تم نشر هذه المقالة أصلا في المحادثة. ساهمت المجلة في نشر المقال على موقع Space.com. أصوات الخبراء: مقالات رأي ورؤى. فان زو هو طالب دراسات عليا في جامعة ولاية بنسلفانيا دبليو نيل براندت هو أستاذ علم الفلك والفيزياء الفلكية في جامعة ولاية بنسلفانيا.
الثقوب السوداء هي أجسام فلكية رائعة ذات جاذبية قوية لدرجة أن لا شيء، حتى الضوء، يستطيع الإفلات منها. والثقوب السوداء العملاقة، المعروفة باسم “الثقوب السوداء الهائلة الكتلة”، قد يصل وزنها إلى ملايين إلى مليارات المرات من كتلة الشمس.
هؤلاء العمالقة تعيش عادة في مراكز المجراتتحتوي مجرتنا، درب التبانة، على ثقب أسود فائق الكتلة في قلبها أيضًا.
إذن، كيف تصبح هذه الثقوب السوداء الهائلة الكتلة هائلة الكتلة؟ للإجابة على هذا السؤال، فريقنا من استرعلماء الفيزياء نظرنا إلى الوراء في الزمن عبر تاريخ الكون الممتد إلى 13.8 مليار سنة لتتبع كيفية نمو الثقوب السوداء الهائلة من الأيام الأولى حتى اليوم.
لقد قمنا ببناء نموذج لـ تاريخ النمو الإجمالي من الثقوب السوداء الهائلة التي امتدت على مدى الـ 12 مليار سنة الماضية.
كيف تنمو الثقوب السوداء الهائلة؟
تنمو الثقوب السوداء الهائلة بشكل أساسي بطريقتين. إذ يمكنها استهلاك الغاز من المجرات المضيفة لها في عملية تسمى التراكمويمكنهم أيضًا دمج مع بعضها البعض عندما تصطدم مجرتان.
عندما تستهلك الثقوب السوداء الهائلة الغاز، فإنها تصدر دائمًا تقريبًا أشعة سينية قوية، وهو نوع من الضوء عالي الطاقة غير المرئي للعين المجردة. ربما سمعت عن الأشعة السينية لدى طبيب الأسنان، حيث تُستخدم أحيانًا لفحص أسنانك. الأشعة السينية التي يستخدمها علماء الفلك عادةً ما تكون طاقاتها أقل من الأشعة السينية الطبية.
فكيف يمكن لأي ضوء، حتى الأشعة السينية غير المرئية، أن يهرب من الثقوب السوداء؟ بالمعنى الدقيق للكلمة، لا يأتي الضوء من الثقوب السوداء نفسها، بل من الغاز الموجود خارجها مباشرة. عندما ينجذب الغاز نحو الثقب الأسود، فإنه يسخن ويضيء لإنتاج الضوء، مثل الأشعة السينية. وكلما زاد الغاز الذي يستهلكه الثقب الأسود الهائل، زاد عدد الأشعة السينية التي ينتجها.
بفضل البيانات المتراكمة على مدى أكثر من 20 عامًا من ثلاثة من أقوى مرافق الأشعة السينية التي تم إطلاقها إلى الفضاء على الإطلاق – تشاندرا, XMM-نيوتن و إيروسيتا – يتمكن علماء الفلك من التقاط الأشعة السينية من عدد كبير من الثقوب السوداء الهائلة المتراكمة في الكون.
تسمح هذه البيانات لفريق البحث لدينا بتقدير مدى سرعة نمو الثقوب السوداء الهائلة عن طريق استهلاك الغاز. في المتوسط، يمكن للثقب الأسود الهائل أن يستهلك ما يكفي من الغاز ليصل إلى كتلة الشمس تقريبًا كل عام، مع اعتماد القيمة الدقيقة على عوامل مختلفة.
على سبيل المثال، وتظهر البيانات إن معدل نمو الثقب الأسود، والذي يمتد في المتوسط على مدى ملايين السنين، مرتبط ارتباطًا وثيقًا بكتلة جميع النجوم في مجرته المضيفة.
كم مرة تندمج الثقوب السوداء الهائلة؟
بالإضافة إلى التغذية على الغاز، يمكن للثقوب السوداء الهائلة أيضًا أن تنمو عن طريق الاندماج مع بعضها البعض لتشكيل ثقب أسود واحد أكثر ضخامة عندما تصطدم المجرات.
محاكاة كونية باستخدام الحاسوب العملاق يمكن التنبؤ بعدد مرات حدوث هذه الأحداث. تهدف هذه المحاكاة إلى نمذجة كيفية نمو الكون وتطوره بمرور الوقت. إن المجرات التي لا تعد ولا تحصى والتي تطير عبر الفضاء تشبه الطوب الذي يبني الكون.
هؤلاء تظهر المحاكاة أن يمكن للمجرات والثقوب السوداء الهائلة التي تستضيفها أن تخضع لاندماجات متعددة عبر فترة التاريخ الكوني.
لقد تتبع فريقنا هاتين القناتين للنمو – استهلاك الغاز والاندماجات – باستخدام الأشعة السينية ومحاكاة الكمبيوتر العملاق، ثم قمنا بدمجهما لبناء تاريخ النمو الشامل هذا، والذي يرسم خريطة لنمو الثقوب السوداء عبر الكون على مدى مليارات السنين.
تم الكشف عن تاريخ نمونا أن الثقوب السوداء الهائلة نمت بشكل أسرع بكثير منذ مليارات السنين، عندما كان الكون أصغر سنا.
في الأيام الأولى، كان الكون يحتوي على المزيد من الغاز الذي تستهلكه الثقوب السوداء الهائلة، واستمرت الثقوب السوداء الهائلة في الظهور. ومع تقدم عمر الكون، استنفد الغاز تدريجيًا، وتباطأ نمو الثقوب السوداء الهائلة. منذ حوالي 8 مليارات سنة، استقر عدد الثقوب السوداء الهائلة. ولم يزد بشكل كبير منذ ذلك الحين.
عندما لا يتوفر ما يكفي من الغاز لنمو الثقوب السوداء الهائلة عن طريق التراكم، فإن الطريقة الوحيدة لكي تنمو هي من خلال الاندماج. ولم نشهد الكثير من حالات ذلك في تاريخ نمونا. وفي المتوسط، يمكن للثقوب السوداء الأكثر ضخامة أن تتراكم كتلتها من الاندماج بمعدل يصل إلى كتلة الشمس كل عدة عقود.
نتطلع إلى الأمام
ساعدنا هذا البحث في فهم كيفية تراكم أكثر من 90% من الكتلة في الثقوب السوداء على مدى الـ12 مليار سنة الماضية.
ومع ذلك، لا نزال بحاجة إلى التحقيق في كيفية نموهم في الكون المبكر جدًا لتفسير النسب المئوية القليلة المتبقية من الكتلة في الثقوب السوداء. بدأ المجتمع الفلكي في إحراز تقدم في استكشاف هذه الثقوب السوداء الهائلة المبكرة، ونأمل أن نجد المزيد من الإجابات قريبًا.
تمت إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة بموجب ترخيص المشاع الإبداعي. اقرأ المقال الأصلي.
. “محلل حائز على جوائز. محب للموسيقى. منشئ. هواة Twitter. مستكشف ودود. محب للتواصل ودود.”