Primordial Black Hole Seeds for Little Red Dots in $f(R)$ Gravity

في أعماق الكون المبكر، بعد بضع مئات الملايين من السنين فقط من الانفجار العظيم، كان شيئًا غريبًا يحدث. فقد اكتشف علماء الفلك، باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، جمهرة هائلة من النقاط الحمراء الصغيرة والساطعة بشكل لا يصدق والمتناثرة عبر السماء. هذه الأجسام، المعروفة باسم "النقاط الحمراء الصغيرة"، هي ثقوب سوداء نشطة وضخمة بشكل مفاجئ، حيث تزن ما بين مليون ومليار مرة من كتلة شمسنا. إن وجودها يمثل لغزًا حقيقيًا للعلماء؛ ففي القصة القياسية لكيفية عمل الكون، تنمو الثقوب السوداء ببطء عن طريق التهام الغاز والنجوم، وهي عملية يحدها ضغط الضوء الذي تنبعث منه. وحتى لو بدأ الثقب الأسود كبقايا صغيرة لنجم ميت وأكل بأقصى سرعة ممكنة فيزيائيًا، فإنه ببساطة لن يمتلك الوقت الكافي لينمو ليصبح أحد هذه العمالقة بحلول الوقت الذي كان فيه الكون شابًا جدًا. إن الجدول الزمني لا يتطابق.

ولحل هذا الغموض، اقترح باحث يدعى سعيد فخري طريقة جديدة لبناء هذه العمالقة المبكرة، تجمع بين فكرتين مختلفتين: وجود الثقوب السوداء البدائية، وتعديل طفيف على قوانين الجاذبية. الثقوب السوداء البدائية هي نوع افتراضي من الثقوب السوداء التي لم تتشكل من النجوم المحتضرة، بل من الكثافة الفوضوية للكون المبكر نفسه. ويمكن أن تكون قد تشكلت في وقت أبكر بكثير وكانت أثقل بكثير من الثقوب السوداء النجمية. يشير عمل فخري إلى أن هذه الثقوب السوداء البدائية يمكن أن تتجمع في عناقيد كثيفة، حيث تصطدم ببعضها البعض وتندمج، لتنمو بسرعة قبل أن يتوفر للكون الوقت لتشكيل النجوم الأولى. ومع ذلك، لكي ينجح هذا الأمر، يجب أن يكون الكون مختلفًا قليلاً عما نفترضه عادةً. تستكشف الدراسة نسخة من الجاذبية تسمى جاذبية f(R)، حيث لا تكون قوة الجاذبية ثابتة بل يمكن أن تصبح أقوى في بيئات معينة، وتعمل مثل قوة خامسة خفية تجذب الأشياء معًا بقوة أكبر.

قام الباحث ببناء محاكاة حاسوبية مفصلة لاختبار هذه الفكرة. لقد تخيل عنقودًا كثيفًا مليئًا بآلاف من هذه الثقب السوداء البدائية، يبدأ كل منها بكتلة تعادل حوالي ثلاثين ضعف كتلة الشمس. في الرؤية القياسية للجاذبية، ستنجرف هذه الثقوب السوداء وتندمج أحيانًا، لكن العملية ستكون بطيئة. أما في سيناريو الجاذبية المعدلة، فإن السحب الإضافي للقوة الخامسة جعل الثقبات السوداء تتحرك بشكل أسرع وتتصادم بشكل أكثر تكرارًا. أظهرت المحاكاة أن هذه الجاذبية المعززة عملت مثل محفز، مما جعل الثقوب السوداء تندمج في كتل أكبر فأكبر بسرعة أكبر من المعتاد. هذه العملية، المعروفة باسم "التلاحم" (coagulation)، سمحت للثقوب السوداء بالنمو من حجمها الأولي الصغير إلى بذور ذات كتلة متوسطة، لتصل إلى مئات الكتل الشمسية، وكل ذلك في غضون المليار سنة الأولى من التاريخ الكوني.

