تم فك تشفير الساعة الكونية في أنماط تغذية الثقب الأسود

يتم الكشف عن الثقوب السوداء، التي عادة ما تكون مراوغة وغير مرئية، من خلال مراقبة أحداث اضطراب المد والجزر (TDEs)، حيث يتم تدمير النجوم بعنف، مما ينتج عنه مشاعل مضيئة يمكن رؤيتها على مسافات شاسعة.

ويؤكد هذا التعتيم الدراماتيكي لمصدر الضوء على بعد 860 مليون سنة ضوئية من الأرض دقة نموذج تفصيلي تم تطويره من قبل فريق من علماء الفيزياء الفلكية في جامعة سيراكيوز، معو معهد علوم التلسكوب الفضائي.

فهم الثقوب السوداء مع TDEs

مثل هذه التلسكوبات القوية ناسايوفر هابل وجيمس ويب ومرصد شاندرا للأشعة السينية للعلماء نافذة على الفضاء السحيق لدراسة فيزياء الثقوب السوداء. قد يتساءل المرء كيف يمكنك “الرؤية”. الثقب الأسودومن المعروف أنه يمتص كل الضوء، وهو ما أصبح ممكنًا بسبب أحداث اضطراب المد والجزر (TDEs) – حيث يتم تدمير نجم بواسطة ثقب أسود هائل، مما يؤدي إلى تغذية “توهج تراكمي مضيء”. بفضل سطوعها الذي يزيد سطوعه عن سطوع الشمس بآلاف المليارات من المرات، تمكّن الأحداث العنقودية علماء الفيزياء الفلكية من دراسة الثقوب السوداء فائقة الكتلة (SMBHs) على مسافات كونية.

تحدث TDEs عندما يتمزق نجم بعنف بسبب مجال الجاذبية الهائل للثقب الأسود. عندما يتمزق النجم، تتحول بقاياه إلى تيار من الحطام الذي ينهمر مرة أخرى على الثقب الأسود ويشكل قرصًا أكثر سخونة وأكثر سطوعًا من المواد التي تدور حول الثقب الأسود، يسمى القرص التراكمي. يمكن للعلماء دراستها لإجراء ملاحظات مباشرة على TDEs، ومقارنة ملاحظات الخصائص الفيزيائية للنجوم المتدهورة وثقوبها السوداء المتدهورة مع النماذج النظرية.

الابتكارات في أبحاث الثقب الأسود

استخدم فريق من علماء الفيزياء من جامعة سيراكيوز ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومعهد علوم التلسكوب الفضائي نماذج مفصلة للتنبؤ بسطوع وتعتيم AT2018fyk، وهي منطقة متكررة تُعرف باسم TDE، مما يعني أن قلب النجم عالي الكثافة قد أفلت من تفاعلات الجاذبية. يسمح SMBH للثقب الأسود بالدوران والتفتت أكثر من مرة.

ويتوقع النموذج أن يكون AT2018fyk “خافتًا” في أغسطس 2023، وهو ما تم تأكيده الصيف الماضي عندما تظلمت الأدلة، مما يوفر دليلاً على أن نموذجهم يقدم طريقة جديدة لدراسة فيزياء الثقوب السوداء. وتم نشر نتائجهم ال رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.

مصدر عالي للطاقة

بفضل المسوحات المفصلة بشكل لا يصدق خارج المجرة، يتتبع العلماء المزيد من مصادر الضوء الواردة أكثر من أي وقت مضى. فهو يفحص نصفي الكرة الأرضية بالكامل بحثًا عن سطوع أو تعتيم مفاجئ للأدلة التي تخبر الباحثين بأن شيئًا ما قد تغير. على عكس التلسكوب الموجود في غرفتك، والذي يمكنه تركيز الضوء المرئي فقط، يمكن للتلسكوبات مثل تشاندرا اكتشاف مصادر الضوء فيما يشار إليه بطيف الأشعة السينية المنبعثة من الأجسام عند درجات حرارة تصل إلى ملايين الدرجات.

