أكد العلماء، للمرة الأولى، أن نسيج الزمكان ذاته يأخذ “هبوطًا نهائيًا” على حافة الثقب الأسود.
تم رصد هذه المنطقة الغارقة حول الثقوب السوداء من قبل علماء الفيزياء الفلكية في الفيزياء بجامعة أكسفورد، وتساعد في التحقق من صحة التنبؤ الرئيسي لنظرية ألبرت أينشتاين للجاذبية لعام 1915: النسبية العامة.
وتوصل فريق أكسفورد إلى هذا الاكتشاف مع التركيز على المناطق المحيطة بالثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية في الثنائيات مع النجوم المصاحبة التي تقع بالقرب نسبيًا من الأرض. استخدم الباحثون بيانات الأشعة السينية التي تم جمعها من مجموعة من التلسكوبات الفضائية، بما في ذلك مصفوفة التلسكوب الطيفي النووي التابع لناسا (NuSTAR) ومستكشف التركيب الداخلي للنجم النيوتروني (NICER) المثبت على محطة الفضاء الدولية.
أتاحت لهم هذه البيانات تحديد مصير الغاز المتأين الساخن والبلازما، المُنتزعين من النجم المرافق، ليغوصوا نهائيًا على حافة الثقب الأسود المرتبط به. وأظهرت النتائج أن ما يسمى بالمناطق الغارقة حول الثقب الأسود هي مواقع لبعض أقوى مناطق تأثير الجاذبية على الإطلاق في مجرتنا درب التبانة.
متعلق ب: هل يتحدى “الخلل” الكوني في الجاذبية أعظم نظرية لألبرت أينشتاين؟
“هذه هي النظرة الأولى لكيفية خضوع البلازما، المقشرة من الحافة الخارجية للنجم، لسقوطها النهائي في مركز الثقب الأسود، وهي عملية تحدث في نظام يبعد حوالي 10000 سنة ضوئية،” قائد الفريق وفيزياء جامعة أكسفورد وقال العالم أندرو موميري في بيان. “تنبأت نظرية أينشتاين بوجود هذا الهبوط الأخير، لكن هذه هي المرة الأولى التي نتمكن فيها من إثبات حدوث ذلك.
“فكر في الأمر كأنه نهر يتحول إلى شلال – حتى الآن، كنا ننظر إلى النهر. هذه هي رؤيتنا الأولى للشلال.”
من أين يأتي غرق الثقب الأسود؟
تشير نظرية النسبية العامة لأينشتاين إلى أن الأجسام ذات الكتلة تتسبب في تشوه نسيج المكان والزمان، المتحدين ككيان واحد رباعي الأبعاد يسمى “الزمكان”. الجاذبية تنشأ من الانحناء الناتج.
على الرغم من أن النسبية العامة تعمل بطريقة رباعية الأبعاد، إلا أنه يمكن توضيحها بشكل غامض من خلال تشبيه تقريبي ثنائي الأبعاد. تخيل وضع كرات ذات كتل متزايدة على لوح مطاطي مشدود. قد تسبب كرة الجولف انبعاجًا صغيرًا وغير محسوس تقريبًا؛ قد تؤدي كرة الكريكيت إلى إحداث انبعاج أكبر؛ وكرة البولينج انبعاج هائل. وهذا مشابه للأقمار والكواكب والنجوم التي “تؤثر” على الزمكان رباعي الأبعاد. مع زيادة كتلة الجسم، يزداد الانحناء الذي تسببه، وبالتالي يزداد تأثير الجاذبية. سيكون الثقب الأسود بمثابة قذيفة مدفع على تلك الطبقة المطاطية المماثلة.
مع وجود كتل تعادل عشرات، أو حتى مئات، من الشموس المضغوطة في عرض حول عرض الأرض، فإن انحناء الزمكان وتأثير الجاذبية للثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية يمكن أن يصبح متطرفًا للغاية. من ناحية أخرى، فإن الثقوب السوداء الهائلة هي قصة أخرى تمامًا. هم بشكل كبير ضخمة، مع كتل تعادل الملايين أو حتى المليارات من الشموس، مما يقزم حتى نظيراتها من الكتلة النجمية.
