رياح تراكم الثقب الأسود

يعمل الثقب الأسود في زوج وثيق مع نجم مرافق كمضخة جاذبية: يسحب الغاز من جارته، ويلفه في قرص تراكم متوهج، ومن وقت لآخر يقذف جزءًا من المادة بعيدًا في نفاثين نسبيين ضيقين. في عام 2021، أقام النظام الثنائي الأشعّي 4U 1543-475 مثل هذا العرض.

الدوامة تبتلع الماء، لكنها ترش معظمه حولها. هذا تقريبًا سلوك الثقب الأسود عندما يسقط عليه الكثير من المادة. في دراسة جديدة، أجرى علماء الفيزياء الفلكية 32 محاكاة حاسوبية لفهم كيف تتحكم معلمات الثقب - الكتلة والدوران و"الشهية" - في هذه النوافير الكونية. اتضح أن كتلة الثقب (في نطاق من 5 إلى 30 كتلة الشمس) لا تؤثر تقريبًا على أي شيء.

اثنان وسبعون قرص التنامي — شرنقة دوارة من الغاز والغبار، مليئة بـ الغبار الكوني والغاز — دخلت في مرمى أداة التحليل الطيفي على جيمس ويب. لدى معظمها، تندفع تيارات إلى الفضاء: هياكل مخروطية كثيفة ونفثات رفيعة عالية السرعة. تضرب مثل النوافير. هذه العملية ليست عشوائية.

الكون مليء بالصرخات التي لا نسمعها. في كل مرة يمزق فيها ثقب أسود نجمًا، يولد توهج مبهر، وغالبًا – نفاثة نسبوية ضيقة تمتد عبر آلاف السنين الضوئية. لكن إذا كان هذا الكشاف موجّهًا بعيدًا عن الأرض، فإننا لا نرى إلا انعكاسًا باهتًا – صدى راديويًا يصل متأخرًا.

لطالما بنى علماء الفيزياء الفلكية على مدى عقود صورة متناسقة: المجرة، مثل دوامة الخيل العملاقة، تدور بإيقاع واحد، والثقب الأسود فائق الكتلة الموجود في مركزها يرث هذه الرقصة. الغاز من القرص، عند سقوطه في قرص التراكم، يُفترض أنه يسحب محور الثقب معه عبر تأثير لينز-ثيرينغ، محاذياً الدوران مع العزم الكلي.

الفضاء السحيق، مركز المجرة. ثقب أسود فائق الكتلة محاط بقرص ملتهب من الغاز والغبار. وفجأة، عبر هذا الحجاب الناري، يمر نجم كل بضع ساعات — كسهم أُطلق من قوس الجاذبية. كل عبور له ينتج توهجاً سينياً مبهراً يخفت لبضع لحظات سطوع نواة المجرة بأكملها.

تخيّل نهراً عند منحدر: يتسارع التيار حتى لا تستطيع أي موجة التقدم عكس اتجاهه. وهذا ما يحدث للغاز بجوار الثقب الأسود: حين يبلغ سرعة الصوت، يحبس نفسه — يتولّد ثقب أسود صوتي، توأم الهاوية الجاذبية. هنا يُنسج أفق الحدث من تيار أسرع من صوته.

الثقب الأسود، مثل مغزل، يلف حول نفسه سحابة من الجسيمات الخفيفة — الأكسيونات. هذه الجسيمات هي المرشح الرئيسي لدور المادة المظلمة. تعيش السحابة وفق قوانين ميكانيكا الكم، مشبهة ذرة هائلة: هناك مستويات، وهناك انتقالات بينها. فقط بدلاً من القوى الكهربائية، تعمل هنا الثقالة.

قدرٌ يغلي على نار قوية: الفقاعات تحمل حبيبات من القاع إلى السطح. آلية مشابهة تعمل على النجم النيوتروني. إذ يتراكم الهيدروجين والهيليوم من النجم المجاور، ويقوم من حين لآخر بانفجار نووي قوي — توهجًا سينيًا.

