الفلك

كيف يمكن أن يتشكل الثقب الأسود؟

كيف يمكن أن يتشكل الثقب الأسود؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

نحن نعلم أن الجسم الذي يسقط على الثقب الأسود ، كما لوحظ من مراقب بعيد ، سيتجمد كلما اقترب أكثر فأكثر من أفق الحدث. إذن سؤالي هو كيف يمكن أن يتشكل الثقب الأسود في المقام الأول؟ أعني أننا عادة ما نقول شيئًا ينهار نجم في ثقب أسود. لكن بالنظر إلى تأثير "تجميد الوقت" ، كيف يمكن أن يكون ذلك ممكنًا في المقام الأول؟


بعد انفجار مستعر أعظم من النجوم التي تزيد كتلتها عن حد شاندراسيخار ، يكون النجم النيوتروني المتبقي كثيفًا لدرجة أنه ينهار في حالة فردية واحدة (نقطة حيث الكثافة غير محدودة ويتم ضغطها في نقطة ما). يمكن الكشف عن وجود ثقب أسود بواسطة الانتروبيا التي يقدمها الثقب الأسود. لذلك عند نقطة التكوين ، لا يأخذ الثقب الأسود أي مادة فيه ، وبعد تشكل الثقب الأسود ، سنرى أي جسم يدخله متجمدًا في الزمكان.


كيف يقيس علماء الفلك كتل الوحش الثقب الأسود بشكل أسرع من أي وقت مضى

تختبئ الثقوب السوداء الوحشية في مراكز معظم المجرات في الكون ، والآن ، هناك تقنية جديدة تساعد العلماء على قياس كتلة بعض من أكبر الثقوب السوداء في الكون ، حتى عندما تكون في مراكز باهتة جدًا وبعيدة. المجرات. يمكن للنهج الجديد أن يحسن بشكل كبير فهم العلماء لكيفية تشكل هذه العملاقة وتطورها ، وكيف تؤثر على تطور المجرات.

قالت كاثرين جرير ، زميلة ما بعد الدكتوراه في ولاية بنسلفانيا ، في بيان من مسح سلون الرقمي للسماء (SDSS): "هذه هي المرة الأولى التي نقيس فيها بشكل مباشر كتل العديد من الثقوب السوداء فائقة الكتلة حتى الآن". قاد جرير مشروعًا لقياس كتل ثروة من الثقوب السوداء فائقة الكتلة باستخدام بيانات SDSS. وأبلغت عن النتائج يوم الثلاثاء (9 يناير) في اجتماع الجمعية الفلكية الأمريكية في ناشيونال هاربور بولاية ماريلاند.

قال جرير: "هذه القياسات الجديدة ، والقياسات المستقبلية مثلها ، ستوفر معلومات حيوية للأشخاص الذين يدرسون كيفية نمو المجرات وتطورها عبر الزمن الكوني". [صور: ثقوب الكون السوداء]


هل الثقوب السوداء حقيقية؟

الآن ، وجد فريق من العلماء بما في ذلك Avery Broderick (معهد Perimeter للفيزياء النظرية ، كندا) ، Narayan ، وغيرهم أدلة أخرى على هذه الأشياء المراوغة. حدق الفريق في قلب مجرة ​​M87 ، وهي مجرة ​​بيضاوية حجم ثقب أسود فائق الكتلة أثقل بستة مليارات مرة من الشمس. هناك ، رأى علماء الفلك أدلة غير مباشرة على أفق الحدث للوحش: نقطة اللاعودة التي تحدد الخطوط العريضة للثقب الأسود نفسه.

استخدم الفريق ثلاثة تلسكوبات راديوية في كاليفورنيا وأريزونا وهاواي لعمل الملاحظات ، وهي جزء من مشروع Event Horizon Telescope الذي لا يزال قيد التطوير. كان هدفهم هو التمييز بين ما إذا كان لهذا الكائن حقًا أفق حدث ، وهو ما يميز الثقب الأسود فقط ، أو إذا كان له سطح بالفعل.

عندما تتدفق المواد إلى أي جسم ضخم ، فإنها ترتفع درجة حرارتها وتنبعث منها السيول من الفوتونات عالية الطاقة. لذلك يجب أن يكون الغاز حول الجسم الهائل شديد السطوع. ولكن سيكون هناك اختلاف ملحوظ في هذا السطوع اعتمادًا على ما إذا كان الكائن له سطح أو أفق حدث.

يقول المؤلف المشارك جون كورميندي John Kormendy (جامعة تكساس في أوستن): "إذا كان هناك سطح ، فإن الأشياء التي تسقط فيه سوف تتناثر على السطح". وسيؤدي هذا التناثر إلى توهج المادة بشكل أكثر سخونة وإشراقًا. ولكن إذا لم يكن هناك سطح - كما في حالة أفق الحدث - فمن وجهة نظرنا ، تختفي المادة في النهاية وبالتالي لا يمكنها الاستمرار في تعزيز التوهج.

لذلك يجب أن يظهر الجسم الذي له أفق حدث أغمق من جسم متساوي في الكتلة وله سطح.

في ظل هذا الافتراض ، تكون الخطوات القليلة التالية مباشرة نسبيًا (ولكنها بعيدة عن البساطة). أولاً ، قام الفريق بقياس كمية المواد التي تسقط على الثقب الأسود الهائل لـ M87. ثانيًا ، قام الفريق بحساب السطوع المتوقع لجسم بسطح. جاء هذا الرقم بما يقرب من 100 مليار مرة أكثر سطوعًا من الشمس. ثالثًا ، فحص الفريق لمعرفة ما إذا كانت ملاحظاتهم تتطابق مع السطوع المتوقع. إذا كان الأمر كذلك ، فإن الكائن له سطح. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فمن المحتمل أن يكون للكائن أفق حدث.

وجد الفريق شيئًا يبدو أغمق مما كان متوقعًا (بترتيب من حيث الحجم على الأقل) لجسم بسطح. يقول Kormendy: "لذلك نستنتج أن المادة تسقط خلال أفق الحدث وتعطي ضوءًا أقل بكثير مما لو كانت تتصادم مع السطح".


