في 12 مايو ، في تسعة مؤتمرات صحفية متزامنة حول العالم ، علماء الفيزياء الفلكية كشف الصورة الأولى من الثقب الأسود في قلب مجرة درب التبانة. في البداية ، على الرغم من روعة الصورة التي تم إنتاجها بشق الأنفس لحلقة الضوء حول حفرة الظلام المركزية في مجرتنا ، بدت وكأنها تثبت فقط ما توقعه الخبراء بالفعل: يوجد ثقب أسود هائل في مجرة درب التبانة ، وهو يدور ، ويخضع لألبرت أينشتاين. النظرية النسبية العامة.
ومع ذلك ، عند الفحص الدقيق ، لا تتراكم الأمور تمامًا.
قدر الباحثون من سطوع كعك الضوء كيف بسرعة تسقط المادة على القوس A * - الاسم الذي يطلق على الثقب الأسود المركزي لمجرة درب التبانة. الجواب: ليس بسرعة على الإطلاق. قال "إنه مسدود إلى حد ضئيل" بريا ناتاراجان، عالم الكونيات بجامعة ييل ، يقارن المجرة برأس دش مكسور. بطريقة أو بأخرى فقط جزء من الألف من المسألة تتدفق إلى مجرة درب التبانة من وسط المجرات المحيط يجعله على طول الطريق إلى الحفرة. قال ناتاراجان: "هذا يكشف عن مشكلة كبيرة". "إلى أين يذهب هذا الغاز؟ ماذا يحدث للتيار؟ من الواضح جدًا أن فهمنا لنمو الثقب الأسود مشكوك فيه ".
على مدى ربع القرن الماضي ، أدرك علماء الفيزياء الفلكية ما هي العلاقة الديناميكية المتماسكة الموجودة بين العديد من المجرات والثقوب السوداء في مراكزهم. يقول: "لقد كان هناك تحول كبير حقًا في هذا المجال" راميش نارايان، عالم الفيزياء الفلكية النظرية في جامعة هارفارد. "كانت المفاجأة أن الثقوب السوداء مهمة في تشكيل وتحكم كيفية تطور المجرات."
هذه الثقوب العملاقة - تركيزات المادة شديدة الكثافة بحيث تمنع الجاذبية حتى الضوء من الهروب - تشبه محركات المجرات ، لكن الباحثين بدأوا للتو في فهم كيفية عملها. تجذب الجاذبية الغبار والغاز إلى الداخل إلى مركز المجرة ، حيث تشكل قرص تراكم دوامي حول الثقب الأسود الهائل ، وتسخن وتتحول إلى بلازما بيضاء ساخنة. بعد ذلك ، عندما يبتلع الثقب الأسود هذه المادة (إما في القطرات أو في رشقات نارية مفاجئة) ، يتم بصق الطاقة مرة أخرى إلى المجرة في عملية تغذية مرتدة. قال: "عندما تنمو ثقبًا أسود ، فإنك تنتج الطاقة وتفرغها في البيئة المحيطة بكفاءة أكبر من أي عملية أخرى نعرفها في الطبيعة." إليوت كواتيرت، عالم الفيزياء الفلكية النظرية في جامعة برينستون. تؤثر هذه التغذية الراجعة على معدلات تشكل النجوم وأنماط تدفق الغاز في جميع أنحاء المجرة.
لكن الباحثين ليس لديهم سوى أفكار غامضة حول الحلقات "النشطة" للثقوب السوداء فائقة الكتلة ، والتي تحولها إلى ما يسمى نوى المجرة النشطة (AGNs). "ما هي آلية الزناد؟ ما هو مفتاح الاغلاق؟ هذه هي الأسئلة الأساسية التي ما زلنا نحاول طرحها " قاعة كيرستن من مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية.
من المعروف أن ردود الفعل النجمية ، التي تحدث عندما ينفجر نجم على شكل مستعر أعظم ، لها تأثيرات مشابهة لتأثيرات النوى المجرية النشطة على نطاق أصغر. هذه المحركات النجمية كبيرة بما يكفي بسهولة لتنظيم المجرات "القزمة" الصغيرة ، في حين أن المحركات العملاقة للثقوب السوداء فائقة الكتلة هي فقط القادرة على السيطرة على تطور أكبر المجرات "الإهليلجية".
