قد يكون علماء الفلك قد اكتشفوا حرًا “مظلمًا”

إذا ترك موت النجوم الكبيرة وراءها ثقوبًا سوداء ، كما يعتقد علماء الفلك ، فيجب أن يكون هناك مئات الملايين منها منتشرة في جميع أنحاء مجرة ​​درب التبانة. المشكلة هي أن الثقوب السوداء المعزولة غير مرئية.

الآن ، اكتشف فريق بقيادة جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، علماء الفلك لأول مرة ما يمكن أن يكون ثقبًا أسودًا عائمًا حرًا من خلال مراقبة سطوع نجم بعيدًا حيث تشوه ضوءه بواسطة مجال الجاذبية القوي للجسم – لذلك – يسمى الجاذبية الميكروية الدقيقة.

الفريق بقيادة طالب الدراسات العليا كيسي لام و جيسيكا لويقدر أستاذ علم الفلك المشارك في جامعة كاليفورنيا في بيركلي أن كتلة الجسم المضغوط غير المرئي تتراوح بين 1.6 و 4.4 ضعف كتلة الشمس. نظرًا لأن علماء الفلك يعتقدون أن بقايا النجم الميت يجب أن تكون أثقل من 2.2 كتلة شمسية من أجل الانهيار إلى ثقب أسود ، يحذر باحثو جامعة كاليفورنيا في بيركلي من أن الجسم يمكن أن يكون نجمًا نيوترونيًا بدلاً من ثقب أسود. النجوم النيوترونية هي أيضًا أجسام كثيفة ومضغوطة للغاية ، لكن جاذبيتها متوازنة بضغط نيوتروني داخلي ، مما يمنع المزيد من الانهيار إلى ثقب أسود.

سواء كان ثقبًا أسودًا أو نجمًا نيوترونيًا ، فإن الجسم هو أول بقايا نجمية مظلمة – “شبح” نجمي – تم اكتشافه وهو يتجول عبر المجرة غير مقترن بنجم آخر.

قال لو: “هذا هو أول ثقب أسود عائم أو نجم نيوتروني يتم اكتشافه بواسطة عدسات الجاذبية الدقيقة”. “باستخدام العدسة الدقيقة ، يمكننا فحص هذه الأشياء المنعزلة والمضغوطة ووزنها. أعتقد أننا فتحنا نافذة جديدة على هذه الأشياء المظلمة ، والتي لا يمكن رؤيتها بأي طريقة أخرى.”

إن تحديد عدد هذه الأجسام المدمجة التي تسكن مجرة ​​درب التبانة سيساعد علماء الفلك على فهم تطور النجوم – على وجه الخصوص ، كيف تموت – وتطور مجرتنا ، وربما يكشف ما إذا كان أي من الثقوب السوداء غير المرئية عبارة عن ثقوب سوداء بدائية ، والتي يعتبرها البعض يعتقد علماء الكونيات أنه تم إنتاج كميات كبيرة خلال الانفجار العظيم.

تم قبول التحليل الذي أجراه لام ، لو وفريقهما الدولي للنشر في رسائل مجلة الفيزياء الفلكية. يتضمن التحليل أربعة أحداث أخرى في العدسة الدقيقة والتي خلص الفريق إلى أنها لم تكن ناجمة عن ثقب أسود ، على الرغم من أن اثنين من المحتمل أن يكونا بسبب قزم أبيض أو نجم نيوتروني. خلص الفريق أيضًا إلى أن العدد المحتمل للثقوب السوداء في المجرة هو 200 مليون – حول ما توقعه معظم العلماء النظريين.

نفس البيانات ، استنتاجات مختلفة

والجدير بالذكر أن فريقًا منافسًا من معهد علوم تلسكوب الفضاء (STScI) في بالتيمور حلل نفس حدث العدسة الدقيقة وادعى أن كتلة الجسم المضغوط أقرب إلى 7.1 كتلة شمسية وثقب أسود بلا منازع. ورقة تصف التحليل بواسطة فريق STScI بقيادة كايلاش ساهو، تم قبوله للنشر في مجلة الفيزياء الفلكية.

استخدم كلا الفريقين نفس البيانات: القياسات الضوئية لسطوع النجم البعيد حيث تم تشويه ضوءه أو “انعكاسه” بواسطة الجسم المضغوط للغاية ، والقياسات الفلكية لتغير موقع النجم البعيد في السماء نتيجة الجاذبية. تشويه بواسطة كائن العدسة. جاءت البيانات الضوئية من مسحين للعدسة الدقيقة: تجربة عدسة الجاذبية الضوئية (OGLE) ، التي تستخدم تلسكوبًا يبلغ طوله 1.3 مترًا في تشيلي تديره جامعة وارسو ، وأرصاد العدسة الدقيقة في الفيزياء الفلكية (MOA) ، والتي تم تركيبها على 1.8- تلسكوب متر في نيوزيلندا تديره جامعة أوساكا. جاءت البيانات الفلكية من تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا. تدير STScI البرنامج العلمي للتلسكوب وتجري عملياتها العلمية.

