توضيح للكون المبكر. حقوق الصورة: ناسا. اضغط للتكبير.
بدأ كل شيء منذ زمن طويل بينما كان الكون صغيرًا جدًا. أول مربي ضخم من النجوم يتأرجح في شبابهم - الدوران والالتفاف بين الأعشاب الخضراء الغنية من المادة البكر. مع انقضاء الوقت المخصص لها ، قامت المحركات النووية بغلي التيارات الممتدة من الهيدروجين الساخن وغاز الهليوم - مما أدى إلى إثراء الوسائط بين النجوم. خلال هذه المرحلة ، تشكلت مجموعات النجوم فائقة الكتلة في جيوب صغيرة بالقرب من النوى المجرية الوليدة - تسبح كل عنقود في مناطق صغيرة من مادة الهالة المصغرة البدائية.
بعد الانتهاء من دورتهم ، انفجرت أقرب النجوم المرباة ، مما أدى إلى ذرات ثقيلة. ولكن قبل تراكم الكثير من المواد الثقيلة في الكون ، نشأت الثقوب السوداء المبكرة ، ونمت بسرعة من خلال الاستيعاب المتبادل ، وتراكمت ما يكفي من تأثير الجاذبية لرسم غازات "المعتدل" لدرجات حرارة دقيقة وتكوينها في أقراص تراكم واسعة واسعة. نضجت هذه المرحلة الحرجة من النمو الثقوب السوداء الضخمة الأولى (MBHs) بسرعة إلى حالة الثقب الأسود الهائل (SMBH). للخروج من هذا أقرب الكوازارات استقرت داخل الهالات المصغرة المدمجة من العديد من المجرات الأولية.
ظهرت هذه الصورة لتكوين الكوازار المبكر من ورقة حديثة (نُشرت في 2 يونيو 2005) بعنوان "النمو السريع للثقوب الحمراء المرتفعة الحمراء" كتبها علماء كامبردج في المملكة المتحدة مارتن جي ريس ومارتا فولونتيري. تعالج هذه الدراسة إمكانية فتح نافذة قصيرة لتكوين SMBH السريع بعد وقت الشفافية العالمية ولكن قبل إعادة تأين الغازات في الوسط النجمي بالكامل من خلال الإشعاع النجمي والمصنفة بالمعادن الثقيلة بواسطة المستعرات الأعظمية. يحاول نموذج Rees-Volonteri شرح الحقائق الناتجة عن مجموعة بيانات Sloan Digital Sky Survey (SDSS). وبحلول مليار سنة بعد الانفجار العظيم ، تكونت بالفعل العديد من النجوم الزائفة المتألقة للغاية. ولكل منها SMBHs كتلتها تتجاوز مليار شمس. نشأت هذه من "ثقوب سوداء بذرة" - رماد جاذبية خلفها بعد الدورة الأولى لانهيار المستعرات الأعظمية بين أول العناقيد المجرية الضخمة. بعد مرور مليار عام على الانفجار الكبير ، انتهى كل شيء. كيف يمكن لهذه الكتلة الكبيرة أن تتكثف بسرعة في مثل هذه المناطق الصغيرة من الفضاء؟
وفقًا لـ Volontari و Rees ، "إن زراعة مثل هذه البذور بما يصل إلى مليار كتلة شمسية يتطلب تراكمًا مستمرًا تقريبًا للغاز ..." العمل ضد معدل التراكم المرتفع هذا ، هو حقيقة أن الإشعاع من المادة التي تقع في الثقب الأسود عادة ما يعوض بسرعة " زيادة الوزن". تظهر معظم نماذج نمو SMBH أن حوالي 30٪ من الكتلة التي تتجه نحو ثقب أسود متوسط (ضخم - ليس فائق الكتلة) يتم تحويلها إلى إشعاع. تأثير ذلك ذو شقين: المادة التي من شأنها أن تغذي MBH بخلاف ذلك للإشعاع ، وضغط الإشعاع الخارجي يخنق مسيرة مادة إضافية إلى الداخل لتغذية النمو السريع.
يكمن المفتاح لفهم تكوين SMBH السريع في احتمال أن أقراص التنامي المبكر حول أقراص MBH لم تكن كثيفة بصريًا كما هي اليوم - ولكن "سمين" مع مادة موزعة بشكل مضطرب. في ظل هذه الظروف ، يكون للإشعاع مسار حر متوسط أوسع ويمكنه الهروب إلى ما وراء الأقراص دون إعاقة الحركة الداخلية للمادة. يتم تسليم الوقود الذي يقود عملية نمو SMBH بالكامل بكثرة في أفق حدث الثقب الأسود. وفي الوقت نفسه ، كانت المادة الموجودة في الفترة الأولى هي الهيدروجين والهليوم أحادي الذرة بشكل أساسي - وليس هذا النوع من أقراص التراكمات الغنية بالمعادن الثقيلة في عصر لاحق. كل هذا يشير إلى أن MBH المبكر نشأ في عجلة من أمره ، وهو ما يمثل في نهاية المطاف العديد من الكوازارات الناضجة بالكامل التي شوهدت في مجموعة بيانات SDSS. يجب أن يكون لهذه المركبات MBH المبكرة نسب تحويل طاقة الكتلة أكثر نموذجية من SMBH الناضجة بالكامل من MBHs اليوم.
