دليل جديد لتنبؤ قديم: ارتداد الثقوب السوداء الهائلة

هناك أدلة كافية على أن المجرات الكبيرة تستضيف ثقوبًا سوداء فائقة الكتلة (SMBH) في مراكزها. وهناك أدلة متزايدة من أجهزة كشف موجات الجاذبية على أن هذه الأجسام الصغيرة الحجم ذات الحجم الصغير تندمج عندما تندمج مجراتها. لكن علماء الفلك يعتقدون أنهم في بعض الأحيان لا يندمجون، وهذا ما يسمى الارتداد SMBH.

يستغرق الاندماج وقتًا طويلاً، وفي لحظاته الأخيرة، يتم إطلاق موجات جاذبية قوية. تشير التنبؤات النظرية إلى أنه إذا لم تنبعث الموجات بالتساوي في جميع الاتجاهات – أو لم تكن متساوية القياس – فإن عدم التوازن يمكن أن يدفع بقايا الاندماج SMBH بعيدًا عن مركز المجرة بركلة قوية. هذا SMBH لا يغادر المجرة تمامًا. وبدلاً من ذلك، فإنها تكتسب حركة تشبه حركة البندول، حيث تتأرجح ذهابًا وإيابًا، وتتأرجح عبر مركز المجرة.

ومن الأهمية بمكان أن بقايا اندماج SMBH مثل هذه ليس لها سرعة ثابتة. وبدلًا من ذلك، فهو يتحرك بشكل أسرع بالقرب من مركز المجرة، ويتباطأ عند الطرف الآخر من تأرجحه. هذه الحقيقة مهمة في الأبحاث الجديدة.

البحث هو “دليل إحصائي على ارتداد الثقب الأسود الضخم في نوى المجرة النشطة”، وتم نشره في الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية. المؤلف الرئيسي هو بنس بيكسي، أستاذ مساعد في كلية الفيزياء وعلم الفلك بجامعة برمنغهام.

يشرح المؤلفون: “من المتوقع أن تندمج العديد من ثنائيات SMBH بعد الالتفاف الحلزوني بسبب انبعاث موجات الجاذبية، وسيكون من الممكن ملاحظتها في نطاق موجات الجاذبية بالمي هرتز بواسطة LISA”. يمكن لموجات الجاذبية غير المستوية أن تمنح بقايا الاندماج SMBH سرعة ارتداد تتراوح بين 360,000 كم/ساعة إلى 3.6 مليون كم/ساعة. يؤدي الارتداد إلى تذبذب يشبه البندول.

يُظهر الرسم التوضيحي لهذا الفنان دمج ثقبين أسودين. إذا كانت موجات الجاذبية الناتجة عن الاندماج غير متساوية، فيمكن أن تخلق ثقبًا أسود مرتدًا. حقوق الصورة: ناسا

يضيف المؤلفون: “من المتوقع أن يحتفظ هذا النوع من الأجسام فائقة الدقة بالمنطقة الداخلية لقرص التراكم الخاص به، وأن يظل نشطًا لمدة تتراوح بين 10 ملايين و100 مليون سنة بعد الاندماج، مما يسمح بمراقبته باعتباره نجمًا زائفًا (QSO) مع بصمات حركية ومكانية قابلة للاكتشاف للاندماج”.

كان من الصعب الحصول على دليل على ارتداد SMBH. وقد حدد الباحثون بعض المرشحين، ولكن في كل حالة، كان هناك تفسير بديل لملاحظاتهم. هذا العمل مختلف لأنه لا يركز على المرشحين الأفراد. وبدلاً من ذلك، فإنها تأخذ ما يعتقده علماء الفيزياء الفلكية صحيحًا بشأن ارتداد الثقوب السوداء، وتبحث عنه إحصائيًا في مجتمع ما.

كتب المؤلفون: “نحن نبحث عن علامة على مستوى السكان للثقوب السوداء فائقة الكتلة التي ترتد من موجات الجاذبية: هناك علاقة إيجابية بين حجب الغبار وحجم إزاحة سرعة خط البصر لخطوط الانبعاث العريضة بالنسبة للمضيف”. يعتمد عملهم على إصدار البيانات السادس عشر من مسح Sloan Digital Sky Survey وكتالوج الكوازارات الخاص به.

الكوازارات هي ألمع نوى المجرة النشطة، وهي عبارة عن أجسام صغيرة الحجم صغيرة الحجم تعمل على تراكم المواد بشكل نشط. إن لمعانها العالي يجعل من السهل العثور عليها ومراقبتها. وقام الباحثون بتحليل حوالي 100000 كوازار في عملهم. ما الذي كانوا يبحثون عنه؟

الكوازارات مضيئة للغاية، والعديد من خصائصها لا تزال غير مفهومة جيدًا. ولحسن الحظ، فإن لمعانها العالي يساعدهم في الدراسة. حقوق الصورة: NOIRLab/NSF/AURA/J. دا سيلفا (محرك الفضاء)

هناك نوعان من المعلومات المهمة المشفرة في ضوء النجوم الزائفة. الأول هو سرعتهم. نظرًا لأن الكوازارات هي SMBH، فهي ضخمة ولها قبضة جاذبية قوية على الغاز الموجود في المناطق المجاورة لها. عندما تتأرجح الثقب الأسود فائق الكتلة، تتغير سرعتها اعتمادًا على موقعها بالنسبة إلى مركز المجرة. ويتحرك الغاز القريب من SMBH معه، ويسمى منطقة الخط العريض (BGR). أما الغاز البعيد فلا يتحرك معه، ويسمى بمنطقة الخط الضيق (NLR). ينزاح الضوء الصادر من كلا الجسمين الغازيين بمقدار صغير بالنسبة لبعضهما البعض.

