أظهرت دراسة جديدة أنه من خلال سحب الزمكان، تمزق الثقوب السوداء فائقة الكتلة الحلزونات العنيفة من الحطام حولها (أو الأقراص التراكمية) مما يؤدي إلى قرص فرعي داخلي وخارجي. الائتمان: نيك جوس / جامعة نورث وسترن

يكشف بحث جديد أن الثقوب السوداء فائقة السرعة تستهلك المواد المحيطة بها بشكل أسرع مما كان يُعتقد سابقًا. يمكن لهذه الرؤية، المكتسبة من عمليات المحاكاة عالية الدقة، أن تفسر سبب احتراق الكوازارات وتلاشيها بهذه السرعة.

واحد جديد جامعة نورث وسترنتغير الدراسة التي يقودها علماء الفيزياء الفلكية الطريقة التي يفهم بها علماء الفيزياء الفلكية عادات التغذية للثقوب السوداء الهائلة.

وبينما افترض الباحثون السابقون أن الثقوب السوداء تأكل ببطء، تظهر عمليات المحاكاة الجديدة أن الثقوب السوداء تأكل الطعام بشكل أسرع بكثير من الفهم التقليدي.

ونشرت الدراسة في 20 سبتمبر ال مجلة الفيزياء الفلكية.

ذكاء المحاكاة

وفقًا لعمليات محاكاة ثلاثية الأبعاد جديدة عالية الدقة، تعمل الثقوب السوداء الدوارة على تحريف الزمكان حولها، مما يؤدي في النهاية إلى تمزيق الدوامة العنيفة (أو القرص المتراكم) للغاز الذي يتغذى حولها. يؤدي هذا إلى تمزق القرص إلى دوائر فرعية داخلية وخارجية. تبتلع الثقوب السوداء أولاً الحلقة الداخلية. بعد ذلك، تتناثر الحطام من القرص المرافق الخارجي إلى الداخل لملء الفجوة التي خلفتها الحلقة الداخلية المستهلكة بالكامل، وتتكرر عملية الأكل.

تستغرق الدورة الواحدة من عملية التغذية والتجديد والأكل المتكررة بلا نهاية بضعة أشهر فقط – وهو إطار زمني سريع بشكل مذهل مقارنة بمئات السنين التي اقترحها الباحثون سابقًا.

يمكن أن يساعد الاكتشاف الجديد في تفسير السلوك الدرامي لبعض الأجسام الساطعة في سماء الليل، بما في ذلك النجوم الزائفة، التي تشتعل فجأة ثم تختفي دون تفسير.

يُظهر هذا المحاكاة كيف يمكن لقرص التراكم الخاص بالثقب الأسود الهائل أن يتمزق إلى قرصين فرعيين، وهما مشوهان في هذه الصورة. الائتمان: نيك جوس / جامعة نورث وسترن

وقال نيك جاس من جامعة نورث وسترن، الذي قاد الدراسة: “تتنبأ نظرية القرص التراكمي الكلاسيكية بأن القرص يتطور ببطء”. “لكن بعض النجوم الزائفة – الثقوب السوداء التي تتغذى على الغاز من أقراصها المتراكمة – تتغير بشكل جذري على مدى فترات زمنية تتراوح من أشهر إلى سنوات. هذا التباين جذري للغاية. يبدو أن الجزء الداخلي من القرص – حيث يأتي معظم الضوء – قد تم تدميره ثم تم تدميره”. “يتجدد. تشرح نظرية القرص التراكمي الكلاسيكية هذا التباين الجذري. لا يمكن تفسيره. لكن الظواهر التي نراها في عمليات المحاكاة لدينا قد تفسر ذلك. يتوافق السطوع والتعتيم السريع مع تدمير الأجزاء الداخلية من القرص.”

كاس هو طالب دراسات عليا في علم الفلك في كلية وينبرج للفنون والعلوم بجامعة نورث وسترن، وعضو في مركز الدراسات والأبحاث متعددة التخصصات (CIERA) في قسم الفيزياء الفلكية. يقدم ألكسندر تسيكوفسكي، المؤلف المشارك للورقة البحثية، والأستاذ المشارك في الفيزياء وعلم الفلك في جامعة واينبرغ وعضو CIERA، النصائح لكاز.

