الرياح الكثيفة الدوامية تساعد الثقوب السوداء الهائلة على النمو

من خلال دراسة المجرة القريبة ESO320-G030، اكتشف فريق من علماء الفلك الدوليين بقيادة جامعة نورث وسترن رياحًا مغناطيسية دوارة قوية للغاية تساعد الثقب الأسود الهائل المركزي في المجرة على النمو. تشبه هذه العملية بشكل لافت للنظر ولادة النجوم والكواكب الجديدة، والتي تتغذى على دوامات من الغاز والغبار. يوفر الاكتشاف الجديد دليلاً غير معروف سابقًا لحل اللغز الطويل الأمد حول كيفية نمو الثقوب السوداء الهائلة حتى تزن ملايين أو مليارات النجوم. قال مارك جورسكي من نورث وسترن، الذي قاد الدراسة: "من المعروف جيدًا أن النجوم في المراحل الأولى من تطورها تنمو بمساعدة الرياح الدوارة - التي تتسارع بفعل المجالات المغناطيسية، تمامًا مثل الرياح في هذه المجرة". "تُظهر ملاحظاتنا أن الثقوب السوداء الهائلة والنجوم الصغيرة يمكن أن تنمو بعمليات مماثلة، ولكن على مقاييس مختلفة جدًا". جورسكي خبير في تطور المجرات، وهو زميل ما بعد الدكتوراه في مركز نورث وسترن للأبحاث متعددة التخصصات والاستكشافية في الفيزياء الفلكية (CIERA). عندما بدأ البحث، كان جورسكي باحثًا في مرحلة ما بعد الدكتوراه في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في السويد.

التجسس على جارة درب التبانة

120 مليون سنة ضوئية

هذه هي المسافة التي تفصل الأرض عن المجرة ESO320-G030 التي استُخدمت لرصد تفاصيل نادرة في مركز مجري نشط.

تحتوي معظم المجرات، بما في ذلك مجرتنا درب التبانة، على ثقب أسود فائق الكتلة في مراكزها. وظلت كيفية نمو هذه الأجسام الضخمة المذهلة إلى أحجام هائلة لغزًا لم يتم حله. وفي البحث عن أدلة، نظر جورسكي وزملاؤه إلى المجرة القريبة نسبيًا ESO320-G030، التي تقع على بعد 120 مليون سنة ضوئية فقط من الأرض. تعد ESO320-G030 مجرة نشطة للغاية، حيث تشكل النجوم أسرع بعشر مرات من درب التبانة. فحص علماء الفلك المجرة باستخدام التلسكوبات في مرصد أتاكاما الكبير للمليمتر/تحت المليمتر (ALMA) في تشيلي. وقالت سوزان ألتو، أستاذة علم الفلك الراديوي بجامعة تشالمرز للتكنولوجيا والمؤلفة المشاركة في الدراسة: "نظرًا لأن هذه المجرة مضيئة للغاية في الأشعة تحت الحمراء، يمكن للتلسكوبات تحديد التفاصيل المذهلة في مركزها". "أردنا قياس الضوء من الجزيئات التي تحملها الرياح من قلب المجرة، على أمل تتبع كيفية إطلاق الرياح بواسطة ثقب أسود هائل الحجم - أو سينمو قريبًا - وباستخدام ALMA، تمكنا من دراسة الضوء من خلف طبقات سميكة من الغبار والغاز.

دليل واضح على وجود رياح دوارة

كشفت مراقبة الغاز الكثيف القريب من الثقب الأسود عن نمط حركة يختلف عن الرياح المعتادة التي تطرد المادة بعيدًا، إذ يشير إلى تدفق يساعد على تغذية الثقب الأسود نفسه.

كيف تساعد الرياح المغناطيسية الثقب الأسود على النمو

1

رصد الغاز القريب

درس الباحثون ضوء جزيئات سيانيد الهيدروجين لتتبع الغاز الكثيف المحيط بمركز المجرة.

2

كشف الحركة بالدوبلر

أظهرت قياسات تأثير دوبلر أنماطًا دقيقة في الحركة كشفت وجود رياح مغناطيسية دوارة.

3

تكوّن قرص دوار

تتجمع المادة أولًا في قرص فوضوي حول الثقب الأسود، حيث تنمو المجالات المغناطيسية وتزداد قوة.