يشرح المؤلفون: “في ما يلي، نفترض أن المجرات الصغيرة فائقة الضخامة المرتدة ستتحرك مع BLR، في حين ستترك NLR في الخلف وتظهر انزياحًا أحمر يتوافق مع المجرة المضيفة والحلقة الغبارية في مركز المجرة”.

لذا فإن الإشارة الضوئية الصادرة من كل جسم من الغازات، BLR وNLR، مختلفة. يطلق عليه اسم تحول دوبلر، ويستخدم علماء الفلك أجهزة قياس الطيف للكشف عنه. ومن خلال مقارنة الإشارتين، يمكن للباحثين تحديد سرعة SMBH.

الجزء الثاني من الدليل المشفر في الضوء يتعلق بالغبار.

يؤدي الغبار الموجود بالقرب من الكوازار إلى احمرار ضوءه، في ظاهرة تسمى الانقراض. إذا كان الكوازار أكثر احمرارًا من مصادر الضوء المماثلة، فهو يعاني من انقراض الغبار بشكل أكبر. يمكن قياس الانقراض باستخدام التحليل الطيفي والقياس الضوئي.

يكون الغبار أكثر سمكًا بالقرب من مركز المجرة، وهذا أيضًا هو المكان الذي تتحرك فيه بقايا SMBH بشكل أسرع. لذا فإن الكوازار الأسرع حركةً يجب أن يصبح أكثر احمرارًا بسبب انقراض الغبار. هذه هي العلاقة في قلب هذا العمل.

وأظهرت النتائج اختلافا مذهلا بين النجوم الزائفة الأكثر احمرارا. يتتبع حجب الغبار سرعة الثقب الأسود: كلما تحرك الثقب الأسود بشكل أسرع، زاد احتمال دفن النجم الزائف الخاص به في الغبار، حيث تظهر المجموعة الأسرع ثلاثة أضعاف الجزء المحجوب من المجموعة الأبطأ. ارتداد الثقوب السوداء من شأنه أن يؤدي إلى هذه النتيجة، لكن هذا لا يعني أن هذه كلها ثقوب سوداء ارتدادية.

سيكون LISA أول مرصد فضائي مخصص لاكتشاف موجات الجاذبية. سيكون لديها مجموعة من ثلاث مركبات فضائية تدور حول الشمس مع الحفاظ على مثلث متساوي الأضلاع. سوف تكتشف أشعة الليزر الموجودة بين الثلاثة موجات الجاذبية. إذا كان هذا البحث صحيحًا، فيجب على LISA اكتشاف SMBH المرتد. حقوق الصورة: وكالة الفضاء الأوروبية. الترخيص: CC BY-SA 3.0 IGO أو ترخيص ESA القياسي

“من الصعب جدًا إثبات أن الثقب الأسود الموجود في كوازار واحد قد تم قذفه، لأن الظواهر الأخرى يمكن أن تنتج توقيعات مماثلة. الجديد في بحثنا هو أنه بدلاً من البحث عن مرشحين فرديين، بحثنا إحصائيًا عن آثار مجموعة كاملة من السكان،” قال المؤلف الرئيسي بيكسي في بيان صحفي. “وهذا مكننا من تحديد علاقة تتفق مع التوقعات النظرية.”

وكتب المؤلفون: “على الرغم من أن الارتباط الذي وجدناه قد يكون دليلاً على وجود مجموعة من الصواريخ الصغيرة والمتوسطة الحجم المرتدة، إلا أن التفسيرات البديلة ممكنة”. الرياح أو زاوية الرؤية أو غيرها من التأثيرات يمكن أن تفسر ذلك أيضًا. ومع ذلك، فإن العثور على هذا الاتجاه عبر عينة إحصائية كبيرة أمر مثير للاهتمام.

قد يتم التوصل إلى دليل أكثر تحديدًا على ارتداد الأجسام الصغيرة والمتوسطة الحجم من خلال هوائي LISA، وهو هوائي مقياس التداخل الليزري، بعد إطلاقه المخطط له في عام 2035.

قال البروفيسور زولت فراي Zsolt Frei، مؤلف مشارك في الدراسة ورئيس مجموعة أبحاث الفيزياء الفلكية خارج المجرات HUN-REN-ELTE: “إذا كانت الإشارة ناجمة بالفعل عن ثقوب سوداء مقذوفة، فقد اندمج ثقبان أسودان هائلان مؤخرًا نسبيًا في نسبة كبيرة من النجوم الزائفة، مما يعني أن هذه الأحداث شائعة”.

“يحدد هذا بشكل مباشر عدد هذه الأحداث التي قد تتمكن LISA من اكتشافها.”