نظرًا لأن كلا استطلاعي العدسة الدقيقة التقط نفس الكائن ، فإن له اسمين: MOA-2011-BLG-191 و OGLE-2011-BLG-0462 ، أو OB110462 ، للاختصار.

بينما تكتشف استطلاعات كهذه حوالي 2000 نجم ساطع بواسطة العدسة الدقيقة كل عام في مجرة ​​درب التبانة ، فإن إضافة البيانات الفلكية هي التي سمحت للفريقين بتحديد كتلة الجسم المضغوط وبعده عن الأرض. قدر الفريق بقيادة جامعة كاليفورنيا في بيركلي أنه يقع على بعد ما بين 2280 و 6260 سنة ضوئية (700-1920 فرسخ فلكي) ، في اتجاه مركز مجرة ​​درب التبانة وبالقرب من الانتفاخ الكبير الذي يحيط بالثقب الأسود الضخم المركزي للمجرة.

قدرت مجموعة STScI أنها تبعد حوالي 5،153 سنة ضوئية (1،580 فرسخ فلكي).

أبحث عن إبرة في كومة قش

أصبح لو ولام مهتمين بالجسم لأول مرة في عام 2020 بعد أن خلص فريق STScI مبدئيًا إلى ذلك خمسة أحداث microlensing التي لاحظها هابل – والتي استمرت جميعها لأكثر من 100 يوم ، وبالتالي يمكن أن تكون ثقوبًا سوداء – ربما لا تكون ناجمة عن أجسام مضغوطة على الإطلاق.

اعتقدت لو ، التي كانت تبحث عن ثقوب سوداء حرة الحركة منذ عام 2008 ، أن البيانات ستساعدها في تقدير وفرتها بشكل أفضل في المجرة ، والتي قُدرت تقريبًا بما يتراوح بين 10 ملايين و 1 مليار. حتى الآن ، تم العثور على ثقوب سوداء بحجم النجوم فقط كجزء من أنظمة النجوم الثنائية. تُرى الثقوب السوداء في الثنائيات إما في الأشعة السينية ، التي تنتج عندما تسقط مادة من النجم على الثقب الأسود ، أو بواسطة أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية الحديثة ، والتي تعتبر حساسة لعمليات اندماج اثنين أو أكثر من الثقوب السوداء. لكن هذه الأحداث نادرة.

قال لو: “شاهدنا أنا وكيسي البيانات وأصبنا مهتمين حقًا. قلنا ،” واو ، لا توجد ثقوب سوداء. هذا مذهل ، “على الرغم من أنه كان يجب أن يكون هناك”. “وهكذا ، بدأنا في النظر إلى البيانات. إذا لم تكن هناك ثقوب سوداء في البيانات حقًا ، فلن يتطابق هذا مع نموذجنا لعدد الثقوب السوداء التي يجب أن تكون موجودة في مجرة ​​درب التبانة. يجب أن يتغير شيء ما في فهم الثقوب السوداء – إما عددها أو مدى سرعتها أو كتلتها. “

عندما حللت لام القياس الضوئي والقياس الفلكي لأحداث العدسة الدقيقة الخمسة ، تفاجأت من أن واحدًا ، OB110462 ، له خصائص جسم مضغوط: بدا جسم العدسة مظلمًا ، وبالتالي ليس نجمًا ؛ استمر السطوع النجمي لفترة طويلة ، ما يقرب من 300 يوم ؛ وكان تشويه موقع نجمة الخلفية أيضًا طويل الأمد.

قال لام إن طول حدث العدسة كان النصيحة الرئيسية. في عام 2020 ، أظهرت أن أفضل طريقة للبحث عن العدسات الدقيقة للثقب الأسود هي البحث عن أحداث طويلة جدًا. وقالت إن 1٪ فقط من أحداث العدسة الدقيقة التي يمكن اكتشافها من المحتمل أن تكون من الثقوب السوداء ، لذا فإن النظر في جميع الأحداث سيكون مثل البحث عن إبرة في كومة قش. لكن ، حسب لام ، من المحتمل أن تكون حوالي 40٪ من أحداث العدسة الدقيقة التي تستمر لأكثر من 120 يومًا عبارة عن ثقوب سوداء.

