تدفقات هائلة من المادة تنبعث من ثقب أسود تفوق حتى أكبر المجرات، حسبما أفاد العلماء

رصد علماء الفلك زوجاً هائلاً من النفاثات النفاثة المنطلقة من ثقب أسود فائق الكتلة على بُعد 7.5 مليار سنة ضوئية من الأرض. وتمتد هذه البنية الضخمة على طول 23 مليون سنة ضوئية، مما يجعل نفاثات الثقب الأسود هذه أكبر نفاثات ثقب أسود شوهدت على الإطلاق، وفقاً لبحث جديد.

ويُنظر إلى الثقوب السوداء على أنها نفايات الكون، حيث تلتهم كل ما يقترب منها تقريباً. لكن جزءاً من المواد يتم قذفها قبل أن يسقط جسم ما في الثقب الأسود، مشكلاً نفاثة على جانبي الثقب الأسود، كما قال مارتين أوي، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والمؤلف الرئيسي لدراسة جديدة تصف هذا الاكتشاف.

نُشرت النتائج في 18 سبتمبر في مجلة Nature.

يمكن لنفاثات الثقب الأسود أن تسرّع الإشعاع والجسيمات بسرعة تقترب من سرعة الضوء، مما يجعلها تتوهج بأطوال موجية مرئية للتلسكوبات الراديوية. وقد لفت هذا التوهج انتباه علماء الفلك الذين كانوا وراء الدراسة الجديدة أثناء قيامهم بمسح السماء باستخدام تلسكوب LOFAR، أو تلسكوب راديو LOFAR ذو الترددات العالية الراديوية في أوروبا في عام 2018.

وتتمتع النفاثات الموصوفة حديثاً بطاقة تعادل طاقة تريليونات الشموس وهي ضخمة جداً لدرجة أن الباحثين أطلقوا عليها اسم بورفيريون Porphyrion تيمناً بعملاق من الأساطير اليونانية.

ويدفع هذا الاكتشاف علماء الفلك إلى إعادة التفكير في فهمهم لمدى ضخامة نفاثات الثقب الأسود وكذلك كيفية تأثير هذه السمات العملاقة على محيطها وبنية الكون.

وقال أوي: "هذا الزوج ليس فقط بحجم النظام الشمسي، أو مجرة درب التبانة؛ نحن نتحدث عن 140 قطرًا من أقطار مجرة درب التبانة في المجموع". "ستكون مجرة درب التبانة نقطة صغيرة في هذين الانفجارين العملاقين."

البحث في الشبكة الكونية

في البداية، كان الباحثون يبحثون في البداية عن شيء آخر باستخدام لوفار: الخيوط الناعمة للشبكة الكونية.

وقال أوي إن الشبكة الكونية هي البنية واسعة النطاق للكون، وهي شبكة من المادة التي تتخلل كل الفضاء بين المجرات.

ولكن أثناء سعيهم لرصد الشبكة الكونية، اكتشف الفريق نفاثات كبيرة قادمة من المجرات. وإجمالاً، رصد الفريق 10,000 زوج جديد من أزواج نفاثات الثقوب السوداء. وقد قُبلت ورقة بحثية تصف هذه الأزواج للنشر في مجلة أخرى هي Astronomy & Astrophysics.

وقال أوي: "عندما عثرنا على النفاثات العملاقة لأول مرة، فوجئنا تماماً". "لم يكن لدينا أي فكرة عن وجود هذا العدد الكبير."

تقع الثقوب السوداء فائقة الكتلة في مراكز المجرات الكبيرة. وقال أوي إن ملاحظات الفريق سلطت الضوء على أن عدداً متزايداً من المجرات لديها نفاثات ثقوب سوداء تصل إلى ما وراء حدودها.

وكان باحث من مجال مختلف، وهو الباحث المشارك في الدراسة أيفين غاست، أول من رصد الزوج الأكثر ضخامة من النفاثات.

في ذلك الوقت، كان غاست طالبًا جامعيًا يدرس علم الآثار الكلاسيكية والتاريخ القديم في جامعة أكسفورد. ولكن بسبب الجائحة، كان عمله الأكاديمي الرئيسي معلقاً، لذلك عرض مساعدة أوي في الفحص البصري للصور الراديوية التي التقطها لوفار.