من ناحية الحجم ، تقع مجرة درب التبانة ، وهي مجرة حلزونية نموذجية ، في المنتصف. مع وجود القليل من العلامات الواضحة على النشاط في مركزها ، كان يُعتقد منذ فترة طويلة أن مجرتنا تهيمن عليها ردود الفعل النجمية. لكن العديد من الملاحظات الحديثة تشير إلى أن ردود فعل النوى المجرية النشطة تشكلها أيضًا. من خلال دراسة تفاصيل التفاعل بين آليات التغذية الراجعة هذه في مجرتنا - والتصارع مع الألغاز مثل القاتمة الحالية لـ Sagittarius A * - يأمل علماء الفيزياء الفلكية في معرفة كيفية تطور المجرات والثقوب السوداء بشكل عام. قال ناتاراجان إن مجرة درب التبانة "أصبحت أقوى مختبر فيزيائي فلكي". من خلال العمل كعالم مصغر ، "قد يحمل المفتاح".
محركات المجرة
بحلول أواخر التسعينيات ، تقبل علماء الفلك بشكل عام وجود ثقوب سوداء في مراكز المجرات. بحلول ذلك الوقت ، كان بإمكانهم الرؤية بالقرب من هذه الأشياء غير المرئية لاستنتاج كتلتها من تحركات النجوم من حولهم. أ ظهر ارتباط غريب: كلما زادت كتلة المجرة ، زاد ثقوبها الأسود المركزي. "كان هذا ضيقًا بشكل خاص ، وكان ثوريًا تمامًا. بطريقة ما الثقب الأسود يتحدث إلى المجرة ، "قال تيزيانا دي ماتيو، عالم الفيزياء الفلكية في جامعة كارنيجي ميلون.
الارتباط مفاجئ عندما تفكر في أن الثقب الأسود - كبير كما هو - هو جزء ضئيل من حجم المجرة. (يزن القوس A * حوالي 4 ملايين شمس ، على سبيل المثال ، بينما تقيس مجرة درب التبانة حوالي 1.5 تريليون كتلة شمسية.) ولهذا السبب ، فإن جاذبية الثقب الأسود تسحب فقط بأي قوة على المنطقة الأعمق من المجرة.
بالنسبة لمارتن ريس ، عالم الفلك الملكي في المملكة المتحدة ، فإن ردود الفعل من النوى المجرية النشطة تقدم طريقة طبيعية لربط الثقب الأسود الصغير نسبيًا بالمجرة ككل. قبل عقدين من الزمن ، في سبعينيات القرن الماضي ، افترض ريس أن الثقوب السوداء فائقة الكتلة كانت صحيحة تشغيل الطائرات المضيئة لوحظ في بعض المجرات البعيدة المتوهجة والتي تسمى الكوازارات. هو حتى المقترح، جنبًا إلى جنب مع دونالد ليندن بيل ، أن الثقب الأسود يفسر سبب توهج مركز درب التبانة. هل يمكن أن تكون هذه علامات لظاهرة عامة تحكم حجم الثقوب السوداء الهائلة في كل مكان؟
كانت الفكرة هي أنه كلما زادت المادة التي يبتلعها الثقب الأسود ، زادت سطوعه وزادت الطاقة والزخم الذي يدفع الغاز إلى الخارج. في النهاية ، يمنع الضغط الخارجي الغاز من السقوط في الثقب الأسود. "سيؤدي ذلك إلى إنهاء النمو. قال ريس "بطريقة متموجة باليد ، كان هذا هو المنطق". أو ، على حد تعبير دي ماتيو ، "الثقب الأسود يأكل ثم يبتلع". تضع مجرة كبيرة جدًا وزناً أكبر على الثقب الأسود المركزي ، مما يجعل من الصعب نفخ الغاز إلى الخارج ، وبالتالي يكبر الثقب الأسود قبل أن يبتلع.
