سیاه‌چاله‌ای که 470 میلیون سال پس از مه‌بانگ وزن شد

اختروش‌هایی (quasars) که سیاه‌چاله‌هایی با جرم میلیاردها برابر خورشید آن‌ها را نیرو می‌دادند، زمانی که کیهان کمتر از یک میلیارد سال داشت وجود داشتند. اینکه این سیاه‌چاله‌ها چگونه چنین بزرگ و چنین سریع رشد کردند یکی از معماهای گشودهٔ اخترشناسی است. پیمایش‌های میدان‌گسترده صدها مورد از این غول‌ها را یافته‌اند، اما تنها پرنورترین‌هایشان را.

تلسکوپ فضایی جیمز وب تصویر را دگرگون کرد. این تلسکوپ می‌تواند هسته‌های کهکشانی فعالِ بسیار کم‌نورتری را ببیند — کهکشان‌هایی که سیاه‌چالهٔ مرکزی‌شان در حال تغذیه است — با شکار خطوط گسیلی پهن: نور گازی که چنان سریع نزدیک سیاه‌چاله می‌چرخد که خطوط طیفی‌اش — رنگ‌های دقیقی که هر عنصر گسیل می‌کند — پخش می‌شوند. بسیاری از این اجرام چشمه‌هایی فشرده و بسیار سرخ‌نما هستند با لقب «نقطه‌های سرخ کوچک» (Little Red Dots)، که ماهیتشان هنوز محل بحث است.

جست‌وجویی بدون میان‌بُر

Xingyao Cai، Akio K. Inoue، Masafusa Onoue و همکارانشان، به رهبری دانشگاه واسدا در توکیو، طیف‌های عمومی بایگانی DAWN JWST را بررسی کردند: 1,247 چشمه با فاصله‌های قطعی میان انتقال به سرخ 6 و 10.3 — انتقال به سرخ، که با z نشان داده می‌شود، می‌سنجد که انبساط کیهان نور آن‌ها را چقدر کشیده است: هرچه بیشتر باشد، چشمه دورتر است و آن را در زمانی دورتر در گذشته می‌بینیم. آن‌ها هیچ پیش‌گزینشی بر پایهٔ رنگ یا اندازه انجام ندادند. برای هر طیف پرسیدند که آیا مدلی با یک خط هیدروژنی پهن بهتر از مدلی بدون آن برازش می‌شود یا نه. 66 نامزد از این آزمون گذشتند.

دورترینِ آن‌ها MoM-BL-z10 است که در برنامهٔ «Mirage or Miracle» رصد شده، در انتقال به سرخ z = 9.9837 — زمانی که کیهان تنها 470 میلیون سال داشت.

خط پهن هیدروژن-بتای آن، که به‌صورت نور مرئی آبی-سبز گسیل می‌شود، حدود یازده برابر کشیده (1 + z) و در فروسرخ، در 5.35 میکرومتر به ما می‌رسد، درست کمی آن‌سوی مرز 5.3 میکرومتری پردازش استاندارد وب. این خط تنها به این دلیل دیده شد که کاهش داده در این بایگانی آن تکهٔ اضافی طیف را بازیابی می‌کند.

تصاویر وب از MoM-BL-z10 در هفت فیلتر (بالا) و طیف آن، با خط پهن هیدروژن-بتای برازش‌شده در سمت راست. — شکل 1، Cai و همکاران (2026)، arXiv:2610.28735، CC BY 4.0.

وزن کردن سیاه‌چاله

خط پهن با نسبت سیگنال به نوفهٔ 3.87 آشکار شده است، تنها کمی بالاتر از آستانهٔ 3 که نویسندگان از پیش تعیین کرده بودند. نورِ گازی که به سوی ما می‌آید به یک سو جابه‌جا می‌شود و نورِ گازی که دور می‌شود به سوی دیگر (اثر دوپلر)، پس پهنای خط به‌صورت گستره‌ای از سرعت‌ها اندازه‌گیری می‌شود: 3,480 کیلومتر بر ثانیه (با عدم‌قطعیت‌های بزرگ: −950، +2,040). نسبت‌های خطوط دیگر، از نئون و اکسیژن، این جسم را در میان هسته‌های فعال قرار می‌دهند و نه در میان کهکشان‌های معمولیِ ستاره‌ساز.

