اكتشاف أكبر اندماج لثقوب سوداء في الكون

وفقًا لبحث جديد، فإن التصادم الذي تم رصده بين ثقبين أسودين، كل منهما أكبر من مائة شمس، هو أكبر اندماج من نوعه تم تسجيله على الإطلاق.

وقد اكتشف فريق من علماء الفلك هذا الحدث، الذي أطلق عليه اسم GW231123، عندما اكتشف مرصد موجات الجاذبية بمقياس التداخل الليزري (LIGO) وهو عبارة عن زوج من الأجهزة المتطابقة الموجودة في ليفينغستون بولاية لويزيانا وهانفورد بواشنطن تموجات خافتة في الزمكان ناتجة عن اصطدام ثقبين أسودين ببعضهما البعض. ويُطلق الفيزيائيون على هذه التموجات اسم موجات الجاذبية.

وكان ألبرت أينشتاين قد تنبأ بموجات الجاذبية في عام 1915 كجزء من نظريته النسبية، لكنه اعتقد أنها أضعف من أن تكتشفها التكنولوجيا البشرية. ومع ذلك، في عام 2016، اكتشفها LIGO لأول مرة عندما تصادمت الثقوب السوداء، مما يثبت أن أينشتاين كان على حق مرة أخرى). وفي العام التالي، حصل ثلاثة علماء على جوائز عن مساهماتهم الرئيسية في تطوير ما أطلق عليه بالعامية "تلسكوب الثقب الأسود".

ومنذ أول اكتشاف لموجات الجاذبية، التقط جهاز LIGO والأجهزة الشقيقة له جهاز Virgo في إيطاليا، وجهاز KAGRA في اليابان إشارات لحوالي 300 عملية اندماج ثقب أسود. وقال مارك هانام، رئيس معهد استكشاف الجاذبية في جامعة كارديف في المملكة المتحدة وعضو في التعاون العلمي لـ LIGO: "هذه الكواشف المذهلة هي في الحقيقة أكثر أدوات القياس حساسية التي بناها البشر على الإطلاق". "لذا، نحن نرصد أكثر الأحداث عنفاً وتطرفاً في الكون من خلال أصغر القياسات التي يمكننا إجراؤها."

Loading image...

ومع ذلك، فإن GW231123 هو حدث استثنائي من بين 300 ثقب أسود مندمج في الكون، وليس فقط لأنه الأكثر ضخامة من بين التصادمات.

يقول تشارلي هوي، وهو زميل باحث في جامعة بورتسموث في المملكة المتحدة وعضو في فريق LIGO العلمي: "إن الثقوب السوداء المنفردة مميزة لأنها تقع في نطاق من الكتل لا نتوقع أن تنتج من النجوم المحتضرة". وتابع قائلاً: "كما لو أن هذا لم يكن كافياً"،فمن المحتمل أيضاً أن تكون الثقوب السوداء تدور بأقصى سرعة ممكنة فيزيائياً. يمثل GW231123 تحدياً حقيقياً لفهمنا لتكوين الثقوب السوداء."

'فجوة الكتلة'

موجات الجاذبية هي الطريقة الوحيدة التي يمكن للعلماء من خلالها رصد التصادم في نظام ثنائي يدور فيه ثقبان أسودان حول بعضهما البعض. وقال هانام: "قبل أن نتمكن من رصدها بموجات الجاذبية، كان هناك تساؤل حول ما إذا كانت ثنائيات الثقوب السوداء موجودة أصلاً". "فالثقوب السوداء لا تُصدر أي ضوء أو أي إشعاع كهرومغناطيسي آخر، لذا فإن أي نوع من التلسكوبات العادية غير قادر على رصدها."

ووفقًا لنظرية النسبية العامة لأينشتاين، فإن الجاذبية هي تمدد للمكان والزمان، وتجبر الأجسام على الحركة عبر الفضاء المنحني. عندما تتحرك الأجسام بسرعة كبيرة، مثل الثقوب السوداء الدوارة، يشكل الفضاء المنحني تموجات تنتشر إلى الخارج مثل الموجات.