ومع ذلك ، كان عدد قليل من علماء الفيزياء الفلكية مقتنعين بأن طاقة المادة المتساقطة يمكن إخراجها بهذه الطريقة الدرامية. قال ناتاراجان ، الذي ساعد في تطوير أول نماذج ردود فعل AGN كطالب دراسات ريس: "عندما كنت أقوم بإعداد رسالتي ، كنا جميعًا مهووسين بالثقوب السوداء كنقطة لا عودة - مجرد دخول الغاز". "كان على الجميع القيام بذلك بحذر شديد وحذر شديد لأنه كان متطرفًا للغاية."
جاء تأكيد فكرة التغذية الراجعة بعد بضع سنوات ، من عمليات المحاكاة الحاسوبية التي طورها دي ماتيو وعلماء الفيزياء الفلكية فولكر سبرينجل و لارس هيرنكويست. قال دي ماتيو: "أردنا إعادة إنتاج حديقة حيوانات المجرات المذهلة التي نراها في الكون الحقيقي". لقد عرفوا الصورة الأساسية: تبدأ المجرات صغيرة وكثيفة في الكون المبكر. ريح الساعة إلى الأمام والجاذبية تحطم هذه الأقزام معًا في حريق من الاندماجات المذهلة ، وتشكل الحلقات والدوامات والسيجار وكل شكل بينهما. تنمو المجرات في الحجم والتنوع حتى تصبح كبيرة وسلسة بعد تصادمات كافية. قال دي ماتيو: "ينتهي الأمر في نقطة". في عمليات المحاكاة ، تمكنت هي وزملاؤها من إعادة إنشاء هذه النقط الكبيرة عديمة الملامح ، والتي تسمى المجرات الإهليلجية ، عن طريق دمج المجرات الحلزونية عدة مرات. ولكن كانت هناك مشكلة.
بينما تحتوي المجرات الحلزونية مثل درب التبانة على العديد من النجوم الشابة التي تتوهج باللون الأزرق ، تحتوي المجرات الإهليلجية العملاقة على نجوم قديمة جدًا تتوهج باللون الأحمر. قال سبرينجل من معهد ماكس بلانك للفيزياء الفلكية في جارشينج بألمانيا: "إنها حمراء وميتة". ولكن في كل مرة أجرى فيها الفريق عملية المحاكاة ، كان يبصق مجسمات بيضاوية تتوهج باللون الأزرق. كل ما كان يوقف تشكيل النجوم لم يتم التقاطه في نموذج الكمبيوتر الخاص بهم.
بعد ذلك ، قال سبرينجل ، "كانت لدينا فكرة زيادة عمليات اندماج المجرات مع الثقوب السوداء الهائلة في المركز. نترك هذه الثقوب السوداء تبتلع الغاز وتطلق الطاقة حتى تحلق كل شيء ، مثل قدر الضغط. فجأة ، ستوقف المجرة الإهليلجية تشكل النجوم وتصبح حمراء وميتة ".
وأضاف: "لقد سقط فكي". "لم نتوقع [التأثير] أن يكون متطرفًا جدًا."
عن طريق إعادة إنتاج المجسمات البيضاوية الحمراء والميتة، عززت المحاكاة نظريات ردود الفعل للثقب الأسود لريس وناتاراجان. يمكن للثقب الأسود ، على الرغم من حجمه الصغير نسبيًا ، التحدث إلى المجرة ككل من خلال التغذية الراجعة. على مدى العقدين الماضيين ، تم تحسين نماذج الكمبيوتر وتوسيعها لمحاكاة مساحات شاسعة من الكون ، وهي تتطابق على نطاق واسع مع حديقة حيوانات المجرة الانتقائية التي نراها من حولنا. تُظهر هذه المحاكاة أيضًا أن الطاقة المقذوفة من الثقوب السوداء تملأ الفراغ بين المجرات بالغاز الساخن الذي كان من المفترض أن يكون قد برد بالفعل وتحول إلى نجوم. قال سبرينجل: "لقد اقتنع الناس الآن بأن الثقوب السوداء فائقة الكتلة هي محركات معقولة للغاية". "لم يبتكر أحد نموذجًا ناجحًا بدون ثقوب سوداء."
