تعتبر النفاثات الفيزيائية الفلكية الصادرة عن الثقوب السوداء الهائلة ظواهر مذهلة. وتمتد هذه التدفقات، المصنوعة من الغاز المتأين، لملايين الفراسخ الفلكية، ويمكن أن تصل إلى سرعات نسبية. يمكنهم تغيير محيطهم المجري، مما يؤثر على الغاز داخل المجرة المضيفة، وبعد ذلك إلى الكتلة المضيفة، يمكنهم تعطيل تكوين النجوم.
تصدر SMBH هذه النفاثات فقط عندما تتغذى بشكل نشط. تتجمع المواد التي تتغذى عليها في قرص تراكمي شديد الحرارة، ولكن لا يتم استهلاكها كلها بواسطة SMBH. يتم إخراج بعض منه بواسطة هذه النفاثات، مدفوعة بالمجالات المغناطيسية القوية في قرص التراكم.
وعلى الرغم من فهم الصورة العامة، فإن علماء الفيزياء الفلكية يكافحون للإجابة على أسئلة معينة حول هذه العملية. درس بحث جديد في مجلة The Astrophysical Journal Letters العلاقة بين التراكم والنفاثات. إنه بعنوان “اقتطاع القرص يطلق إطلاقًا نفاثًا نسبيًا لثقب أسود فائق الضخامة” والمؤلفان الرئيسيان المشاركان هما هيروفومي نودا وكازوهيرو هادا. نودا هو أستاذ مشارك في جامعة توهوكو، وهادا من جامعة مدينة ناغويا.
كتب المؤلفون: “تعد النفاثات النسبية من بين الظواهر الأكثر نشاطًا في الكون وتؤثر على تطور المجرات من خلال ردود الفعل النشطة، ومع ذلك فإن العلاقة الفيزيائية بين التدفقات التراكمية وإطلاق النفاثات لا تزال دون حل”. “يُعزى إنتاج الطائرات النفاثة على نطاق واسع إلى آلية بلاندفورد-زناجيك (BZ)، التي تستخرج الطاقة الدورانية للثقب الأسود عبر مجالات مغناطيسية واسعة النطاق مدعومة بتدفق تراكمي.”
هناك نوعان من الأقراص التراكمية: الأقراص الساخنة السميكة والأقراص الرقيقة الباردة. المشكلة هي أنه يبدو أن هناك تناقضًا واضحًا بين ما تحتاجه BZ لإطلاق الطائرات وما يمكن أن توفره أقراص التراكم الرفيعة. يشرح المؤلفون: “على الرغم من أن هذه الآلية مدعومة جيدًا من الناحية الملاحظة بالنسبة للتدفقات الساخنة والسميكة هندسيًا، إلا أن البيئات شديدة التراكم ذات النفاثات القوية تمثل مفارقة، حيث تهيمن عليها عادةً أقراص باردة ورقيقة هندسيًا غير قادرة على الحفاظ على مجالات مغناطيسية واسعة النطاق”.
لذلك، على الرغم من أن منطقة BZ تتطلب مجالات مغناطيسية واسعة النطاق لإطلاق الطائرات النفاثة، إلا أنه لا يبدو أن الطائرات الرقيقة توفر ذلك. ومع ذلك، لا تزال هذه الأقراص تطلق الطائرات النفاثة. ماذا يحدث هنا؟
لمعرفة ذلك، استخدم الباحثون عمليات رصد قوية للأشعة السينية والراديو لفحص 3C 120، وهي مجرة نشطة تبعد حوالي 420 مليون سنة ضوئية. إنها مادة تتراكم بسرعة وتصدر أيضًا نفاثات. لقد استخدموا مهمة التصوير بالأشعة السينية والتحليل الطيفي (XRISM)، ومصفوفة قياس التداخل الأساسي الطويل جدًا (VLBI) العالمية (GMVA)، ومصفوفة خط الأساس الطويل جدًا (VLBA)، وشبكة VLBI لشرق آسيا (EAVN).
يعتبر 3C 120 موضوعًا مثاليًا لهذه الملاحظات.
“المجرة الراديوية ذات الخط العريض 3C 120 (z = 0.033)، مع كتلة ثقب أسود تبلغ MBH ∼ 6.3 × 107 “يوفر M⊙ مختبرًا مثاليًا لمعالجة هذه المشكلة”، كتب المؤلفون. “على عكس النوى المجرية النشطة ضعيفة التراكم مثل M87، فإن 3C 120 تتراكم بمعدل مرتفع نسبيًا، بينما تطلق في الوقت نفسه طائرة نسبية قوية.”
