توصل العلماء إلى قاع لغز اندماج “مستحيل” بين ثقوب سوداء تم اكتشافه عبر تموجات في الزمكان تسمى موجات الجاذبية في عام 2023.
وقع الاصطدام على بعد حوالي 7 مليارات سنة ضوئية، وشمل اصطدام اثنتين الثقوب السوداء بدا ذلك محظورًا، بسبب كتلتها الهائلة والمعدل المذهل الذي كانت تدور به.
هذه الثقوب السوداء – ذات كتل 100 و 140 مرة الشمس، والغزل بالقرب من سرعة الضوء – لا ينبغي أن تكون موجودة وفقًا للنظريات الحالية حول كيفية تشكل “الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية” عندما تنهار النجوم الضخمة وتنفجر المستعرات الأعظم.
قام باحثون من مركز الفيزياء الفلكية الحاسوبية التابع لمعهد فلاتيرون (CCA) في نيويورك بمعالجة هذا اللغز من خلال إجراء عمليات محاكاة أعادت إنشاء تطور هذا النظام من خلال حياة السلف. النجوم، وصولاً إلى وفاتهم في المستعر الأعظم. كشف هذا عن عامل بسيط لم يتم أخذه في الاعتبار بشكل صحيح في العملية من قبل: المجالات المغناطيسية.
وقال قائد الفريق أوري جوتليب، عالم الفيزياء الفلكية في CCA، في بيان: “لم ينظر أحد إلى هذه الأنظمة بالطريقة التي نظرنا بها؛ في السابق، سلك علماء الفلك طريقًا مختصرًا وأهملوا المجالات المغناطيسية”. “ولكن بمجرد أن تفكر في المجالات المغناطيسية، يمكنك في الواقع تفسير أصول هذا الحدث الفريد.”
ليس مستحيلا إلى هذا الحد؟
ال موجات الجاذبية من هذا الاصطدام للثقوب السوداء “المحرمة” “سمعت” أجهزة الكشف الأرضية ليغووVirgo وKAGRA في 23 نوفمبر 2023، باسم Space.com ذكرت في يوليو من هذا العام. عند تحليل هذه الإشارة، المسماة GW231123، أصيب علماء الفلك بالحيرة على الفور من وجود مثل هذه الثقوب السوداء الضخمة وسريعة الدوران.
وذلك لأن النجوم التي يمكن أن تموت لتترك وراءها ثقوبًا سوداء ذات كتلة نجمية ضخمة مثل هذه، يجب أن تنهي حياتها بنوع محدد من المستعرات الأعظم يسمى “المستعر الأعظم المزدوج عدم الاستقرار”، وهو عنيف للغاية بحيث لا يبقى منه شيء، ولا حتى ثقب أسود. وأوضح جوتليب: “نتيجة لهذه المستعرات الأعظم، لا نتوقع أن تتشكل ثقوب سوداء تتراوح كتلتها بين 70 إلى 140 مرة كتلة الشمس تقريبًا”. “لذا، كان من المحير رؤية الثقوب السوداء ذات الكتل داخل هذه الفجوة.”
يمكن أن تتواجد الثقوب السوداء ضمن تلك الفجوة الكتلية نتيجة لحدث سابق الاندماج بين الثقوب السوداءلكن الباحثين استبعدوا ذلك بالنسبة للثقوب السوداء المشاركة في الاصطدام الذي أرسل إشارة GW231123 تموج عبر الفضاء. وذلك لأن عمليات الاندماج تعطل دوران الثقب الأسود “الابن” الناتج، لكن الثقبين الأسودين المشاركين في هذا الاندماج كانا لا يزالان يدوران بسرعة قريبة من سرعة الضوء، بالسرعة القصوى التي يمكن أن يدور بها الثقوب السوداء. وهكذا، خلص الباحثون إلى أن شيئًا آخر غير الاندماجات السابقة يجب أن يفسر الكتل الهائلة للثقوب السوداء الأصلية.