كيف يسلط علم الفلك الراديوي الضوء على الثقوب السوداء

في الشهر الماضي ، وسط الكثير من الإثارة ، أظهر العلماء للعالم أول صورة فوتوغرافية لثقب أسود. بدا وكأنه دونات مع منطقة وسطى مظلمة محاطة بحلقة من الضوء. قالوا إن المنطقة المظلمة في وسط الصورة عبارة عن ثقب أسود هائل في وسط مجرة ​​بعيدة تسمى M87 (M تعني كتالوج Messier) ، والتي تبعد حوالي 53 مليون سنة ضوئية. يُقدَّر حجم الثقب الأسود بحوالي 6.5 مليار ضعف ثقل الشمس. تم إنتاج الصورة باستخدام Event Horizon Telescope (EHT) ، وهي شبكة عالمية من التلسكوبات الراديوية.

EHT هو تعاون دولي من 13 مؤسسة ، تتكون من العديد من التلسكوبات الراديوية والمراصد الراديوية في جميع أنحاء العالم. موجات الراديو هي موجات كهرومغناطيسية تمامًا مثل الضوء المرئي ولكنها ذات طول موجي أطول بكثير ، أعلى من ملليمتر. في المقابل ، تتراوح الأطوال الموجية للضوء المرئي من 380 نانومتر إلى 740 نانومتر. تعمل هذه الأدوات على مدار الساعة بحثًا عن موجات الراديو من الفضاء. تم بناء هذه التلسكوبات وعملت لسنوات عديدة في علم الفلك بأطوال موجية مليمترية ، ودراسة الجزيئات والغبار بين النجوم ، وتكوين النجوم وتكوين الكواكب. كانت ملاحظات الثقب الأسود بمثابة إعادة توظيف للمنشآت الحالية واستمرت فقط لبضعة أيام.

يقع علم الفلك الراديوي ، وهو فرع من فروع علم الفلك يتعامل مع دراسة موجات الراديو المنبعثة من الأجرام السماوية ، في قلب هذا العمل الفذ في تصوير الثقب الأسود. في محادثة مع ديكان هيرالديلقي البروفيسور راجارام نيتياناندا ، وهو فيزيائي هندي مشهور يعمل الآن أستاذًا في جامعة عظيم بريمجي في بنغالورو ، بعض الضوء على كيفية التقاط العلماء لصورة الثقب الأسود ودور علم الفلك الراديوي في هذا الإنجاز. في الماضي ، عمل في معهد أبحاث رامان في بنغالورو (RRI) لأكثر من عقدين ، وشغل لاحقًا منصب مدير المركز الوطني للفيزياء الفلكية الراديوية (NCRA) ، بوني ، لما يقرب من عقد من الزمان.

فهم الثقب الأسود

تخبرنا الفيزياء أن الصواريخ التي يتم إطلاقها في الفضاء تحتاج إلى السفر أسرع من 11 كم / ثانية للهروب من جاذبية الأرض. أي شيء يتحرك أبطأ من ذلك لا يمكنه الهروب من مدار الأرض ، ويمكن أن ينهار في النهاية. ومع ذلك ، هناك بعض المناطق في الفضاء تكون فيها الجاذبية قوية جدًا بحيث لا يمكن لأي شيء ، بما في ذلك الضوء ، الذي ينتقل بسرعة 300000 كم / ثانية ، الهروب. هذه الأجسام كانت تسمى "الثقوب السوداء". إذا كان جون ويلر غالبًا ما يُنسب الفضل في ابتكار المصطلح ، لكن أصله لا يزال غير مؤكد.

وضع جون ميشيل ولابلاس مفهومًا للثقوب السوداء لأول مرة في القرن الثامن عشر ، ولكن بعد أن اقترح أينشتاين النظرية العامة للنسبية ، تمكن كارل شوارزشيلد من التوصل إلى المعادلات التي تحكم سلوكهم. منذ ذلك الحين ، وجد علماء الفلك أدلة غير مباشرة على وجود الثقوب السوداء من ملاحظات تفاعلات الجاذبية مع النجوم والغازات القريبة. اليوم ، نعلم أن الثقوب السوداء موجودة في مراكز كل المجرات تقريبًا.

منطقة مثيرة على سطح الثقب الأسود هي "أفق الحدث" ، وبعدها تم تسمية EHT. إنها منطقة اللاعودة - الضوء القادم من خارج أفق الحدث يمكن أن يهرب ويصل إلينا ، بينما الضوء من داخله لا يستطيع ذلك.

إذا لم يتمكن الضوء من الهروب من الثقب الأسود ، فكيف يمكننا التقاط صور له؟ تم العثور على الثقوب السوداء الهائلة ، مثل تلك التي تم تصويرها في مركز M87 ، في مراكز المجرات. بعضهم يبتلع باستمرار الغازات من حولهم. على غرار كيف يكتسب الجسم ، الذي يُلقى من مبنى شاهق ، السرعة عندما يسقط نحو الأرض ، يكتسب الغاز السرعة ، ويزداد الحرارة ويشع الطاقة عند سقوطه باتجاه الثقب الأسود. هذا هو "الضوء" الذي نراه في الصورة التي أنتجها EHT.

رؤية الغيب

الإثارة وراء هذه الصورة الأولى من نوعها لها ما يبررها حيث أن التقاط صورة لثقب أسود في مركز مجرة ​​بعيدة مثل M87 يطرح مشاكل تقنية خطيرة. أولاً ، على الرغم من أن الثقب الأسود يصدر العديد من موجات الراديو ، إلا أن القليل جدًا منه يتم استقباله على الأرض بسبب المسافة الكبيرة بين الأرض و M87. هذه الموجات أقل قوة بحوالي مليار مرة من إشارة التلفزيون النموذجية التي تنقل برنامجنا المفضل إلى غرفة المعيشة لدينا. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تكون التلسكوبات التي نستخدمها قادرة على التمييز بين موجات الراديو الصادرة من المصدر المطلوب ، والثقب الأسود في هذه الحالة ، والأشياء الأخرى القريبة. ومن ثم ، نحن بحاجة إلى "دقة" كافية لنكون قادرين على رؤية كائنات بحجم أفق الحدث للثقب الأسود في مركز M87 - حوالي ملياري درجة في السماء وتحديدها كأجسام مميزة.

