تحتوي كل مجرة على ثقب أسود هائل في مركزها، مثلما تحتوي كل بيضة على صفار. لكن في بعض الأحيان تضع الدجاجة بيضًا يحتوي على صفارين. وبطريقة مماثلة، يتوقع علماء الفيزياء الفلكية الذين يدرسون الثقوب السوداء فائقة الكتلة العثور على أنظمة ثنائية – ثقبان أسودان هائلان يدوران حول بعضهما البعض – في قلوب بعض المجرات.
الثقوب السوداء هي مناطق في الفضاء تكون فيها الجاذبية قوية جدًا لدرجة أنه حتى الضوء لا يمكنه الهروب من المناطق المجاورة لها. وهي تتشكل عندما ينهار قلب نجم ضخم على نفسه، وتعمل بمثابة المكانس الكهربائية الكونية. تمتلك الثقوب السوداء الهائلة كتلة تبلغ مليون مرة كتلة شمسنا أو أكبر. يدرسها العلماء مثلنا لفهم كيفية عمل الجاذبية وكيفية تشكل المجرات.
إن معرفة ما إذا كانت المجرة تحتوي على ثقب أسود أو ثقبين أسودين في مركزها ليس سهلاً مثل كسر بيضة وفحص صفارها. لكن قياس عدد المرات التي تتشكل فيها هذه الثقوب السوداء الثنائية فائقة الكتلة يمكن أن يساعد الباحثين على فهم ما يحدث للمجرات عند اندماجها.
وفي دراسة جديدة، قام فريقنا بالتنقيب في البيانات الفلكية التاريخية التي يعود تاريخها إلى أكثر من مائة عام. لقد بحثنا عن الضوء المنبعث من إحدى المجرات التي أظهرت علامات على وجود نظام ثنائي للثقوب السوداء الهائلة.
الاصطدامات المجرية وموجات الجاذبية
المجرات مثل درب التبانة قديمة قدم الكون تقريبًا. في بعض الأحيان، تصطدم مع مجرات أخرى، مما قد يؤدي إلى اندماج المجرات وتشكيل مجرة أكبر وأكثر ضخامة.
قد يشكل الثقبان الأسودان الموجودان في مركز المجرتين المندمجتين، عندما يكونا قريبين بدرجة كافية، زوجًا مرتبطًا بالجاذبية. قد يعيش هذا الزوج لمدة تصل إلى مئات الملايين من السنين قبل أن يندمج الثقبان الأسودان في النهاية في ثقب واحد.
تطلق الثقوب السوداء الثنائية الطاقة على شكل موجات جاذبية، وهي تموجات في الزمكان يمكن للمراصد المتخصصة اكتشافها. وفقًا لنظرية النسبية العامة لأينشتاين، تنتقل هذه التموجات بسرعة الضوء، مما يتسبب في تمدد الفضاء نفسه والضغط حولها، مثل الموجة.
تستخدم مصفوفات توقيت النجوم النابضة النجوم النابضة، وهي النوى الكثيفة والمشرقة للنجوم المنهارة. النجوم النابضة تدور بسرعة كبيرة. يمكن للباحثين البحث عن الفجوات والشذوذات في نمط الموجات الراديوية المنبعثة من هذه النجوم النابضة الدوارة للكشف عن موجات الجاذبية.
في حين أن مصفوفات توقيت النجوم النابضة يمكنها اكتشاف إشارة موجة الجاذبية الجماعية من مجموعة الثنائيات خلال الـ 9 مليارات سنة الماضية، إلا أنها ليست حساسة بعد بما يكفي للكشف عن إشارة موجة الجاذبية من نظام ثنائي واحد في مجرة واحدة. وحتى أقوى التلسكوبات لا يمكنها تصوير هذه الثقوب السوداء الثنائية بشكل مباشر. لذلك، يتعين على علماء الفلك استخدام طرق ذكية غير مباشرة لمعرفة ما إذا كانت المجرة تحتوي على ثقب أسود ثنائي فائق الكتلة في مركزها.
البحث عن علامات الثقوب السوداء الثنائية
يتضمن أحد أنواع الطرق غير المباشرة البحث عن إشارات دورية من مراكز المجرات النشطة. هذه هي المجرات التي تبعث طاقة أكبر بكثير مما يتوقعه علماء الفلك من كمية النجوم والغاز والغبار التي تحتوي عليها.
تبعث هذه المجرات الطاقة من نواتها، أو مركزها، الذي يسمى نواة المجرة النشطة. في عملية تسمى التراكم، يستخدم الثقب الأسود في كل مجرة نشطة الجاذبية لسحب الغاز القريب إلى الداخل. يتسارع الغاز عندما يقترب من أفق الحدث للثقب الأسود، مثلما تتحرك المياه المحيطة بالدوامة بشكل أسرع وأسرع عندما تتجه نحو الداخل.
ومع تسخين الغاز، فإنه يتوهج بشكل ساطع في الضوء البصري والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية. تعد نوى المجرة النشطة من أكثر الأجسام سطوعًا في الكون.
يمكن لبعض النوى المجرية النشطة إطلاق نفاثات، وهي عبارة عن حزم من الجسيمات يتم تسريعها إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء. عندما تصطف هذه النفاثات مع خطوط رؤية مراصدنا، فإنها تبدو مشرقة للغاية. إنهم مثل المنارات الكونية.
