تغير نشاط النواة المجرية النشطة

في النوى المجرية النشطة، تُحاط الثقوب السوداء فائقة الكتلة بحلقة كثيفة من الغبار تعمل مثل ستارة: فهي تخفي كل ما يحدث في المركز. إذا اقترب نجم كثيرًا من الثقب الأسود، فإن قوى المدّ تمزّقه إربًا، وعادةً ما يكون الوميض الناتج عن هذا الحدث مرئيًا في الضوء البصري والأشعة السينية.

المجرة Mrk 590 تتصرف مثل مستقبل راديوي تارةً يلتقط الموجة وتارةً يغرق في الضجيج. ثقبها الأسود فائق الضخامة ظلّ لعقود يشتعل حينًا ويخفت حينًا آخر، وكان الفلكيون يترقبون كل "تشغيل" من هذا القبيل. في عام 2017 عاد المستقبل إلى الحياة من جديد، لكن التلسكوب الراديوي VLA لم يسمع الإشارة التي كانوا ينتظرونها.

في مركز المجرة، حيث يلف ثقب أسود فائق الضخامة قرصًا من الغاز الملتهب حوله، تولد أحيانًا نجوم عملاقة. وهي لا تشبه النجوم العادية: فالقرص يغذيها باستمرار بالمادة، وقد ينمو النجم ليصل إلى مئات الكتل الشمسية، ويظل ساطعًا ما دام تدفق الغاز مستمرًا. هذا النجم مثل إسفنجة تمتص الماء: إنه يعيش ما دام يُملأ.

رصد تلسكوب الأشعة السينية الفضائي XMM-Newton المجرة Mrk 1044 بشكل متواصل لمدة ساعتين. في مركزها يوجد ثقب أسود يدور حوله قرص تراكمي من الغاز شديد الحرارة. يصدر هذا الغاز إشعاعًا سينيًا، وسطوعه غير مستقر — فهو يتقلب: تارة يشتد، وتارة يضعف. في أول نصف ساعة من الرصد، كانت التغيرات في الإشعاع السيني الطري (ذي طاقة فوتونات أقل) والصلب (ذي طاقة أعلى) متزامنة.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا يوجد ثقب أسود فائق الكتلة — جسم كتلته أكبر من كتلة الشمس بملايين أو مليارات المرات، وجاذبيته لا تطلق حتى الضوء. عادةً ما يكون في حالة سكون، لكنه أحيانًا، مثل بركان يستيقظ فجأة، يقذف نفاثات ضيقة من البلازما — نفاثات راديوية (jets).

في مراكز العديد من المجرات تختفي ثقوب سوداء عملاقة. يحيط بها سحابة كثيفة من البلازما الحارقة، التي تطلق توهجًا قويًا للأشعة السينية. في منطقة ضيقة، على بعد بضعة أنصاف أقطار جذبية فقط (وتُعرف بأنصاف أقطار Karl Schwarzschild — الحد الذي يختفي عنده حتى الضوء)، تتسارع البروتونات إلى طاقات هائلة. هنا مدخل المصنع الطبيعي.

أسرع ريح في الكون تندفع بسرعة 0,58 من سرعة الضوء. تقطع المسافة من الأرض إلى القمر في ثانيتين. هذه الريح ليست نفاثة ضيقة، بل تيارًا عريضًا من الغاز ينفث من مركز المجرة. ليست كل الثقوب السوداء تعمل بنفس الطريقة: بعضها يولد مثل هذه الأعاصير، والبعض الآخر يطلق أشعة بلازما ضيقة. الإجابة تشبه تعشيق التروس.

عند تجميع أحجية الكون، اعتاد علماء الفلك على أن كل قطعة جديدة يجب أن تتناسب تمامًا مع الصورة المكتملة. لكن في بعض الأحيان تظهر قطع تبدو وكأنها مأخوذة من لغز آخر. عشرون ألف نواة مجرة نشطة — وأحد عشر بالمئة منها ترفضها الشبكة العصبية بثقة باعتبارها غريبة.

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.

الكون يعيد كتابة تاريخه مراراً وتكراراً. فبينما لا يرى الفلك التقليدي سوى نقطة — ثقب أسود — تنتزع الموجات الثقالية طبقات الماضي الرقيقة، كما نفعل مع طِرس أثري. وفكرة أن الثقوب السوداء يمكنها أن تنمو بابتلاع بعضها بعضاً، وأن تندمج ذريتها في تحالفات جديدة، يناقشها علماء الفيزياء الفلكية منذ نصف قرن.

عندما كان عمر الكون أقل من مليار سنة، كانت ثقوب سوداء تتربع في مراكزه بكتلة تعادل مليار شمس. وفقاً للصورة المقبولة، نمت هذه الثقوب من خلال التهام المادة بشراهة، لكن الحسابات تُظهر أن "التغذية" كان يجب أن تكون شبه مستمرة، بينما تستمر توهجات الكوازارات المرئية لبضعة ملايين من السنين فقط.