في مركز المجرة، ثقب أسود هائل محاط بسحابة غير مرئية – سرب من الجسيمات فائقة الخفة التي ولدها هو نفسه. ينغمس في هذه السحابة ثقب أسود آخر بحجم نجم، ويبدأ رقصة طويلة على شكل حلزوني. يستمر الاقتراب ملايين السنين، لكن الأحداث الأكثر دراماتيكية تتكشف بالقرب من الأفق. نادراً ما يكون مدار الثقب الصغير دائرة مثالية.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا يعيش ثقب أسود فائق الضخامة — عملاق صامت تدور حوله النجوم والغاز وثقوب سوداء أخرى أصغر حجمًا. بين الحين والآخر، ينحرف أحد هذه الأجسام عن مداره ويبدأ بالسقوط نحو الوحش المركزي في حلزون يتقلص باستمرار. يستمر هذا السقوط لسنوات، وطوال هذه المدة يصدر النظام موجات ثقالية — تموجات في نسيج الزمكان تنتشر عبر الكون.

حساء كثيف يبرد ببطء في قدر. فجأة، تشتعل النار تحته، فيبدأ الحساء بالغليان ويتكسر إلى العديد من الدوامات الصغيرة. هذا تقريبًا ما يفعله قرص الغاز والغبار حول نجم فتّي عندما يشهد توهجًا — تدفقًا مفاجئًا للمادة من القرص إلى النجم. لاحظ علماء الفلك منذ زمن طويل مثل هذه التوهجات لدى النجوم الفتية، لكنهم حتى الآن لم يتمكنوا من تتبع ما يحدث للغبار في القرص أثناء هذه الأحداث بالتفصيل.

الموجات الثقالية — وهي تموجات في نسيج الزمكان تنشأ عن كوارث بعيدة مثل اندماج الثقوب السوداء — ضعيفة جدًا لدرجة أن رصدها مباشرة يشبه تمييز همسة وسط إعصار. غير أن الثقب الأسود قادر على تضخيم هذه الإشارة عدة مرات.

تخيل راقصًا بثلاثة وجوه على قمة موجة ضوئية. وجه ماسك يلتقط الفوتونات الساقطة. ووجه مرآة مثالية تعكس الضوء للخلف. ووجه زجاج معتم ينثر الأشعة في كل الاتجاهات. ما دامت السرعة صغيرة، يبقى الرقص متناغمًا. لكن عند سرعات قريبة من سرعة الضوء، تختل تصميم الرقصة. يشبه الأمر راكب الأمواج الذي يطارد الموجة. في البداية، تدفعه المياه بقوة إلى الأمام.

يمزّق الثقب الأسود نجمًا، فنرى وميضًا مبهرًا. وبعد عامين، عندما يكون الجميع قد نسي الأمر، تلتقط التلسكوبات الراديوية فجأة إشارة جديدة — وكأنها صدى من الماضي. حتى الآن كان من غير الواضح لماذا يحدث التمزق المدّي للنجم (حيث يفرّق الثقب الأسود النجم بقوى المدّ) أحيانًا "يصمت" في الراديو ثم "يشتعل" فجأة. يقترح مؤلفو الدراسة تفسيرًا.

الماء يندفع نحو الهاوية، لكن جزءًا منه يصعد عائدًا — يغلي ويزبد عند الحافة تمامًا. هذا تقريبًا ما يفعله الغاز المتدفق نحو ثقب أسود فائق الكتلة عندما يصبح تدفقه كثيفًا للغاية. في دراسة جديدة، تتبّع العلماء هذه الصورة باستخدام محاكاة حاسوبية.

مكنسة كهربائية قوية لا تبتلع الغبار فحسب، بل تبتلع أيضًا كيس جمع النفايات الخاص بها. هذا تقريبًا ما يفعله الثقب الأسود في مركز "النقطة الحمراء" - مجرة بعيدة حيث لا يأتي التوهج من الثقب نفسه، بل من غلافه الغازي الكثيف. هذا الغلاف سميك لدرجة أنه يشبه نجمًا باردًا منتفخًا. ومثل العديد من النجوم، له مجال مغناطيسي. يسقط الغاز على الثقب الأسود من جميع الجهات.

