توهجات ضوئية تكشف أسرار الثقب الأسود ساجيتاريوس

رصد الثقب الأسود في مجرة درب التبانة بواسطة تلسكوب ويب

رصد علماء الفلك الذين يستخدمون تلسكوب جيمس ويب الفضائي توهجات ضوئية ديناميكية بالقرب من الثقب الأسود الهائل في مركز مجرة درب التبانة. ويشمل العرض المستمر والسريع ومضات ضوئية قصيرة تدوم لثوانٍ وتوهجات ضوئية أطول ساطعة بشكل يعمي الأبصار بشكل يومي.

توهجات ضوئية ديناميكية بالقرب من الثقب الأسود

تمثل ملاحظات ويب أطول نظرة مفصلة استطاع الباحثون القيام بها حول الثقب الأسود المركزي لمجرة درب التبانة، المسمى ساجيتاريوس A*، وذلك بناءً على الأدلة السابقة على نشاطه عالي الطاقة.

وعلى الرغم من أن الثقوب السوداء غير مرئية، إلا أن التوهجات التي يطلقها قرص الغاز والغبار الساخن الدوار أو قرص التراكم الذي يدور حول القوس A* تشبه روعة الألعاب النارية. نُشرت دراسة تصف النتائج يوم الثلاثاء في The Astrophysical Journal Letters.

يعتقد علماء الفلك أن التوهجات تأتي من الحافة الداخلية لقرص التراكم خلف أفق حدث الثقب الأسود، أو المنطقة المحيطة بالثقب الأسود حيث يكون سحب الجاذبية قوياً جداً بحيث لا يمكن حتى للضوء أن يفلت، وفقاً لـ ناسا

أهمية الملاحظات في فهم النشاط العالي للثقب الأسود

قال المؤلف الرئيسي للدراسة فرهاد يوسف زاده، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في كلية واينبرغ للفنون والعلوم بجامعة نورث وسترن في بيان: "في بياناتنا، رأينا سطوعًا متغيرًا باستمرار". "ثم بووم! ظهر فجأة انفجار كبير من السطوع. ثم هدأت مرة أخرى. لم نتمكن من العثور على نمط في هذا النشاط. يبدو أنه عشوائي. كانت ملامح نشاط هذا الثقب الأسود جديدة ومثيرة في كل مرة ننظر فيها إليه."

تأثير الثقوب السوداء على الغاز والغبار في المجرات

يمكن أن تسلط هذه الملاحظات الضوء على كيفية تصرف الثقوب السوداء والطرق التي تتغذى بها على محيطها.

يجذب التأثير القوي والجاذبية للثقوب السوداء الغاز والغبار من أي جرم سماوي يتجول بالقرب منها. ويدور الغاز والغبار معاً بسرعات عالية، مكوِّناً قرص التراكم الذي يغذي الثقب الأسود. تتسبب الحركة السريعة للمادة في تسخينها وإطلاق الطاقة في شكل إشعاع بالإضافة إلى نفاثات من المواد التي لا تصل إلى الثقب الأسود.

يمكن للإشعاع والنفاثات أن تغير طريقة توزيع الغاز في جميع أنحاء المجرات وتغذي تكوين النجوم، ولهذا السبب تُعتبر الثقوب السوداء الهائلة بمثابة محركات عملاقة في مراكز المجرات.

قام يوسف-زاده وزملاؤه بمراقبة ساجيتاريوس A*، الذي يُطلق عليه أيضاً اسم Sgr A*، لمدة 48 ساعة على مدار عام واحد بزيادات تتراوح بين ثماني إلى 10 ساعات، باستخدام كاميرا ويب للأشعة تحت الحمراء القريبة لتتبع نشاط الثقب الأسود. وقد رصد الفريق من خمسة إلى ستة توهجات كبيرة في اليوم بالإضافة إلى ومضات ضوئية أصغر حجماً بينهما.