بمجرد تشكل هذه البذور الثقيلة، انتقلت المحاكاة إلى مرحلة ثانية: تراكم الغاز. هذه هي العملية التي يبتلع فيها الثقب الأسود الغاز المحيط به، لينمو بشكل أكبر. وجدت الدراسة أنه نظرًا لأن البذور كانت بالفعل أثقل بفضل مرحلة الاندماج السريع، فقد حصلت على انطلاقة هائلة. وعندما بدأت هذه البذور الثقيلة في أكل الغاز، لم تكن بحاجة إلى الأكل بجنون كما تتطلب النماذج القياسية للوصول إلى الأحجام التي رصدها التلسكوب. لقد تم الحفاظ على الكتلة الإضافية المكتسبة من عمليات الاندماج المبكرة ومضاعفتها بينما تنمو الثقوب السوداء. أظهرت النتائج أنه مع وجود جزء صغير من المادة المظلمة في الكون مكون من هذه الثقوب السوداء البدائية، ومعدل نشاط واقعي للثقوب السوداء، يمكن لهذا النموذج إنتاج عدد الثقوب السوداء الضخمة المرصودة في ذلك الوقت المبكر بشكل طبيعي. يتوافق هذا الحل مع البيانات دون كسر القواعد الفيزيائية المعروفة الأخرى، مثل الحدود التي تضعها كواشف موجات الجاذبية على الأرض.

كما بحثت الدراسة عن طرق لإثبات صحة هذه الفكرة، بدلاً من كونها مجرد إمكانية رياضية. حدد الباحث ثلاثة علامات متميزة يمكن اكتشافها في المستقبل لتأكيد هذا التاريخ المحدد من النمو. أولاً، سيكون دوران (spin) الثقوب السوداء مختلفًا اعتمادًا على كيفية نموها. فإذا نمت بشكل أساسي عن طريق الاندماج، فسيستقر دورانها عند قيمة متوسطة محددة. وإذا نمت عن طريق أكل الغاز بطريقة فوضوية، فسيكون دورانها منخفضًا وعشوائيًا. أما إذا أكلت الغاز في قرص منظم وسلس، فسيكون دورانها مرتفعًا جدًا. أظهرت المحاكاة أن مسار الاندماج المكثف يؤدي إلى بصمة دوران فريدة تختلف عن الطرق الأخرى. ثانيًا، فإن التصادم المستمر لهذه الثقوب السوداء سيخلق همهمة خافتة وغير قابلة للحل من موجات الجاذبية، وهي خلفية ضوضائية قد تتمكن كواشف الفضاء المستقبلية من سماعها. ستكون لهذه الهمهمة نقطة قطع محددة في ترددها، تعمل كبصمة لمعدل الاندماج المبكر. أخيرًا، سيظهر الطريقة التي تتكتل بها هذه الثقوب السوداء في الفضاء نمطًا فريدًا. فالجاذبية المعدلة ستجعلها تتكتل بطريقة تختلف عن الجاذبية القياسية، مما يخلق نمطًا محددًا في كيفية توزيعها عبر الكون يمكن قياسه من خلال مراقبة مواقع هذه المجرات المبكرة.

تشير النتائج إلى أن الكون ربما استخدم طريقًا مختصرًا لبناء عماليقه الأوائل. فبدلاً من انتظار النمو البطيء والمستقر، رب قد يكون الكون المبكر موقع بناء مزدحم حيث صُهرت البذور الثقيلة في عناقيد كثيفة، بتسريع من سحب الجاذبية الأقوى قليلاً. هذه الآلية تحل مشكلة التوقيت التي لطالما أحبطت علماء الفلك، وتقدم مسارًا معقولًا لكيفية إنتاج الكون لمثل هذه الثقوب السوداء الضخمة في وقت قصير بعد ولادته. وبينما تعتمد الفكرة على نسخة محددة من الجاذبية لم تثبت بعد، فإن النموذج يتوافق مع جميع الملاحظات الحالية ويوفر تنبؤات واضحة وقابلة للاختبار للجيل القادم من التلسكوبات وكواشف موجات الجاذبية. إذا أكدت الملاحظات المستقبلية أنماط الدوران المحددة، أو خلفية موجات الجاذبية، أو التكتل المكاني المتوقع لهذا العمل، فإن ذلك سيعيد كتابة فهمنا لكيفية نشوء أكثر الأجسام ضخامة في الكون.