ما الذي أطعم الثقوب السوداء المبكرة مما مكن نموها السريع جدًا؟ أظهر اكتشاف جديد قام به باحثون في جامعة كارنيجي ميلون باستخدام مزيج من محاكاة الحواسيب العملاقة وتكنولوجيا GigaPan Time Machine أن نظامًا غذائيًا من "الوجبات السريعة" الكونية (تيارات رقيقة من الغاز البارد) يتدفق بشكل لا يمكن السيطرة عليه في وسط الثقوب السوداء الأولى ، مما تسبب في عليهم أن يكونوا "مفرطين" وينمون أسرع من أي شيء آخر في الكون.
عندما كان كوننا شابًا ، بعد أقل من مليار سنة من الانفجار العظيم ، كانت المجرات قد بدأت للتو في التشكل والنمو. وفقًا للنظريات السابقة ، كان يجب أن تكون الثقوب السوداء صغيرة في ذلك الوقت. أظهرت بيانات من مسح سلون الرقمي للسماء دليلاً على عكس ذلك - كانت الثقوب السوداء الهائلة موجودة منذ 700 مليون سنة بعد الانفجار العظيم.
"وجد مسح Sloan Digital Sky Survey ثقوبًا سوداء هائلة في أقل من مليار سنة. قالت تيزيانا دي ماتيو ، أستاذة الفيزياء المشاركة (جامعة كارنيجي ميلون) ، إنها كانت بنفس حجم الثقوب السوداء الأكثر ضخامة اليوم ، والتي يبلغ عمرها 13.6 مليار سنة. "لقد كان لغزًا. لماذا تتكون بعض الثقوب السوداء في وقت مبكر جدًا عندما يستغرق الآخرون عمر الكون بأكمله للوصول إلى الكتلة نفسها؟ "
الثقوب السوداء الهائلة هي أكبر الثقوب السوداء الموجودة - تزن كتلتها مليارات المرات من كتلة الشمس. معظم الثقوب السوداء "العادية" هي فقط أكبر بحوالي 30 مرة من الشمس. الآلية المقبولة حاليًا لتشكيل الثقوب السوداء الهائلة هي من خلال عمليات الاندماج المجرية. إحدى مشكلات هذه النظرية وكيف تنطبق على الثقوب السوداء الفائقة الكتلة المبكرة هي أنه في بداية الكون ، لم يكن هناك العديد من المجرات ، وكانت بعيدة جدًا عن بعضها البعض للاندماج.
لاحظ روبرت كروفت ، أستاذ الفيزياء المساعد (جامعة كارنيجي ميلون) ، "إذا كتبت المعادلات الخاصة بكيفية تكوين المجرات والثقوب السوداء ، فلا يبدو أن هذه الكتل الضخمة يمكن أن تتكون في وقت مبكر ، لكننا ننظر إلى السماء و هناك هم."
في محاولة لفهم العمليات التي شكلت الثقوب السوداء الهائلة المبكرة ، أنشأ Di Matteo و Croft و Khandai MassiveBlack - أكبر محاكاة كونية حتى الآن. الغرض من MassiveBlack هو محاكاة المليارات الأولى من الكون بدقة. في وصفه لـ MassiveBlack ، قال دي ماتيو: "هذه المحاكاة عملاقة حقًا. إنها الأكبر من حيث مستوى الفيزياء والحجم الفعلي. لقد فعلنا ذلك لأننا كنا مهتمين بالنظر إلى الأشياء النادرة في الكون ، مثل الثقوب السوداء الأولى. نظرًا لأنها نادرة جدًا ، تحتاج إلى البحث في مساحة كبيرة من المساحة ".
بدأ كروفت والفريق عمليات المحاكاة باستخدام نماذج معروفة من علم الكونيات تستند إلى نظريات وقوانين فيزياء العصر الحديث. "لم نضع أي شيء مجنون فيه. ليس هناك فيزياء سحرية ، ولا أشياء إضافية. قال كروفت: "إنها نفس الفيزياء التي تشكل المجرات في محاكاة الكون المتأخر". "ولكن بطريقة سحرية ، تظهر هذه النجوم الزائفة المبكرة ، تمامًا كما لوحظ. لم نكن نعلم أنهم سيظهرون. كان من المدهش قياس كتلهم والذهاب "واو! هذه هي الحجم الصحيح بالضبط وتظهر بالضبط في الوقت المناسب. "إنها قصة نجاح للنظرية الحديثة في علم الكونيات."
تمت إضافة البيانات من MassiveBlack إلى مشروع GigaPan Time Machine. من خلال الجمع بين بيانات MassiveBlack ومشروع GigaPan Time Machine ، تمكن الباحثون من عرض المحاكاة كما لو كانت فيلمًا - يمكن تحريكها بسهولة عبر الكون المحاكي أثناء تكوينه. عندما لاحظ الفريق الأحداث التي بدت مثيرة للاهتمام ، تمكنوا أيضًا من التكبير لعرض الأحداث بتفصيل أكبر مما يمكنهم رؤيته في عالمنا باستخدام التلسكوبات الأرضية أو الفضائية.
عندما قام الفريق بتكبير إنشاء أول الثقوب السوداء الهائلة ، رأوا شيئًا غير متوقع. تظهر الملاحظات العادية أنه عندما يتدفق الغاز البارد نحو الثقب الأسود يتم تسخينه من الاصطدامات مع جزيئات الغاز القريبة الأخرى ، ثم يبرد قبل دخول الثقب الأسود. تُعرف هذه العملية باسم "تسخين الصدمة" ، وكان يجب أن تمنع الثقوب السوداء المبكرة من الوصول إلى الكتل المرصودة. وبدلاً من ذلك ، لاحظ الفريق تيارات رقيقة من الغاز الكثيف البارد تتدفق على طول "خيوط" شوهدت في استطلاعات واسعة النطاق تكشف عن بنية الكون. سمحت الشعيرات للغاز بالتدفق مباشرة إلى مركز الثقوب السوداء بسرعة لا تصدق ، مما يوفر لهم طعامًا باردًا وسريعًا. قدم الاستهلاك الثابت ، ولكن غير المنضبط ، آلية للثقوب السوداء لتنمو بمعدل أسرع بكثير من المجرات المضيفة.
وستنشر النتائج في رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.
إذا كنت ترغب في قراءة المزيد ، فراجع الأوراق أدناه (عبر Physics arXiv):
تصوير Terapixel للمحاكاة الكونية
تشكيل المجرات المضيفة z ~ 6 كوازارات
الثقوب السوداء المبكرة في المحاكاة الكونية
التدفقات الباردة والكوازارات الأولى
تعرف على المزيد حول Gigapan و MassiveBlack على: http://gigapan.org/gigapans/76215/ و http://www.psc.edu/science/2011/supermassive/
المصدر: بيان صحفي من جامعة كارنيجي ميلون