قال أوي عبر البريد الإلكتروني: "بعد العثور على بورفيريون، كنا متحمسين للغاية، وبعد التحدث عن الأمر شعرت بالإثارة لرؤية شيء مميز لم يقدره أحد من قبل والمشاركة في اكتشافه".

وأضاف أوي أنه بمجرد أن تأكد الفريق من المجرة التي نشأت فيها النفاثات، "استفاد أيفين من خلفيته الكلاسيكية واقترح تسمية النظام باسم "بورفيريون" الجميل، وهو ما يحمله الآن".

قبل أرصاد لوفار، كان يُعتقد أن الأنظمة النفاثة الكبيرة نادرة ومن المتوقع أن تكون أصغر حجماً. وقبل رصد بورفيريون، كان أكبر نظام ثقب أسود نفاث مؤكد هو نظام ألسيونيوس.

وقد عثر الفريق نفسه على Alcyoneus، الذي سُمي أيضاً باسم عملاق إغريقي أسطوري، في عام 2022، وهذا النظام النفاث يساوي حوالي 100 مجرة من مجرات درب التبانة.

يُقدّر قطر مجرة درب التبانة بـ 100 ألف سنة ضوئية. والسنة الضوئية الواحدة هي المسافة التي يقطعها الضوء في سنة واحدة، وهي 5.88 تريليون ميل (9.46 تريليون كيلومتر).

لكن مؤلفي الدراسة اتبعوا نهجاً أوسع نطاقاً واعتبروا أن مجرة درب التبانة يبلغ عرضها 163,078 سنة ضوئية لحساب جميع النجوم والمادة غير المرئية داخل المجرة، كما قال أوي.

وبالتالي، قرروا أن بورفيريون يعادل 140 قطرًا من أقطار مجرة درب التبانة.

والآن، قال المؤلفان إنهما يعتقدان أنه من الممكن العثور على نفاثات أكبر من بورفيريون مع تحسن تكنولوجيا التلسكوبات الراديوية.

تتبع أصل المجرة

للكشف عن المزيد من التفاصيل حول أصول النفاثات، أجرى الفريق عمليات رصد للمتابعة باستخدام التلسكوب الراديوي العملاق للموجات الراديوية في الهند ومرصد دبليو إم كيك في هاواي. أشارت الملاحظات إلى مجرة بعيدة أكبر من مجرة درب التبانة بحوالي 10 أضعاف حجم مجرة درب التبانة.

كما كشفت البيانات التي جمعها مرصد كيك أيضاً أن الهياكل جاءت من ثقب أسود نشط ذي وضع إشعاعي، وليس من النوع المعروف بإنتاج نفاثات أكبر، وهو ما فاجأ الباحثين.

عندما تصبح الثقوب السوداء فائقة الكتلة نشطة، تقوم قوة جاذبيتها بتسخين المواد المحيطة بها، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة على شكل إشعاع أو نفاثات. ووفقاً للباحثين، فإن الثقوب السوداء ذات النمط الإشعاعي أكثر شيوعاً في الكون البعيد، في حين أن الثقوب السوداء ذات النمط النفاث أكثر شيوعاً في الكون القريب.

وقال أوي في رسالة بالبريد الإلكتروني: "تشير دراستنا إلى أن الثقوب السوداء النشطة ذات الوضع الإشعاعي قد تكون قادرة على توليد نفاثات عملاقة مثل الثقوب السوداء النشطة ذات الوضع النفاث في الكون القريب". "نحن نتعلم أن النفاثات العملاقة قد تكون ظاهرة قديمة: نحن نعلم الآن أنها كانت موجودة منذ معظم عمر الكون. غطى مسح لوفار الذي أجريناه 15 في المئة فقط من السماء. ومن المحتمل أن يكون من الصعب رصد معظم هذه النفاثات العملاقة، لذلك نعتقد أن هناك الكثير من هذه النفاثات العملاقة هناك."

