفكك بفعل التغذية الراجعة المبكرة للمستعرات العظمى. وتواجه نماذج المحاكاة الحاسوبية الحالية صعوبة في تفكيك الاصطدامات الفيزيائية الفردية للنجوم مع تتبع الديناميكا المائية للغاز على نطاق واسع في المجرة الأولية بأكملها في الوقت ذاته. وأخيراً، يظل من غير المعروف سبب وفرة Little Red Dots بين الانزياحات الحمراء 4 و9 واختفائها إلى حد كبير عند انزياحات حمراء أدنى، مما يترك الباب مفتوحاً أمام مسألة ما الذي تتطور إليه هذه الأنظمة عبر الزمن الكوني.

## What to watch

سيعتمد التقدم خلال الأشهر والسنوات القادمة بشكل كبير على الحملات الرصدية المقبلة والنماذج الحسابية المحسنة. ويواصل Space Telescope Science Institute، الذي يدير العمليات العلمية لتلسكوب Webb من Baltimore بولاية Maryland، تخصيص فترات رصد ذات أولوية عالية في الدورتين 3 و4 لمتابعات طيفية عميقة لأجرام Little Red Dots المؤكدة. وسيراقب الباحثون عن كثب الأطياف عالية الدقة القادرة على فصل خطوط انبعاث Balmer العريضة عن مكونات الخطوط الضيقة المعقدة، والتي يمكن أن تقدم دلائل قاطعة على وجود نوى مجرية نشطة.

وبالتوازي مع ذلك، تجري حملات منسقة متعددة الأطوال الموجية؛ إذ يدمج الراصدون بيانات Webb بالأشعة تحت الحمراء مع أرصاد راديوية عميقة من Atacama Large Millimeter/submillimeter Array في Chile وأرصاد فائقة العمق بالأشعة السينية لوضع حدود عليا حاسمة للإشعاع عالي الطاقة. وعلى الجانب النظري، تُجري فرق الفيزياء الفلكية عمليات محاكاة عالية الدقة للديناميكا المائية للجسيمات الملساء ومحاكاة مباشرة لـ N-body على حواسيب فائقة لنمذجة منحنيات الضوء والأطياف الدقيقة الناتجة عند انهيار نوى العناقيد النجمية الكثيفة بشكل كارثي، مما يوفر تنبؤات قابلة للاختبار مقابل مجموعات بيانات التلسكوبات المستقبلية.

يتضمن هذا التقرير معلومات نُشرت في الأصل بواسطة Robert Lea بشأن التطورات الرصدية والنظرية في دراسة أجرام Little Red Dots وتشكل بذور الثقوب السوداء في الكون المبكر.