من حيث المبدأ ، يتطلب تلبية هذه المتطلبات تلسكوبًا أكبر بكثير من أي تلسكوب يمكن بناؤه عمليًا. في نقاش عام ، تم تنظيمه كجزء من جائزة Infosys - سلسلة محاضرات ، بحث البروفيسور نيتياناندا في تفاصيل كيفية تطوير العلماء لحلول إبداعية للتغلب على هذه القيود.

"بشكل عام ، في علم الفلك الراديوي ، تأخذ إشارات من العديد من التلسكوبات. تربط كابلات الألياف الضوئية هذه التلسكوبات. ثم تقوم بدمج البيانات التي يتلقاها كل تلسكوب للمساعدة في تحديد المصدر وتصويره بدقة ، "يشرح الأستاذ نيتياناندا.

استخدم العلماء في EHT تقنية تعرف باسم قياس التداخل الأساسي الكبير جدًا (VLBI). إن حداثة VLBI هي أن الإشارات مأخوذة بواسطة تلسكوبات راديوية بعيدة جدًا عن بعضها البعض ، وبالتالي فهي غير متصلة جسديًا. بدلاً من ذلك ، يتم تسجيل البيانات التي يتلقاها كل منهم وإحضارها إلى مركز معالجة مركزي ودمجها باستخدام أجهزة الكمبيوتر. من خلال الجمع بين البيانات التي أخذها كل منهم جنبًا إلى جنب مع المعلومات حول الفصل الجغرافي ، يمكن للخوارزمية محاكاة تلسكوب بحجم الفصل بين التلسكوبات. "يشبه الأمر وجود عدسة ضخمة ، ولكن بدلاً من مرور الضوء عبر العدسة بأكملها ، تكون أجزاء منها فقط شفافة. لذلك تحصل على صورة بها العديد من المناطق المملوءة ، وتحتاج إلى الاستيفاء لبناء بقية الصورة "، يوضح البروفيسور نيتياناندا.

استخدم اتحاد EHT تلسكوبات راديوية موجودة في إسبانيا وهاواي وأمريكا الشمالية والجنوبية والقطب الجنوبي ، لتحقيق خطوط أساسية كبيرة جدًا ، وبالتالي محاكاة تلسكوب بحجم الأرض. يتطلب إجراء مثل هذه الملاحظات التزامن الدقيق بين المراصد باستخدام الساعات الذرية.

كيف تغير هذه الصورة فهمنا للثقوب السوداء؟ حتى الآن ، استندت نماذج ما يجري بالقرب من المركز إلى استنتاجات من ملاحظات لما يحدث أكثر. الآن ، إذا لاحظت بشكل مباشر ما يحدث في المركز ، فإن النماذج ستتحسن أيضًا ، مما يساعدنا على فهم أفضل لما يجري بالفعل ، "يقول البروفيسور نيتياناندا ، موضحًا أهمية هذه الصورة. ويضيف قائلاً: "بينما توقع الكثير من الناس رؤية ثقب أسود في مركز المجرة ، كانت هناك أيضًا تفسيرات بديلة للملاحظات التي تم وضعها الآن في حالة سكون".

يكتسب علم الفلك الراديوي زخمًا ، ولا يقتصر مستقبله على تصوير الثقوب السوداء. يقول البروفيسور نيتياناندا: "في الهند ، حقق تلسكوب راديو جي إم آر تي (Giant Metrewave Radio Telescope) الواقع بالقرب من بيون نجاحًا كبيرًا". GMRT عبارة عن مجموعة من 30 تلسكوبًا لاسلكيًا بقطر 45 مترًا لكل منها أطوال موجية تبلغ حوالي متر واحد. عندما تم بناؤه ، كان أكبر مصفوفة لهذه الأطوال الموجية ، "لكن الفلكيين يتطلعون حقًا إلى SKA (مصفوفة الكيلومتر المربع)".

The Square Kilometer Array هو تعاون دولي ، بما في ذلك الهند ، لبناء أكبر تلسكوب لاسلكي في العالم والذي سيكون موجودًا في أستراليا وجنوب إفريقيا. "مع SKA ، قد تكون قادرًا على رؤية عشرة أضعاف عدد المجرات التي نراها الآن. تتشكل المجرات من غاز الهيدروجين ، وعندما تنظر إلى المجرات البعيدة ، فإنك تنظر إلى الوراء في الزمن ، وتتوقع رؤية المزيد من غاز الهيدروجين. لقد فعل زملائي في NCRA وفي أماكن أخرى بعضًا من ذلك باستخدام GMRT والتلسكوبات الأخرى ، لكن SKA ستساعد في تحسين الأمور بشكل كبير "، يوضح البروفيسور نيتياناندا. إلى جانب ذلك ، يؤكد أن فهمنا للنماذج الكونية والطاقة المظلمة وأصل المجالات المغناطيسية سوف يتحسن مع مثل هذه التلسكوبات العملاقة.

"أخيرًا ، ستخبرنا SKA أيضًا المزيد عن الجزيئات البينجمية التي قد يكون لها علاقة بأصل الحياة" ، كما يأمل.


التطور النجمي

لم ير أي فلكي من قبل ثقبًا أسودًا ، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى وجود الكثير من المواد المحيطة به وأيضًا لأنه أسود كما يوحي الاسم.

يقبل معظم علماء الفلك وجودها ولكن هناك الكثير عنها لا نعرفها.

عندما ينفجر نجم كبير جدًا ، تتكثف الكتلة كثيرًا بحيث تنهار على نفسها. الجاذبية لا تزال موجودة.

