ابرسیاهچالهها ابتدا تشکیل شده‌اند یا کهکشان‌ها
این‌که آیا ابرسیاهچالهها کهکشان‌ها را به وجود آورده‌اند یا این کهکشان‌ها هستند که ابرسیاهچالهها را تشکیل می‌دهند، پرسشی است که سال‌ها ذهن ستاره‌شناسان را مشغول کرده و اکنون تلسکوپ فضایی جیمز وب با تصاویری از رویدادهای کیهان آغازین ممکن است کلید پاسخ به این سوال را در دست داشته باشد.
تلسکوپ فضایی جیمز وب که توسط ناسا در سال ۲۰۲۱ به فضا پرتاب شد، با استفاده از فناوری رصد فروسرخ و جمع‌آوری داده‌ها و تصاویر بهتر که تلسکوپ فضایی هابل قادر به انجام آن نبود شاید بتواند پاسخی به این سوال بدهد.
جوزف سیلک (Joseph Silk)، از دانشگاه جان هاپکینز (Johns Hopkins University) و موسسه اخترفیزیک پاریس (Institut Astrophysique de Paris به اختصار .I.A.P)، با استفاده از داده‌های تلسکوپ جیمز وب نقش هسته‌های فعال کهکشانی (AGN) در کیهان اولیه و شکل‌گیری ستارگان و سیاهچالهها را بررسی کرده است.
کهکشان‌ها از اجرام مختلف نجومی از جمله سیاهچالهها، سیارها و ستاره‌ها تشکیل شده‌اند.
ابرسیاه‌چاله و هسته فعال کهکشانی
ناحیه فشرده مرکزی یک کهکشان (هسته) مقدار زیادی تشعشع از تمام طول موج‌های مختلف در سراسر طیف الکترومغناطیسی ساطع می‌کند که بسیار درخشان‌تر از چیزی است که یک ستاره می‌تواند تولید کند.
همه کهکشان‌ها دارای هسته فعال کهکشانی نیستند، اما در هسته اکثر کهکشان‌های بزرگ، یک سیاهچاله کلان‌جرم (SMBH) یا به اصطلاح ابرسیاه‌چاله وجود دارد که بسیار سنگین‌تر از سیاه‌چاله‌های معمولی هستند.
رابطه بین هسته فعال کهکشانی و ابرسیاه‌چاله مهم است و ممکن است به این پرسش پاسخ دهد که کدام یک اول ایجاد شده است.
هسته‌های فعال کهکشانی از تجمع مواد (برافزایش) در ابرسیاهچالهها تغذیه می‌شوند؛ برافزایش پدیده‌ای است که در آن کشش گرانشی ابرسیاه‌چاله باعث می‌شود ذرات ماده مانند غبار یا گازها در اطراف آن جمع شوند.
هسته‌های فعال کهکشانی را «فعال» می‌نامند، زیرا دائما فواره‌ها، جریان‌های خروجی و درخشندگی شدید را منتشر می‌کنند و از آنجایی که یکی از پدیده‌های متلاطم و پویا در کهکشان‌هاست، می‌تواند به ما در درک تکامل ابرسیاه‌چاله و چگونگی کمک آن‌ها به شکل‌گیری کهکشان‌ها کمک کند.
سیلک توضیح می‌دهد: «ابرسیاهچالهها در جهان اولیه حداقل ۱۰ برابر بیشتر از زمان فعلی ما رایج بوده‌اند. علاوه بر این، نسبت به جرم ستارگان کهکشان میزبان در مقایسه با امروز، غالب‌تر بوده‌اند؛ همه این‌ها نشان می‌دهد که ابرسیاهچالهها در مراحل اولیه شکل‌گیری کهکشان‌ها شکل گرفته‌اند.»
نور انتقال به سرخ و کیهان اولیه
نوری که به سوی ما می‌آید، اطلاعات مهمی در مورد کیهان برای ما به ارمغان می‌آورد. هرچه منشا نور دورتر باشد، ما زمان دورتری را مشاهده می‌کنیم زیرا طول می‌کشد تا نور از اجسام دور به ما برسد. همین طور که جهان در حال منبسط شدن است، نور ساطع شده در کیهان اولیه باید مسافت بیشتری را طی کند تا به ما برسد و در نتیجه نور کشیده می‌شود یا به اصطلاح به سمت طیف سرخ منتقل می‌شود.
نور انتقال به سرخ، نوری است که طول موج آن به سمت قسمت سرخ طیف الکترومغناطیسی تغییر کرده است که نشان دهنده سن نور است.
تمرکز جیمز وب بر جمع‌آوری داده‌های مربوط به هسته فعال کهکشانی در کهکشان‌های دارای جابه‌جایی بالا به سمت طیف سرخ است که از قدیمی‌ترین ساختارهای کیهان هستند؛ این ساختارهای اولیه اطلاعاتی در مورد کیهان اولیه و فرآیندهای پیرامون تشکیل سیاهچالهها و کهکشان‌ها دارند.
محققان به کهکشان‌های فشرده سرخ شده از غبار «نقاط سرخ کوچک» می‌گویند؛ سیلک دلیل این نام مستعار را اینگونه توضیح می‌دهد: «اغلب کهکشان‌ها با جابجایی بالا به سرخ مشاهده شده توسط جیمز وب، به دلیل غبارآلود بودن «سرخ» و به دلیل فشرده بودن «نقطه» نامیده می‌شوند که اغلب آن‌ها حاوی ابرسیاه‌چاله هستند.»