"وقال يوسف-زاده: "من المتوقع أن تحدث التوهجات في جميع الثقوب السوداء الهائلة بشكل أساسي، لكن ثقبنا الأسود فريد من نوعه. "إنه دائمًا ما يكون في حالة من النشاط ولا يبدو أنه يصل أبدًا إلى حالة مستقرة. لقد رصدنا الثقب الأسود عدة مرات خلال عامي 2023 و 2024، ولاحظنا تغيرات في كل عملية رصد. لقد رأينا شيئًا مختلفًا في كل مرة، وهو أمر رائع حقًا".

وقال يوسف زاده إن تقلب نشاط الثقب الأسود يرجع على الأرجح إلى الطبيعة العشوائية للمواد المتدفقة إلى قرص التراكم.

ويعتقد الفريق أن الرشقات القصيرة من الضوء تنشأ عن تقلبات طفيفة ومضطربة داخل قرص التراكم يمكن أن تضغط على غاز ساخن وحيوي يسمى البلازما وتسبب وميضاً من الإشعاع.

وقال يوسف زاده في بيان: "الأمر مشابه لكيفية تجميع المجال المغناطيسي للشمس وضغطه ثم إطلاق التوهج الشمسي". "بالطبع، تكون العمليات أكثر دراماتيكية لأن البيئة المحيطة بالثقب الأسود أكثر حيوية وأكثر تطرفاً بكثير."

وفي الوقت نفسه، قد تحدث التوهجات الأطول والأكبر بسبب أحداث إعادة الاتصال المغناطيسي، أو عندما يتصادم مجالان مغناطيسيان مختلفان بالقرب من الثقب الأسود ويطلقان جسيمات نشطة تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء.

تحليل نشاط الثقب الأسود ساجيتاريوس A*

وقال يوسف زاده: "إن حدث إعادة الاتصال المغناطيسي يشبه شرارة من الكهرباء الساكنة، وهو بمعنى ما "إعادة اتصال كهربائي".

مكّنت قدرات Webb الفريق من رصد توهج الثقب الأسود عبر طولين موجيين مختلفين من الضوء في وقت واحد.

قال يوسف-زاده: "(كان الأمر أشبه برؤية العالم بالألوان مقابل رؤية العالم بالأبيض والأسود، و(وجدنا) قوس قزح". "هذا يخبرك عن طبيعة نشاط التوهج والخصائص الفيزيائية لآلية الإشعاع والمجال المغناطيسي وكثافة التوهجات بشكل مباشر أكثر."

وقال توان دو، الأستاذ المشارك في قسم الفيزياء والفلك ونائب مدير مجموعة مركز المجرة في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس إن هذه الملاحظات توفر نظرة أعمق حول كيفية اختلاف نشاط الثقب الأسود في السطوع مع مرور الوقت.

لم يشارك دو في هذه الدراسة، لكنه قاد أبحاثاً حول ساجيتاريوس A* في الماضي، بما في ذلك عندما أظهر الثقب الأسود نشاطاً غير عادي في عام 2019.

قال دو: "لقد أصبح Sgr A* ساجتاريوس A* ساطعاً في البيانات الجديدة بمقدار النصف تقريباً كما شوهد في عام 2019، لذا أعتقد أن عام 2019 لا يزال نشطاً بشكل غير عادي بالنسبة للثقب الأسود". "على الرغم من ذلك، فإن الثقب الأسود وبيئته (يتغيران) دائمًا، لذلك نحن لسنا متأكدين أبدًا مما سنجده! وهذا ما يجعل عمليات رصد مركز المجرة مثيرة للغاية، على الرغم من أننا نحدق في هذه البقعة في السماء منذ عقود حتى الآن."

عندما راقب مؤلفو الدراسة الأخيرة الطولين الموجيين المختلفين للضوء الصادرين من الثقب الأسود في وقت واحد، أدركوا أن الطول الموجي الأقصر يتغير في السطوع قبل الطول الموجي الأطول مباشرة. وأشارت الملاحظة إلى أنه عندما تدور الجسيمات حول خطوط المجال المغناطيسي، فإنها تفقد الطاقة بسرعة أكبر.