أسرار الملاحظات
ومع ذلك ، لا تزال عمليات المحاكاة الحاسوبية صريحة بشكل مدهش.
عندما تزحف المادة إلى الداخل إلى قرص التراكم حول الثقب الأسود ، يتسبب الاحتكاك في دفع الطاقة للخارج ؛ كمية الطاقة المفقودة بهذه الطريقة هي شيء يضعه المبرمجون في عمليات المحاكاة الخاصة بهم يدويًا من خلال التجربة والخطأ. إنها علامة على أن التفاصيل لا تزال بعيدة المنال. قال كواتيرت: "هناك احتمال في بعض الحالات أننا نحصل على الإجابة الصحيحة للسبب الخاطئ". "ربما لا نلتقط ما هو في الواقع أهم شيء في كيفية نمو الثقوب السوداء وكيفية تفريغ الطاقة في محيطها."
الحقيقة هي أن علماء الفيزياء الفلكية لا يعرفون حقًا كيف تعمل ردود أفعال النوى المجرية النشطة. "نحن نعلم مدى أهميته. قال دي ماتيو ، "إن سبب هذه التعليقات يهرب منا تمامًا". "المشكلة الرئيسية هي أننا لا نفهم ردود الفعل بعمق ، جسديًا."
إنهم يعرفون أن بعض الطاقة تنبعث كإشعاع ، مما يعطي مراكز المجرات النشطة توهجًا ساطعًا مميزًا. تتسبب الحقول المغناطيسية القوية في خروج المادة من قرص التراكم أيضًا ، إما على شكل رياح مجرية منتشرة أو في نفاثات ضيقة قوية. تسمى الآلية التي يُعتقد أن الثقوب السوداء تطلق بها نفاثات ، تسمى عملية بلاندفورد-زناجيك، تم تحديده في السبعينيات ، ولكن ما الذي يحدد قوة الحزمة ، وكم من طاقتها تمتصها المجرة ، "لا تزال مشكلة مفتوحة لم يتم حلها" ، قال نارايان. الرياح المجرية ، التي تنبثق كرويًا من قرص التراكم ، وبالتالي تميل إلى التفاعل بشكل مباشر مع المجرة أكثر من النفاثات الضيقة ، فهي أكثر غموضًا. "سؤال المليار دولار هو: كيف تقترن الطاقة بالغاز؟" قال سبرينجل.
إحدى العلامات التي تشير إلى أنه لا تزال هناك مشكلة هي أن الثقوب السوداء في أحدث عمليات المحاكاة الكونية تنتهي الأصغر من الأحجام المرصودة للثقوب السوداء الهائلة الحقيقية في بعض الأنظمة. لإيقاف تشكل النجوم وإنشاء مجرات حمراء وميتة ، تحتاج عمليات المحاكاة إلى ثقوب سوداء لإخراج الكثير من الطاقة بحيث تخنق التدفق الداخلي للمادة ، بحيث تتوقف الثقوب السوداء عن النمو. "ردود الفعل في المحاكاة شديدة العدوانية ؛ قال ناتاراجان إنه يعيق النمو قبل الأوان.
تمثل مجرة درب التبانة مثالاً على المشكلة المعاكسة: تتنبأ المحاكاة عادةً بأن مجرة بحجمها يجب أن يكون بها ثقب أسود أكبر من القوس A * بثلاث إلى عشر مرات.
من خلال إلقاء نظرة فاحصة على مجرة درب التبانة والمجرات القريبة ، يأمل الباحثون أن نتمكن من البدء في الكشف بدقة عن كيفية عمل ردود فعل النوى المجرية النشطة.