صورة هابل لمجرة 3C 120، وهي مجرة نشطة ذات ثقوب صغيرة فائقة الكتلة تتزايد بسرعة وتطلق نفاثات. وقام الباحثون بفحصها بأحدث مراصد الأشعة السينية والراديو. مصدر الصورة: بواسطة HST وC Messier – المجال العام، https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=133791754
وقال المؤلف الرئيسي المشارك نودا في بيان صحفي: “من خلال النظر إلى نفس الثقب الأسود باستخدام أحدث الأشعة السينية والتلسكوبات الراديوية، تمكنا من رؤية كل من البلازما الساخنة المحيطة بالثقب الأسود والنفاثات الخارجة منه”. “وهذا يسمح لنا بالربط المباشر بين البيئة القاسية القريبة من الثقب الأسود وتكوين الدفق.”
وجدت عمليات رصد XRISM خط انبعاث حديدي في القرص حول 3C 120. وببعض المساعدة من النسبية العامة، وتشويه في الخط الحديدي، اكتشف الباحثون مدى قرب القرص من الثقب الأسود. وهذا أظهر لهم أن القرص مقطوع.
كتب المؤلفون: “يكشف التحليل الطيفي للأشعة السينية عالي الدقة عن خط Fe Kα موسع نسبيًا، مما يشير إلى أن القرص البارد الرقيق هندسيًا مقطوع عند ∼ 20Rg (Rg هو نصف قطر الجاذبية)، مع استبدال المنطقة الداخلية بتدفق ساخن وسميك هندسيًا”. لذلك يتكون القرص من جزأين، قرص خارجي رقيق وبارد، وقرص داخلي ساخن وسميك.
ويوضح هذا الشكل النتائج الجديدة. في أعلى اليسار، قام XRISM بقياس “لون” الأشعة السينية القادمة من محيط الثقب الأسود بدقة. تتمدد الأطوال الموجية، وتغير النسبية العامة ألوانها. تظهر في أعلى اليمين صورة للطائرة التي تم الحصول عليها بواسطة مصفوفة Global Millimeter VLBI بطول موجة يبلغ 3 ملم. الجزء السفلي عبارة عن انطباع فني عن البيئة المحيطة بثقب أسود فائق الكتلة يتغذى بسرعة. يقتطع قرص التراكم المسطح البارد حوالي 20 ضعف نصف قطر الثقب الأسود، ويتحول إلى تدفق تراكمي ساخن يتم إطلاق النفاثات بداخله. مصدر الصورة: © جامعة توهوكو
لذلك، على الرغم من أن القرص الخارجي لا يمكنه توفير المجالات المغناطيسية للصاروخ SMBH لإطلاق نفاثاته، فإن القرص الداخلي يمكنه ذلك.
كتب المؤلفون: “تُظهِر هذه النتائج أنه حتى عند معدلات التراكم العالية، يرتبط إطلاق النفاثات بتدفق داخلي ساخن، ربما عبر عملية بلاندفورد-زناجيك، مما يوفر دليلًا على وجود اتصال عالمي بين القرص والنفاث عبر التحول الهندسي”.
إن فكرة أن آلية بلاندفورد-زناجيك ضرورية لإطلاق الطائرات الصغيرة والمتوسطة الحجم تعتمد جزئيًا على الملاحظات، ولكنها أيضًا تعتمد على عمليات المحاكاة. يقدم هذا العمل طريقة جديدة لمراقبة SMBH وقرصه ونفاثاته. سيتم تطبيق الطريقة على عينة أكبر لمعرفة المزيد حول ظاهرة اقتطاع القرص.
كتب الباحثون في استنتاجهم: “تسلط هذه النتائج الضوء على الدور المحوري للتحليل الطيفي للأشعة السينية عالي الدقة المنسق وتصوير VLBI في كشف الثقب الأسود MHD، وتوضح كيف تنشئ التحولات الهيكلية الداخلية مواقع مناسبة مغناطيسيًا للنفاثات التي تعمل بالطاقة الدورانية”.
وقال نودا: “هدفنا التالي هو بناء صورة أكثر اكتمالا لكيفية تفاعل المادة والمجالات المغناطيسية ودوران الثقب الأسود في هذه البيئات القاسية”. “إن فهم هذه العملية قد يساعدنا أيضًا على فهم أفضل لكيفية تأثير الثقوب السوداء الهائلة على تطور المجرات والهياكل الأكبر للكون.”
