تم الكشف عن الثقوب السوداء، والتي كانت في السابق بعيدة المنال وغير مرئية، من خلال مراقبة أحداث الاضطراب المد والجزر (TDEs)، حيث يتم تدمير النجوم بعنف، مما يؤدي إلى توليد توهجات مضيئة يمكن ملاحظتها عبر مسافات شاسعة.
يؤكد التعتيم الدرامي لمصدر الضوء على بعد حوالي 860 مليون سنة ضوئية من الأرض دقة من نموذج مفصل تم تطويره من قبل فريق من علماء الفيزياء الفلكية من جامعة سيراكيوز، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، و معهد علوم التلسكوب الفضائي.
فهم الثقوب السوداء من خلال TDEs
تلسكوبات قوية مثل ناساتوفر مرصدات هابل وجيمس ويب وتشاندرا للأشعة السينية للعلماء نافذة على الفضاء العميق لاستكشاف فيزياء الثقوب السوداء. وبينما قد يتساءل المرء كيف يمكنك “رؤية” ثقب أسود، ثقب اسودإن النجوم التي تمتص كل الضوء، تصبح ممكنة بفضل أحداث الاضطراب المدّي (TDEs) – حيث يتم تدمير النجم بواسطة ثقب أسود فائق الكتلة ويمكن أن تغذي “توهج تراكمي مضيء”. وبفضل سطوعها الذي يزيد عن سطوع الشمس بآلاف المليارات من المرات، تمكن أحداث التراكم علماء الفيزياء الفلكية من دراسة الثقوب السوداء الهائلة الكتلة (SMBHs) على مسافات كونية.
تحدث ظاهرة TDEs عندما يتمزق نجم بعنف بواسطة حقل الجاذبية الهائل لثقب أسود. ومع تمزق النجم، تتحول بقاياه إلى تيار من الحطام الذي يهطل مرة أخرى على الثقب الأسود ليشكل قرصًا شديد السخونة واللمعان من المواد التي تدور حول الثقب الأسود، ويسمى قرص التراكم. يمكن للعلماء دراسة هذه الظاهرة لإجراء ملاحظات مباشرة على ظاهرة TDEs ومقارنتها بالنماذج النظرية لربط الملاحظات بالخصائص الفيزيائية للنجوم الممزقة والثقوب السوداء الممزقة.
الابتكارات في مجال أبحاث الثقوب السوداء
استخدم فريق من الفيزيائيين من جامعة سيراكيوز، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، ومعهد علوم التلسكوب الفضائي، النمذجة التفصيلية للتنبؤ بإضاءة وخفوت AT2018fyk، وهو TDE جزئي متكرر، مما يعني أن النواة عالية الكثافة للنجم نجت من التفاعل التجاذبي مع SMBH، مما يسمح لها بالدوران حول الثقب الأسود والتمزق أكثر من مرة.
وتوقع النموذج أن “يخفت” AT2018fyk في أغسطس 2023، وهو التوقع الذي تأكد عندما اختفى المصدر في الصيف الماضي، مما يوفر دليلاً على أن نموذجهم يقدم طريقة جديدة لاستكشاف فيزياء الثقوب السوداء. وقد نُشرت نتائجهم في مجلة Nature. ال رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.
مصدر للطاقة العالية
بفضل المسوحات المجرية التفصيلية بشكل لا يصدق، يراقب العلماء المزيد من مصادر الضوء القادمة والمختفية أكثر من أي وقت مضى. تقوم المسوحات بمسح نصفي الكرة الأرضية بالكامل بحثًا عن سطوع أو خفوت مفاجئ للمصادر، مما يخبر الباحثين أن شيئًا ما قد تغير. على عكس التلسكوب الموجود في غرفة المعيشة الخاصة بك والذي يمكنه فقط تركيز الضوء المرئي، يمكن للتلسكوبات مثل شاندرا اكتشاف مصادر الضوء في ما يشار إليه بطيف الأشعة السينية المنبعث من مادة تبلغ درجة حرارتها ملايين الدرجات.