بدأ جوتليب وزملاؤه التحقيق في ماهية هذه الآلية من خلال محاكاة نجم عملاق كتلته حوالي 250 مرة كتلة الشمس، والتي تتبعوها خلال تطوره حتى موت المستعر الأعظم. ووجدوا أنه بحلول هذه المرحلة النهائية، كان النجم قد استهلك الكثير من وقوده لدرجة أنه “تقلص” إلى 150 كتلة شمسية. وهذا تركها صغيرة بما يكفي لتترك وراءها ثقبًا أسود بعد أن تحول إلى مستعر أعظم.
بعد ذلك، أجرى الفريق محاكاة أخرى أكثر تعقيدًا، مع الأخذ في الاعتبار المجالات المغناطيسية التي تلعب دورًا في أعقاب المستعر الأعظم. بدأ هذا النموذج الثاني ببقايا المستعر الأعظم على شكل سحابة من بقايا المواد النجمية المتشابكة مع المجالات المغناطيسية. وفي قلب هذا الحطام كان هناك ثقب أسود. قبل هذا البحث، افترض العلماء أن الكتلة الكاملة لهذه المادة المتبقية سوف يستهلكها الثقب الأسود الوليد. ونتيجة لذلك، فإن كتلة ذلك الثقب الأسود ستنمو لتتناسب مع كتلة النجم السلف الضخم. ومع ذلك، أظهرت عمليات المحاكاة التي أجراها الفريق حدوث شيء مختلف.
ما لاحظه جوتليب وزملاؤه بدلاً من ذلك هو أنه بعد انهيار نجم غير دوار لتكوين ثقب أسود، فإن المواد المتبقية تسقط بسرعة في الثقب الأسود. ولكن إذا كان النجم السلف يدور بسرعة، فإن هذا الحطام النجمي يشكل سحابة دوارة ومسطحة حول الثقب الأسود الوليد مما يجعله يدور بشكل أسرع وأسرع مع تغذية المزيد والمزيد من المواد إليه. في ظل وجود مجالات مغناطيسية، يتعرض قرص الحطام لضغط قوي بدرجة كافية لتفجير بعض المادة المتبقية بعيدًا عن الثقب الأسود بسرعة تقارب سرعة الضوء.
يؤدي هذا التدفق الخارجي للمواد إلى تقليل كتلة القرص الذي يغذي الثقب الأسود، وكلما كانت المجالات المغناطيسية المعنية أقوى، زادت سرعة نقل هذا الطبق من المادة النجمية بعيدًا عن الثقب الأسود. إذا كانت المجالات المغناطيسية قوية بما فيه الكفاية، فمن الممكن أن يتم تفجير نصف الكتلة الأولية للنجم بعيدًا. النتيجة النهائية: يؤدي المجال المغناطيسي الضعيف إلى حرمان أقل من المادة وثقب أسود نهائي يقع داخل فجوة الكتلة.
وقال جوتليب: “لقد وجدنا أن وجود الدوران والمجالات المغناطيسية قد يغير بشكل أساسي تطور ما بعد الانهيار للنجم، مما يجعل كتلة الثقب الأسود أقل بكثير من الكتلة الإجمالية للنجم المنهار”.
بالإضافة إلى تقديم حل للغز هذا الاندماج “المستحيل”، تشير عمليات المحاكاة التي أجراها الفريق إلى وجود صلة بين كتلة الثقب الأسود والمعدل الذي يدور به عبر قوة المجالات المغناطيسية المحيطة به. قد تؤدي المجالات المغناطيسية القوية إلى ثقوب سوداء أخف وأبطأ في الدوران، في حين أن المجالات المغناطيسية الأضعف يمكن أن تؤدي إلى ثقوب سوداء أكثر ضخامة وأسرع في الدوران.
قد يقترح البحث أيضًا طريقة لعلماء الفلك لاختبار هذا الارتباط. ووجد الفريق أن إنشاء هذه الثقوب السوداء ذات الفجوة الكتلية يرتبط بانفجار أشعة جاما، والتي يمكن اكتشافها. إذا تم إجراء مثل هذا الاكتشاف، فسيكون العلماء قد خطوا خطوة كبيرة إلى الأمام في فهمنا للثقوب السوداء.
تم نشر بحث الفريق يوم الأربعاء (12 نوفمبر) في رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.
التعليقات