« الكوازار Quasar »: أكثر الأجسام توهجًا في الكون

« الكوازار Quasar »: أكثر الأجسام توهجًا في الكون

الكوازار، وهو جسم فلكي ذو درجة لمعان عالية جدًا موجود في مراكز بعض المجرات، ومدعوم بغاز يتصاعد بسرعة عالية متحولًا إلى كتلة كبيرة للغاية كثقب أسود.

يمكن لألمع الكوازارات أن يتفوق على كل النجوم في المجرات التي يقع فيها، مما يجعله مرئيًا على بعد مسافات تصل حتى مليارات السنين الضوئية. الكوازارات هي من بين أكثر الأشياء المعروفة في الكون بعدًا وإشراقًا.

نجوم زائفة

يُشتق مصطلح «الكوازار-Quasar» من كيفية اكتشاف هذه الأجسام. حيث أنه في أولى المسوحات الراديوية للسماء وأثناء فترة الخمسينيات، وبعيدًا عن مستوى مجرة درب التبانة، تم التعرف على معظم مصادر الراديو القادمة من مجرات ذات مظهر طبيعي.

مع ذلك، تزامنت بعض المصادر الراديوية مع أشياء بدت وكأنها نجوم زرقاء غير عادية. على الرغم من أن صور بعض هذه الأجسام أظهرت أنها مضمنة في هالات خافتة ذات طبيعة ضبابية. بسبب مظهرها شبه النجمي، أُطلق عليها اسم «مصادر الراديو شبه النجمية-quasi-stellar radio sources»، والتي تم اختصارها بحلول عام 1964 إلى «الكوازار-Quasar» حيث اعتمد هذا الإسم بشكل دائم.[1]

قدمت الأطياف البصرية للكوازارات لغزًا جديدًا، وأظهرت الصور التي التقطت لأطيافها مواقع لخطوط الانبعاث بأطوال موجية تتعارض مع جميع المصادر السماوية التي كانت مألوفة لعلماء الفلك آنذاك.

حل لغز الكوازارات

حلَّ عالم الفلك الأمريكي الهولندي «مارتن شميدت» لغز الكوازرات. حيث أدرك في عام 1963م أن نمط خطوط الانبعاث في أحد الكوازارات المسمى «3C 273» _وهو ألمع الكوازار المعروفة_ يأتي من ذرات الهيدروجين التي تحتوي على طيف الانزياح الأحمر؛ أي أنها تحولت من خطوط الانبعاث الأساسية الخاصة بها نحو أطوال موجية أطول وأكثر احمرارًا بمقدار 0.158.

أي أن الطول الموجي لكل خط أطول بمقدار 1.158مرة من الطول الموجي المُقاس في المختبر. حيث يكون المصدر في حالة سكون بالنسبة للمراقب.

تم تقدير بُعد الكوازار «3C 273» بموجب قانون هابل بمسافة تزيد قليلاً عن ملياري سنة ضوئية عن الأرض. كانت هذه مسافة كبيرة، لكنها لم تكن غير مسبوقة! إذ تم تحديد مجموعات لامعة من المجرات على مسافات مماثلة. ولكن «3C 273» كان أكثر سطوعًا بحوالي 100مرة من ألمع المجرات الفردية في تلك المجموعات. ولم تتم رؤية أي شيء بهذا السطوع والبعد حتى الآن. [1]

كشفت الملاحظات المستمرة للكوازارات عن مفاجأة أكبر! وهي أن سطوعها يمكن أن يتغير بشكل كبير على نطاقات زمنية قصيرة كل بضعة أيام. مما يعني أن الحجم الإجمالي للكوازار لا يمكن أن يكون أكثر من بضعة أيام ضوئية.

بما أن الكوازار مضغوط ومضيء جدًا؛ فيجب أن يكون ضغط الإشعاع داخله هائلاً. والطريقة الوحيدة التي يمكن أن تمنعه من تفجير نفسه بإشعاعاته هو إذا كان هائلًا جدًا، على الأقل بما يعادل مليون كتلة شمسية.

نظرية القرص التراكمي

واجه علماء الفلك لغزًا آخراً: كيف يمكن لجسم بحجم النظام الشمسي أن تعادل كتلته مليون نجم ويتفوق 100مرة على مجرة مؤلفة ​​من مئة مليار نجم؟

كانت الإجابة الصحيحة هي التراكم عن طريق الجاذبية على الكتلة الهائلة للثقوب السوداء. وهي نظرية تم اقتراحها علماء روس بعد وقت قصير من اكتشاف شميدت. وهم: «ياكوف زيلدوفيتش» و«إيغور نوفيكوف» وعالم الفلك النمساوي الأمريكي «إدوين سالبيتر».