وفقًا لهانام، فإن موجات الجاذبية هذه "ضعيفة للغاية"، وهناك قيود على المعلومات التي يمكن أن توفرها. على سبيل المثال، هناك حالة من عدم اليقين بشأن مسافة GW231123 من الأرض؛ فقد تكون على بُعد 12 مليار سنة ضوئية. وهانام أكثر ثقة بشأن كتلة الثقبين الأسودين، اللذين يُعتقد أن كتلتهما تبلغ حوالي 100 و 140 ضعف كتلة الشمس.

ومع ذلك، فإن هذه الأرقام محيرة: "يقول هانام: "هناك آليات قياسية تتشكل فيها الثقوب السوداء عندما ينفد الوقود من النجوم وتموت ثم تنهار. "ولكن هناك نطاق من الكتل حيث نعتقد أنه من غير الممكن أن تتشكل الثقوب السوداء بهذه الطريقة. وتعيش الثقوب السوداء من GW231123 في منتصف تلك الفجوة (الكتلية). لذلك هناك سؤال عن كيفية تشكلها وهذا ما يجعلها مثيرة للاهتمام."

وتبدأ "الفجوة الكتلية" التي يشير إليها هانام عند حوالي 60 كتلة شمسية وتصل إلى 130 تقريباً، ولكن نظراً لأنها نطاق نظري، أي لم يتم رصدها بشكل مباشر، فهناك بعض الشكوك حول المكان الذي تبدأ فيه هذه الفجوة وأين تنتهي. ولكن إذا كانت الثقوب السوداء من GW231123 تقع بالفعل في هذه الفجوة، فمن المحتمل أنها لم تتشكل من انهيار النجوم، ولكن بطريقة أخرى.

في دراسة نُشرت يوم الاثنين على مستودع الوصول المفتوح Arxiv، يقترح هانام وزملاؤه أنه يمكن تفسير "الفجوة الكتلية" إذا كان الثقبان الأسودان هما نتاج اندماجات سابقة، وليس نتاج نجوم تحتضر. وقال: "هذه آلية تحدث عنها الناس في الماضي ورأينا تلميحات عنها من قبل".

Loading image...

في هذا السيناريو، يحدث تفاعل متسلسل من اندماجات الثقوب السوداء. "يمكن أن يكون لديك هذه العملية حيث يمكنك بناء المزيد من الثقوب السوداء الضخمة. وبما أن الثقوب السوداء في GW231123 تبدو وكأنها في كتل لا يمكنك الحصول عليها بالآليات العادية، فهذا تلميح قوي إلى أن هذه العملية الأخرى تحدث حيث يكون لديك هذه الاندماجات المتتالية."

وقال دان ويلكينز، عالم الأبحاث في معهد كافلي للفيزياء الفلكية الجسيمية وعلم الكونيات في جامعة ستانفورد، إنه إذا تأكدت هذه الفرضية، فإنها تشير إلى وجود مجموعة غير متوقعة من الثقوب السوداء التي تقع من حيث الكتلة في مكان ما بين الثقوب السوداء التي تتشكل من موت النجوم الضخمة والثقوب السوداء الهائلة التي توجد في مراكز المجرات. لم يشارك ويلكنز في اكتشاف GW231123.

وأضاف قائلاً: "تفتح موجات الجاذبية نافذة مثيرة للاهتمام حقاً على الثقوب السوداء، وتكشف عن بعض الألغاز المثيرة للاهتمام حقاً". "قبل ظهور علم فلك موجات الجاذبية، كان بإمكاننا فقط اكتشاف الثقوب السوداء التي تنمو بنشاط عن طريق سحب المواد، مما ينتج عنه مصدر ضوء قوي. تُظهر لنا موجات الجاذبية جزءًا مختلفًا من مجموعة الثقوب السوداء التي تنمو ليس عن طريق سحب المواد، بل عن طريق الاندماج مع ثقوب سوداء أخرى."

