The effect of pressure confinement on the maximum mass of rapidly accreting supermassive stars

في أوائل عمر الكون، بعد بضع مئات الملايين من السنين فقط من الانفجار العظيم، بدأت أولى الثقوب السوداء فائقة الكتلة في الظهور. هذه العمالقة الكونية، التي تزن ملايين أو حتى مليارات الأضعاف مقارنة بشمسنا، توجد اليوم في قلوب كل مجرة كبيرة تقريبًا. ومع ذلك، تظل أصولها واحدة من أكثر الألغاز استعصاءً في علم الفلك. لكي تنمو بهذا الحجم الكبير وبهذه السرعة، يجب أن تكون قد بدأت كبذور ضخمة، لكن فيزياء كيفية تشكل هذه البذور يصعب التوفيق بينها وبين قوانين الجاذبية المعروفة. تشير إحدى النظريات الرائدة إلى أن هذه البذور بدأت كنجوم فائقة الكتلة — وهي عبارة عن كرات غازية هائلة ومنتفخة تضخمت لتصل إلى مئات الآلاف من كتلة الشمس قبل أن تنهار لتصبح ثقوبًا سوداء. ومع ذلك، هناك عقبة: فبينما تنمو هذه النجوم، تصبح غير مستقرة. ووفقًا للقواعد القياسية للفيزياء، ينبغي لنجم بهذا الحجم أن ينهار تحت وطأة وزنه الخاص قبل وقت طويل من وصوله إلى الكتلة اللازمة لتفسير الثقوب السوداء العملاقة التي نراها اليوم.

تتحدى دراسة جديدة أجراها لورينز زويك، وكريستوفر تيدي، وزولتان هايمان هذا الافتراض القائم منذ فترة طويلة من خلال النظر في البيئة التي تولد فيها هذه النجوم. لعقود من الزمن، حسب العلماء استقرار هذه النجوم عبر معاملتها كأجسام معزولة تطفو في فضاء فارغ، دون وجود قوى خارجية تضغط عليها. ولكن في الواقع، لا يتكون النجم فائق الكتلة في فراغ؛ بل يتم بناؤه بواسطة نهر مستمر وعالي السرعة من الغاز المتدفق نحو النجم من المجرة المحيطة به. وتجادل هذه الورقة بأن هذا التدفق الوارد لا يكتفي بإضافة الكتلة فحسب، بل يضغط أيضًا على سطح النجم، ليعمل كدرع واقٍ. وقد وجد الباحثون أن هذا الضغط الخاري، الناتج عن قوة الاندفاع للغاز المتساقط والمجالات المغناطيسية المحمولة معه، يمكن أن يعمل على تثبيت النجم بشكل كبير. هذا الدعم الإضافي يسمح للنجم بأن ينمو بشكل أكبر وأثقل بكثير مما كان يُعتقد سابقًا أنه ممكن قبل أن ينهار أخيرًا إلى ثقب أسود.

ركز الباحثون على نوع محدد من النجوم النظرية يُعرف باسم "الهيلوتروب" (hylotrope)، والذي ينمذج كيفية تطور نجم فائق الكتلة أثناء ابتلاعه السريع للغاز. وفي حساباتهم، قاموا بتوسيع قواعد الاستقرار الكلاسيكية التي وضعها الفيزيائي سوبراهمانيان شاندراسيخار في ستينيات القرن الماضي. أظهر عمل شاندراسيخار أنه عندما يصبح النجم ضخمًا للغاية، فإن تأثيرات نظرية النسبية العامة لأينشتاين تجعله غير مستقر، مما يؤدي إلى انكماشه للداخل. وتضيف الدراسة الجديدة قطعة مفقودة حاسمة في هذه المعادلة: الضغط من العالم الخارجي. فقد استنتج الفريق معيارًا رياضيًا جديدًا يأخذ في الاعتبار حقيقة أن النجم يتعرض للضغط من قِبل الغاز الذي يغذيه. واكتشفوا أنه عندما يصل الضغط الخارجي إلى جزء صغير جدًا — حوالي واحد من ألف — من الضغط الداخلي للنجم، فإنه يبدأ في مواجهة الآثار المزعزعة للاستقرار الناتجة عن النسبية.