تحتوي بعض النوى المجرية النشطة على إشارات ضوئية دورية تصبح ساطعة ثم تتلاشى ثم تشرق مرة أخرى. يمكن أن تأتي هذه الإشارة الفريدة من الحركة الدورية لثقبين أسودين فائقي الكتلة بالداخل، وتقترح على علماء الفلك البحث عن نظام ثقب أسود ثنائي في تلك المجرة.
في البحث عن نظام الثقب الأسود الثنائي
قام فريقنا بدراسة إحدى هذه النوى المجرية النشطة، والتي تسمى PG 1553+153. يصبح الضوء الصادر من هذا الجسم أكثر سطوعًا وخفتًا كل 2.2 سنة تقريبًا.
تشير هذه الاختلافات الدورية إلى أن PG 1553+153 يحتوي على ثقب أسود ثنائي هائل في الداخل. لكن الثنائي ليس هو التفسير الوحيد لهذا الاختلاف. يمكن لظواهر أخرى، مثل النفاثات المتذبذبة أو التغيرات في تدفق المواد حول الثقب الأسود، أن تفسر هذا النمط أيضًا دون وجود ثقب أسود ثنائي، لذلك كان علينا استبعاد تلك الظواهر.
لفهم ما إذا كانت أنماط انبعاث الضوء للنظام PG 1553+153 جاءت من ثقب أسود ثنائي، قمنا بمحاكاة كيفية قيام الثقوب السوداء الثنائية فائقة الكتلة بجمع الغاز. تشير نماذجنا إلى أنه في بعض الأحيان، عندما تسحب الثقوب السوداء الغاز، تتجمع كتل كثيفة من الغاز حول الجزء الخارجي من الثقب.
لقد حسبنا أن الوقت الذي تستغرقه هذه الكتل للدوران حول الثقبين الأسودين يجب أن يكون أطول بخمس إلى عشر مرات من الوقت الذي يستغرقه الثقبان الأسودان للدوران حول بعضهما البعض.
لذا، أصبح لدينا أخيرًا تنبؤ واضح يمكننا اختباره. إذا تسبب نظام ثقب أسود ثنائي في حدوث تباين دوري مدته 2.2 عام في PG 1553+153، فيجب أن نكون أيضًا قادرين على رؤية نمط أطول من التباين، كل 10 إلى 20 عامًا تقريبًا، عندما تدور كتل الغاز حول الثقوب السوداء. .
ولكن لمعرفة ما إذا كان هذا نمطًا بالفعل، كنا بحاجة إلى مشاهدته يتكرر لمدة أربع إلى خمس دورات. بالنسبة إلى PG 1553+153، سيكون ذلك من 40 إلى 100 عام.
لقد لاحظ علماء الفلك السماء منذ مئات السنين. لكن عصر علم الفلك الرقمي، حيث يتم تسجيل الصور الفلكية على أجهزة الكمبيوتر وحفظها في قواعد البيانات، حديث جدًا – فقط منذ عام 2000 أو نحو ذلك.
وقبل ذلك، بدءًا من عام 1850 تقريبًا، سجل علماء الفلك صورًا للسماء على لوحات فوتوغرافية. وهي عبارة عن قطع مسطحة من الزجاج مطلية بطبقة كيميائية حساسة للضوء تُستخدم تقليديًا في التصوير الفوتوغرافي. لدى العديد من المراصد حول العالم صور فوتوغرافية لسماء الليل يعود تاريخها إلى أكثر من مائة عام مضت. قبل ذلك، كان علماء الفلك يرسمون شكل السماء في دفاتر ملاحظاتهم.
بدأت مشاريع مثل DASCH، وDigital Access to a Sky Century في جامعة هارفارد، في رقمنة لوحات الصور الفوتوغرافية من عدد قليل من المراصد لإتاحتها للعلماء وغير العلماء على حد سواء.
وعلم فريقنا أن قاعدة بيانات DASCH توفر بيانات عن PG 1553+153 يعود تاريخها إلى عام 1900 – أي أكثر من 120 عامًا. استخدمنا مجموعة البيانات هذه لمعرفة ما إذا كان بإمكاننا رؤية نمط يتكرر كل 10 إلى 20 عامًا.
لدهشتنا إلى حد ما، وجدنا نمطًا مدته 20 عامًا يضيف المزيد من الأدلة إلى نظريتنا القائلة بوجود نظام ثنائي في قلب PG 1553+153. ساعدنا اكتشاف هذا النمط الثاني أيضًا على معرفة أن كتلتي الثقبين الأسودين الهائلين تبلغ نسبة 2.5:1 – حيث يبلغ حجم أحدهما ضعف حجم الآخر – وأن مدارهما دائري تقريبًا.
في حين أن هذه البيانات التاريخية تجعلنا أكثر ثقة بوجود ثقبين أسودين هائلين في PG 1553+153، إلا أننا ما زلنا لا نستطيع الجزم بذلك. قد يحتاج التأكيد النهائي إلى الانتظار حتى تصبح صفائف توقيت النجم النابض حساسة بما يكفي للكشف عن موجات الجاذبية القادمة من PG 1553+153.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: ماركو أجيلو، جامعة كليمسون و جوناثان زراكي، جامعة كليمسون
اقرأ المزيد:
يتلقى ماركو أجيلو تمويلًا من وكالة ناسا ومؤسسة العلوم الوطنية.
يتلقى جوناثان زراكي تمويلًا من وكالة ناسا ومؤسسة العلوم الوطنية.