يبدو أنه يسحب أي مادة في المنطقة المجاورة. بمجرد أن تتجاوز المادة حدود الثقب الأسود (يسمى أفق الحدث) فإنها لا تستطيع الهروب مرة أخرى مرة أخرى ولا يمكن حتى للضوء الهروب الذي ينتقل بسرعة 300 ألف كيلومتر في الثانية.

تأتي الأدلة من الثقوب السوداء من النجوم الثنائية التي تسحب مادتها الشمسية في الثقب. غالبًا ما يشكل هذا قرصًا تراكميًا للمادة التي تدور حول المنطقة. إنه يدور بسرعة كبيرة لدرجة أنه ساخن بدرجة كافية لإصدار الأشعة السينية ودفعات أشعة جاما التي يمكننا قياسها.

يفرض الثقب الأسود مثل هذه القوة الجاذبة على هذه الجسيمات لدرجة أنه يمكن أن يدفعها بعيدًا بسنوات ضوئية ، بشكل عمودي على القرص في شكل نفاثات جسيمات تقترب من سرعة الضوء.

يُعتقد أن معظم المجرات بها ثقب أسود هائل في مركزها.


طريق الميدان

أول الأشياء أولاً: "الجسيمات الافتراضية" ليست افتراضية وليست جسيمات. في نظرية المجال الكمومي و [مدش] مفهومنا الحديث لطريقة عمل الجسيمات والقوى و [مدش] يرتبط كل نوع من الجسيمات بـ مجال يتخلل كل من الزمكان. هذه الحقول ليست مجرد أجهزة مسك دفاتر بسيطة. هم نشيطون وحيون. في الواقع ، هم أكثر أهمية من الجسيمات نفسها. يمكنك التفكير في الجسيمات على أنها مجرد إثارة و [مدش] أو "اهتزازات" أو "بتات مقروصة" ، اعتمادًا على حالتك المزاجية و [مدش] في المجال الأساسي.

في بعض الأحيان تبدأ الحقول في الاهتزاز ، وتنتقل تلك الاهتزازات من مكان إلى آخر. هذا ما نسميه "الجسيم". عندما يتذبذب مجال الإلكترون ، نحصل على إلكترون. عندما يتذبذب المجال الكهرومغناطيسي ، نحصل على فوتون. انت وجدت الفكرة. [الفيزياء الملتوية: 7 نتائج أخيرة تثير الذهن]

ومع ذلك ، في بعض الأحيان ، لا تذهب هذه الاهتزازات حقًا إلى أي مكان. إنها تتلاشى قبل أن تفعل شيئًا مثيرًا للاهتمام. الزمكان مليء بالحقول المتعثرة باستمرار.

ما علاقة هذا بالثقوب السوداء؟ حسنًا ، عندما يتشكل أحدها ، يمكن أن تُحاصر بعض الحقول الكمومية المتلاشية و mdash البعض بشكل دائم ، وتظهر للأسف في أفق الحدث المكتشف حديثًا. الحقول التي تعثرت قرب أفق الحدث في نهاية المطاف البقاء على قيد الحياة والهروب. ولكن نظرًا لتمدد وقت الجاذبية الشديد بالقرب من الثقب الأسود ، يبدو أن ثاقبك ستخرج كثيرًا في وقت لاحق في المستقبل.

في تفاعلها المعقد والانحباس الجزئي مع الثقب الأسود المتكون حديثًا ، يتم "ترقية" الحقول المتعثرة المؤقتة لتصبح تموجات يومية عادية و [مدش] بعبارة أخرى ، جسيمات.

لذا ، فإن إشعاع هوكينغ لا يتعلق كثيرًا بجزيئات معارضة للوجود بالقرب من ثقب أسود في الوقت الحاضر ، ولكن نتيجة تفاعل معقد في ولادة لثقب أسود استمر حتى اليوم.


أول ثقب أسود تم اكتشافه هو أكثر ضخامة مما كنا نظن


انطباع فنان عن نظام Cygnus X-1. ثقب أسود ذو كتلة نجمية يدور حول نجم مصاحب يقع على بعد 7200 سنة ضوئية من الأرض. الائتمان: المركز الدولي لأبحاث علم الفلك الراديوي.

دفعت الملاحظات الجديدة لأول ثقب أسود تم اكتشافه على الإطلاق علماء الفلك إلى التساؤل عما يعرفونه عن أكثر الأشياء غموضًا في الكون.

أظهر البحث ، الذي نُشر في مجلة Science ، أن النظام المعروف باسم Cygnus X-1 يحتوي على أكبر ثقب أسود ذو كتلة نجمية تم اكتشافه على الإطلاق دون استخدام موجات الجاذبية.

Cygnus X-1 هو أحد أقرب الثقوب السوداء إلى الأرض. تم اكتشافه في عام 1964 عندما تم حمل زوج من عدادات جيجر على متن صاروخ شبه مداري تم إطلاقه من نيو مكسيكو.

كان الهدف هو محور رهان علمي شهير بين الفيزيائيين ستيفن هوكينغ وكيب ثورن ، حيث راهن هوكينغ في عام 1974 على أنه ليس ثقبًا أسود. تنازل هوكينج عن الرهان في عام 1990.

في هذا العمل الأخير ، استخدم فريق دولي من علماء الفلك مصفوفة خط الأساس الطويل جدًا - تلسكوب لاسلكي بحجم القارة يتكون من 10 أطباق منتشرة في جميع أنحاء الولايات المتحدة - جنبًا إلى جنب مع تقنية ذكية لقياس المسافات في الفضاء.

قال الباحث الرئيسي ، البروفيسور جيمس ميلر جونز من جامعة كيرتن ومنظمة إنترناشيونال مركز أبحاث الفلك الراديوي (ICRAR).

"إذا رفعت إصبعك أمام عينيك ونظرته بعين واحدة في كل مرة ، فستلاحظ أن إصبعك يبدو وكأنه يقفز من مكان إلى آخر. إنه نفس المبدأ تمامًا."