هذا الضغط الخارجي الضئيل له تأثير هائل على الحجم المحتمل للنجم. وتظهر الدراسة أنه بمجرد تجاوز عتبة الضغط هذه، تزداد الكتلة القصوى التي يمكن أن يصل إليها النجم قبل الانهيار بشكل كبير. فبدلاً من أن يقتصر على بضع مئات الآلاف من أضعاف كتلة الشمس، يمكن لنجم محصور بهذا الضغط الخارجي أن ينمو ليشمل ملايين الكتل الشمسية محتملاً. وقد حسب الباحثون أنه لكي يصل النجم إلى هذه الأحجام الاستثنائية، يجب أن يكون الغاز المحيط يسقط بمعدلات تبلغ حوالي مائة كتلة شمسية في السنة، وأن تكون المجالات المغناطيسية في ذلك الغاز قوية بما يكفي لتوفير حجز إضافي. وتحت هذه الظروف، يمكن للنجم تأخير انهياره الحتمي، لينمو أكبر بكثير من "البذور الثقيلة" التي تتوقعها النماذج التي تتجاهل البيئة المحيطة.

تصل تداعيات هذا الاكتشاف إلى ما هو أبعد من مجرد رياضيات الانهيار النجمي؛ فهي تقدم تفسيرًا محتملاً لوجود أكثر الثقوب السوداء ضخامة التي رُصدت في الكون المبكر، والتي تبدو أكبر من أن تتكون من البذور الأصغر التقليدية. كما توفر منظورًا جديدًا للملاحظات الأخيرة من تلسكوب جيمس ويب الفضائي، الذي رصد أجسامًا غامضة وحمراء وساطعة جدًا في الكون المبكر. يعتقد بعض علماء الفلك أن هذه الأجسام قد تكون هي النجوم فائقة الكتلة التي تصفها هذه الورقة. وتكافح النماذج القياسية لتفسير كيف يمكن لهذه النجوم أن توجد دون أن تنهار، لكن النتائج الجديدة تشير إلى أن الضغط الشديد الناتج عن تدفقات التراكم الخاصة بها يمكن أن يحافظ على استقرارها عند الأحجام الضخمة المطلوبة لتطابق ملاحظات التلسكوب.

يلاحظ المؤلفون بحذر أن هذه النتائج تستند إلى نماذج ومحاكاة نظرية، وليس إلى قياسات مباشرة لنجم حقيقي، وهو أمر سيكون مستحيلاً ملاحظته بهذا التفصيل. وهم يقرون بأن الكون الحقيقي فوضوي، حيث من المرجح أن تدور النجوم وتتراكم حولها الغازات بطرق معقدة وغير متساوية لا تستطيع نماذجهم الكروية المبسطة استيعابها بالكامل. ومع ذلك، فإن النتيجة الجوهرية — وهي أن البيئة مهمة — هي نتيجة قوية. تشير الدراسة إلى أن نفس العملية التي تبني النجم تساعد أيضًا في الحفاظ على تماسكه. فالغاز الذي يغذي النجم يضغط عليه أيضًا، والمجالات المغناطيسية المتولدة عن ذلك التدفق توفر قبضة مثبتة. وهذا التفاعل يعني أن الكتلة النهائية للثقب الأسود الناتج ليست مجرد خاصية للنجم نفسه، بل هي نتيجة للبيئة العنيفة وعالية الضغط التي ولد فيها.

في نهاية المطاف، ينقل هذا العمل التركيز من النجم كجسم معزول إلى النجم كجزء من نظام ديناميكي. إنه يشير إلى أن أكثر الثقوب السوداء تطرفًا في الكون قد تكون تشكلت في أكثر البيئات تطرفًا، حيث كان تدفق الغاز قويًا لدرجة أنه غير قواعد الاستقرار النجمي بشكل جذري. ومن خلال مراعاة ضغط تدفق التراكم، فتح الباحثون نافذة جديدة على كيفية نمو العمالقة الأوائل في الكون، مقدمين مسارًا محتملاً لكيفية إنتاج الطبيعة للبذور التي شكلت الثقوب السوداء فائقة الكتلة التي تهيمن على كوننا اليوم.