الضوء المرئي والأشعة السينية كلاهما شكلان من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي، لكن الأشعة السينية لها أطوال موجية أقصر وطاقة أكبر. وعلى غرار الطريقة التي يصبح بها موقدك “أحمر ساخنًا” بعد تشغيله، فإن الغاز الذي يتكون منه القرص “يتوهج” عند درجات حرارة مختلفة، مع وجود المادة الأكثر سخونة بالقرب من الثقب الأسود. ومع ذلك، بدلاً من إشعاع طاقته بأطوال موجية بصرية مرئية للعين، ينبعث الغاز الأكثر سخونة في قرص التراكم في طيف الأشعة السينية. هذه هي نفس الأشعة السينية التي يستخدمها الأطباء لتصوير عظامك والتي يمكن أن تمر عبر الأنسجة الرخوة، وبسبب هذه الشفافية النسبية، تم تصميم أجهزة الكشف التي تستخدمها تلسكوبات الأشعة السينية التابعة لوكالة ناسا خصيصًا للكشف عن هذا الإشعاع عالي الطاقة.
أداء متكرر
في يناير 2023، نشر فريق من علماء الفيزياء، بما في ذلك إريك كوفلين، أستاذ في قسم الفيزياء بجامعة سيراكيوز، وديراج آر. “دي جيه” باشام، عالم أبحاث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وتوماس ويفرز، زميل في معهد علوم تلسكوب الفضاء، ورقة بحثية في رسائل مجلة الفيزياء الفلكية اقترح هذا الفريق نموذجًا تفصيليًا لتكرار TDE الجزئي. وكانت نتائجهم هي الأولى التي رسمت خريطة لمدار عودة نجم مفاجئ حول ثقب أسود فائق الكتلة – وكشفت عن معلومات جديدة حول واحدة من أكثر البيئات تطرفًا في الكون.
استند الفريق في دراستهم على ظاهرة TDE المعروفة باسم AT2018fyk (AT تعني “الظواهر الفيزيائية الفلكية العابرة”)، حيث اقترح أن نجمًا قد تم أسره بواسطة ثقب أسود فائق الكتلة من خلال عملية تبادل تُعرف باسم “أسر التلال”. في الأصل، كان أحد النجمين جزءًا من نظام ثنائي (نجمان يدوران حول بعضهما البعض تحت جاذبيتهما المتبادلة)، وقد افترض أن أحد النجمين قد تم أسره بواسطة المجال الجاذبي للثقب الأسود بينما تم إخراج النجم الآخر (غير المأسور) من مركز المجرة بسرعات مماثلة لـ ~ 1000 كم / ثانية.
بمجرد ارتباطه بالثقب الأسود فائق الكتلة، يتم تجريد النجم الذي يغذي الانبعاث من AT2018fyk مرارًا وتكرارًا من غلافه الخارجي في كل مرة يمر فيها عبر أقرب نقطة له من الثقب الأسود. تشكل الطبقات الخارجية المجردة من النجم قرص التراكم الساطع، والذي يمكن للباحثين دراسته باستخدام تلسكوبات الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية / البصرية التي تراقب الضوء من المجرات البعيدة.
في حين أن TDEs عادة ما تكون “مرة واحدة فقط” لأن المجال الجاذبي الشديد للثقب الأسود فائق الكتلة يدمر النجم، مما يعني أن الثقب الأسود فائق الكتلة يتلاشى مرة أخرى في الظلام بعد توهج التراكم، إلا أن AT2018fyk قدم فرصة فريدة لاستكشاف TDE جزئي متكرر.
استخدم فريق البحث ثلاثة تلسكوبات لإجراء الاكتشافات الأولية والمتابعة: سويفت وتشاندرا، وكلاهما تديرهما وكالة ناسا، وXMM-Newton، وهي مهمة أوروبية. تم رصد AT2018fyk لأول مرة في عام 2018، وهو يبعد حوالي 860 مليون سنة ضوئية، مما يعني أنه بسبب الوقت الذي يستغرقه الضوء للسفر، فقد حدث ذلك في “الوقت الحقيقي” منذ حوالي 860 مليون سنة.