افتراضات غير صحيحة

إن الأقراص المتراكمة حول الثقوب السوداء هي أجسام معقدة فيزيائيا ومن الصعب للغاية نمذجتها. لقد واجهت النظريات التقليدية صعوبة في تفسير سبب تألق هذه الأقراص بشكل ساطع ثم تعتيم فجأة، إلى حد الاختفاء التام في بعض الأحيان.

افترض الباحثون السابقون خطأً أن أقراص التراكم كانت منتظمة نسبيًا. في هذه النماذج، يدور الغاز والجزيئات حول بعضها البعض الثقب الأسود – في نفس مستوى الثقب الأسود وفي نفس اتجاه دوران الثقب الأسود. وبعد ذلك، وعلى مدى مئات إلى مئات الآلاف من السنين، تلتف جزيئات الغاز تدريجيًا داخل الثقب الأسود وتتغذى عليه.

“كيف يغذي الغاز الثقب الأسود هو سؤال مركزي في فيزياء القرص التراكمي. إذا كنت تعرف كيف يحدث ذلك، فإنه يخبرك بالمدة التي يستمر فيها القرص، ومدى سطوعه، وكيف يجب أن يبدو الضوء عندما نلاحظه من خلاله”. التلسكوبات.
– نيك جوس، المؤلف الرئيسي

وقال غاوس: “على مدى عقود، افترض الناس افتراضًا كبيرًا بأن الأقراص التراكمية تتماشى مع دوران الثقب الأسود”. “لكن الغاز الذي يغذي هذه الثقوب السوداء لا يعرف الاتجاه الذي يدور فيه الثقب الأسود، فلماذا يصطفون تلقائيا؟ تغيير المحاذاة يغير الصورة بشكل جذري.

تشير المحاكاة التي أجراها الباحثون، وهي واحدة من أعلى عمليات المحاكاة دقة للأقراص التراكمية حتى الآن، إلى أن المنطقة المحيطة بالثقب الأسود هي مكان أكثر فوضوية واضطرابًا مما كان يعتقد سابقًا.

مثل الجيروسكوب، مثل لوحة

باستخدام Summit، وهو أحد أكبر أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم الموجود في مختبر أوك ريدج الوطني، أجرى الباحثون محاكاة ثلاثية الأبعاد للديناميكية الهيدروديناميكية المغناطيسية العامة (GRMHD) لقرص تراكمي رفيع ومائل. على الرغم من أن عمليات المحاكاة السابقة لم تكن قوية بما يكفي لتغطية جميع الفيزياء اللازمة لإنشاء ثقب أسود واقعي، إلا أن النموذج الذي تقوده نورث وسترن شمل ديناميكيات الغاز، والمجالات المغناطيسية، والنسبية العامة.

وقال غاوس: “الثقوب السوداء هي كائنات نسبية عامة جدًا تؤثر على الزمكان المحيط بها”. “لذلك، أثناء دورانها، فإنها تسحب الفضاء من حولها مثل دوامة عملاقة، مما يجبرها على الدوران أيضًا – وهي ظاهرة تُعرف باسم “تتبع الإطار”. وهذا يخلق تأثيرًا قويًا جدًا بالقرب من الثقب الأسود ويصبح أضعف”. بعيداً.”

يؤدي سحب الإطار إلى تأرجح القرص بأكمله في دوائر، على غرار كيفية تحرك الجيروسكوب للأمام. لكن القرص الداخلي يميل إلى التذبذب بشكل أسرع بكثير من الأقراص الخارجية. يؤدي عدم تطابق القوى هذا إلى تشويه القرص بأكمله، مما يتسبب في اصطدام الغاز من أجزاء مختلفة من القرص. تخلق الاصطدامات صدمات ساطعة تدفع الأجسام بقوة أقرب فأقرب إلى الثقب الأسود.

مع اشتداد الالتواء، يتذبذب الجزء الداخلي من قرص التراكم بشكل أسرع وأسرع حتى ينفصل عن بقية القرص. وبعد ذلك، وفقًا للمحاكاة الجديدة، تبدأ الأقراص الفرعية بالتشكل بشكل مستقل عن بعضها البعض. بدلًا من التحرك بثبات مثل لوحة مسطحة حول ثقب أسود، تتأرجح الأقراص الفرعية بشكل مستقل بسرعات وزوايا مختلفة، مثل عجلات الجيروسكوب.