يتحدث الكون بلغة الموجات الجذبية — ارتجاف نسيج الزمكان ذاته. عندما يندمج نجمان نيوترونيان، وهما البقايا فائقة الكثافة لانفجارات مستعر أعظم خبت منذ زمن بعيد، في رقصة أخيرة، يصدران تغريدةً ممتدة تتزايد في ترددها.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريباً، يختبئ ثقب أسود فائق الكتلة، وصف رياضياً لأول مرة هاويته الجاذبية كارل شوارتزشيلد. عندما يبتلع الغاز، يتولد نواة نشطة مبهرة – كوازار. سمته المميزة – خطوط انبعاث عريضة في الطيف.

الثقب الأسود ذو الشحنة الكهربائية يشبه المكنسة الكهربائية التي لا تمتص كل ما حولها فحسب، بل يمكنها أيضًا إبقاء الجسيمات الخفيفة في مدارها. تشكل هذه الجسيمات حول الثقب ما يشبه سحابة ضبابية — يسميها الفيزيائيون حالة شبه مقيدة. وهي تشبه الإلكترون في الذرة: الجسيم يدور لكنه لا يسقط إلى الداخل فورًا، بل يفقد الطاقة تدريجيًا. الحالات شبه المقيدة ليست مدارات أبدية.

في ليل الكون اللامتناهي، تلتقي المجرات في رقصة جاذبية بطيئة لتندمج معاً. ليست هذه التصادمات كالصدمات الأمامية، بل أشبه بحركة أصابع بطيئة عبر الماء تاركةً خلفها دوامات وذيولاً. طويلاً ما تجادل الفلكيون: هل توقظ هذه الكوارث الكونية الثقوب السوداء فائقة الكتلة في مراكز المجرات — النوى النشطة؟ دراسة جديدة تضع حداً: نعم، ولكن مع تحفّظ مهم.

قلب العديد من المجرات هو ثقب أسود فائق الكتلة الثقب الأسود. إنه لا يجلس فقط في المركز، بل يتوهج أحيانًا بشكل ساطع عندما يبتلع الغاز المحيط به.

تُمثّل التدفقات الغازية الهائلة الخارجة من أنوية المجرات النشطة مُنظّمًا رئيسيًا لـ تطور المجرات. فهي تكنس الوسط بين النجمي، وتُخمد تشكّل النجوم، وتتحكم في نمو الثقوب السوداء فائقة الكتلة.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا، يتوهج نواة نشطة — ثقب أسود فائق الكتلة محاط بقرص مسطح دوار من الغاز شديد الحرارة. هذا القرص يرمش من تلقاء نفسه، لكن علماء الفيزياء الفلكية اشتبهوا في أن بداخله يختبئ سرب كامل من الثقوب السوداء الصغيرة ذات الكتل النجمية. إنها تهاجر عبر الغاز، مثل الحصى التي تتدحرج نحو الحفر على سطح غير مستوٍ، وتعلق في أماكن خاصة — مصائد الهجرة.

عندما يمر الضوء بالقرب من ثقب أسود، يقع في مصيدة جاذبية قوية: مسار الفوتونات ينحني بشدة لدرجة أن الجسيمات تبدأ في التخبط في مدارات شبه مغلقة، مثل كرات في لعبة الكرة والدبابيس.

المنارة تارة تتوهج وتارة تكاد تنطفئ، رغم أن المصباح بداخلها يضيء بثبات. هذا بالضبط ما رآه علماء الفلك عندما وجهوا التلسكوبات نحو المجرة I Zwicky 1. في مركزها يجلس ثقب أسود فائق الكتلة يلتهم الغاز والغبار بنهم شديد لدرجة أن قرصًا ملتهبًا يتشكل حوله، يتوهج أشد سطوعًا من مجرة بأكملها.

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.

ينشغل المترجم بكل حفيف في القاعة، فتتحول ساعة الاجتماع إلى ساعتين. هذا تقريبًا ما تفعله الغلوونات (gluons) — الجسيمات الناقلة للقوة النووية الشديدة داخل البروتونات. عادةً ما تندفع ذهابًا وإيابًا ممسكة بالكواركات معًا. لكن عند التصادمات بسرعات هائلة، كما يحدث في المسرعات الكونية، يمكن للغلوونات أن تلتصق في كتلة كثيفة — تكاثف غلووني (gluon condensate).

في مركز العديد من المجرات يوجد ثقب أسود فائق الكتلة. عندما يسقط الغاز عليه، يسخن ويضيء أشد سطوعًا من مجرة بأكملها — هذه نواة مجرية نشطة. أحيانًا ينطلق من هناك إعصار حقيقي: تيار من الغاز المتأين يندفع بسرعة تصل إلى عشرات بالمئة من سرعة الضوء.