واستخدم الفريق نماذج تفصيلية للتنبؤ بأن مصدر الضوء سوف يختفي فجأة في حوالي أغسطس/آب 2023، ثم يضيء مرة أخرى عندما تتجمع المادة المنزوعة حديثًا على الثقب الأسود في عام 2025.
استكشاف المستقبل: التوقعات والتداعيات
وتأكيدًا لدقة نموذجهم، أبلغ الفريق عن انخفاض في تدفق الأشعة السينية على مدى شهرين، بدءًا من 14 أغسطس 2023. ويمكن تفسير هذا التغيير المفاجئ على أنه الإغلاق الثاني للانبعاثات.
يقول كوفلين: “يُظهر إغلاق الانبعاث المرصود أن نموذجنا وافتراضاتنا قابلة للتطبيق، ويشير إلى أننا نرى حقًا نجمًا يلتهمه ثقب أسود بعيد وهائل للغاية ببطء”. “في ورقتنا البحثية العام الماضي، استخدمنا القيود من الانفجار الأولي، والخفوت، وإعادة الإشراق للتنبؤ بأن AT2018fyk يجب أن يُظهر خفوتًا مفاجئًا وسريعًا في أغسطس من عام 2023، لو نجا النجم من اللقاء الثاني الذي أدى إلى التوهج الثاني.
إن حقيقة أن النظام أظهر هذا الإغلاق المتوقع تشير إلى عدة تمييزات بين النجم والثقب الأسود:
- نجا النجم من لقائه الثاني مع الثقب الأسود؛
- إن معدل عودة الحطام المجرد إلى الثقب الأسود يرتبط ارتباطًا وثيقًا بسطوع AT2018fyk؛
- وتبلغ الفترة المدارية للنجم حول الثقب الأسود حوالي 1300 يوم، أو حوالي 3.5 سنة.
ويشير القطع الثاني إلى أنه ينبغي أن يحدث إعادة سطوع أخرى بين مايو وأغسطس من عام 2025، وإذا نجا النجم من اللقاء الثاني، فمن المتوقع أن يحدث قطع ثالث بين يناير ويوليو من عام 2027.
أما فيما يتعلق بما إذا كان بوسعنا أن نعتمد على رؤية إعادة سطوع في عام 2025، يقول كوفلين إن اكتشاف القطع الثاني يعني أن النجم قد تم تجريده من المزيد من الكتلة حديثًا، والتي يجب أن تعود إلى الثقب الأسود لإنتاج سطوع ثالث.
ويقول: “إن عدم اليقين الوحيد يكمن في ذروة الانبعاث. كانت الذروة الثانية التي أعيد إشراقها أضعف بكثير من الأولى، ومن المؤسف أنه من الممكن أن تكون الانفجار الثالث أضعف. وهذا هو الشيء الوحيد الذي قد يحد من إمكانية اكتشاف هذا الانفجار الثالث”.
ويشير كوفلين إلى أن هذا النموذج يمثل طريقة جديدة ومثيرة لدراسة تكرار حالات TDEs الجزئية النادرة للغاية، والتي يُعتقد أنها تحدث مرة كل مليون عام في مجرة معينة. ويقول إن العلماء واجهوا حتى الآن أربعة أو خمسة أنظمة فقط تظهر هذا السلوك.
“ومع ظهور تكنولوجيا الكشف المحسنة التي تكشف عن المزيد من TDEs الجزئية المتكررة، نتوقع أن يكون هذا النموذج أداة أساسية للعلماء في تحديد هذه الاكتشافات”، كما يقول.
مرجع: “إيقاف تشغيل ثانٍ محتمل من AT2018fyk: تقويم مداري محدث للنجم الناجي تحت نموذج حدث الاضطراب المدّي الجزئي المتكرر” بقلم ديراج باشام، وإي آر كوفلين، وإم. جولو، وتي. ويفرز، وسي جيه نيكسون، وجيسون تي. هينكل، وأيه. باندوبادياي، 14 أغسطس 2024، رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad57b3
. “محلل حائز على جوائز. محب للموسيقى. منشئ. هواة Twitter. مستكشف ودود. محب للتواصل ودود.”