العيد السريع للثقوب السوداء يصدم العلماء

أظهرت دراسة جديدة أنه من خلال سحب الزمكان، يمكن للثقوب السوداء فائقة الكتلة أن تمزق الدوامة العنيفة من الحطام (أو الأقراص التراكمية) التي تحيط بها، مما يؤدي إلى ظهور قرص فرعي داخلي وخارجي. الائتمان: نيك كاز / جامعة نورث وسترن

يكشف بحث جديد أن الثقوب السوداء الهائلة تستهلك المواد المحيطة بها بشكل أسرع مما كان يُعتقد سابقًا. هذه الرؤية، المستمدة من عمليات المحاكاة عالية الدقة، يمكن أن تفسر سبب اشتعال النجوم الزائفة وتلاشيها بهذه السرعة.

جديد جامعة نورث وسترنتعمل الدراسة التي يقودها على تغيير الطريقة التي يفهم بها علماء الفيزياء الفلكية عادات الأكل للثقوب السوداء الهائلة.

في حين افترض الباحثون السابقون أن الثقوب السوداء تأكل ببطء، تشير عمليات المحاكاة الجديدة إلى أن الثقوب السوداء تغطي الطعام بشكل أسرع بكثير مما يوحي به الفهم التقليدي.

نُشرت الدراسة في 20 سبتمبر ال مجلة الفيزياء الفلكية.

رؤى المحاكاة

وفقًا لعمليات محاكاة ثلاثية الأبعاد جديدة عالية الدقة، تعمل الثقوب السوداء الدوارة على تحريف الزمكان المحيط بها، مما يؤدي في النهاية إلى تمزيق الدوامة العنيفة من الغاز (أو القرص المتراكم) التي تحيط بها وتغذيها. يؤدي هذا إلى تمزيق القرص إلى الأقراص الفرعية الداخلية والخارجية. تلتهم الثقوب السوداء أولاً الحلقة الداخلية. بعد ذلك، ينسكب الحطام من القرص الفرعي الخارجي إلى الداخل لملء الفجوة التي خلفتها الحلقة الداخلية المستهلكة بالكامل، وتتكرر عملية الأكل.

تستغرق دورة واحدة من عملية تناول الطعام ثم إعادة التعبئة ثم تناول الطعام المتكررة بلا توقف أشهرًا فقط – وهو مقياس زمني سريع بشكل صادم مقارنة بمئات السنين التي اقترحها الباحثون سابقًا.

يمكن أن يساعد هذا الاكتشاف الجديد في تفسير السلوك الدرامي لبعض الأجسام الأكثر سطوعًا في سماء الليل، بما في ذلك النجوم الزائفة، التي تشتعل فجأة ثم تختفي دون تفسير.

يُظهر هذا المحاكاة كيف يمكن لقرص تراكم الثقب الأسود الهائل أن ينقسم إلى قرصين فرعيين، غير محاذيين في هذه الصورة. الائتمان: نيك كاز / جامعة نورث وسترن

وقال نيك كاز من جامعة نورثويسترن، والذي قاد الدراسة: “تتنبأ نظرية القرص التراكمي الكلاسيكية بأن القرص يتطور ببطء”. “لكن بعض النجوم الزائفة – التي تنتج عن تناول الثقوب السوداء للغاز من أقراصها المتراكمة – يبدو أنها تتغير بشكل جذري مع مرور الوقت على مدى أشهر إلى سنوات. هذا الاختلاف جذري للغاية. يبدو أن الجزء الداخلي من القرص، حيث يأتي معظم الضوء، يتم تدميره ثم يتجدد. لا تستطيع نظرية القرص التراكمي الكلاسيكية تفسير هذا الاختلاف الجذري. لكن الظواهر التي نراها في عمليات المحاكاة لدينا يمكن أن تفسر ذلك. يتوافق السطوع والتعتيم السريع مع تدمير المناطق الداخلية للقرص.

كاز هو طالب دراسات عليا في علم الفلك في كلية واينبرج للفنون والعلوم بجامعة نورث وسترن، وعضو في مركز الاستكشاف والأبحاث متعدد التخصصات في الفيزياء الفلكية (CIERA). نصح كاز المؤلف المشارك في الورقة ألكسندر تشيخوفسكوي، وهو أستاذ مشارك في الفيزياء وعلم الفلك في واينبرغ وعضو CIERA.

