تجربة جديدة تقربنا خطوة نحو فهم نفاثات النجوم الزائفة

نفاثات النجوم الزائفة

لعدة قرون، ناضل العلماء لفهم كيفية تشكل نفاثات النجوم الزائفة (الكويزارات) (Quasar). والآن، ربما تمكن الباحثون في مختبر فيزياء البلازما برينستون (PPPL) في نيوجيرسي من فك الشفرة. لقد كشفت تجربتهم، باستخدام حزم البروتونات لاستكشاف التفاعل بين البلازما والمجالات المغناطيسية، عن جزء مهم من اللغز.

ومن خلال إنشاء بلازما ذات كثافة عالية من الطاقة وقياس تفاعلها مع مجال مغناطيسي خلفي، لاحظ الفريق بتفاصيل غير مسبوقة ديناميكيات عدم الاستقرار المغناطيسي-رايلي تايلور (magneto-Rayleigh Taylor instability)، وهي ظاهرة يُعتقد أنها تحدث في النجوم الزائفة. قد يكون هذا الاكتشاف هو المفتاح لفهم كيفية إطلاق الكويزارات لنفاثاتها النسبية (relativistic jets)، حزم من البلازما تُطلق بالقرب من الثقوب السوداء الهائلة الكتلة، مدعومة إما بالطاقة الجاذبية للمادة المتراكمة أو بالطاقة الدورانية للثقب الأسود، مما يحل اللغز الكوني الذي طارد العلماء لعدة قرون.

محتويات المقال :

الثقوب السوداء الهائلة والبلازما

لنقل أنك على حافة دوامة كونية، حيث الجاذبية قوية جدًا لدرجة أنها تشوه نسيج المكان والزمان. وفي وسط هذه الدوامة يوجد ثقب أسود هائل، حيث تجذب جاذبيته الهائلة المادة من جميع الاتجاهات. عند تسخين المادة إلى درجات حرارة عالية بشكل لا يصدق، تصبح قرصًا دوارًا من البلازما، وهي حالة تشبه الغاز حيث تنقسم الذرات إلى إلكترونات ونوى.

هذا هو قلب الكويزار، وهو جسم مضيء بشكل لا يصدق يتفوق على المجرات بأكملها. والثقب الأسود الموجود في مركزه عبارة عن وحش، تبلغ كتلته ملايين أو حتى مليارات المرات من كتلة شمسنا. وعندما تتغذى على البلازما المحيطة بها، تصبح أقوى، وتشوه جاذبيتها الزمكان بطرق شديدة.

لكن ماذا يحدث للبلازما عندما تنجذب نحو الثقب الأسود؟ وكيف يتفاعل مع المجالات المغناطيسية القوية التي تحيط بهذه العمالقة الكونية؟ تكمن الإجابة عند تقاطع الجاذبية والمجالات المغناطيسية وسلوك البلازما، وهي علاقة معقدة حيرت العلماء لعقود من الزمن.

أبحاث حول نفاثات النجوم الزائفة النسبية

إن السعي لفهم النفاثات الغامضة المنبعثة من الكويزارات عبارة عن رحلة استغرقت قرنًا من الزمان. لقد انبهر العلماء بهذه الأشعة القوية من الطاقة. وأثار اكتشاف الكوازارات في الستينيات موجة من الأبحاث، حيث حاول العلماء تفسير الكميات الهائلة من الطاقة الصادرة عن هذه القوى الكونية. ومع ذلك، ظلت الآليات الكامنة وراء تشكيل هذه النفاثات يكتنفها الغموض.

كانت إحدى النظريات المبكرة المقترحة هي “نموذج الشعاع”، الذي اقترح أن التدفق كان عبارة عن شعاع ضيق من الجسيمات النشطة التي تسارعها مجال الجاذبية القوي للثقب الأسود. ومع ذلك، فشلت هذه النظرية في تفسير التباين الملحوظ في انبعاث النفاثات والطاقات المذهلة المعنية.

وفي العقود التالية، تحول العلماء إلى نماذج أكثر تعقيدًا، بما في ذلك النفاثات المدفوعة بالمجال المغناطيسي والتدفقات الخارجية المدفوعة بالقرص التراكمي (Accretion disk)، عبارة عن حزام من الغاز والغبار الكوني ومن الممكن أن يكون القرص حول قزم أبيض أو نجم نيوتروني أو ثقب أسود ويدور حوله بفعل الجاذبية، وفي حين قدمت هذه النماذج بعض الأفكار، إلا أنها كانت محدودة ببيانات الرصد المتاحة والقدرة الحسابية.

أدى ظهور التلسكوبات المتقدمة والمراصد الفضائية في التسعينيات والعقد الأول من القرن الحادي والعشرين إلى تمكين العلماء من دراسة النجوم الزائفة بتفاصيل غير مسبوقة. وكشفت الصور عالية الدقة عن هياكل معقدة في النفاثات مما يشير إلى وجود مجالات مغناطيسية قوية.