يقول كل من Volontari و Rees أن المحققين الأوائل قد أظهروا أن "الكوازارات المطورة بالكامل تتمتع بكفاءة تحويل طاقة الكتلة بنسبة 10٪ تقريبًا ..." يحذر الزوج من أن قيمة تحويل طاقة الكتلة هذه تأتي من دراسات الكوازارات من فترة لاحقة في Universal التوسع وأنه "لا يوجد شيء معروف عن الكفاءة الإشعاعية للكوازارات قبل الإجهاض في أوائل الكون." لهذا السبب ، "الصورة التي لدينا عن الكون ذي الانزياح الأحمر المنخفض قد لا تنطبق في أوقات سابقة." من الواضح أن الكون المبكر كان مليئًا بالمادة بشكل أكثر كثافة ، وكانت هذه المادة في درجة حرارة أعلى ، وكانت هناك نسبة أعلى من المواد غير المعدنية إلى المعادن. كل هذه العوامل تقول أنه من الأفضل تخمين أي شخص تقريبًا فيما يتعلق بكفاءة تحويل الطاقة الجماعية من MBHs المبكرة. نظرًا لأننا يجب أن نأخذ في الاعتبار الآن سبب وجود العديد من SMBHs بين الكوازارات المبكرة ، فمن المنطقي أن Volontari و Rees يستخدمون ما يعرفونه عن أقراص التراكم اليوم كوسيلة لشرح كيف كانت هذه الأقراص مختلفة في الماضي.
وهي أقدم الأوقات - قبل الإشعاع من العديد من النجوم التي أعادت الغازات المتأينة داخل الوسائط بين النجوم - التي وفرت ظروفًا ناضجة لتكوين SMBH السريع. قد تكون هذه الظروف قد استمرت أقل من 100 مليون سنة وتتطلب توازنًا بارعًا في درجة الحرارة والكثافة والتوزيع وتكوين المادة في الكون.
للحصول على الصورة الكاملة (كما تم رسمها في الورقة) ، نبدأ بفكرة أن الكون المبكر كان مأهولًا بهالات صغيرة لا تعد ولا تحصى تتكون من مادة مظلمة وباريونية مع مجموعات نجوم ضخمة للغاية ولكنها كثيفة للغاية في وسطها. نظرًا لكثافة هذه العناقيد - وكثافة النجوم التي تتألف منها - تطورت المستعرات الأعظمية بسرعة لتفرخ العديد من "الثقوب السوداء ذات البذور". تجمعت هذه البذور BHs في ثقوب سوداء ضخمة. وفي الوقت نفسه ، جمعت قوى الجاذبية والحركات الحقيقية بسرعة الهالات الصغيرة المختلفة معًا. هذا خلق هالات أكثر ضخامة قادرة على إطعام MBHs.
في بداية الكون ، أخذت المادة المحيطة بـ MBHs شكل أجسام كروية ضخمة من الهدروجين والهيليوم ضعيفة المعدن بمتوسط 8000 درجة كلفن في درجة الحرارة. في درجات الحرارة العالية هذه ، تبقى الذرات متأينة. بسبب التأين ، كان هناك عدد قليل من الإلكترونات المرتبطة بالذرات لتعمل كمصائد الفوتون. تضاءلت تأثيرات الضغط الإشعاعي إلى النقطة التي سقطت فيها المادة بسهولة أكبر في أفق حدث الثقوب السوداء. وفي الوقت نفسه ، فإن الإلكترونات الحرة نفسها تبعثر الضوء. بعض هذا الضوء يعيد إشعاعه فعليًا نحو قرص التنامي ومصدر آخر للكتلة - على شكل طاقة - يغذي النظام. وأخيرًا ، فإن ندرة المعادن الثقيلة - مثل الأكسجين والكربون والنيتروجين - تعني أن الذرات أحادية الذرة لا تزال ساخنة. نظرًا لأن درجات الحرارة تقل عن 4000 درجة كلفن ، فإن الذرات تتحلل وتصبح مرة أخرى عرضة لضغط الإشعاع مما يقلل من تدفق المواد الطازجة التي تقع في أفق حدث BH. تميل كل هذه الخواص الفيزيائية البحتة إلى دفع نسب كفاءة طاقة الكتلة إلى الأسفل - مما سمح لـ MBHs بزيادة الوزن بسرعة.
في هذه الأثناء مع اندماج الهالات الصغيرة ، تتكثف المادة الباريونية الساخنة إلى أقراص "سميكة" ضخمة - وليس الحلقات الرفيعة التي تُرى حول SMBH اليوم. جاء ذلك بسبب أن المادة الهالة نفسها أحاطت بشكل كامل بالعناصر MBHs سريعة النمو. يوفر هذا التوزيع الكروي للمادة مصدرًا ثابتًا للمادة البكر الطازجة والساخنة لتغذية قرص التنامي من زوايا متنوعة. كانت الأقراص السميكة تعني كميات أكبر من المادة بكثافة بصرية أقل. مرة أخرى ، تمكنت المادة من تجنب أن "تبحر بالطاقة الشمسية" إلى الخارج بعيدًا عن الفك الذي يلوح في الأفق من MBH وانخفضت نسب تحويل الطاقة الكلية.
يقول كلا العاملين - أقراص الدهون والذرات ذات الكتلة المنخفضة - أنه خلال العصر الذهبي للكون الأخضر المبكر ، نمت MBHs بسرعة. في غضون مليار سنة من الإنفجار العظيم ، استقروا في نضج هادئ نسبيًا بتحويل المادة بكفاءة إلى ضوء وصب هذا الضوء عبر مساحات شاسعة من الزمان والمكان إلى كون محتمل التوسع باستمرار.
كتبه جيف بربور