افتراضات خاطئة

تعتبر الأقراص التراكمية المحيطة بالثقوب السوداء أجسامًا معقدة فيزيائيًا، مما يجعل من الصعب جدًا نمذجتها. لقد كافحت النظرية التقليدية لتفسير سبب تألق هذه الأقراص بشكل ساطع ثم تعتيم فجأة، إلى حد الاختفاء التام في بعض الأحيان.

لقد افترض الباحثون السابقون خطأً أن الأقراص التراكمية منظمة نسبيًا. في هذه النماذج، تدور الغازات والجسيمات حولها الثقب الأسود – في نفس مستوى الثقب الأسود وفي نفس اتجاه دوران الثقب الأسود. وبعد ذلك، وعلى مدى فترة زمنية تمتد من مئات إلى مئات الآلاف من السنين، تلتف جزيئات الغاز تدريجيًا داخل الثقب الأسود لتغذيته.

“إن كيفية وصول الغاز إلى الثقب الأسود لتغذيته هو السؤال المركزي في فيزياء القرص التراكمي. إذا عرفت كيف يحدث ذلك، فسوف يخبرك بالمدة التي يستمر فيها القرص، ومدى سطوعه، وكيف يجب أن يبدو الضوء عندما نلاحظه بالتلسكوبات.
– نيك كاز، المؤلف الرئيسي

قال كاز: “على مدى عقود، افترض الناس افتراضًا كبيرًا جدًا مفاده أن الأقراص التراكمية تتوافق مع دوران الثقب الأسود”. “لكن الغاز الذي يغذي هذه الثقوب السوداء لا يعرف بالضرورة الاتجاه الذي يدور به الثقب الأسود، فلماذا تتم محاذاته تلقائيا؟ تغيير المحاذاة يغير الصورة بشكل جذري.

تشير محاكاة الباحثين، والتي تعد واحدة من أعلى عمليات المحاكاة دقة للأقراص التراكمية حتى الآن، إلى أن المناطق المحيطة بالثقب الأسود هي أماكن أكثر فوضوية واضطرابًا مما كان يُعتقد سابقًا.

أشبه بالجيروسكوب، وأقل مثل اللوحة

باستخدام Summit، وهو أحد أكبر أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم الموجود في مختبر أوك ريدج الوطني، أجرى الباحثون محاكاة ثلاثية الأبعاد للديناميكية الهيدروديناميكية المغناطيسية العامة (GRMHD) لقرص تراكمي رفيع ومائل. في حين أن عمليات المحاكاة السابقة لم تكن قوية بما يكفي لتشمل جميع الفيزياء اللازمة لبناء ثقب أسود واقعي، فإن النموذج الذي تقوده نورث وسترن يتضمن ديناميكيات الغاز، والمجالات المغناطيسية، والنسبية العامة لتجميع صورة أكثر اكتمالا.

وقال كاز: “الثقوب السوداء هي أجسام نسبية عامة متطرفة تؤثر على الزمكان المحيط بها”. “لذلك، عندما تدور، فإنها تسحب المساحة من حولها مثل دائري عملاق وتجبرها على الدوران أيضًا – وهي ظاهرة تسمى “سحب الإطار”. وهذا يخلق تأثيرًا قويًا حقًا بالقرب من الثقب الأسود، والذي يصبح أضعف بشكل متزايد بعيدًا.

يؤدي سحب الإطار إلى جعل القرص بأكمله يتمايل في دوائر، على غرار كيفية تحرك الجيروسكوب. لكن القرص الداخلي يريد أن يتمايل بسرعة أكبر بكثير من الأجزاء الخارجية. يؤدي عدم تطابق القوى هذا إلى اعوجاج القرص بأكمله، مما يتسبب في اصطدام الغاز من أجزاء مختلفة من القرص. تخلق الاصطدامات صدمات ساطعة تدفع المواد بعنف إلى مسافة أقرب فأقرب من الثقب الأسود.

عندما يصبح الالتواء أكثر شدة، تستمر المنطقة الأعمق من قرص التراكم في التذبذب بشكل أسرع وأسرع حتى تنفصل عن بقية القرص. وبعد ذلك، وفقًا لعمليات المحاكاة الجديدة، تبدأ الأقراص الفرعية في التطور بشكل مستقل عن بعضها البعض. بدلاً من التحرك بسلاسة معًا مثل لوحة مسطحة تحيط بالثقب الأسود، تتمايل الأقراص الفرعية بشكل مستقل بسرعات وزوايا مختلفة مثل العجلات في الجيروسكوب.