تجربة جديدة تكشف السر

قام الباحثون مختبر فيزياء البلازما في برينستون بتجربة جديدة مصممة لكشف أسرار كيفية إطلاق الكوازارات وغيرها من الثقوب السوداء النشطة فائقة الكتلة لنفاثاتها النسبية. ومن خلال تعديل تقنية تسمى التصوير الإشعاعي للبروتون (proton radiography)، تمكن الفريق من مراقبة التفاعل بين البلازما والمجال المغناطيسي الخلفي بشكل مباشر، مما سلط الضوء على العملية الغامضة التي تحرك هذه النفاثات القوية.

في تجربتهم، أنشأ الباحثون أولاً بلازما عالية الكثافة من خلال إطلاق شعاع ليزر نبضي بقوة 20 جول على هدف بلاستيكي. ثم استخدموا أشعة ليزر قوية لتحريض الاندماج النووي في كبسولة وقود مملوءة بالديوتيريوم والهيليوم 3. أطلقت تفاعلات الاندماج رشقات من البروتونات والأشعة السينية.

ثم مرت البروتونات والأشعة السينية عبر شبكة من النيكل مملوءة بثقوب صغيرة. فكر في الشبكة على أنها تشبه مصفاة لتصفية المعكرونة؛ فهي تصفي البروتونات إلى العديد من الحزم المنفصلة التي يمكنها بعد ذلك قياس كيفية تفاعل مجموعة البلازما المنتشرة مع المجال المغناطيسي الخلفي.

ولأن البروتونات مشحونة، فإنها تتبع خطوط المجال المغناطيسي أثناء تعرضها للضربات من البلازما. وتعمل الأشعة السينية كنقطة مراجعة. ولأن الأشعة السينية تمر عبر شبكة النيكل والحقل المغناطيسي بشكل نظيف، فإنها توفر صورة غير مشوهة للبلازما لمقارنتها بقياسات شعاع البروتونات.

المراقبة المباشرة لظاهرة كونية

وقد تمكن الباحثون من ملاحظة تغير المجال المغناطيسي بشكل مباشر مع مرور الوقت، مما منحهم لمحة غير مسبوقة عن العلاقة بين البلازما المنتشرة والمجال المغناطيسي. هذه الظاهرة، المعروفة باسم عدم الاستقرار المغناطيسي-رايلي تايلور ، تشبه لعبة شد الحبل، حيث تتدافع خطوط البلازما والمجال المغناطيسي باستمرار وتسحب بعضها ضد بعضها البعض. ومع انخفاض طاقة البلازما، تراجعت خطوط المجال المغناطيسي، مما أدى إلى ضغط البلازما في عمود مستقيم وضيق، يشبه بشكل مخيف التدفق النسبي للكوازار.

أكدت هذه الملاحظة أن عدم الاستقرار هذا يحدث عندما تلتقي البلازما المنتشرة بالمجالات المغناطيسية، وتوفر دليلًا قويًا على أن نفاثات النجوم الزائفة يتم إنشاؤها من خلال هذه الآلية الدقيقة. وصفها الباحث الرئيسي في التجربة، ويل فوكس، بأنها “نوع من لعبة شد الحبل” بين البلازما والمجال المغناطيسي، حيث تُدفع البلازما باستمرار ضد خطوط المجال المغناطيسي، مما يؤدي إلى انحناءها وتشوهها.

آثار هذا الاكتشاف

إن هذا الاكتشاف له آثار بعيدة المدى على فهمنا للكويزارات والثقوب السوداء النشطة فائقة الكتلة. لعقود من الزمن، ظل العلماء في حيرة من أمرهم بشأن النفاثات النسبية الغامضة المنبعثة منها. والآن، يبدو أن مفتاح حل هذا اللغز يكمن في التفاعل المعقد بين البلازما والمجالات المغناطيسية.

الآثار المترتبة على هذه النتيجة عميقة. إذا كانت النتائج بالفعل لمحة سريعة عما يحدث حول الثقوب السوداء النشطة، فإنها توفر قطعة مفقودة في صورتنا لكيفية عمل هذه القوى الكونية. ويشير هذا الاكتشاف إلى أن النجوم الزائفة تطلق العنان لغضبها النسبي من خلال تسخير الطاقة المنبعثة من المجال المغناطيسي أثناء ارتدادها، وضغط البلازما في عمود ضيق ينفجر من محيط الثقب الأسود.

هذا الاكتشاف لديه القدرة على إحداث ثورة في فهمنا للظواهر الأكثر نشاطا في الكون. ومن خلال تسليط الضوء على الآليات التي تحرك نفاثات النجوم الزائفة، يمكن للعلماء الآن أن يفهموا بشكل أفضل الدور الذي تلعبه هذه العمالقة الكونية في تشكيل الكون كما نعرفه. وهذا بدوره يمكن أن يؤدي إلى رؤى جديدة حول تكوين وتطور المجرات، وكذلك توزيع المادة والطاقة في جميع أنحاء الكون.