وقال كاس: “عندما يتمزق القرص الداخلي، فإنه يتقدم بشكل مستقل”. “لأنه أقرب إلى الثقب الأسود وأصغر حجما وأسهل في الحركة، فإنه يتحرك بشكل أسرع.”

“حيث تفوز الثقوب السوداء”

وفقًا للمحاكاة الجديدة، فإن المنطقة الممزقة – حيث تتمزق الأقراص الفرعية الداخلية والخارجية – هي المكان الذي يبدأ فيه جنون التغذية فعليًا. وبينما يحاول الاحتكاك تثبيت القرص معًا، فإن التواء الزمكان بواسطة الثقب الأسود الدوار يريد تمزيقه.

وقال غاوس: “هناك منافسة بين دوران الثقب الأسود والاحتكاك والضغط داخل القرص”. “المكان الذي ينتصر فيه الثقب الأسود هو منطقة التمزق. تتصادم الأقراص الداخلية والخارجية مع بعضها البعض. يقوم القرص الخارجي بحلق طبقات القرص الداخلي، ويدفعها إلى الداخل.

الآن تتقاطع الدوائر الفرعية بزوايا مختلفة. يقوم القرص الخارجي بصب المواد على القرص الداخلي. تدفع هذه الكتلة الإضافية القرص الداخلي نحو الثقب الأسود، حيث يتم ابتلاعه. بعد ذلك، تقوم جاذبية الثقب الأسود بسحب الغاز من المنطقة الخارجية لإعادة ملء المنطقة الداخلية الفارغة الآن.

اتصال الكوازار

وقال غاوس إن هذه الدورات السريعة من الأكل والملء والأكل قد تفسر ما يسمى بـ “المظهر المتغير” للكوازار. الكوازارات هي أجسام مضيئة للغاية، تنبعث منها طاقة أكبر بـ 1000 مرة من المادة درب التبانة200 مليار إلى 400 مليار نجم. تبدو الكوازارات أكثر تطرفًا. ويبدو أنها تعمل وتنطفئ لعدة أشهر في كل مرة، وهي فترة قصيرة بالنسبة للكوازار النموذجي.

على الرغم من أن النظرية الكلاسيكية تضع افتراضات حول مدى سرعة تشكل الأقراص التراكمية وتغير سطوعها، فإن ملاحظات الكوازارات ذات المظهر المتغير تشير إلى أنها تتشكل بشكل أسرع بكثير.

قال كاس: “الجزء الداخلي من القرص التراكمي، الذي يأتي منه معظم السطوع، يمكن أن يختفي تمامًا – بسرعة كبيرة، خلال أشهر”. “في الأساس نراه يختفي تمامًا. ويتوقف النظام عن السطوع. ثم يعود ساطعًا مرة أخرى وتتكرر العملية. وليس لدى النظرية التقليدية طريقة لتفسير سبب اختفائه في المقام الأول، ولا تشرح كيف يتجدد بهذه السرعة”. .

لا تستطيع عمليات المحاكاة الجديدة أن تشرح النجوم الزائفة فحسب، بل تجيب أيضًا على الأسئلة الحالية حول الطبيعة الغامضة للثقوب السوداء.

وقال غاوس: “إن كيفية وصول الغاز إلى الثقب الأسود وتغذيته هو سؤال مركزي في فيزياء القرص التراكمي”. “إذا كنت تعرف كيف يحدث ذلك، فإنه يخبرك بالمدة التي يستمر فيها القرص، ومدى سطوعه، وكيف يجب أن يبدو الضوء عندما نلاحظه من خلال التلسكوبات.”

المرجع: نيكولاس غاس، ماثيو تي بي ليسكا، جوناثان جاكيمين إيدي، زاكاري إل. “صدمات الفوهة، وتمزيق القرص، واللافتات التي تقود عمليات محاكاة للأقراص الرفيعة الملتوية في عمليات محاكاة GRMHD ثلاثية الأبعاد” بواسطة Andelman وKipva Musok وAlexander Tsekverkovskoi وOzekverkovskoi et 20، سبتمبر 2023. مجلة الفيزياء الفلكية.
دوى: 10.3847/1538-4357/ace051

تم دعم البحث من قبل وزارة الطاقة الأمريكية والمؤسسة الوطنية للعلوم.