قال البروفيسور ميلر جونز: "على مدار ستة أيام ، لاحظنا مدارًا كاملاً للثقب الأسود واستخدمنا الملاحظات المأخوذة من نفس النظام باستخدام نفس مجموعة التلسكوب في عام 2011". "تُظهر هذه الطريقة وقياساتنا الجديدة أن النظام أبعد مما كان يُعتقد سابقًا ، مع وجود ثقب أسود أكبر بكثير."

قال المؤلف المشارك البروفيسور إيليا ماندل من جامعة موناش ومركز ARC للتميز في اكتشاف الموجات الثقالية (OzGrav) إن الثقب الأسود ضخم جدًا لدرجة أنه يمثل تحديًا في الواقع كيف اعتقد علماء الفلك أنها تشكلت.

وقال: "تفقد النجوم كتلتها في البيئة المحيطة بها من خلال الرياح النجمية التي تهب بعيدًا عن سطحها. ولكن لجعل ثقب أسود بهذا الثقل ، نحتاج إلى تقليل كمية الكتلة التي تفقدها النجوم الساطعة خلال حياتها".

وقال إن "الثقب الأسود في نظام Cygnus X-1 بدأ حياته كنجم تناهز كتلته 60 مرة كتلة الشمس وانهار منذ عشرات الآلاف من السنين". "بشكل لا يصدق ، إنه يدور حول نجمه المرافق - عملاق خارق - كل خمسة أيام ونصف على مسافة خمس المسافة بين الأرض والشمس.

"تخبرنا هذه الملاحظات الجديدة أن الثقب الأسود يزيد عن 20 ضعف كتلة شمسنا - بزيادة قدرها 50 في المائة عن التقديرات السابقة".

Xueshan Zhao هو مؤلف مشارك في الورقة ومرشح لنيل درجة الدكتوراه يدرس في المراصد الفلكية الوطنية - وهي جزء من الأكاديمية الصينية للعلوم (NAOC) في بكين.

"باستخدام القياسات المحدثة لكتلة الثقب الأسود والمسافة التي تفصله عن الأرض ، تمكنت من التأكد من أن Cygnus X-1 يدور بسرعة مذهلة - قريبة جدًا من سرعة الضوء وأسرع من أي ثقب أسود آخر تم العثور عليه حتى الآن قالت.

"أنا في بداية مسيرتي البحثية ، لذا فإن كوني جزءًا من فريق دولي والمساعدة في تحسين خصائص أول ثقب أسود تم اكتشافه على الإطلاق كان فرصة عظيمة."

في العام المقبل ، سيبدأ بناء أكبر تلسكوب لاسلكي في العالم - مصفوفة الكيلومتر المربع (SKA) - في أستراليا وجنوب إفريقيا.

قال البروفيسور ميلر جونز: "دراسة الثقوب السوداء مثل تسليط الضوء على أفضل سرية في الكون - إنها مجال بحث مثير ولكنه مثير للتحدي".

"مع دخول الجيل التالي من التلسكوبات عبر الإنترنت ، تكشف حساسيتها المحسّنة عن الكون بمزيد من التفاصيل بشكل متزايد ، مستفيدةً من عقود من الجهد الذي استثمره العلماء وفرق البحث حول العالم لفهم الكون والأشياء الغريبة والمتطرفة الموجودة بشكل أفضل.

"إنه وقت رائع أن تكون عالم فلك."

مصاحبة للنشر في Science ، تم نشر ورقتين أخريين تركزان على جوانب مختلفة من هذا العمل اليوم في The Astrophysical Journal.

يحتوي Cygnus X-1 على ثقب أسود بكتلة 21 شمسيًا - تداعيات على رياح نجمية هائلة ، نُشر في Science في 18 فبراير 2021.

نُشر كتاب "Reestimating the Spin Parameter of the Black Hole in Cygnus X-1" في مجلة الفيزياء الفلكية في 18 فبراير 2021.

تم الاستدلال على معدلات فقدان كتلة الرياح للنجوم المجردة من Cygnus X-1 ، في مجلة الفيزياء الفلكية في 18 فبراير 2021.


رؤية المستحيل

إذن ، كيف نكتشف الثقوب السوداء؟ من خلال تأثير جاذبيتها الهائلة على الأشياء القريبة. على سبيل المثال ، عندما تسقط المادة باتجاه ثقب أسود ، تتسطح المادة في قرص مداري. يسلب الاحتكاك الطاقة المدارية ، مما يجعل المادة تدور بالقرب من الثقب الأسود. ومن المفارقات أن السرعة المدارية تزداد كلما انحدرت المادة إلى الداخل. تتحول الطاقة المفقودة بسبب الاحتكاك إلى حرارة ، مما يرفع درجة الحرارة إلى ملايين الدرجات. إحدى الطرق التي نكتشف بها الثقوب السوداء هي مراقبة الأشعة السينية القادمة من الجزء الداخلي الساخن من هذه الأقراص. يصعب إنتاج الأشعة السينية بكميات غزيرة ، لذلك من السهل نسبيًا اكتشاف مصادر الأشعة السينية من هذا النوع. تسمح السرعة المدارية المقاسة لعلماء الفلك بحساب كتلة الثقب الأسود. اكتشف علماء الفلك الثقوب السوداء بهذه الطريقة لمدة نصف قرن.