ثقب أسود صغير بحجم نواة ذرية لكن بكتلة جبل، نشأ في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، عندما كانت كتل الطاقة العشوائية تنهار لتكوّن مثل هذه الأجسام. إذا وُجدت هذه الثقوب بأعداد كبيرة، فقد أصبحت لفترة وجيزة المحتوى الرئيسي للكون، ثم تتبخر عبر إشعاع هوكينغ — وهو «ذوبان» بطيء للثقب الأسود عندما يعيد الطاقة إلى الفضاء.

أصبحت ظلال الأجسام فائقة الكتلة في مراكز المجرات – مثل M87 ودرب التبانة – أيقوناتٍ للفيزياء الفلكية الحديثة. لكن ماذا لو كانت هذه الظلال أثرًا ليس للامتصاص بل للعبور؟ تسمح معادلات أينشتاين بوجود ثقوب دودية قابلة للعبور – أنفاق في نسيج الزمكان.

الماء في الدوامة لا ينزل كله إلى الأسفل: جزء منه يتناثر إلى الأعلى في رذاذ ضيق. هكذا يتصرف الغاز بالقرب من الثقب الأسود. يسقط ويسخن ويصطدم بنفسه، ثم يُقذف جزء منه عائدًا إلى الفضاء في تيارين ضيقين يتجهان في اتجاهين متعاكسين. عادةً ما تُفسَّر هذه النفاثات بالمجال المغناطيسي الذي يلف الغاز ويطلقه على طول محور الدوران.

سطح الشمس يغلي كالماء في قدر. الغاز الساخن يصعد ويبرد ثم يهبط — هذا هو الحمل الحراري. حوله تتقلقل حقول مغناطيسية تتمزق وتتصل من جديد. وفي خضم هذه الضوضاء تولد السبيكيولات — نفثات بلازما ضيقة تنطلق آلاف الكيلومترات إلى الأعلى. تعيش هذه النفثات بضع دقائق فقط، لكنها تنجح في نقل الطاقة إلى الغلاف الجوي الخارجي للشمس.

الثقوب السوداء هي بالوعات كونية، دوامات جاذبية تسحب المادة من الفضاء المحيط. هذه العملية، التي تسمى التراكم، لا تسير دائمًا بسلاسة: جزء من الغاز الساقط قد يُقذف مرة أخرى على شكل نفاثات نسبوية ضيقة — نفاثات.

في النظام الثنائي 4U 1624-49، يسحب النجم النيوتروني الغاز من النجم العادي المجاور. يتكوّر هذا الغاز في قرص متوهج، مثل الماء في قمع. ومن حافة هذا القمع ينطلق تيار ساخن — الهيدروجين وعناصر أخرى تبتعد بسرعة تصل إلى 320 كيلومترًا في الثانية.

حول النجوم الفتية تدور سحب مسطحة من الغاز والغبار — ومنها تتجمع الكواكب لاحقًا. لكي تلتصق المادة في مثل هذا القرص وتتكتل، يجب أن تختلط باستمرار. ولكن ما الذي يجعل الغاز يتحرك بشكل عشوائي إذا كان هادئًا في حد ذاته؟ جزء من الإجابة يكمن في أن الغاز في القرص بالكاد يوصل الكهرباء — فهو ضعيف التأين.

في مراكز جميع المجرات تقريبًا المجرات تختبئ الثقوب السوداء فائقة الكتلة الثقوب السوداء — عمالقة خفيّة بجاذبية هائلة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها. عندما تتصادم مجرتان المجرات، يصبح ثقباهما الأسودان الثقوب السوداء زوجًا محكومًا عليه بالرقص حول بعضهما البعض.

يلتقط التلسكوب الراديوي إشارة تدوم بضعة أجزاء من الألف من الثانية، وفي هذه اللحظة الوجيزة تُطلق طاقة تعادل ما تشعه الشمس خلال أيام. هذا هو التدفق الراديوي السريع، نبضة راديوية في جزء من الألف من الثانية قادمة من مجرة بعيدة. منذ اكتشافه في عام 2007، يختلف علماء الفيزياء الفلكية حول مصدره. النموذج الجديد يقدم إجابة غير متوقعة: تفريغ مكثف.