يعد كل من الضوء المرئي والأشعة السينية من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي، لكن الأشعة السينية لها أطوال موجية أقصر وطاقة أعلى. بعد تشغيل الفرن الخاص بك، سوف “يتوهج” الغاز القرصي عند درجات حرارة مختلفة، مع وجود المادة الأكثر سخونة الأقرب إلى الثقب الأسود، تمامًا كما يصبح الفرن الخاص بك “ساخنًا باللون الأحمر”. ومع ذلك، بدلًا من تبديد طاقته في الأطوال الموجية الضوئية المرئية، يشع الغاز الساخن الموجود في القرص التراكمي في طيف الأشعة السينية. هذه هي نفس الأشعة السينية التي يستخدمها الأطباء لتصوير عظامك، ويمكنها المرور عبر الأنسجة الرخوة، وبسبب هذه الشفافية، فإن أجهزة الكشف التي تستخدمها تلسكوبات الأشعة السينية التابعة لناسا مصممة خصيصًا للكشف عن هذا الإشعاع عالي الطاقة.

مرة أخرى الأداء

في يناير 2023، إريك كوغلين، الأستاذ في قسم الفيزياء بجامعة سيراكيوز، وديراج ر.، عالم الأبحاث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. نشره فريق من علماء الفيزياء منهم “تي جيه” باشام وتوماس فيفرز، عضو معهد علوم التلسكوب الفضائي. على قطعة من الورق رسائل مجلة الفيزياء الفلكية اقترح نموذجًا شاملاً لمنطقة TDE المتكررة. النتائج التي توصلوا إليها هي الأولى من نوعها التي ترسم خريطة لمدار عودة مفاجئ لنجم حول ثقب أسود هائل، مما يكشف عن معلومات جديدة حول واحدة من أكثر البيئات كثافة في الكون.

يعتمد الفريق على TDE يسمى AT2018fyk (AT تعني “Astrophysical Transient”)، حيث يُقترح على SMBH التقاط نجم من خلال عملية تبادل تسمى “Hills Capture”. في الأصل جزء من نظام ثنائي (نجمان يدوران حول بعضهما البعض تحت تأثير الجاذبية المتبادلة)، كان من المفترض أن أحد النجمين تم أسره بواسطة مجال جاذبية الثقب الأسود والآخر (غير ملتقط) تم طرده من النجم. تبلغ سرعة مركز المجرة حوالي 1000 كم / ثانية.

بمجرد ارتباطه بالثقب الأسود فائق الكتلة، يتم تجريد النجم الذي يقود الانبعاث من AT2018fyk بشكل متكرر من غلافه الخارجي في كل مرة يمر فيها بنقطة الاقتراب الأقرب إلى الثقب الأسود. تشكل الطبقات الخارجية للنجم قرصًا متناميًا ساطعًا، يمكن للباحثين دراسته باستخدام الأشعة السينية والتلسكوبات فوق البنفسجية/البصرية التي تراقب الضوء من المجرات البعيدة.

في حين أن TDEs عادة ما تتم “مرة واحدة” لأن مجال الجاذبية الشديد لـ SMBH يدمر النجم، مما يعني أن SMBH يظلم مرة أخرى بعد التراكم، فقد قدم AT2018fyk فرصة فريدة لدراسة منطقة متكررة TDE.

استخدم فريق البحث ثلاثة تلسكوبات لإجراء عمليات الرصد الأولية والمتابعة: سويفت وتشاندرا، وكلاهما تديرهما وكالة ناسا، وXMM-Newton، وهي بعثة أوروبية. تم رصد AT2018fyk لأول مرة في عام 2018، وهو يبعد حوالي 860 مليون سنة ضوئية، مما يعني أنه نظرًا للوقت الذي يستغرقه الضوء في السفر، فقد حدث ذلك في “الوقت الفعلي” منذ حوالي 860 مليون سنة.