ويمكن أن يساعد فهم مدة وجود نفاثات الثقوب السوداء العملاقة خلال 13.8 مليار سنة من عمر الكون علماء الفلك في معرفة كيفية تأثير هذه النفاثات على محيطها.

هناك سؤالان كبيران يواجهان علماء الفلك، وهما كيف أصبح الكون ممغنطاً وكيف نشأت البنى واسعة النطاق للشبكة الكونية التي تقع بين المجرات. يمكن أن تساعد نفاثات الثقب الأسود الهائل في الإجابة عن كليهما.

إذا استمرت لملايين السنين، يمكن أن تؤثر نفاثات الثقوب السوداء القوية على تدفق المادة عبر الفضاء بين المجرات عن طريق إطلاق الجسيمات المشحونة والمجالات المغناطيسية عبر الفضاء، وفقاً لمؤلفي الدراسة.

وقال أوي: "عندما تصل النفاثات إلى الفضاء بين المجرات، فإننا نعتقد أن لها تأثيراً كبيراً على تسخين (الفضاء) بين المجرات وعلى مغنطسته". "أحد الإدراكات غير المتوقعة للعثور على هذا النظام النفاث العملاق هو أن نفاثات الثقوب السوداء يمكن أن تصل إلى نطاق الشبكة الكونية. فهي كبيرة لدرجة أنها يمكن أن تصل، من حيث المبدأ، إلى كل مكان."

يُظهر بحث الفريق أن بورفيريون كان قادراً على تسخين محيطه في الفضاء بين المجرات بحوالي مليون درجة.

"وقال أوي: "إذا حدث هذا التسخين في وقت مبكر بما فيه الكفاية في الزمن الكوني، فربما أبطأ ذلك من تشكل المجرات، التي تتطلب بلازما أو غازاً بارداً نسبياً بين المجرات من أجل الانهيار والتشكل."

بحث جديد عن إجابات كونية

يواصل الفريق البحث في كيفية امتداد نفاثات الثقب الأسود إلى ما وراء مجرتها المضيفة دون أن تصبح غير مستقرة.

وقال المؤلف المشارك في الدراسة مارتن هاردكاسل، أستاذ الفيزياء الفلكية في جامعة هيرتفوردشاير في إنجلترا، في بيان: "أظهر لنا عمل مارتيين أنه لا يوجد أي شيء خاص في بيئات هذه المصادر العملاقة التي تجعلها تصل إلى تلك الأحجام الكبيرة".

وقال ساشا تشيخوفسكوي، الأستاذ المشارك في قسم الفيزياء وعلم الفلك في جامعة نورث وسترن، إن الدراسة تكشف عن اكتشاف مثير، وهو "سجل أحفوري" لنشاط الثقب الأسود الهائل الذي يمكن أن يُظهر كيف تطورت النفاثات والثقب الأسود مع مرور الوقت.

وقال تشيخوفسكوي، الذي لم يشارك في الدراسة الجديدة: "يمكن أن يساعدنا طول العمر الملحوظ للنفاثات أيضاً على اختبار النماذج الفيزيائية للنفاثات، لا سيما ثباتها في مواجهة الاحتمالات الطويلة لحفر طريقها بنجاح عبر (الفضاء بين المجرات)".

ربما يكون بورفيريون قد قام أيضاً بمغنطة بيئته المحلية، ويريد أوي أن يفهم كيف يمكن للنفاثات الضخمة أن تنشر المغناطيسية عبر الشبكة الكونية. إن أصل المغناطيسية هو المفتاح لأن الحقول المغناطيسية، مثل تلك التي تحيط بالأرض، يمكن أن تحمي وتحمي الغلاف الجوي الذي يحافظ على الحياة.

"يقول أوي: "تسمح المغناطيسية على كوكبنا بازدهار الحياة، لذا نريد أن نفهم كيف نشأت هذه المغناطيسية. "نحن نعلم أن المغناطيسية تتخلل الشبكة الكونية، ثم تشق طريقها إلى المجرات والنجوم، وفي النهاية إلى الكواكب، لكن السؤال هو: من أين بدأت؟ هل قامت هذه النفاثات العملاقة بنشر المغناطيسية عبر الكون؟"