ترکیب سرعت گاز با درخشندگی چشمه، که اندازهٔ ناحیه‌ای را که نور از آن می‌آید تعیین می‌کند، یک جرم «ویریالی» (virial mass) به دست می‌دهد — نخستین برآورد از این دست در انتقال به سرخ 10:

• با دستورالعمل استانداردی که برای اختروش‌ها به کار می‌رود، حدود 36 میلیون برابر جرم خورشید (3.6 × 10⁷، تقریباً میان 19 و 94 میلیون)، که با 11% از بیشینهٔ نظری آهنگ تغذیه، یعنی حد ادینگتون — سقفی که فراتر از آن نورِ مادهٔ فروریزنده گاز را به بیرون می‌راند و سیاه‌چاله را از غذا محروم می‌کند — تغذیه می‌کند؛
• با دستورالعملی که برای نقطه‌های سرخ کوچک پیشنهاد شده، و با این فرض که با همان بیشینه تغذیه می‌کند، حدود 2.1 میلیون برابر جرم خورشید — 17 برابر کمتر.

این جسم فشرده به نظر می‌رسد و رنگ‌های مورد انتظار برای یک نقطهٔ سرخ کوچک را دارد، اما نویسندگان با داده‌های کنونی از رده‌بندی آن به این عنوان خودداری می‌کنند.

بیش از حد سنگین، بیش از حد زود

گروه پژوهشی بازسازی کرد که چنین سیاه‌چاله‌ای چگونه می‌توانست از انتقال به سرخ 25 رشد کند، یعنی مدت‌ها پیش از آن 470 میلیون سالی که در آن دیده می‌شود. از یک بذر سبک — بقایای ستاره‌ای با جرم 10 تا 100 برابر خورشید — رسیدن به 36 میلیون برابر جرم خورشید به آهنگ میانگینی حدود دو برابر حد ادینگتون نیاز دارد. یک بذر سنگین با جرم 10,000 تا 100,000 برابر خورشید، که شاید از فروریزش مستقیم یک ابر گازی زاده شده باشد، می‌توانست با تغذیه در حد ادینگتون به آنجا برسد. با آهنگ رصدشدهٔ 11%، هرگز نمی‌توانست چنین بزرگ شود: باید در گذشته سریع‌تر خورده باشد.

تاریخچه‌های رشد ممکن: ستارهٔ زرد (جرم استاندارد) جایی قرار دارد که بذرهای سبک به تغذیهٔ فراادینگتونی نیاز دارند و بذرهای سنگین کافی‌اند. — شکل 5، Cai و همکاران (2026)، arXiv:2610.28735، CC BY 4.0.

حتی رسیدن به جرم کمتر نیز از بذری ستاره‌ای که در حد ادینگتون رشد می‌کند دشوار است.

در مرز توانایی‌های وب

MoM-BL-z10 اکنون دورترین هستهٔ فعال شناخته‌شده با خطوط پهن است، فراتر از CAPERS-LRD-z9 در z = 9.29. دو نامزد پیشین نزدیک انتقال به سرخ 10، یعنی UHZ1 و GN-z11، هرگز خط پهنی که با اطمینان آشکار شده باشد نشان ندادند. از آنجا که خط هیدروژن در اینجا درست در لبهٔ طیف‌نگار وب قرار دارد، نویسندگان گمان می‌کنند که انتقال به سرخ 10 شاید به حد عملی یافتن سیاه‌چاله‌های کم‌نور به این روش نزدیک باشد. جست‌وجویی گسترده‌تر، با یک فهرست کامل، در دست آماده‌سازی است.