تلبية “الثقوب السوداء المتوسطة” ، ابن عم الأسود الفائق الأصغر والأكثر غموضًا بكثير

الثقوب السوداء هي أشياء فلكية ضخمة وغريبة وقوية بشكل لا يصدق. يعلم العلماء أن الثقوب السوداء الفائقة في مراكز معظم المجرات.

وهم يفهمون كيف تشكل بعض النجوم الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية الأصغر نسبياً بمجرد وصولهم إلى نهاية حياتهم. إن فهم كيف يمكن أن تشكل الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية الأصغر الثقوب السوداء الفائقة أن يساعد علماء الفلك على معرفة كيفية نمو الكون ويتطور.

ولكن هناك سؤال مفتوح في أبحاث الثقب الأسود: ماذا عن الثقوب السوداء مع الجماهير بينهما؟ من الصعب العثور عليها من أقرانهم النجمية والفخمة ، في الحجم من بضع مئات إلى بضع مئات من الألف مرة من كتلة الشمس.

نحن فريق من علماء الفلك الذين يبحثون عن هذه الثقوب السوداء بين هذه الثقوب السوداء ، والتي تسمى الثقوب السوداء المتوسطة. في ورقة جديدة ، تعاون اثنان منا (Krystal و Karan) مع مجموعة من الباحثين ، بما في ذلك الباحث ما بعد الدكتوراه Anjali Yelikar ، للنظر في تموجات في الوقت المناسب لاكتشاف عدد قليل من هذه الثقوب السوداء المراوغة.

خذني إلى لعبة الكرة (الجاذبية)

لاكتساب فكرة بديهية عن كيفية اكتشاف العلماء عن ثقوب سوداء جماعية رائعة ، تخيل أنك في لعبة بيسبول حيث تجلس مباشرة خلف عمود خرساني كبير ولا يمكنك رؤية الماس. والأسوأ من ذلك ، أن الحشد بصوت عالٍ بصوت عالٍ ، لذلك من المستحيل تقريبًا رؤية اللعبة أو سماعها.

لكنك عالم ، لذلك يمكنك إخراج ميكروفون عالي الجودة وجهاز الكمبيوتر الخاص بك وتكتب خوارزمية كمبيوتر يمكن أن تأخذ بيانات الصوت وفصل ضوضاء الحشد عن “ثنك” الخفافيش التي تضرب كرة.

يمكنك البدء في التسجيل ، ومع ما يكفي من الممارسة والتحديثات إلى أجهزتك وبرامجك ، يمكنك البدء في متابعة اللعبة ، والتعرف على عندما يتم ضرب الكرة ، وما هو الاتجاه الذي تسير فيه ، عندما تضرب قفازًا ، حيث يتم رطيف أقدام المتسابقين في الأوساخ وأكثر من ذلك.

من المسلم به أن هذه طريقة صعبة لمشاهدة لعبة البيسبول. ولكن على عكس البيسبول ، عند مراقبة الكون ، تكون الطريقة الصعبة في بعض الأحيان هي كل ما لدينا.

هذا مبدأ تسجيل الصوت واستخدام خوارزميات الكمبيوتر لعزل موجات صوتية معينة لتحديد ما هي عليه ومن أين تأتي مما يشبه كيف يدرس علماء الفلك مثل أمواج الجاذبية الأمريكية. موجات الجاذبية هي تموجات في الزمان التي تسمح لنا بمراقبة الأشياء مثل الثقوب السوداء.

تخيل الآن تنفيذ خوارزمية صوتية مختلفة ، واختبارها على عدة أدوار من اللعبة وإيجاد ضربة خاصة لا يمكن أن تنتجها أي مزيج قانوني من الخفافيش والكرات. تخيل أن البيانات كانت تشير إلى أن الكرة كانت أكبر وأثقل من لعبة البيسبول القانونية. إذا كانت ورقتنا تدور حول لعبة البيسبول بدلاً من موجات الجاذبية ، فهذا ما كنا سنجده.

الاستماع إلى موجات الجاذبية

بينما تم تصميم إعداد تسجيل البيسبول خصيصًا لسماع أصوات لعبة البيسبول ، يستخدم العلماء مرصد متخصص يسمى مرصد الموجة التداخل بالليزر ، أو LIGO ، لمراقبة “صوت” اثنين من الثقوب السوداء المدمجة في الكون.

يبحث العلماء عن الموجات الجاذبية التي يمكننا قياسها باستخدام LIGO ، والتي لديها واحدة من أكثر أنظمة الليزر والبصريات المتقدمة على الإطلاق.

في كل حدث ، تندمج ثقوبان سوداء “الوالدين” في ثقب أسود واحد أكثر ضخامة. باستخدام بيانات LIGO ، يمكن للعلماء معرفة أين حدث الاندماج وإزالته ، ومدى ضخامة الوالدين والثقوب السوداء الناتجة ، أي اتجاه في السماء حدث الاندماج وغيرها من التفاصيل الرئيسية.

