الكشف عن أسرار نمو الثقب الأسود فائق الكتلة

الثقوب السوداء فائقة الكتلة (Supermassive black hole) هي عبارة عن ثقوب سوداء هائلة الحجم، توجد في مراكز المجرات، وتبلغ كتلتها ملايين إلى مليارات المرات من كتلة شمسنا. لعقود من الزمن، كان علماء الفلك مفتونين بهذه الوحوش الكونية، ويتساءلون عن كيفية وصولها إلى هذه الأحجام الهائلة. توصل فريق من الباحثين، بقيادة فان زو، طالب الدراسات العليا في ولاية بنسلفانيا، ودبليو نيل براندت، أستاذ علم الفلك والفيزياء الفلكية، إلى اكتشاف رائد يلقي ضوءًا جديدًا على أسرار نمو الثقب الأسود فائق الكتلة. ومن خلال استكشاف الطريقتين الرئيسيتين لنمو الثقب الأسود، التنامي والاندماج، أنشأ الباحثون الصورة الأكثر واقعية لنموهم حتى الآن
يتكون البحث من ورقتين، واحدة منشورة في (The Astrophysical Journal) والأخرى لم تُنشر بعد، ويستخدم مزيجًا من بيانات الرصد بالأشعة السينية الرائدة والمحاكاة باستخدام الكمبيوتر الفائق (supercomputer) لتتبع نمو الثقوب السوداء الهائلة على مدى مليارات السنين. سيتم تقديم النتائج التي توصل إليها الفريق في الاجتماع 244 للجمعية الفلكية الأمريكية في يونيو 2024.

كيف تهيمن الثقوب السوداء فائقة الكتلة على المجرات؟

توجد الثقوب السوداء فائقة الكتلة في قلب معظم المجرات، بما في ذلك مجرتنا درب التبانة. لقد فتنت هذه الوحوش الكونية العلماء والجمهور على حد سواء، بقوتها الهائلة وطبيعتها الغامضة. ولكن كيف لها أن تهيمن على المجرات المضيفة لها، وتتحكم في حركة النجوم والغاز على حد سواء؟ تكمن الإجابة في كتلتها المذهلة.
تخيل مكنسة كهربائية عملاقة، تمتص كل ما يجرؤ على الاقتراب منها. وهذا تقريبًا ما يفعله الثقب الأسود فائق الكتلة، ولكن بدلاً من امتصاص الغبار والأوساخ، فإنه يستهلك كميات هائلة من الغاز والغبار من المجرة المضيفة له. تُطلق هذه العملية، التي تسمى التنامي (accretion)، كمية هائلة من الطاقة، مما يجعل هذه الثقوب السوداء من أكثر الأجسام سطوعًا في الكون.
وبينما تتغذى، تنمو الثقوب السوداء فائقة الكتلة، وتزداد قوة جاذبيتها، مما يؤدي إلى تشويه نسيج المكان والزمان من حولها. تنجذب النجوم والغاز، وغالبًا ما تندمج مع الثقوب السوداء الأخرى عندما تصطدم المجرات. تعتبر العلاقة بين الغاز والنجوم هذه ضرورية لفهم كيفية تشكيل الثقوب السوداء لتطور المجرات، وفي نهاية المطاف، الكون كما نعرفه.