لم تكن هذه الصورة الأولى للثقب الأسود صورة لثقب أسود ، بل كانت عبارة عن قرص تراكم حول ثقب أسود (نظرًا لأن المادة الموجودة في القرص المداري تتضخم ، فإننا نطلق على الأقراص حول الثقوب السوداء "أقراص التراكم"). تعد أقراص التراكم حول الثقوب السوداء ذات الحجم النجمي صغيرة نسبيًا. وبالتالي ، من المسافات التي نلاحظها من الثقوب السوداء ، ستكون أقراص التراكم للثقوب السوداء ذات الحجم النجمي أصغر من أن يتم تصويرها. كان ما يحتاجه علماء الفلك هو الأقراص التراكمية الأكبر حجمًا والموجودة حول الثقوب السوداء الضخمة الضخمة الموجودة في مراكز معظم المجرات. في هذه الدراسة ، اختار علماء الفلك الثقب الأسود في مركز M87 ، وهي مجرة ​​إهليلجية عملاقة على بعد حوالي 55 مليون سنة ضوئية. تبلغ كتلة ثقبه الأسود حوالي 7 مليارات ضعف كتلة الشمس.

رصيد الصورة: Event Horizon Telescope Collaboration

ومع ذلك ، فإن مشكلة أقراص التراكم هذه هي أن هناك الكثير من المادة في لب المجرات المحيطة بثقوبها السوداء الهائلة التي تتداخل مع الضوء القادم من أقراص التراكم. للتغلب على هذه المشكلة ، لاحظ علماء الفلك طول موجة يبلغ 1.3 ملم ، وهو جزء من الطيف الراديوي لا يتأثر إلى حد كبير بهذه المادة المتداخلة. ولكن بعد ذلك تنشأ مشكلة أخرى. نظرًا لأطوالها الموجية الطويلة ، تنتج موجات الراديو دقة ضعيفة للغاية ، مما ينتج عنه صور ضبابية. للتحايل على هذه المشكلة ، يجمع علماء الفلك الراديوي البيانات من عدة تلسكوبات راديوية متباعدة على نطاق واسع. هذه التقنية تسمى قياس التداخل طويل الأمد للغاية (VLBI). بينما كان VLBI موجودًا منذ عقود ، فإن التحسينات الحديثة جدًا في تكنولوجيا الكمبيوتر جعلت هذا النوع من الدقة العالية ممكنًا. استخدمت الدراسة المعنية ثمانية تلسكوبات راديوية حول العالم في نظام يسمى تلسكوب أفق الحدث. بالنظر إلى الطول الموجي للرصد وتكوين التلسكوبات الراديوية ، كانت دقة هذا المشروع 25 جزءًا من مليون من الثانية القوسية. على مسافة M87 ، هذا يتوافق مع 400 وحدات فلكية (الوحدة الفلكية ، أو AU ، هي متوسط ​​المسافة بين الأرض والشمس - حوالي 150 مليون كيلومتر (93 مليون ميل)). أي أن شيئًا أكبر بـ 400 مرة من نصف قطر مدار الأرض سيظهر. كان من المتوقع أن يكون قرص التراكم أكبر بكثير من هذا ، لذلك يجب أن يظهر في صورة الراديو.

كما يمكن رؤيته في الصورة ، يظهر قرص التراكم كحلقة. من المغري التفكير في أن البقعة المظلمة في المنتصف هي الثقب الأسود. ومع ذلك ، فإن حجم هذه البقعة المظلمة هو 2.6 ضعف حجم الثقب الأسود. تُقارن هذه البقعة المظلمة بظل الثقب الأسود. ينحني الضوء القادم من المنطقة داخل البقعة المظلمة ولكن خارج الثقب الأسود بشكل كبير عن خط رؤيتنا بواسطة جاذبية الثقب الأسود. هذه صورة رائعة وجديرة بالملاحظة. لكن الحسابات الصحفية كانت مضللة بعض الشيء. بعد كل شيء ، نظرًا لأن الصور الفوتوغرافية هي صور للضوء (في هذه الحالة ، انبعاث الراديو) ، والثقوب السوداء لا تصدر أي ضوء ، فلا يمكننا تصوير ثقب أسود بشكل مباشر. لكن يمكننا رؤية ظل الثقب الأسود هنا. وبالتالي ، فإن هذه الصورة الأولى هي أخبار كبيرة.


الفلكيون يشاهدون كورونا الثقب الأسود يختفي في ظروف غامضة ، ثم يعاود الظهور

يوضح هذا الرسم التخطيطي كيف يمكن لميزة التحول ، المسماة الهالة ، أن تخلق توهجًا من الأشعة السينية حول الثقب الأسود. تتجمع الهالة (السمة الممثلة بألوان أرجوانية) للداخل (على اليسار) ، وتصبح أكثر إشراقًا ، قبل إطلاقها بعيدًا عن الثقب الأسود (في الوسط واليمين). لا يعرف علماء الفلك & # 8217t سبب تحول الهالة ، لكنهم تعلموا أن هذه العملية تؤدي إلى سطوع ضوء الأشعة السينية الذي يمكن ملاحظته بواسطة التلسكوبات. الائتمان: NASA / JPL-Caltech

قد يكون النجم المتصادم قد تسبب في تحول جذري.

يبدو أن الكون لديه حس دعابة غريب. في حين أن الفيروس المغطى بالتاج قد انتشر في جميع أنحاء العالم ، اختفى بشكل غامض هالة أخرى مختلفة تمامًا على بعد حوالي 100 مليون سنة ضوئية من الأرض.

لأول مرة ، شاهد علماء الفلك في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأماكن أخرى الهالة الخاصة بالثقب الأسود الهائل ، الحلقة فائقة السطوع من الجسيمات عالية الطاقة التي تحيط بأفق الحدث للثقب الأسود ، وقد تم تدميرها فجأة.

سبب هذا التحول الدراماتيكي غير واضح ، على الرغم من أن الباحثين يخمنون أن مصدر الكارثة ربما كان نجمًا وقع في جاذبية الثقب الأسود. مثل الحصاة التي ألقيت في علبة التروس ، ربما ارتد النجم من خلال قرص الثقب الأسود من المواد الملتوية ، مما تسبب في كل شيء في الجوار ، بما في ذلك الجسيمات عالية الطاقة للإكليل ، للانزلاق فجأة في الثقب الأسود.

النتيجة ، كما لاحظ علماء الفلك ، كانت انخفاضًا حادًا ومدهشًا في سطوع الثقب الأسود ، بعامل 10000 ، في أقل من عام واحد فقط.

