اكتشاف مفاجئ يتحدى النماذج الحالية لتكوين الثقب الأسود ويكشف عن عمر النظام النجمي
تظهر العديد من الثقوب السوداء المكتشفة حتى الآن كجزء من نظام ثنائي. وتشمل هذه الأنظمة الثنائية ثقبًا أسود وجسمًا ثانويًا - مثل نجم أو نجم نيوتروني مضغوط أو ثقب أسود آخر - يحيطان ببعضهما البعض بسبب الجاذبية القوية للثقب الأسود ويشكلان نظامًا مداريًا محكمًا. الآن، هناك اكتشاف مدهش يوسع فهم الثقوب السوداء، وهي الأجسام التي يمكن أن تكون جزءًا من النظام المحيط بالثقب الأسود الذي أنشأ النظام.
في دراسة نشرت في مجلة Nature، أفاد علماء الفيزياء الفلكية من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا أنهم لاحظوا نظامًا ثلاثيًا حول ثقب أسود لأول مرة. ويتضمن النظام الجديد ثقبًا أسود مركزيًا يبتلع نجمًا صغيرًا يدور حوله كل 6.5 يومًا، وهو تكوين مشابه للعديد من الأنظمة الثنائية. ولكن من المدهش أن نرى أيضا نجما آخر يدور حول الثقب الأسود، ولكن على مسافة أكبر. ويقدر الباحثون أن النجم البعيد يكمل دورة حول الثقب الأسود مرة كل 70,000 ألف سنة.
إن حقيقة قدرة الثقب الأسود على الاحتفاظ بقوة الجاذبية على مثل هذا الجسم البعيد تثير تساؤلات حول أصل الثقب الأسود نفسه. الفرضية المقبولة هي أن الثقوب السوداء تتشكل من انفجار عنيف لنجم يحتضر، وهي عملية تعرف باسم المستعر الأعظم، حيث يطلق النجم كميات هائلة من الطاقة والضوء في انفجار نهائي قبل أن ينهار ويتحول إلى ثقب أسود غير مرئي.
ومع ذلك، يشير اكتشاف فريق البحث إلى أنه إذا كان الثقب الأسود المرصود قد تشكل من مستعر أعظم نموذجي، فإن الطاقة التي كانت ستنطلق قبل انهياره ستكون قوية جدًا لدرجة أنها قد تؤدي إلى تفجير أي أجسام سائبة. لم يكن من المفترض أن يبقى النجم الثاني والأبعد في مكانه. ويفترض الباحثون أن الثقب الأسود قد تم إنشاؤه من خلال عملية أقل عنفًا من "الانهيار المباشر"، حيث ينهار النجم ببساطة على نفسه ويشكل ثقبًا أسود دون انفجار مثير. مثل هذه العملية الأقل عنفًا لن تتداخل مع الأجسام السائبة والبعيدة.
ويشير النظام الثلاثي، الذي يضم نجمًا بعيدًا جدًا، إلى أن الثقب الأسود ولد من خلال انهيار مباشر أقل عنفًا من انهيار المستعر الأعظم. وبينما لاحظ علماء الفلك المستعرات الأعظم العنيفة لعدة قرون، يقول الباحثون إن النظام الثلاثي الجديد قد يكون أول مشهد لثقب أسود تم إنشاؤه بواسطة عملية أقل عنفًا.
وقال مؤلف الورقة كيفين بيردج، زميل بابالاردو في قسم الفيزياء بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "حتى الآن، كنا نعتقد أن معظم الثقوب السوداء تشكلت من انفجارات نجمية عنيفة، لكن هذا الاكتشاف يدعو إلى التشكيك في ذلك". "هذا النظام مثير للغاية لدراسة تطور الثقب الأسود، كما أنه يثير تساؤلات حول ما إذا كانت هناك أنظمة ثلاثية أخرى مثل هذا."
حركة مشتركة
وحدث اكتشاف ثلاثي الثقوب السوداء عن طريق الصدفة تقريبا، واكتشفه علماء الفيزياء الفلكية أثناء بحثهم عن دلائل على وجود ثقوب سوداء جديدة في مجرة درب التبانة في مرصد علاء الدين لايت، الذي يجمع الملاحظات الفلكية من التلسكوبات في الفضاء وحول العالم. بدافع الفضول، قام بريدج بفحص صورة V404 Cygni في عام 8,000 - وهو ثقب أسود يقع على بعد حوالي 1992 سنة ضوئية من الأرض وأحد أول الأجسام التي تم تحديدها بشكل نهائي على أنها ثقب أسود - في عام 404. ومنذ ذلك الحين، أصبح V1,300 Cygni أحد الأجرام السماوية. من الثقوب السوداء الأكثر دراسة، وتم توثيقه في أكثر من XNUMX مقال علمي. ومع ذلك، لم تذكر أي من هذه الدراسات ما لاحظه بريدج وزملاؤه.