محققان با استفاده از شبیه‌سازی‌ها و داده‌های رصدی جیمز وب، رابطه نزدیکی را بین تکامل کهکشان‌ها و ابرسیاهچالهها در اوایل کیهان پیشنهاد کردند. این باعث شد که آن‌ها سه دوره متمایز را براساس انتقال به سرخ کهکشان‌ها با استفاده از پارامتر z برای توضیح شکل‌گیری هر دو تعریف کنند.
تعریف دوره‌ها
پارامتر انتقال به سرخ تحت عنوان «z» به ما می‌گوید که نور یک جرم آسمانی هر چقدر کشیده شده باشد به همان نسبت دور است و به طور موثر به ما امکان می‌دهد به گذشته نگاه کنیم.
دوره اول: جهان اولیه (z > ۱۵)
در این زمان، کیهان جوان بوده و کهکشان‌ها تازه شروع به شکل‌گیری کرده بودند. این کهکشان‌ها با جابه‌جایی بالا به سمت طیف سرخ در مرکز خود دارای خوشه‌های ستاره‌ای متراکم بودند که به آن‌ها «خوشه‌های ستاره‌ای هسته‌ای» می‌گویند.
این ستارگان متراکم ناحیه فشرده‌ای را در نزدیکی مرکز کهکشان تشکیل دادند، از همین رو به نام «کهکشان‌های فوق فشرده با جابجایی به سرخ بالا» نام گرفتند، جایی که در نهایت مردند و سیاهچالهها را تشکیل دادند.
سیلک می‌گوید: «سیاهچالهها به سرعت با یکدیگر در این منطقه فوق‌العاده متراکم ادغام شدند و رشد آن‌ها به لطف تراکم بسیار بالا مرکزی افزایش یافت؛ در نتیجه یک سیاهچاله با جرم متوسط (IMBH) یا حتی یک ابرسیاه‌چاله را تشکیل دادند.»
اندازه این کهکشان‌ها یک دهم یا صدم یک کهکشان مشابه امروزی است. سرانجام با تشکیل سیاهچالهها، برافزایش منجر به تشکیل هسته فعال کهکشانی شده است.
دوره دوم: اوج شکل‌گیری ستارگان(۵۱ < ۵ < z)
هسته فعال کهکشانی اکنون برجسته و متلاطم است که منجر به خروج گازهایی می‌شود که منجر به تشکیل ستاره‌ها می‌شود. هر چه سیاهچاله بزرگتر شود، ستارگان بیشتری شروع به شکل‌گیری می‌کنند.
سیلک توضیح می‌دهد: «ابرهای گازی که در ابرسیاه‌چاله قرار می‌گیرند به دلیل کشش گرانشی قوی ابرسیاه‌چاله گرم می‌شوند که منجر به ایجاد یک توپ پرانرژی می‌شود.»
وی می‌گوید: «به لطف چرخش سریع و میدان مغناطیسی ابرسیاه‌چاله، بیشتر جرم به سمت داخل سقوط می‌کند تا در سیاهچاله ناپدید شود، اما برخی از آن‌ها به یک فواره بسیار پرانرژی خروجی تبدیل می‌شوند.»
به گفته سیلک، این فواره است که با ابرهای گازی در حال چرخش مجاور برخورد می‌کند و آن‌ها را غرق می‌کند و فشار عظیمش آن‌ها را فشرده می‌کند؛ این ابرها فرو می‌ریزند و به شکل ستاره‌ها تکه تکه می‌شوند.
دوره سوم: فرونشینی (z < ۵)
همان طور که جهان در حال گذار به انتقال سرخ کمتر است، تاکنون به خوبی گسترش یافته و منبسط شده است. بادهای نزدیک به هسته فعال کهکشانی باعث می شوند که گازهای لازم برای تشکیل ستاره پراکنده شوند.
اگر این مخزن گازی خالی شود، شکل‌گیری ستاره نیز فرونشین می‌کند که منجر به کاهش نرخ تشکیل ستاره در طول زمان در یک کهکشان می‌شود.
هم‌افزایی، تکامل مشترک و آینده جیمز وب
به نظر می‌رسد که یک رابطه نزدیک بین تکامل ابرسیاهچالهها و کهکشان‌های میزبان آن‌ها وجود دارد که بر رابطه هم‌افزایی بین فعالیت هسته فعال کهکشانی و فعالیت ستاره تکیه دارد؛ این بدان معنی است که فعالیت هسته فعال کهکشانی که توسط تجمع و برافزایش ماده بر روی ابرسیاهچالهها هدایت می‌شود، با آزاد کردن مقادیر زیادی انرژی بر شکل‌گیری ستاره تاثیر می‌گذارد.
برعکس، رشد ستارگان می‌تواند ابرسیاهچالهها را با از دست دادن جرم ستاره‌ای تحت تاثیر قرار دهد که می‌تواند به قرص برافزایشی کمک کند. بنابراین در پایان می‌توان گفت که آن پرسش اولیه مبنی بر این که ابرسیاهچالهها ابتدا تشکیل شده‌اند یا کهکشان‌ها هنوز پاسخ روشنی دریافت نکرده است.