تاريخ الثقوب السوداء فائقة الكتلة

يرتبط تكوين هؤلاء العمالقة بشكل معقد بالكون المبكر. في المليار سنة الأولى بعد الانفجار الكبير، بدأت المجرات في التبلور، وبداخلها زُرعت بذور الثقوب السوداء فائقة الكتلة.
خلال هذه الحقبة، كان الكون عبارة عن فوضى من الغاز والغبار، مع اصطدام المجرات واندماجها بمعدل ينذر بالخطر. لقد كانت البيئة المثالية لنمو هذه الثقوب السوداء، والتغذي على الغاز والغبار المتوفر. عندما اصطدمت المجرات، اندمجت الثقوب السوداء المركزية، مما أدى إلى خلق ثقوب سوداء أكثر ضخامة.
وبالتقدم سريعًا إلى ما يقرب من 7 مليارات سنة مضت، شهد الكون تحولًا كبيرًا. لقد نضجت المجرات، وتباطأ معدل الاصطدامات والاندماجات. ومع ذلك، استمرت الثقوب السوداء فائقة الكتلة في النمو، وإن كان بوتيرة أبطأ. كانت هذه فترة حرجة في تطورها، حيث بدأت بالسيطرة على مراكز المجرات المضيفة لها.
استخدم الباحثون أحدث عمليات المحاكاة، مثل (IllustrisTNG)، لنمذجة تكوين المجرات وتطورها، بما في ذلك اندماج ونمو الثقوب السوداء فائقة الكتلة. ومن خلال الجمع بين هذه المحاكاة وبيانات الرصد، تمكنوا من إعادة بناء التاريخ القديم لهذه الوحوش الكونية.
وكشفت النتائج التي توصلوا إليها أن الثقوب السوداء فائقة الكتلة نمت بسرعة عندما كان الكون فتيًا. تم تسوية العدد الإجمالي لهذه الكائنات العملاقة تقريبًا قبل 7 مليارات سنة، مع ظهور أكبرها نتيجة للاصطدامات والاندماجات المبكرة. يقدم هذا التاريخ القديم رؤى مهمة حول دورة حياة الثقوب السوداء الهائلة ودورها في تشكيل الكون كما نعرفه اليوم.

الرؤية بالأشعة السينية

تستهلك الثقوب السوداء فائقة الكتلة في مراكز المجرات الغاز البارد من المجرة المضيفة لها، وتشع أشعة سينية قوية في هذه العملية. تعمل هذه الأشعة السينية كمنارة، وتشير إلى نمو الثقب الأسود فائق الكتلة من خلال التنامي. ومن خلال قياس بيانات الرصد بالأشعة السينية الرائدة على مدار أكثر من 20 عامًا من ثلاثة من أقوى مرافق الأشعة السينية التي تم إطلاقها إلى الفضاء على الإطلاق، تمكن الباحثون من تحديد هذه الظاهرة المهمة.
استخدم الفريق بيانات من مرصد شاندرا للأشعة السينية التابع لناسا، ومهمة نيوتن متعددة المرايا للأشعة السينية التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية (XMM-Newton)، وتلسكوب (eROSITA) التابع لمعهد ماكس بلانك للفيزياء خارج الأرض لقياس النمو الناتج عن التنامي في عينة من 1.3 مليون مجرة. أتاحت مجموعة البيانات الضخمة هذه للباحثين تحديد أكثر من 8000 ثقب أسود سريع النمو، مما يوفر رؤية غير مسبوقة لأنماط نموها.
وكانت النتائج مذهلة، فالمجرات الأكثر ضخامة نمت ثقوبها السوداء عن طريق التنامي بشكل أسرع، مع حدوث هذه الظاهرة في جميع العصور الكونية. ومن خلال الجمع بين هذه البيانات ومحاكاة اندماج المجرات، تمكن الباحثون من رسم صورة شاملة لنمو الثقب الأسود فائق الكتلة. هيمن التنامي على نمو الثقوب السوداء، حيث قدمت عمليات الاندماج مساهمات ثانوية ملحوظة، خاصة بالنسبة لأغلب الثقوب السوداء الضخمة.

• ما أنواع الثقوب السوداء؟
• الثقب الأبيض نظير الثقب الأسود
• إلى أين تقودنا الثقوب السوداء؟
• الثقوب السوداء: أكثر الأجرام ظلامًا في الكون
• ماذا يحدث عند اندماج الثقوب السوداء؟

عصر جديد من فهم الثقوب السوداء

يمكن للعلماء الآن تتبع تاريخ نمو الثقب الأسود فائق الكتلة على مدى مليارات السنين. سيسمح هذا الفهم للباحثين بوضع نموذج أفضل لتكوين المجرات، وتسليط الضوء على العلاقة المعقدة بين الثقوب السوداء والمجرات والكون نفسه.
بالنسبة للشخص العادي، قد يبدو هذا الاكتشاف بمثابة مجال متخصص من البحث العلمي، ولكن له آثار مهمة على فهمنا للكون. من خلال فهم كيفية نمو الثقوب السوداء وتطورها، يمكن للعلماء فهم القوانين الأساسية للفيزياء التي تحكم الكون بشكل أفضل. وهذا بدوره يمكن أن يؤدي إلى اكتشافات في مجالات مثل الفيزياء الفلكية، وعلم الكونيات، وحتى فيزياء الجسيمات.

المصادر:

How do supermassive black holes get super massive? / science daily