وقد لوحظت التغيرات في السطوع في الأبحاث السابقة والبيانات التكميلية الحديثة من أداة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة على تلسكوب ويب ومراصد أخرى.

قال دو: "أعتقد أن الخطوة الكبيرة التالية ستكون محاولة ربط مصادر البيانات المختلفة هذه معًا لتكوين صورة أكمل لفيزياء البيئة المحيطة بالثقب الأسود الهائل".

كما تؤكد الدراسة الجديدة أيضاً أن الثقب الأسود لديه "تقلبات لا تتوقف"، كما لوحظ سابقاً، كما قال مارك موريس، أستاذ الأبحاث المتميز في قسم الفيزياء وعلم الفلك في جامعة كاليفورنيا. لم يشارك موريس في الدراسة الجديدة.

وقال موريس عبر البريد الإلكتروني: "يرى علماء الفلك بالأشعة السينية دليلاً قوياً إلى حد معقول على أنه في السنوات القليلة الماضية، كانت هناك حالة واحدة على الأقل، وربما حالتان من التوهجات الهائلة التي حدثت"، وأضاف موريس عبر البريد الإلكتروني: "مع شدة (10000 إلى 100000) مرة أكبر من أي شيء رأيناه في ربع القرن الماضي الذي كنا نفحص فيه عن كثب Sgr A*."

ما الذي قد يكون سبب هذه التوهجات؟ قال موريس إن علماء الفلك لا يزالون لا يعرفون، لكن من المحتمل أن يكون الثقب الأسود قد التهم كوكباً قبل بضع مئات من السنين.

عندما تطلق الشمس عواصف شمسية، يشعر العلماء بالقلق لأن مثل هذا النشاط يمكن أن يؤثر على نظام تحديد المواقع والاتصالات وشبكة الطاقة على الأرض. ولكن على بُعد 25000 سنة ضوئية، فإن النشاط المتغير والحيوي للغاية للثقب الأسود المركزي في مجرة درب التبانة لا يشكل مصدر قلق، كما قال موريس.

ومع ذلك، فإن ملاحظات تلسكوب ويب تسمح للباحثين بفهم نوع "العواصف" التي تنشأ عندما تنضغط المادة وتسخن أثناء انجذابها نحو الثقب الأسود.

وقال موريس: "إلى جانب الاهتمام المحض بالألعاب النارية الأكثر إبهاراً التي يمكن أن ينتجها الكون، يمكن أن يكون لهذه الألعاب النارية تأثير عميق على تطور المجرات التي توجد فيها". "يمكنها أن تحفز أو تعيق تكوين النجوم على نطاقات كبيرة، ويمكنها أن تزيل الغاز وتزيل المجرات وتتركها غير قادرة على تكوين النجوم."

توقعات مستقبلية لرصد ساجيتاريوس A*

لا يعتقد القائمون على الدراسة أن الثقب الأسود كان يعاني من ارتفاع غير عادي في النشاط، لكنهم يريدون مراقبة ساجيتاريوس A* لمدة 24 ساعة متواصلة للتأكد.

وقال يوسف زاده: "يمكننا أيضاً أن نرى ما إذا كانت هذه التوهجات تظهر دورية (أو تكرر نفسها) أو إذا كانت عشوائية حقاً".

لا يزال علماء الفلك لا يعرفون حتى الآن مدى سرعة دوران ساجيتاريوس أ * أثناء التهامه للمادة، لكن يمكن أن توفر عمليات الرصد الأطول البيانات اللازمة لمعرفة الإجابة.

في نهاية المطاف، يمكن للمزيد من البيانات المستقاة من أرصاد ويب لـ Sagittarius A* أن تساعد علماء الفلك على محاكاة سلوك أقراص التراكم حول الثقوب السوداء، بالإضافة إلى مقارنة سلوكيات الثقوب السوداء الأقل نشاطاً مع الثقوب السوداء الأكثر نشاطاً.