عندما فحص بريدج الصور البصرية لـ V404 Cygni، رأى ما يبدو وكأنه نقطتان من الضوء، متقاربتان بشكل مدهش. النقطة الأولى كانت الثقب الأسود والنجم الداخلي الذي يحيط به. النجم قريب جدًا لدرجة أنه يفقد بعضًا من مادته أمام الثقب الأسود، مما يؤدي إلى إنشاء منشار الجسر الضوئي. أما النقطة الثانية فكانت شيئًا لم يدرسه العلماء بعمق حتى الآن. ذكر بريدج أن الضوء الثاني ربما كان قادمًا من نجم بعيد جدًا.
وقال بيردج، الذي حسب أن الكوكب الخارجي يبعد 3,500 وحدة فلكية عن الثقب الأسود (1 وحدة فلكية هي المسافة من الأرض إلى الشمس). بمعنى آخر، الكوكب الخارجي أبعد عن الثقب الأسود بمقدار 3,500 مرة من بعد الأرض عن الشمس، وهو ما يعادل 100 مرة المسافة بين بلوتو والشمس.
والسؤال الذي يطرح نفسه بعد ذلك هو ما إذا كان النجم الخارجي مرتبطا بالثقب الأسود والنجم الداخلي. للإجابة على ذلك، استخدم الباحثون القمر الصناعي غايا، الذي كان يتتبع تحركات جميع النجوم في المجرة بدقة كبيرة منذ عام 2014. وقام الفريق بتحليل تحركات النجوم الداخلية والخارجية على مدى العقد الأخير من بيانات غايا ووجدوا أن النجوم تتحرك بتنسيق كامل مع بعضها البعض مقارنة بالنجوم الأخرى القريبة. وحسبوا أن فرصة مثل هذه الحركة المنسقة تبلغ حوالي واحد من كل 10 ملايين.
وقال بادج: "من المؤكد أنها ليست مصادفة". "نرى نجمين يتحركان معًا لأنهما مقيدان بجاذبية ضعيفة. لذلك يجب أن يكون نظامًا ثلاثيًا."
سحب الخيوط
فكيف تم إنشاء النظام إذن؟ لو أن الثقب الأسود قد تشكل من مستعر أعظم نموذجي، لكان الانفجار العنيف قد أدى إلى نسف النجم الخارجي بعيدًا منذ فترة طويلة.
وأوضح بيردج: "إذا تخيلت أنك تسحب طائرة ورقية، وبدلاً من خيط قوي فإنك تسحب بشبكة عنكبوت". "إذا قمت بالسحب بقوة شديدة، فسوف ينقطع البرد وستضيع الطائرة الورقية. الجاذبية مثل ذلك الخيط الضعيف - إذا فعلت شيئًا مثيرًا للثنائي الداخلي، فسوف تفقد النجم الخارجي."
ولاختبار هذه الفكرة، أجرى بريدج عمليات محاكاة نظر فيها في كيفية أو الإجابة على سؤال حول كيف يمكن لمثل هذا النظام أن يتطور ويحافظ على الكوكب الخارجي. وفي بداية كل محاكاة، أدخل ثلاثة نجوم (الثالث هو الثقب الأسود، قبل أن يصبح ثقبًا أسود). ثم أجرى عشرات الآلاف من عمليات المحاكاة، ولكل منها سيناريو مختلف قليلاً لكيفية تحول النجم الثالث إلى ثقب أسود وأثره على حركات النجمين الآخرين. على سبيل المثال، أجرى محاكاة لمستعر أعظم، فغير كمية واتجاه الطاقة التي أطلقها. كما أجرى أيضًا عمليات محاكاة لسيناريوهات الانهيار المباشر، حيث انهار النجم الثالث ببساطة على نفسه لتكوين ثقب أسود، دون إطلاق طاقة.
وقال بيردج: "تظهر معظم عمليات المحاكاة أن أبسط طريقة لتشكيل هذا النظام الثلاثي هي من خلال الانهيار المباشر".
بالإضافة إلى الأدلة حول أصل الثقب الأسود، كشف الكوكب الخارجي أيضًا عن عمر النظام. وتوقع الباحثون أن النجم الخارجي كان في طور التحول إلى عملاق أحمر، وهي المرحلة التي تحدث في نهاية حياة النجم. وبناء على انتقال النجم إلى هذه المرحلة، حدد الفريق أن عمر النجم الخارجي يبلغ حوالي 4 مليارات سنة. وبالنظر إلى أن النجوم القريبة تتشكل في نفس الفترة الزمنية، يستنتج الفريق أن نظام الثقب الأسود الثلاثي يبلغ عمره أيضًا حوالي 4 مليارات سنة.
يقول بيردج: "لم نتمكن من القيام بذلك من قبل بالنسبة لثقب أسود قديم". "الآن بعد أن علمنا أن V404 Cygni هو جزء من نظام ثلاثي، فمن المحتمل أنه تشكل من انهيار مباشر، وقد تشكل منذ حوالي 4 مليارات سنة، بفضل هذا الاكتشاف."
تم دعم البحث جزئيًا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (NSF).
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