كان من غير المستساغ لبعض العلماء الجمع بين اللمعان العالي والأحجام الصغيرة، لدرجة أنه تم افتراض تفسيرات بديلة لا تتطلب أن تكون الكوازارات فيها على مسافات كبيرة تشير إليها انزياحاتها الحمراء.

فقدت هذه التفسيرات البديلة مصداقيتها، على الرغم من بقاء عدد قليل من أتباعها. بالنسبة لمعظم علماء الفلك، تمت تسوية جدل الانزياح الأحمر بشكل نهائي في أوائل الثمانينيات، عندما أظهر عالما الفلك الأمريكي «تود بوروسون» والأمريكي الكندي «جون بيفرلي أوك» أن الهالات الضبابية المحيطة ببعض النجوم الزائفة هي في الواقع ضوء نجمي من المجرة التي تستضيف الكوازار، وأن هذه المجرات في انزياح أحمر مرتفع. [1][2]

أجسام شبه نجمية-quasi-stellar objects

بحلول عام 1965، عُرّفت الكوازارات على أنها جزء من مجموعة أكبر بكثير من المصادر الزرقاء بشكل غير عادي. وأن معظم هذه المصادر هي مصادر راديو أضعف من أن تكون باهتة للغاية، بحيث لا يمكن اكتشافها في الاستطلاعات الراديوية المبكرة.

أصبحت هذه المجموعة النجمية الأكبر، التي تشترك في جميع خصائص الكوازار باستثناء السطوع الراديوي الشديد، تُعرف باسم «أجسام شبه نجمية-quasi-stellar objects» أو ببساطة (QSOs). منذ أوائل الثمانينيات من القرن الماضي، اعتبر معظم علماء الفلك أن QSOs هي مجموعة متنوعة عالية السطوع لمجموعة أكبر من التجمعات« النوى المجرية النشطة-active galactic nuclei» أو النوى المجرية النشطة.

تُعرف النوى المجرية النشطة ذات الإضاءة المنخفضة باسم «مجرات سيفيرت-Seyfert galaxies»، التي سميت على اسم عالم الفلك الأمريكي (كارل ك. سيفيرت)، الذي تعرف عليها لأول مرة في عام 1943. [4]

البحث عن الكوازارات

على الرغم من اكتشاف الكوازارات الأولى كمصادر راديوية، إلا أنه سرعان ما أدرك العلماء أن الكوازارات يمكن العثور عليها بشكل أكثر كفاءة من خلال البحث عن أجسام أكثر زرقة من النجوم العادية.

يمكن القيام بذلك بكفاءة عالية نسبيًا عن طريق تصوير مساحات كبيرة من السماء من خلال مرشحين أو ثلاثة مرشحات مختلفة الألوان. ثم تتم مقارنة الصور لتحديد موقع الأجسام الزرقاء بشكل غير عادي، والتي يتم التحقق من طبيعتها من خلال التحليل الطيفي اللاحق.

تظل هذه هي التقنية الأساسية للعثور على الكوازارات. على الرغم من تطورها على مر السنين مع استبدال الفيلم بأجهزة إلكترونية مقترنة بالشحن (CCD)، وتمديد المسوحات لأطوال موجية أطول في الأشعة تحت الحمراء، وإضافة العديد من المرشحات الفعالة في عزل الكوازارات عند الانزياحات الحمراء المختلفة.

كما تم اكتشاف النجوم الزائفة من خلال تقنيات أخرى، بما في ذلك البحث عن المصادر الشبيهة بالنجوم التي يختلف سطوعها بشكل غير منتظم مسوحات الأشعة السينية من الفضاء. في الواقع، يعتبر علماء الفلك ارتفاع مستوى انبعاث الأشعة السينية كمؤشر أكيد لتراكم نظام لثقب أسود. [1] [2]

التركيب الفيزيائي للكوازارات

يبدو أن الكوازارات أو النجوم الزائفة والنواة المجرية النشطة الأخرى تعمل بالطاقة عن طريق التراكم الثقالي على الكتلة الفائقة للثقوب السوداء، حيث تعني كلمة “فائقة الكتلة” من مليون إلى بضعة مليارات ضعف كتلة الشمس.

توجد الثقوب السوداء الهائلة في مراكز العديد من المجرات الكبيرة. في حوالي (5-10)% من هذه المجرات، يسقط الغاز في بئر الجاذبية العميقة للثقب الأسود. ويتم تسخينه حتى يتوهج حيث تلتقط جزيئات الغاز السرعة وتتراكم في “قرص التراكم” بالقرب من أفق الثقب الأسود.

هناك حد أقصى تم تعيينه بواسطة حد إدينجتون. يمكن للثقب الأسود أن يتجمع عنده المادة قبل تسخين الغاز المتسرب ينتج عنه ضغط خارجي كبير من الإشعاع بحيث يتوقف التراكم. [1]

بالإضافة إلى الثقوب السوداء وأقراص التراكم، تتمتع النجوم الزائفة بسمات رائعة أخرى. أبعد من مجرد قرص تتحرك عليه سحب الغاز هذا وتتحرك عليه بسرعات عالية حول البنية الداخلية.