تدور بسرعة كبيرة

الميزة الأخرى المثيرة للدهشة في GW231123 هي سرعة دوران الثقبين الأسودين حول بعضهما البعض.

وقال تشارلي هوي: "حتى الآن، معظم الثقوب السوداء التي وجدناها مع موجات الجاذبية كانت تدور ببطء إلى حد ما". "وهذا يشير إلى أن GW231123 ربما تكون قد تشكلت من خلال آلية مختلفة مقارنةً بالاندماجات الأخرى المرصودة، أو قد تكون علامة على أن نماذجنا بحاجة إلى التغيير."

من الصعب إنتاج مثل هذه الدورات عالية السرعة، لكنها تدعم أيضاً فكرة أن الثقوب السوداء قد خضعت لاندماجات سابقة، لأن العلماء يتوقعون أن تدور الثقوب السوداء المندمجة سابقاً بشكل أسرع، وفقاً لهانام.

وقالت صوفي بيني، وهي باحثة ما بعد الدكتوراه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وعضو في فريق ليغو-فيرغو-كاغرا: "يتحدى GW231123 نماذجنا لإشارات موجات الجاذبية، حيث أن نمذجة مثل هذه الدورات (السريعة) أمر معقد، ويبرز كحدث استثنائي محير في تفسيره". "أكثر ما أدهشني هو مقدار ما لا يزال هناك الكثير مما يجب معرفته عن موجات الجاذبية. آمل حقًا أن نتمكن في المستقبل من رصد أحداث أخرى مشابهة لـ GW231123 لتحسين فهمنا لمثل هذه الأنظمة."

يعود الرقم القياسي السابق لأضخم اندماج لثقب أسود تم رصده على الإطلاق إلى اندماج يسمى GW190521، والذي كان حجمه أكبر بنسبة 60% فقط من GW231123. لكن العلماء قد يجدون المزيد من الاندماجات الضخمة في المستقبل، كما قال هانام، وقد يتم رصد هذه التصادمات يوماً ما من خلال أدوات أكثر دقة يمكن أن تصبح متاحة في العقدين القادمين، مثل المستكشف الكوني المقترح في الولايات المتحدة وتلسكوب أينشتاين في أوروبا.

وقال إيمري بارتوس، الأستاذ المشارك في جامعة فلوريدا الذي لم يشارك في البحث، إن هذا الاكتشاف الجديد يفتح نافذة جديدة على كيفية تشكل الثقوب السوداء ونموها. وأضاف: "إنه يُظهر أيضًا مدى سرعة نضج علم فلك موجات الجاذبية". "في أقل من عقد من الزمن، انتقلنا من الاكتشاف الأول إلى رسم منطقة تتحدى أفضل نظرياتنا."

وفي حين أنه يوافق على أن الاندماجات السابقة يمكن أن تفسر كلاً من الكتلة العالية والدوران السريع للثقوب السوداء، فإن الاحتمالات الأخرى تشمل التصادمات المتكررة في مجموعات النجوم الفتية أو الانهيار المباشر لنجم ضخم بشكل غير عادي. لكنه أضاف أن هذه الاحتمالات ستكون أقل احتمالاً لإنتاج ثقوب سوداء تدور بهذه السرعة.

وقال زولتان هيمان، الأستاذ في معهد العلوم والتكنولوجيا بالنمسا، الذي لم يشارك أيضاً في هذا الاكتشاف، إنه من الطبيعي جداً تفسير الثقوب السوداء في GW231123 على أنها بقايا جيل واحد أو حتى عدة أجيال من الاندماجات السابقة. "لقد طُرحت هذه الفكرة بالفعل مباشرةً بعد أول اكتشاف على الإطلاق لاندماج (ثقب أسود) في LIGO، لكن هذا الاندماج الجديد يصعب تفسيره بطرق أخرى."

وأضاف أن الاكتشافات المستقبلية ستخبرنا "ما إذا كان هذا الاندماج من الوزن الثقيل لمرة واحدة فقط أم أنه قمة جبل جليدي ضخم للغاية".