"מיילדות קוסמיות": האם חורים שחורים יצרו כוכבים מיד אחרי המפץ הגדול?

מחקר חדש מציע שחורים שחורים קדמוניים, שנוצרו בזמן המפץ הגדול, יכלו למלא תפקיד מרכזי ביצירת הכוכבים הראשונים ביקום. הממצאים יכולים לעזור להעריך עד כמה מתאימים חורים שחורים קדמוניים כמועמדים לחומר אפל - החומר המסתורי ביותר ביקום. צוות המחקר עדיין לא בטוח האם החורים השחורים פעלו כ"מיילדות קוסמיות" על ידי העברת חומר לאתרי לידת כוכבים, או שהם דיכאו את לידת הכוכבים.

התפקיד - תלוי במסת החור השחור

התפקיד שמילאו החורים השחורים הקדמוניים ביצירת מה שנקרא "כוכבי אוכלוסייה III" (שם מבלבל לדור הראשון של כוכבים) תלוי לחלוטין במסות של החורים השחורים האלה.

"חקרנו איך חורים שחורים קדמוניים - חורים שחורים עתיקים שאולי נוצרו ביקום המוקדם מאוד - יכלו להשפיע על לידת הכוכבים הראשונים", אמר חבר הצוות סטפנו פרופומו מאוניברסיטת קליפורניה בסנטה קרוז. "באמצעות סימולציות מחשב מתקדמות, גילינו שבהתאם למסה ולשפע שלהם, החורים השחורים האלה יכלו להאיץ או לעכב את היווצרות הכוכבים הראשונים".

פרופומו הוסיף שבמקרים מסוימים, חורים שחורים קדמוניים כנראה פעלו כמו "זרעים קוסמיים", ועזרו לחומר להתקבץ מוקדם מהצפוי. עם זאת, בתרחישים אחרים, הצוות גילה שהחורים השחורים האלה יכלו לשבש ענני גז, ובעצם למנוע מכוכבים להיווצר במהירות.

מה הם החורים השחורים הקדמוניים?

חורים שחורים קדמוניים נחשבים כאלה שנוצרו כתוצאה מתנודות צפיפות חומר ביקום המוקדם. מדובר ב"אובייקט" שונה מחורים שחורים שנוצרים ממסת כוכבים (אלה נוצרים כשכוכבים מאסיביים קורסים לתוך עצמם ומתפוצצים לסופרנובות בסוף חייהם).

זה אומר שחורים שחורים קדמוניים לא היו צריכים לחכות שהדור הראשון של כוכבים יחיה וימות לפני שיוכלו להיווצר. כמו כן, המצב הזה לא מציב את אותם סוגי מגבלות מסה על חורים שחורים קדמוניים שקיימות לחורים שחורים "רגילים".

"חורים שחורים קדמוניים יכולים לשמש כמרכזי כבידה חזקים. ביקום המוקדם, הם יכלו למשוך גז וחומר אפל מהר יותר, ולהתחיל את היווצרותן של גלקסיות קטנות וכוכבים", אומר פרופומו. "זה יכול להסביר איך כמה מהגלקסיות המוקדמות ביותר שאנחנו רואים עכשיו - הודות לטלסקופ החלל ג'יימס ווב - הצליחו להיווצר כל כך מהר אחרי המפץ הגדול".

עם זאת, חורים שחורים קדמוניים חייבים להיות במסה מסוימת כדי למלא תפקיד חיובי בלידת כוכבים. "כדי להגביר את היווצרות כוכבים מוקדמת באופן שצפינו, החורים השחורים היו צריכים להיות די מאסיביים - בערך אלף עד עשרת אלפים פעמים המסה של השמש שלנו", אמר פרופומו.

על פי המחקר, חורים שחורים קדמוניים מאסיביים יותר יעשו זאת על ידי הגדלת תנודות צפיפות בחומר. המצב הזה יצור את מה שהחוקרים קוראים לו "הילות חומר אפל" - אשכולות עצומים של הצורה המסתורית הזו של חומר, אשר בתוכם יכלו אבני הבניין של כוכבים וגלקסיות להתאסף.

המסה הלא נכונה - מזיקה

הצוות גילה שחורים שחורים קדמוניים במסות קטנות (בערך 100 פעמים זו של השמש שלנו) לא היו מגדילים תנודות צפיפות. במקום זאת, הסימולציות הצביעו על כך שאם היו מספיק חורים שחורים קדמוניים פחות מסיביים, השפעת הכבידה שלהם הייתה יוצרת כוחות גיאות בתוך ענני גז עצומים ומחממת אותם.

מדובר במצב בעייתי להיווצרות כוכבים, כיוון שגרמי שמיים שנולדים כשגושי גז ואבק קרים וצפופי-יתר, קורסים תחת השפעת הכבידה שלהם. ככל שיש יותר חורים שחורים קדמוניים במסה נמוכה ביקום המוקדם, יותר גז מתחמם וכך נבלמת היווצרות של כוכבים.

"המחקר הזה אומר לנו שאם חורים שחורים קדמוניים אכן מרכיבים חלק, או את כל החומר האפל, הם לא יכולים פשוט להיות בכל מסה או להיות נוכחים בכל כמות", אומר פרופומו. "אם יש יותר מדי, או אם הם מאסיביים מדי, הם היו גורמים לכוכבים הראשונים להיווצר מוקדם מדי - לפני שאנחנו רואים כל סימן אליהם".

חומר אפל בעייתי עבור מדענים. למרות שהוא מהווה כ-85% מהחומר ביקום, הוא נשאר, למעשה, בלתי נראה. הדבר הזה אומר שכל מה שאנחנו רואים - כוכבים, כוכבי לכת, ירחים, אסטרואידים, שביטים - מהווה רק 15% מהחומר ביקום כולו.

דרכי גילוי עתידיות

"ההשפעות שחקרנו היו מופיעות במהלך מה שנקרא 'השחר הקוסמי' - בערך 100 עד 200 מיליון שנה אחרי המפץ הגדול. בכמה מהתרחישים הקיצוניים ביותר שלנו, היווצרות כוכבים יכלה להתחיל כבר 15 מיליון שנה אחרי המפץ הגדול - הרבה יותר מוקדם ממה שמודלים מסורתיים מציעים", אמר פרופומו.

"אם טלסקופים כמו ג'יימס ווב או מכשירים עתידיים ימצאו גלקסיות או כוכבים שנוצרים מוקדם מאוד ביקום, זה יתמוך ברעיון שמשהו כמו חורים שחורים קדמוניים עזר למבנים קוסמיים להיווצר מהר יותר מהרגיל".

המחקר של הצוות זמין במאגר המאמרים arXiv.