وبالعودة إلى النسبية العامة، اقترح أينشتاين أن هذا الانحناء في الزمكان يؤدي إلى فيزياء أخرى مثيرة للاهتمام. على سبيل المثال، قال، يجب أن تكون هناك نقطة خارج حدود الثقب الأسود مباشرةً، حيث لن تكون الجسيمات قادرة على اتباع مدار دائري أو مستقر. وبدلا من ذلك، فإن المادة التي تدخل هذه المنطقة ستندفع نحو الثقب الأسود بسرعة قريبة من الضوء.
إن فهم فيزياء المادة في هذه المنطقة الافتراضية للثقب الأسود كان هدفًا لعلماء الفيزياء الفلكية لبعض الوقت. ولمعالجة هذه المشكلة، نظر فريق أكسفورد إلى ما يحدث عندما توجد الثقوب السوداء في نظام ثنائي مع نجم “عادي”.
إذا كان الاثنان قريبين بدرجة كافية، أو إذا كان هذا النجم منتفخًا قليلاً، فإن تأثير جاذبية الثقب الأسود يمكن أن يسحب المواد النجمية بعيدًا. نظرًا لأن هذه البلازما تأتي بزخم زاوي، فإنها لا يمكن أن تسقط مباشرة إلى الثقب الأسود، لذا، بدلاً من ذلك، فإنها تشكل سحابة دوارة مسطحة حول الثقب الأسود تسمى القرص التراكمي.
ومن هذا القرص التراكمي، يتم تغذية المادة تدريجيًا إلى الثقب الأسود. وفقًا لنماذج تغذية الثقوب السوداء، يجب أن تكون هناك نقطة تسمى المدار الدائري الأعمق المستقر (ISCO)، وهي النقطة الأخيرة التي يمكن للمادة عندها أن تظل تدور بثبات في قرص تراكمي. وأي مادة تتجاوز ذلك تكون في “منطقة الغرق”، وتبدأ في هبوطها الحتمي إلى فوهة الثقب الأسود. تم حسم الجدل حول ما إذا كان من الممكن اكتشاف هذه المنطقة الغارقة عندما اكتشف فريق أكسفورد انبعاثات من ما وراء ISCO للأقراص التراكمية حول ثقب أسود ثنائي في درب التبانة يسمى MAXI J1820+070.
يقع الثقب الأسود في MAXI J1820+070 على بعد حوالي 10000 سنة ضوئية من الأرض بكتلة تعادل حوالي ثمانية شموس، وهو يسحب المواد من رفيقه النجمي بينما يطلق نفاثتين نفاثتين بسرعة 80٪ تقريبًا من سرعة الضوء؛ كما أنها تنتج انبعاثات قوية من الأشعة السينية.
وجد الفريق أن طيف الأشعة السينية لـ MAXI J1820+070 في فورة “الحالة الناعمة”، والتي تمثل انبعاثًا من قرص تراكمي يحيط بثقب أسود دوار، أو “كير”، وهو قرص تراكم كامل، بما في ذلك الغاطس. منطقة.
يقول الباحثون إن هذا السيناريو يمثل أول اكتشاف قوي للانبعاث من منطقة غارقة عند الحافة الداخلية لقرص تراكم الثقب الأسود؛ يطلقون على مثل هذه الإشارات اسم “الانبعاثات داخل ISCO”. تؤكد هذه الانبعاثات داخل ISCO دقة النسبية العامة في وصف المناطق المحيطة بالثقوب السوداء مباشرة.
قصص ذات الصلة:
– يمكن تكديس نجوم “غرافاستارز” الشبيهة بالثقب الأسود مثل دمى الشاي الروسية
– الصورة الثانية لأول ثقب أسود على الإطلاق تؤكد النسبية العامة لأينشتاين (صورة)
– من المحتمل أن يكون الثقب الأسود الهائل في مجرتنا المجاورة ضيفًا مهذبًا على العشاء
ولمتابعة هذا البحث، يتعاون فريق منفصل من قسم الفيزياء بجامعة أكسفورد مع مبادرة أوروبية لبناء التلسكوب المليمتري الإفريقي. من المفترض أن يعزز هذا التلسكوب قدرة العلماء على التقاط صور مباشرة للثقوب السوداء ويسمح بفحص المناطق الغارقة في الثقوب السوداء البعيدة.
واختتم موميري حديثه بالقول: “الأمر المثير حقًا هو أن هناك العديد من الثقوب السوداء في المجرة، ولدينا الآن تقنية جديدة قوية لاستخدامها لدراسة أقوى مجالات الجاذبية المعروفة”.
ونُشر بحث الفريق في مجلة الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.