وقال كاز: “عندما يتمزق القرص الداخلي، فإنه سيتحرك بشكل مستقل”. “إنها تتحرك بشكل أسرع لأنها أقرب إلى الثقب الأسود ولأنها صغيرة، لذلك من الأسهل التحرك.”

“حيث ينتصر الثقب الأسود”

وفقًا للمحاكاة الجديدة، فإن منطقة التمزيق – حيث تنفصل الأقراص الفرعية الداخلية والخارجية – هي المكان الذي يبدأ فيه جنون التغذية حقًا. وبينما يحاول الاحتكاك الحفاظ على القرص معًا، فإن التواء الزمكان بواسطة الثقب الأسود الدوار يريد تمزيقه.

وقال كاز: “هناك منافسة بين دوران الثقب الأسود والاحتكاك والضغط داخل القرص”. “منطقة التمزق هي المكان الذي يفوز فيه الثقب الأسود. يتصادم القرصان الداخلي والخارجي مع بعضهما البعض. يقوم القرص الخارجي بحلق طبقات القرص الداخلي، ويدفعها إلى الداخل.

الآن تتقاطع الأقراص الفرعية بزوايا مختلفة. يقوم القرص الخارجي بصب المواد فوق القرص الداخلي. وتدفع هذه الكتلة الإضافية أيضًا القرص الداخلي نحو الثقب الأسود، حيث يتم التهامه. بعد ذلك، تقوم جاذبية الثقب الأسود بسحب الغاز من المنطقة الخارجية نحو المنطقة الداخلية الفارغة الآن لإعادة ملئه.

اتصال الكوازار

وقال كاز إن هذه الدورات السريعة من الأكل والملء والأكل من المحتمل أن تفسر ما يسمى بالكوازار “المظهر المتغير”. الكوازارات هي أجسام مضيئة للغاية تبعث طاقة أكثر بـ 1000 مرة من الطاقة الكلية درب التبانة200 مليار إلى 400 مليار نجم. تعتبر الكوازارات ذات المظهر المتغير أكثر تطرفًا. ويبدو أنها تعمل وتنطفئ على مدى أشهر، وهي فترة زمنية ضئيلة بالنسبة للكوازار النموذجي.

على الرغم من أن النظرية الكلاسيكية طرحت افتراضات حول مدى سرعة تطور الأقراص التراكمية وتغير سطوعها، فإن ملاحظات الكوازارات ذات المظهر المتغير تشير إلى أنها تتطور بالفعل بشكل أسرع بكثير.

قال كاز: “المنطقة الداخلية للقرص التراكمي، والتي يأتي منها معظم السطوع، يمكن أن تختفي تمامًا – بسرعة كبيرة خلال أشهر”. “نحن نرى أنها تختفي تمامًا. يتوقف النظام عن السطوع. ثم يضيء مرة أخرى وتتكرر العملية. ليس لدى النظرية التقليدية أي طريقة لتفسير سبب اختفائه في المقام الأول، ولا تشرح كيف يتم إعادة ملئه بهذه السرعة.

لا تقتصر عمليات المحاكاة الجديدة على تفسير النجوم الزائفة فحسب، بل يمكنها أيضًا الإجابة على الأسئلة المستمرة حول الطبيعة الغامضة للثقوب السوداء.

قال كاز: “إن كيفية وصول الغاز إلى الثقب الأسود لتغذيته هو السؤال المركزي في فيزياء القرص التراكمي”. “إذا عرفت كيف يحدث ذلك، فسوف يخبرك بالمدة التي يستمر فيها القرص، ومدى سطوعه، وكيف يجب أن يبدو الضوء عندما نلاحظه بالتلسكوبات.”

المرجع: “صدمات الفوهة، وتمزيق القرص، واللافتات تؤدي إلى التراكم السريع في عمليات محاكاة GRMHD ثلاثية الأبعاد للأقراص الرفيعة الملتوية” بقلم نيكولاس كاز، وماثيو تي بي ليسكا، وجوناتان جاكمين إيد، وزاكاري إل أندالمان، وجيبوا موسوكي، وألكسندر تشيخوفسكوي، وأوليفر بورث، 20 سبتمبر 2023, مجلة الفيزياء الفلكية.
دوى: 10.3847/1538-4357/ace051

وقد تم دعم الدراسة من قبل وزارة الطاقة الأمريكية والمؤسسة الوطنية للعلوم.