علماء الفيزياء الفلكية في برينستون يكشفون لغز نفاثات الثقب الأسود و”السيوف الضوئية” المجرية

اكتشف باحثون من جامعة برينستون أن الثقب الأسود M87* يطرد الطاقة إلى الخارج، مما يساهم في تكوين نفاثات ضخمة. يتحدى هذا الاكتشاف، المتجذر في النظرية النسبية لأينشتاين، وجهات النظر التقليدية حول الثقوب السوداء ويمكن اختباره بشكل أكبر باستخدام التلسكوبات المتقدمة. تفتح الدراسة آفاقًا جديدة لفهم ديناميكيات الثقب الأسود، على الرغم من أنها لا تصل إلى حد شرح مصدر قوة النفاثات بشكل قاطع. الائتمان: SciTechDaily.com

لقد تمكن فريق من علماء الفيزياء الفلكية في جامعة برينستون من تحديد بشكل قاطع أن الطاقة قريبة من ذلك الثقب الأسود يدفع M87* إلى الخارج، وليس إلى الداخل، وهو جدل طويل الأمد داخل هذا المجال.

الشيء الوحيد الذي يعرفه الجميع عن الثقوب السوداء هو أن كل شيء قريب منها يُمتص إليها.

بالكاد كل شيء، كما تبين.

يقول إليوت كواتايرت، عالم الفيزياء الفلكية، وأستاذ تشارلز أ. يونج لعلم الفلك بجامعة برينستون: «على الرغم من أن الثقوب السوداء تُعرف بأنها أجسام لا يمكن لأي شيء الهروب منها، فإن أحد التنبؤات المذهلة للنظرية النسبية لأينشتاين هو أن الثقوب السوداء يمكن أن تفقد الطاقة بالفعل». دفعة من مؤسسة 1897. “يمكن أن تدور، وكما تتباطأ قمة الدوران بمرور الوقت وتفقد تلك الطاقة أثناء دورانها، يمكن للثقب الأسود الدوار أيضًا أن يفقد الطاقة إلى محيطه.”

لقد قبل العلماء هذا النموذج على نطاق واسع منذ السبعينيات. لقد كانوا يعلمون أن المجالات المغناطيسية ربما تستخرج الطاقة من الثقوب السوداء الدوارة، ولكنهم لم يعرفوا كيف.

توصل فريق من علماء الفيزياء الفلكية في جامعة برينستون بشكل قاطع إلى أن الطاقة القريبة من أفق الحدث للثقب الأسود M87* تندفع إلى الخارج، وليس إلى الداخل. (M87 هو اسم المجرة، ميسييه 87، لذا فإن الثقب الأسود الموجود في مركزها يسمى M87*.) وقال كواتيرت إن الباحثين ابتكروا أيضًا طريقة لاختبار التنبؤ بأن الثقوب السوداء تفقد الطاقة الدورانية، ولإثبات ذلك تلك الطاقة التي تنتج “التدفقات الخارجية القوية بشكل لا يصدق التي نراها والتي نطلق عليها اسم النفاثات.”

رسم متحرك يوضح كيف يلتف المجال المغناطيسي الذي يعبر أفق الحدث للثقب الأسود بينما يدور الثقب الأسود بسرعة أكبر. يقوم الثقب الأسود الذي يدور بشكل أسرع بلف المجال المغناطيسي بسرعة أكبر، مما يتسبب في فقدان الثقب الأسود المزيد من الطاقة إلى محيطه. لاحظ فريق من علماء الفيزياء الفلكية في جامعة برينستون التفاف خطوط المجال المغناطيسي في الصور المأخوذة من تلسكوب أفق الحدث للاستقطاب الخطي من الثقوب السوداء. الائتمان: فيديو لجورج وونغ، معهد الدراسات المتقدمة و جامعة برينستون

إن نفاثات تدفق الطاقة هذه “تشبه في الأساس مليون-سنة ضوئيةيقول ألكساندرو لوبساسكا، باحث ما بعد الدكتوراه السابق في جامعة برينستون، “يمكن أن تمتد السيوف الضوئية الطويلة بمقدار 10 مرات أطول من سيف الجيداي الضوئي”. درب التبانة galaxy.

وقد نشرت مؤخرا نتائج عملهم في ال مجلة الفيزياء الفلكية. أندرو تشيل، باحث مشارك في الفيزياء الفلكية، هو المؤلف الأول لهذه الورقة. هو والمؤلف المشارك جورج وونغ كلاهما عضوان في تلسكوب أفق الحدث وقد لعبوا دورًا حاسمًا في تطوير النماذج المستخدمة لتفسير الثقوب السوداء. تشايل ووونغ ولوبساسكا وكواتايرت جميعهم من المنظرين المنتسبين إلى مبادرة برينستون للجاذبية.

وقد أعطى الفريق الفضل لشيل في الرؤية الحيوية التي تكمن في جوهر الورقة الجديدة: وهي أن الاتجاه الذي تتصاعد فيه خطوط المجال المغناطيسي يكشف عن اتجاه تدفق الطاقة. وقال كواتيرت: “من هنا، “سقطت بقية الأمور في مكانها الصحيح”.