قال لام: “كم من الوقت يستمر الحدث المشرق هو تلميح إلى مدى ضخامة العدسة الأمامية التي تنحني ضوء نجم الخلفية”. “الأحداث الطويلة هي الأكثر احتمالًا بسبب الثقوب السوداء. هذا ليس ضمانًا ، لأن مدة الحلقة الساطعة لا تعتمد فقط على مدى كتلة العدسة الأمامية ، ولكن أيضًا على مدى سرعة تحرك العدسة الأمامية ونجم الخلفية نسبيًا لبعضنا البعض. ومع ذلك ، من خلال الحصول أيضًا على قياسات للموضع الظاهري لنجم الخلفية ، يمكننا تأكيد ما إذا كانت العدسة الأمامية عبارة عن ثقب أسود حقًا. “

وفقًا لـ Lu ، كان تأثير الجاذبية OB110462 على ضوء نجم الخلفية طويلًا بشكل مثير للدهشة. استغرق الأمر حوالي عام حتى يضيء النجم إلى ذروته في عام 2011 ، ثم حوالي عام ليعود إلى طبيعته.

المزيد من البيانات ستميز الثقب الأسود عن النجم النيوتروني

للتأكد من أن OB110462 نتج عن جسم مضغوط للغاية ، طلب لو ولام المزيد من البيانات الفلكية من هابل ، والتي وصل بعضها في أكتوبر الماضي. أظهرت تلك البيانات الجديدة أن التغيير في موقع النجم نتيجة مجال جاذبية العدسة لا يزال يمكن ملاحظته بعد 10 سنوات من الحدث. ومن المقرر مبدئيًا إجراء المزيد من ملاحظات هابل للعدسات الدقيقة في خريف عام 2022.

أكد تحليل البيانات الجديدة أن OB110462 كان على الأرجح ثقبًا أسودًا أو نجمًا نيوترونيًا.

يشتبه لو ولام في أن الاستنتاجات المختلفة للفريقين ترجع إلى حقيقة أن البيانات الفلكية والقياسية الضوئية تعطي مقاييس مختلفة للحركات النسبية للأجسام الأمامية والخلفية. يختلف التحليل الفلكي أيضًا بين الفريقين. يجادل فريق جامعة كاليفورنيا في بيركلي بأنه ليس من الممكن حتى الآن التمييز بين ما إذا كان الجسم هو ثقب أسود أو نجم نيوتروني ، لكنهم يأملون في حل التناقض مع المزيد من بيانات هابل والتحليل المحسن في المستقبل.

قال لو: “بقدر ما نود أن نقول إنه ثقب أسود بشكل قاطع ، يجب أن نبلغ عن جميع الحلول المسموح بها. وهذا يشمل كلاً من الثقوب السوداء ذات الكتلة الأقل وربما حتى النجم النيوتروني”.

قال لام: “إذا كنت لا تستطيع تصديق منحنى الضوء ، والسطوع ، فهذا يعني شيئًا مهمًا. إذا كنت لا تصدق الموقف مقابل الوقت ، فهذا يخبرك بشيء مهم”. “لذا ، إذا كان أحدهم خاطئًا ، فعلينا أن نفهم السبب. أو الاحتمال الآخر هو أن ما نقيسه في مجموعتي البيانات صحيح ، لكن نموذجنا غير صحيح. تنشأ بيانات القياس الضوئي والقياس الفلكي من نفس العملية الفيزيائية ، مما يعني أن السطوع والموضع يجب أن يكونا متسقين مع بعضهما البعض. لذلك ، هناك شيء مفقود هناك. “

كما قام كلا الفريقين بتقدير سرعة جسم العدسة فائق الصغر. وجد فريق Lu / Lam سرعة معتدلة نسبيًا ، أقل من 30 كيلومترًا في الثانية. وجد فريق STScI سرعة كبيرة بشكل غير عادي ، 45 كم / ثانية ، والتي فسرها على أنها نتيجة ركلة إضافية حصل عليها الثقب الأسود المزعوم من المستعر الأعظم الذي ولّده.

تفسر لو تقدير السرعة المنخفضة لفريقها على أنه دعم محتمل لنظرية جديدة مفادها أن الثقوب السوداء ليست نتيجة المستعرات الأعظمية – الافتراض السائد اليوم – ولكنها تأتي بدلاً من ذلك من المستعرات الأعظمية الفاشلة التي لا تحدث دفقة ساطعة في الكون أو تعطي اللون الأسود الناتج ثقب ركلة.

يتم دعم عمل Lu and Lam من قبل National Science Foundation (1909641) والإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (NNG16PJ26C ، NASA FINESST 80NSSC21K2043).