تتشكل معظم الثقوب السوداء الأم في أحداث الاندماج في الأصل من النجوم التي وصلت إلى نهاية حياتهم – هذه ثقوب سوداء جماعية رائعة.

فجوة كتلة الثقب الأسود

لا يمكن لكل نجم يموت أن يخلق ثقبًا أسودًا للكتلة النجمية. تلك التي تفعل عادة ما بين 20 إلى 100 مرة من كتلة الشمس. ولكن بسبب الفيزياء النووية المعقدة ، تنفجر النجوم الضخمة حقًا بشكل مختلف ولا تترك وراءها أي ثقب أو أسود أو غير ذلك.

هذه الفيزياء تخلق ما نشير إليه باسم “الفجوة الجماعية” في الثقوب السوداء. من المحتمل أن يتكون ثقب أسود أصغر من نجم يموت. لكننا نعلم أن ثقبًا أسود أكثر ضخامة من حوالي 60 ضعف حجم الشمس ، في حين أنه ليس ثقبًا أسودًا فائقًا ، لا يزال أكبر من أن يكون قد تشكلت مباشرة من نجم يموت.

لا يزال القطع الدقيق للفجوة الجماعية غير مؤكد إلى حد ما ، ويعمل العديد من علماء الفيزياء الفلكية على قياسات أكثر دقة. ومع ذلك ، نحن واثقون من وجود فجوات جماعية وأننا في ملعب الحدود.

نحن نسمي الثقوب السوداء في هذه الفجوة الثقوب السوداء المتوسطة أو IMBHS Lite ، لأنها أقل ثقوب سوداء ضخمة نتوقع أن تكون موجودة من مصادر أخرى غير النجوم. لم تعد تعتبر ثقوبًا سوداءًا جماعيةًا رائعة.

إن وصفهم بأنهم “وسيط” أيضًا لا يلتقط سببًا خاصًا. إنها مميزة لأنها أصعب بكثير في العثور عليها ، لا يزال علماء الفلك غير متأكدين من الأحداث الفلكية التي قد تخلقها ، وهم يملأون فجوة في معرفة علماء الفلك بكيفية نمو الكون ويتطور.

دليل على IMBHS

في بحثنا ، قمنا بتحليل 11 مرشحًا لدمج الثقب الأسود من سباق ليجو الثالث. ربما يكون هؤلاء المرشحون إشارات موجة الجاذبية التي بدت واعدة لكنها لا تزال بحاجة إلى مزيد من التحليل للتأكيد بشكل قاطع.

تشير البيانات إلى أنه بالنسبة لأولئك الذين قمنا بتحليله ، قد يكون الثقب الأسود الأخير بعد الاندمجر في نطاق Lite IMBH. لقد وجدنا خمسة ثقوب سوداء بعد الاندماج التي كان تحليلنا واثقًا بنسبة 90 ٪ من Lite IMBHS.

والأهم من ذلك ، وجدنا أن أحد الأحداث كان له ثقب أسود من الوالدين كان في نطاق الفجوة الكتلة ، واثنان لهما ثقوب سوداء من الوالدين فوق نطاق الفجوة الشاملة. نظرًا لأننا نعلم أن هذه الثقوب السوداء لا يمكن أن تأتي من النجوم مباشرة ، فإن هذا الاستنتاج يشير إلى أن الكون لديه طريقة أخرى لإنشاء ثقوب سوداء هذه ضخمة.

قد يكون الثقب الأسود الأصل هذا هو النتاج بالفعل لثغرتين سوداء أخريين تم دمجها في الماضي ، لذلك يمكن أن تساعدنا مراقبة المزيد من IMBHs على فهم عدد مرات “العثور” على بعضها البعض والاندماج في الكون.

LIGO في المراحل النهائية من مراقبة الرابع. نظرًا لأن هذا العمل استخدم البيانات من تشغيل المراقبة الثالثة ، فنحن متحمسون لتطبيق تحليلنا على مجموعة البيانات الجديدة هذه. نتوقع أن نستمر في البحث عن Lite IMBHS ، ومع هذه البيانات الجديدة ، سنحسن فهمنا لكيفية “سماع” هذه الإشارات بثقة أكبر من الثقوب السوداء الأكثر ضخامة فوق كل الضوضاء.

نأمل أن هذا العمل لا يعزز قضية Lite IMBHS بشكل عام فحسب ، بل يساعد في إلقاء المزيد من الضوء على كيفية تشكيلها.

يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة ، وهي مؤسسة إخبارية مستقلة غير ربحية تجلب لك الحقائق والتحليلات الجديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتبه: بيل سميث ، جامعة فاندربيلت؛ كاران جاني ، جامعة فاندربيلتو Krystal Ruiz-Rocha ، جامعة فاندربيلت

اقرأ المزيد:

بيل سميث يتلقى تمويل من منحة متدرب أبحاث NSF تسمى EMIT.

كاران جاني عضو في تعاون LIGO العلمي.

يتلقى Krystal Ruiz-Rocha تمويلًا من منحة بحثية NSF تسمى EMIT.