النظام البيئي لمجرة درب التبانة
في ديسمبر 2020 ، أفاد باحثون باستخدام تلسكوب eROSITA للأشعة السينية أنهم حصلوا على ذلك رصدت زوجًا من الفقاعات تمتد عشرات الآلاف من السنين الضوئية فوق وتحت مجرة درب التبانة. تشبه الفقاعات الضخمة للأشعة السينية فقاعات محيرة من أشعة جاما التي اكتشفها تلسكوب فيرمي لأشعة غاما الفضائية من المجرة قبل 10 سنوات.
لا تزال نظريتان من أصل فقاعات فيرمي محل نقاش ساخن. اقترح بعض علماء الفيزياء الفلكية أنها كانت بقايا طائرة نفاثة أطلقت من القوس A * منذ ملايين السنين. يعتقد البعض الآخر أن الفقاعات هي الطاقة المتراكمة للعديد من النجوم التي تنفجر بالقرب من مركز المجرة - وهو نوع من ردود الفعل النجمية.
متى هسيانغ يي كارين يانغ من جامعة تسينغ هوا الوطنية في تايوان شاهدت صورة فقاعات الأشعة السينية إيروسيتا ، "بدأت تقفز لأعلى ولأسفل." كان من الواضح ليانغ أن الأشعة السينية يمكن أن يكون لها أصل مشترك مع أشعة جاما إذا تم توليد كلاهما من نفس نفاث AGN. (ستأتي الأشعة السينية من الغاز الصادم في مجرة درب التبانة وليس من الطائرة نفسها.) جنبًا إلى جنب مع المؤلفين المشاركين إلين زويبل و ماتيوز روسكوفسكي، شرعت في بناء نموذج حاسوبي. النتائج، نشرت في طبيعة الفيزياء الفلكية في الربيع الماضي ، لم يكرر فقط شكل الفقاعات المرصودة وجبهة الصدمة اللامعة ، ولكن توقع أنها تشكلت على مدار 2.6 مليون سنة (تتوسع إلى الخارج من طائرة كانت نشطة لمدة 100,000 عام) - بسرعة كبيرة جدًا وأوضح من خلال ردود الفعل النجمية.
تشير النتائج إلى أن ردود فعل النوى المجرية النشطة قد تكون أكثر أهمية بكثير في مجرات الأقراص العادية مثل مجرة درب التبانة مما كان يعتقده الباحثون. قال يانغ إن الصورة الناشئة تشبه تلك الموجودة في النظام البيئي ، حيث تتشابك النوى المجرية النشطة والتغذية المرتدة النجمية مع الغاز الساخن المنتشر الذي يحيط بالمجرات ، والذي يُسمى بالوسط المحيط بالمجرة. ستسود التأثيرات المختلفة وأنماط التدفق في أنواع المجرات المختلفة وفي أوقات مختلفة.
دراسة حالة لماضي مجرة درب التبانة وحاضرها يمكن أن تكشف عن التفاعل بين هذه العمليات. على سبيل المثال ، قام تلسكوب جايا الفضائي في أوروبا بتحديد المواقع والحركات الدقيقة لملايين نجوم مجرة درب التبانة ، مما سمح لعلماء الفيزياء الفلكية بتتبع تاريخ اندماجاتها مع المجرات الأصغر. تم افتراض مثل هذه الأحداث الاندماجية لتنشيط الثقوب السوداء الهائلة عن طريق هز المادة فيها ، مما يتسبب في سطوعها فجأة وحتى إطلاق نفاثات. قال كواترت: "هناك جدل كبير في هذا المجال حول ما إذا كانت عمليات الدمج مهمة أم لا". بيانات نجمة Gaia وتقترح أن مجرة درب التبانة لم تخضع للاندماج في الوقت الذي تشكلت فيه فقاعات Fermi و eROSITA ، مما أدى إلى إزعاج الاندماجات باعتبارها محفزات لطائرة AGN النفاثة.
بدلاً من ذلك ، قد تصطدم نقاط من الغاز بالثقب الأسود وتنشطه. قد يتحول بطريقة فوضوية بين الأكل ، وتجشؤ الطاقة كنفاثات ورياح مجرية ، والتوقف.