تقول إيرين كارا ، أستاذة الفيزياء المساعدة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "نتوقع أن يتغير اللمعان بهذا الحجم وفقًا لمقاييس زمنية تتراوح بين عدة آلاف إلى ملايين السنين". "لكن في هذا الكائن ، رأينا أنه يتغير بمقدار 10000 على مدار عام ، وحتى أنه تغير بمعامل 100 في ثماني ساعات ، وهو أمر لم يسمع به أحد تمامًا ومثير للدهشة حقًا."

بعد اختفاء الإكليل ، واصل علماء الفلك مشاهدة الثقب الأسود بدأ في سحب المواد ببطء من حوافه الخارجية لإصلاح قرص التراكم الدوامي ، والذي بدأ بدوره في تدوير الأشعة السينية عالية الطاقة بالقرب من أفق حدث الثقب الأسود . بهذه الطريقة ، في غضون بضعة أشهر فقط ، تمكن الثقب الأسود من توليد إكليل جديد ، عاد تقريبًا إلى لمعانه الأصلي.

تقول كارا: "يبدو أن هذه هي المرة الأولى التي نرى فيها هالة تختفي أولاً ، ولكن بعد ذلك أيضًا نعيد بناء نفسها ، ونحن نشاهد هذا في الوقت الفعلي". "سيكون هذا مهمًا حقًا لفهم كيفية تسخين هالة الثقب الأسود وتشغيلها في المقام الأول."

نشرت كارا ومؤلفوها المشاركون ، بمن فيهم المؤلف الرئيسي كلاوديو ريتشي من جامعة دييغو بورتاليس في سانتياغو ، تشيلي ، نتائجهم اليوم في رسائل مجلة الفيزياء الفلكية. المؤلفون المشاركون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يشملون رون ريميلارد وديراج باشام.

غسالة ذكية

في مارس 2018 ، أضاء انفجار غير متوقع منظر ASSASN ، المسح الآلي بالكامل لـ Super-Novae ، الذي يستطلع سماء الليل بأكملها بحثًا عن نشاط المستعر الأعظم. سجل المسح وميضًا من 1ES 1927 + 654 ، نواة مجرة ​​نشطة ، أو AGN ، وهو نوع من الثقوب السوداء فائقة الكتلة مع سطوع أعلى من المعتاد في مركز المجرة. لاحظ ASSASN أن سطوع الكائن قفز إلى حوالي 40 ضعف سطوعه الطبيعي.

تقول كارا: "كان هذا AGN نوعًا ما نعرفه ، لكنه لم يكن مميزًا للغاية". "ثم لاحظوا أن النوى المجرية النشطة هذه أصبحت ساطعة فجأة ، الأمر الذي لفت انتباهنا ، وبدأنا في توجيه الكثير من التلسكوبات الأخرى في الكثير من الأطوال الموجية الأخرى للنظر إليها."

استخدم الفريق تلسكوبات متعددة لمراقبة الثقب الأسود في نطاقات موجات الأشعة السينية والموجات الضوئية والأشعة فوق البنفسجية. تم توجيه معظم هذه التلسكوبات إلى الثقب الأسود بشكل دوري ، على سبيل المثال تسجيل الملاحظات ليوم كامل ، كل ستة أشهر. راقب الفريق أيضًا الثقب الأسود يوميًا باستخدام تلسكوب NICER التابع لناسا ، وهو تلسكوب أشعة سينية أصغر بكثير ، تم تثبيته على متن محطة الفضاء الدولية ، مع كواشف طورها وصنعها باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

تقول كارا: "إن NICER رائع لأنه ذكي جدًا". "إنها هذه الغسالة الصغيرة التي ترتد حول محطة الفضاء الدولية ، ويمكنها جمع أطنان من فوتونات الأشعة السينية. كل يوم ، يمكن لـ NICER أن يلقي نظرة سريعة سريعة على هذا النوى المجري ، ثم ينطلق ويفعل شيئًا آخر.

من خلال الملاحظات المتكررة ، تمكن الباحثون من اكتشاف الثقب الأسود حيث انخفض سطوعه بشكل سريع ، في جميع نطاقات الموجات التي قاموا بقياسها تقريبًا ، وخاصة في نطاق الأشعة السينية عالي الطاقة - وهي ملاحظة أشارت إلى أن هالة الثقب الأسود تبخرت تماما وفجأة.

تتذكر كارا: "بعد أن رأت ASSASN أنها تمر عبر هذا الانفجار الهائل المجنون ، شاهدنا اختفاء الهالة". "أصبح غير قابل للكشف ، وهو ما لم نشهده من قبل".

وميض هزاز

الفيزيائيون غير متأكدين بالضبط من أسباب تشكل الهالة ، لكنهم يعتقدون أن لها علاقة بتكوين خطوط المجال المغناطيسي التي تمر عبر قرص تراكم الثقب الأسود. في المناطق الخارجية لقرص المادة الملتف للثقب الأسود ، تكون خطوط المجال المغناطيسي إلى حد ما في تكوين مباشر. بالقرب من أفق الحدث ، وخاصة بالقرب من أفق الحدث ، دوائر المواد التي تحتوي على المزيد من الطاقة ، بطريقة قد تتسبب في تحريف خطوط المجال المغناطيسي وانكسارها ، ثم إعادة الاتصال. يمكن أن يؤدي هذا التشابك من الطاقة المغناطيسية إلى دوران الجسيمات التي تدور بالقرب من الثقب الأسود ، إلى مستوى الأشعة السينية عالية الطاقة ، وتشكيل الهالة الشبيهة بالتاج الذي يحيط بالثقب الأسود.