استخدم الفريق نموذجًا تفصيليًا للتنبؤ بأن مصدر الضوء سيختفي فجأة في أغسطس 2023 وسيضيء مرة أخرى في عام 2025 عندما تنضم المواد المقذوفة حديثًا إلى الثقب الأسود.

استكشاف المستقبل: التوقعات والتداعيات

ولتأكيد دقة نموذجهم، أفاد الفريق أن تدفق الأشعة السينية انخفض على مدى شهرين بدءًا من 14 أغسطس 2023. يمكن تفسير هذا التغيير المفاجئ على أنه توقف ثانٍ للانبعاثات.

يقول كوغلين: “يُظهر توقف الانبعاث المرصود أن نموذجنا وافتراضاتنا قابلة للتطبيق، ونحن نرى في الواقع نجمًا يُبتلع ببطء بواسطة ثقب أسود بعيد وفائق الكتلة”. “في ورقتنا البحثية العام الماضي، استخدمنا قيودًا على الانفجار الأولي، والتعتيم، وإعادة السطوع للتنبؤ بأن AT2018fyk سيُظهر تعتيمًا مفاجئًا وسريعًا في أغسطس 2023. لو لقد نجا النجم من مواجهة ثانية أدت إلى توهج ثانٍ.”

تشير حقيقة أن الكمبيوتر أظهر توقفات هذا التنبؤ إلى عدة اختلافات بين النجم والثقب الأسود:

• ونجا النجم من مواجهته الثانية مع الثقب الأسود؛
• ويرتبط معدل عودة الحطام الذي تمت إزالته إلى الثقب الأسود ارتباطًا وثيقًا بلمعان AT2018fyk؛
• تبلغ الفترة المدارية للنجم حول الثقب الأسود حوالي 1300 يوم أو حوالي 3.5 سنة.

ويشير القطع الثاني إلى أن إعادة السطوع مرة أخرى يجب أن تحدث بين مايو وأغسطس 2025، ومن المتوقع أن يحدث انقطاع ثالث بين يناير ويوليو 2027 إذا نجا النجم من اللقاء الثاني.

أما فيما يتعلق بما إذا كان بإمكاننا الاعتماد على إعادة السطوع في عام 2025، فإن اكتشاف القطع الثاني يشير إلى أن النجم قد تم تجريده من كتلة أكبر مما يحتاجه للعودة إلى الثقب الأسود لإنتاج السطوع الثالث، كما يقول كولن.

ويقول: “إن عدم اليقين الوحيد يكمن في ذروة الانبعاثات”. “كانت الذروة الثانية المعاد تسليطها أكثر خفوتًا بشكل ملحوظ من الأولى، ولسوء الحظ، ستكون الدفقة الثالثة أكثر خفوتًا. وهذا هو الشيء الوحيد الذي يحد من اكتشاف هذه الدفقة الثالثة.”

ويشير كوغلين إلى أن النموذج يمثل طريقة جديدة ومثيرة لدراسة الحدوث النادر للغاية لتكرار TDEs الجزئي الذي يُعتقد أنه يحدث مرة كل مليون سنة في مجرة ​​معينة. ويقول إن العلماء لم يواجهوا حتى الآن سوى أربعة إلى خمسة أنظمة تظهر هذا السلوك.

ويقول: “مع ظهور تكنولوجيا الكشف المتقدمة التي تكتشف TDEs المتكررة في المنطقة، نتوقع أن يكون هذا النموذج أداة أساسية للعلماء في تحديد هذه النتائج”.

ملاحظة: “إغلاق ثانٍ محتمل لـ AT2018fyk: ديراج باشام، إي آر كوغلين، إم. جوولو، تي. ويفرز، سي جيه نيكسون، جايسون تي هينكل، وجيسون تي هينك. إيه. باندوبادياي، 14 أغسطس 2024، رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.
دوى: 10.3847/2041-8213/ad57b3