تمثل الصورة الحديثة لـ Event Horizon Telescope لـ Sagittarius A * ، والتي تكشف عن هزيلة من المادة المتساقطة الحالية ، لغزًا جديدًا لحلها. كان علماء الفيزياء الفلكية يعرفون بالفعل أنه ليس كل الغاز المسحوب إلى المجرة سيصل إلى أفق الثقب الأسود ، حيث تدفع الرياح المجرية للخارج ضد هذا التدفق التراكمي. لكن قوة الرياح المطلوبة لتفسير مثل هذا التدفق المدبب للغاية غير واقعية. قال نارايان: "عندما أقوم بالمحاكاة ، لا أرى ريحًا قوية". "إنه ليس نوع الرياح الذي تحتاجه للحصول على شرح كامل لما يحدث."
المحاكاة المتداخلة
يتمثل جزء من التحدي في فهم كيفية عمل المجرات في الاختلاف الهائل بين مقاييس الطول في النجوم والثقوب السوداء ومقاييس المجرات بأكملها ومحيطها. عند محاكاة عملية فيزيائية على جهاز كمبيوتر ، يختار الباحثون مقياسًا ويدرجون التأثيرات ذات الصلة على هذا النطاق. لكن في المجرات ، تتفاعل التأثيرات الكبيرة والصغيرة.
قال نارايان: "الثقب الأسود صغير حقًا ، مقارنة بالمجرة الكبيرة ، ولا يمكنك وضعهم جميعًا في محاكاة واحدة عملاقة". "كل نظام يحتاج إلى معلومات من الرجل الآخر ، لكنه لا يعرف كيفية إجراء الاتصال."
لمحاولة سد هذه الفجوة ، أطلق Narayan و Natarajan وزملاؤهم مشروعًا يستخدم المحاكاة المتداخلة لبناء نموذج متماسك لكيفية تدفق الغاز عبر مجرة درب التبانة والمجرة النشطة القريبة Messier 87. "أنت تسمح للمعلومات بالحصول على المجرة لتخبر الثقب الأسود بما يجب فعله ، ثم تسمح للمعلومات الواردة من الثقب الأسود بالعودة وإخبار المجرة بما يجب القيام به ، "قال نارايان. "إنها حلقة تدور وتدور وتدور."
يجب أن تساعد عمليات المحاكاة في توضيح نمط تدفق الغاز المنتشر في المجرات وحولها. (ستساعد الملاحظات الإضافية للوسط المحيطي بواسطة تلسكوب جيمس ويب الفضائي أيضًا.) "هذا جزء مهم من هذا النظام البيئي بأكمله" ، قال كواتيرت. "كيف تنزل الغاز إلى الثقب الأسود لدفع كل الطاقة التي تعود للخارج؟"
بشكل حاسم ، في المخطط الجديد ، يجب أن تكون جميع المدخلات والمخرجات بين عمليات المحاكاة ذات المقاييس المختلفة متسقة ، مما يترك عددًا أقل من الأوجه للعبث. قال نارايان: "إذا تم إعداد المحاكاة بشكل صحيح ، فستقرر بشكل ثابت كمية الغاز التي يجب أن تصل إلى الثقب الأسود". يمكننا أن ننظر في الأمر ونتساءل: لماذا لم تأكل كل الغازات؟ لماذا كان الأمر صعبًا للغاية ولم يستهلك سوى القليل من الغاز المتاح؟ " تأمل المجموعة في إنشاء سلسلة من اللقطات للمجرات خلال مراحل مختلفة من تطورها.
في الوقت الحالي ، لا يزال الكثير عن هذه الأنظمة البيئية المجرية مجرد حدس. قال يانغ: "إنها حقًا حقبة جديدة ، حيث بدأ الناس في التفكير في هذه السيناريوهات المتداخلة". "ليس لدي إجابة واضحة ، لكني آمل أن أفعل ذلك في غضون سنوات قليلة."
ملاحظة المحرر: تعمل بريا ناتاراجان حاليًا في المجلس الاستشاري العلمي لكوانتا.