يمتص الأشعة عالية الطاقة من القرص التراكم وإعادة معالجة ذلك في خطوط الانبعاث واسعة من الهيدروجين وأيونات الصورة الأخرى الذرات التي هي توقيعات الكوازار الأطياف. بعيدًا عن الثقب الأسود، ولكن في مستوى القرص التراكمي، توجد سحب غازية محملة بالغبار يمكنها حجب الكوازار نفسه.

كما لوحظ وجود في بعض النجوم الزائفة النفاثات الراديوية، وهي عبارة عن حزم متوازية للغاية من البلازما يتم دفعها على طول محور دوران قرص التراكم بسرعات تقترب غالبًا من سرعة الضوء.

تبعث هذه النفاثات حزمًا من الإشعاع يمكن ملاحظتها في أطوال موجات الراديو والأشعة السينية (وغالبًا في الأطوال الموجية الضوئية). [2]

بسبب هذه البنية المعقدة، يعتمد ظهور الكوازار على اتجاه محور دوران قرص التراكم بالنسبة إلى خط رؤية الراصد. اعتمادًا على هذه الزاوية، وتبدو مكونات الكوازارات المختلفة – وهي: قرص التراكم، وسحب خط الانبعاث، والنفاثات – أكثر أو أقل بروزًا.

ينتج عن هذا مجموعة متنوعة من الظواهر المرصودة من مصادر متشابهة جسديًا في الواقع. [1] [2]

تطور الكوازارات

تزداد كثافة عدد الكوازارات بشكل كبير مع الانزياح الأحمر. والذي يترجم من خلال قانون هابل إلى المزيد من النجوم الزائفة على مسافات أكبر. بسبب السرعة المحدودة للضوء، عندما تُرصد النجوم الزائفة على مسافات بعيدة، يتم رصدها كما كانت في الماضي البعيد. وبالتالي فإن الكثافة المتزايدة للكوازارات مع المسافة تعني أنها كانت أكثر شيوعًا في الماضي مما هي عليه الآن.

يزداد هذا الاتجاه حتى “أوقات المراجعة” التي تتوافق مع حوالي ثلاثة مليارات سنة بعد الانفجار الكبير. الذي حدث منذ حوالي 13.5 مليار سنة. في العصور المبكرة.

تناقصت كثافة عدد الكوازارات بشكل حاد، وهو ما يتوافق مع حقبة كانت فيها تعداد الكوازارات لا تزال تتزايد. تشكلت الكوازارات الأبعد، وبالتالي الأقدم، بعد أقل من مليار سنة من الانفجار الأعظم. [2]

تظهر الكوازارات الفردية عندما تبدأ ثقوبها السوداء المركزية في تجميع الغاز بمعدل مرتفع. وربما يكون ذلك ناتجًا عن اندماج مع مجرة أخرى، مما يؤدي إلى بناء كتلة الثقب الأسود المركزي.

أفضل تقدير حالي هو أن نشاط الكوازار عرضي. مع حلقات فردية تدوم حوالي مليون سنة ويبلغ إجمالي عمر الكوازار حوالي 10 ملايين سنة.

في مرحلة ما، يتوقف نشاط الكوازار تمامًا، تاركًا وراءه الثقوب السوداء الهائلة الكامنة الموجودة في معظم المجرات الضخمة.

يبدو أن “دورة الحياة” هذه تتقدم بأسرع ما يمكن مع الثقوب السوداء الأكثر ضخامة. والتي تصبح خامدة في وقت أبكر من الثقوب السوداء الأقل كتلة. [3]

في الكون الحالي، توجد علاقة وثيقة بين كتلة الثقب الأسود وكتلة المجرة المضيفة له. هذا أمر رائع، لأن الثقب الأسود المركزي يمثل 0.1٪ فقط من كتلة المجرة.

ُيُعتقد أن الإشعاع الشديد وتدفقات الكتلة والنفاثات القادمة من الثقب الأسود أثناء طور الكوازار النشط هي المسؤولة عن ذلك.

يسخن الإشعاع والتدفقات الخارجية والنفاثات ويمكنها حتى إزالة الوسط البين نجمي بالكامل من المجرة المضيفة. هذا الفقد للغاز في المجرة يؤدي في الوقت نفسه إلى إيقاف تكوين النجوم. وخنق إمداد وقود الكوازار، وبالتالي تجميد كل من الكتلة في النجوم وكتلة الثقب الأسود المركزي. [3]

اقرأ أيضا عن جائزة نوبل في الفيزياء 2020 والتي أثبتت النسبية العامة

المصادر

[1]. britannica
[2]. academic.1
[3]. iopscience.iop.
[4]. .space