4

سحب جزء من المادة إلى الخارج

ترفع المجالات المغناطيسية بعض المادة بعيدًا في هيئة دوامة رياح متصاعدة من المركز.

5

تسهيل التغذية الداخلية

مع فقدان جزء من المادة عبر الرياح، يتباطأ القرص وتصبح المادة المتبقية أكثر قدرة على التدفق إلى داخل الثقب الأسود.

وقال ألتو "يمكننا أن نرى كيف تشكل الرياح هيكلًا حلزونيًا يتصاعد من مركز المجرة. وعندما قمنا بقياس دوران وكتلة وسرعة المواد المتدفقة للخارج، فوجئنا بأننا نستطيع استبعاد العديد من التفسيرات لقوة الرياح، بما في ذلك تشكل النجوم على سبيل المثال. وبدلاً من ذلك، قد يكون التدفق للخارج مدعومًا بتدفق الغاز ويبدو أنه متماسك بواسطة المجالات المغناطيسية".

كيف تحصل الثقوب السوداء الهائلة على الرياح

يشرح هذا القسم لماذا تكون بعض الثقوب السوداء الهائلة هادئة، بينما تصبح أخرى شديدة السطوع حين تتغذى على كميات كبيرة من الغاز والغبار عبر أقراص التراكم.

مقارنة بين حالات الثقوب السوداء الهائلة والرياح المرتبطة بها

الحالة	مصدر التغذية	النتيجة المرصودة
ثقب أسود هادئ مثل القوس أ*	لا تحيط به كميات هائلة من الغاز والغبار	يبقى خافتًا وهادئًا
ثقب أسود تحيط به مادة وفيرة	سحابة مسطحة تسمى قرص التراكم	يسخن القرص ويتوهج بقوة
نواة مجرية نشطة أو كوازار	تغذية مستمرة عبر قرص التراكم	سطوع قد يفوق الضوء المشترك لنجوم المجرة
رياح كوازار J1007+2115	مادة مندفعة من محيط القرص	سرعة 7.6 مليون كيلومتر في الساعة وحمولة تعادل 300 شمس سنويًا

يُعتقد أن جميع المجرات الكبيرة تحتوي في قلبها على ثقب أسود هائل، تبلغ كتلته ملايين إلى مليارات المرات كتلة الشمس. ولكن ليس كل هذه الثقوب السوداء تمد الكوازارات بالطاقة، وهي ألمع مصادر الضوء في الكون. وذلك لأن بعض الثقوب السوداء الهائلة لا تحيط بها كميات هائلة من الغاز والغبار التي يمكنها أن تتغذى عليها. على سبيل المثال، الثقب الأسود الهائل في قلب مجرتنا، القوس أ* (Sgr A*)، هادئ وخافت. وتحيط ثقوب سوداء هائلة أخرى بثروة من المواد التي تدور حولها في سحابة مسطحة تسمى قرص التراكم والتي تغذيها تدريجيًا. يتسبب التأثير الجاذبي الهائل للثقب الأسود المركزي في احتكاك قوي في أقراص التراكم، مما يؤدي إلى تسخين هذه المواد وجعلها تتوهج بشكل ساطع. هذه المناطق، التي تسمى النوى المجرية النشطة (AGNs) ساطعة للغاية لدرجة أنها يمكن أن تتفوق على الضوء المشترك لكل نجم في المجرة المحيطة بها. عندما نراها من مسافات بعيدة، تسمى هذه المناطق "النجوم الزائفة". والإشعاع القوي الذي تنبعثه أقراص التراكم له تأثير آخر أيضًا: فهو يدفع بعيدًا المادة مثل الغاز والغبار من حول النوى المجرية النشطة. ويمكن لرياح النجوم الزائفة هذه أيضًا أن تدفع الغاز والغبار بعيدًا عن المجرة الأوسع التي تستضيف النجوم الزائفة. وبمساعدة تلسكوب جيمس ويب الفضائي، تمكن الباحثون من رؤية أن المادة الموجودة في رياح الكوازار من J1007+2115 تسافر بسرعة مذهلة تبلغ 4.7 مليون ميل في الساعة (7.6 مليون كيلومتر في الساعة). وكما قد تتخيل، فإن مثل هذه الرياح القوية والبعيدة المدى تحمل كمية هائلة من المادة. وقال ليو إن رياح الكوازار من J1007+2115 تحمل مادة بكتلة تعادل 300 شمس كل عام.