جذب الثقب الأسود M87* (العلامة النجمية للثقب الأسود الموجود في منتصف المجرة M87) انتباه العالم عندما تم اكتشافه لأول مرة بواسطة تلسكوب أفق الحدث. منذ ذلك الحين، اكتشف علماء الفيزياء الفلكية في جامعة برينستون أن المجال المغناطيسي الملتوي حول الثقب الأسود يحدد دوامة الاستقطاب الملحوظة في صور الثقب الأسود. وعلى وجه الخصوص، فإن اتجاه تدفق الطاقة (من الثقب إلى الحقل أو العكس) يحدد كيفية التفاف الاستقطاب. ومن خلال قياس الاتجاه الذي يلتف فيه الاستقطاب، يمكن للمرء أن يستنتج ما إذا كان المجال المغناطيسي يستخرج طاقة الدوران من الثقب أو يضخ طاقة الدوران فيه. مصدر الصورة: نموذج من تصميم أندرو تشيل، وجورج وونغ، وألكساندرو لوبساسكا، وإليوت كواتايرت، مبادرة برينستون للجاذبية

وقال وونغ، وهو باحث مشارك في جامعة هارفارد: “إذا أخذت الأرض وحولتها كلها إلى مادة تي إن تي وفجرتها 1000 مرة في الثانية لملايين وملايين السنين، فهذه هي كمية الطاقة التي نخرجها من M87”. مبادرة برينستون للجاذبية وعضو في معهد الدراسات المتقدمة.

لقد عرف العلماء منذ عقود أنه عندما يبدأ الثقب الأسود في الدوران، فإنه يسحب معه نسيج الزمكان. يتم سحب خطوط المجال المغناطيسي التي تمر عبر الثقب الأسود، مما يؤدي إلى إبطاء الدوران، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة.

قال لوبساسكا، وهو باحث مشارك سابق في جامعة كاليفورنيا: “توقعاتنا الجديدة والحادة هي أنه كلما نظرت إلى ثقب أسود فيزيائي فلكي، إذا كان لديه خطوط مجال مغناطيسي متصلة به، فسيكون هناك نقل للطاقة – كميات مجنونة حقًا من نقل الطاقة”. برينستون وهو الآن أستاذ مساعد في الفيزياء والرياضيات في جامعة فاندربيلت، والذي فاز بجائزة جائزة آفاق جديدة في الفيزياء لعام 2024 من مؤسسة جائزة الاختراق لأبحاثه حول الثقب الأسود.

وبينما يتدفق تدفق الطاقة بالقرب من أفق الحدث لـ M87* نحو الخارج، قال الفريق إن تدفق الطاقة يمكن نظريًا أن يتجه نحو الداخل في ثقب أسود مختلف. وهم واثقون من ارتباطهم بين تدفق الطاقة واتجاه خطوط المجال المغناطيسي، وسيتم اختبار توقعاتهم بأن تدفق الطاقة يأتي من الثقب الأسود مع إطلاق “ما زال نظريا”الجيل القادم“تلسكوب أفق الحدث.

وقال وونغ إنه على مدى العام ونصف العام الماضيين، كان الباحثون في مجال الثقب الأسود حول العالم يقترحون مواصفات للأداة المستقبلية. “يمكن للأوراق البحثية مثل ورقتنا أن تلعب دورًا حاسمًا في تحديد ما نحتاج إليه. أعتقد أن هذا وقت مثير للغاية.”

وشدد الباحثون الأربعة في ورقتهم البحثية على أنهم لم يظهروا بشكل قاطع أن دوران الثقب الأسود “يعمل بالفعل على تشغيل النفاثات خارج المجرة”، على الرغم من أن الأدلة تميل بالتأكيد في هذا الاتجاه. على الرغم من أن مستويات الطاقة التي يظهرها نموذجهم تتناسب مع ما تحتاجه الطائرات، إلا أنهم لا يستطيعون استبعاد إمكانية تشغيل الطائرة عن طريق الدوران بلازما خارج الثقب الأسود. قال لوبساسكا: “أعتقد أنه من المحتمل جدًا أن يكون الثقب الأسود هو مصدر الطاقة للطائرة، لكننا لا نستطيع إثبات ذلك”. “حتى الآن.”

المرجع: “قياس استقطاب الثقب الأسود I. التوقيع على استخراج الطاقة الكهرومغناطيسية” بقلم أندرو تشيل وألكساندرو لوبساسكا وجورج إن وونغ وإليوت كواتايرت، 14 نوفمبر 2023، مجلة الفيزياء الفلكية.
دوى: 10.3847/1538-4357/acf92d

تم دعم البحث من قبل مبادرة برينستون للجاذبية، وزمالة تابلين، والمؤسسة الوطنية للعلوم (منحة رقم 2307888) وجائزة محقق مؤسسة سيمونز.