تعتقد كارا وزملاؤها أنه إذا كان النجم الضال هو بالفعل السبب في اختفاء الهالة ، لكان قد تمزيقه أولاً بفعل سحب الجاذبية للثقب الأسود ، مما أدى إلى تناثر الحطام النجمي عبر قرص التراكم. قد يكون هذا قد تسبب في الفلاش المؤقت في السطوع الذي التقطه ASSASN. هذا "اضطراب المد والجزر" ، كما يسميه علماء الفلك مثل هذا الحدث الصاعق ، كان من شأنه أن يدفع الكثير من المواد الموجودة في القرص إلى السقوط فجأة في الثقب الأسود. It also might have thrown the disk’s magnetic field lines out of whack in a way that it could no longer generate and support a high-energy corona.

This last point is a potentially important one for understanding how coronas first form. Depending on the mass of a black hole, there is a certain radius within which a star will most certainly be pulled in by a black hole’s gravity.

“What that tells us is that, if all the action is happening within that tidal disruption radius, that means the magnetic field configuration that’s supporting the corona must be within that radius,” Kara says. “Which means that, for any normal corona, the magnetic fields within that radius are what’s responsible for creating a corona.”

The researchers calculated that if a star indeed was the cause of the black hole’s missing corona, and if a corona were to form in a supermassive black hole of similar size, it would do so within a radius of about 4 light minutes — a distance that roughly translates to about 75 million kilometers from the black hole’s center.

“With the caveat that this event happened from a stellar tidal disruption, this would be some of the strictest constraints we have on where the corona must exist,” Kara says.

The corona has since reformed, lighting up in high-energy X-rays which the team was also able to observe. It’s not as bright as it once was, but the researchers are continuing to monitor it, though less frequently, to see what more this system has in store.

“We want to keep an eye on it,” Kara says. “It’s still in this unusual high-flux state, and maybe it’ll do something crazy again, so we don’t want to miss that.”

Reference: “The Destruction and Recreation of the X-Ray Corona in a Changing-look Active Galactic Nucleus” by C. Ricci, E. Kara, M. Loewenstein, B. Trakhtenbrot, I. Arcavi, R. Remillard, A. C. Fabian, K. C. Gendreau, Z. Arzoumanian, R. Li, L. C. Ho, C. L. MacLeod, E. Cackett, D. Altamirano, P. Gandhi, P. Kosec, D. Pasham, J. Steiner and C.-H. Chan, 16 July 2020, رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.
DOI: 10.3847/2041-8213/ab91a1


Gigantic, early black hole could upend evolutionary theory

In this illustration a black hole emits part of the accreted matter in the form of energetic radiation (blue), without slowing down star formation within the host galaxy (purple regions). Image credit: M. Helfenbein, Yale University / OPAC. An international team of astrophysicists led by Benny Trakhtenbrot, a researcher at ETH Zurich’s Institute for Astronomy, discovered a gigantic black hole in an otherwise normal galaxy, using W. M. Keck Observatory’s 10-metre, Keck I telescope in Hawaii. The team, conducting a fairly routine hunt for ancient massive black holes, was surprised to find one with a mass of more than 7 billion times our Sun making it among the most massive black holes ever discovered. And because the galaxy it was discovered in was fairly typical in size, the study calls into question previous assumptions on the development of galaxies. Their findings have just been published in the journal Science.

The data, collected with Keck Observatory’s newest instrument called MOSFIRE, revealed a giant black hole in a galaxy called CID-947 that was 11 billion light-years away. The incredible sensitivity of MOSFIRE coupled to the world’s largest optical/infrared telescope meant the scientists were able to observe and characterise this black hole as it was when the universe was less than two billion years old, just 14 percent of its current age (almost 14 billion years have passed since the Big Bang).

Even more surprising than the black hole’s record mass, was the relatively ordinary mass of the galaxy that contained it.

Most galaxies host black holes with masses less than one percent of the galaxy. In CID-947, the black hole mass is 10 percent that of its host galaxy. Because of this remarkable disparity, the team deduced this black hole grew so quickly the host galaxy was not able to keep pace, calling into question previous thinking on the co-evolution of galaxies and their central black holes.

“The measurements of CID-947 correspond to the mass of a typical galaxy,” Trakhtenbrot said. “We therefore have a gigantic black hole within a normal size galaxy. The result was so surprising, two of the astronomers had to verify the galaxy mass independently. Both came to the same conclusion.”

“Black holes are objects that possess such a strong gravitational force that nothing &mdash not even light &mdash can escape,” said Professor Meg Urry of Yale University, co-author of the study. “Einstein’s theory of relativity describes how they bend space-time itself. The existence of black holes can be proven because matter is greatly accelerated by the gravitational force and thus emits particularly high-energy radiation.”

Until now, observations have indicated that the greater the number of stars present in the host galaxy, the bigger the black hole. “This is true for the local universe, which merely reflects the situation in the universe’s recent past,” Urry said.

Furthermore, previous studies suggest the radiation emitted during the growth of the black hole controlled, or even stopped, the creation of stars as the released energy heated up the gas. This cumulative evidence led scientists to assume the growth of black holes and the formation of stars go hand-in-hand.

The latest results, however, suggest that these processes work differently, at least in the early universe.

The distant young black hole observed by Trakhtenbrot, Urry and their colleagues had roughly 10 times less mass than its galaxy. In today’s local universe, black holes typically reach a mass of 0.2 to 0.5 percent of their host galaxy’s mass. “That means this black hole grew much more efficiently than its galaxy &mdash contradicting the models that predicted a hand-in-hand development,” he said.

The researchers also concluded stars were still forming even though the black hole had reached the end of its growth. Contrary to previous assumptions, the energy and gas flow propelled by the black hole did not stop the creation of stars.

“From the available Chandra data for the source, the researchers also concluded that the black hole has a very low accretion rate, and is therefore reached the end of its growth. On the other had, other data suggests that stars were still forming throughout the host galaxy,” Trakhtenbrot said.

The galaxy could continue to grow in the future, but the relationship between the mass of the black hole and that of the stars would remain unusually large. The researchers believe CID-947 could be a precursor of the most extreme, massive systems that we observe in today’s local universe, such as the galaxy NGC 1277 in the constellation of Perseus, some 220 million light-years away from our Milky Way.