في مركز المجرة 1ES 1927+654 يعيش ثقب أسود يتصرف كمنارة ذات آلية غير منتظمة. كل ست دقائق ونصف، يقذف دفعة من ضوء الأشعة السينية، وهذا الإيقاع يتابعه الفلكيون منذ عام 2022. في البداية، كان «المنارة» تارة يتسارع وتارة يتباطأ — حيث تراوح التردد بين نبضة كل ثماني عشرة دقيقة ونبضة كل سبع دقائق. ثم، وكأن ميكانيكيًا ضبط النابض، استقر النبض على نغمة واحدة.

كشاف قوي يسلط ضوءه عبر ضباب كثيف. لا يُرى الشعاع نفسه، لكن الضباب يبدأ في التوهج بضعف – مما يكشف عن وجود الكشاف. مبدأ مشابه يعمل مع النيوترينوات: جسيمات شبه خفية تولد عندما تصطدم بروتونات سريعة من مجرات بعيدة بإشعاع الخلفية الكونية المنتشر (وهو خلفية ميكروية ضعيفة متبقية من الانفجار العظيم).

في مركز درب التبانة يقع الثقب الأسود الهائل "القوس A*" (Sagittarius A*). كتلته تعادل أربعة ملايين مرة كتلة الشمس، لكنه وفقًا للمقاييس الكونية يتصرف بهدوء: فهو لا يتوهج إلا نادرًا، عندما يبتلع كمية من الغاز. راقبه علماء الفلك باستخدام تلسكوب ALMA الراديوي — وهو سلسلة من الهوائيات عالية في صحراء أتاكاما التشيلية.

نافورة تنبثق من وسط المدينة بسرعة تفوق سرعة دراجة توصيل آلاف المرات. هذه «النافورة» — وهي نفاثة غاز تسارعت إلى 5500 كيلومتر في الثانية — رصدها علماء الفلك في المجرة GLIMPSED-329380. تقع هذه المجرة بعيدًا جدًا لدرجة أن ضوءها استغرق 13 مليار سنة للوصول إلينا: نحن نراها كما كانت عندما كان عمر الكون 800 مليون سنة فقط.

في المجرة NGC 1566، الواقعة في كوكبة السمكة الذهبية، توجد نواة نشطة — ثقب أسود فائق الكتلة تحيط به سحابة من الغاز سريع الحركة. عندما يسقط الغاز نحو الثقب، يسخن ويصدر خطوطًا طيفية لامعة التحليل الطيفي. أحيانًا تصبح هذه الخطوط عريضة جدًا — وهكذا يظهر الدوران السريع للغاز. لكن في NGC 1566، تظهر الخطوط العريضة وتختفي، وكأن أحدهم يقلب مفتاحًا.

قام تلسكوب فيرمي على مدى 17 عاماً بتسجيل أشعة غاما الصادرة من النوى النشطة لـالمجرات التي تحتوي على ثقوب سوداء عملاقة في مركزها. يشبه توهج نفاثاتها نشازاً فوضوياً: فهو يتغير باستمرار.

في مركز المجرة NGC 4051 يعيش ثقب أسود كتلته 800 ألف شمس. حوله يدور غاز شديد الحرارة يتوهج بشكل ساطع. هذا الضوء لا يصل إلينا دفعة واحدة: تصل الأشعة الزرقاء أولاً، ثم الخضراء، ثم الحمراء. يحدث هذا عندما يولد الضوء في أماكن مختلفة من القرص الساخن — كما لو أننا نسمع أولاً صوت قائد الأوركسترا، ثم، متأخراً، صوت الكمانات من الطرف البعيد للأوركسترا.

إذا كان في مركز مجرة ثقب أسود فائق الكتلة، فإنه يسخن الغاز المتساقط عليه إلى درجات حرارة هائلة. هذا الغاز يتوهج، ونراه ككوازار — وهو ألمع منارة في الكون. ولكن كيف يمكن قياس حجم مصدر الضوء نفسه؟ يستخدم العلماء حيلة ذكية: يتتبعون مدى سرعة تغير السطوع عند ألوان مختلفة.

المجرة البعيدة TXS 2005+403، الواقعة في كوكبة الدجاجة، تتصرف كمنارة يمر شعاعها عبر الضباب. ضوء نواتها النشطة — المنطقة التي يسخن فيها الثقب الأسود الهائل المادة المتساقطة — يعبر في طريقه إلينا سحب الغاز المشحون في مجرتنا. هذه السحب ليست هادئة؛ فهي تختلط باستمرار مثل الماء المغلي في قدر.

في أعماق كوكبة الحواء تعيش مجرة NGC 6447. حتى وقت قريب كانت هادئة وغير ملحوظة، مثل منزل بنوافذ مطفأة. لكن خلال السنوات الـ 14 الماضية، أضاء شيء ما في مركزها – وأصبح الآن مرئيًا في الأشعة تحت الحمراء. تتبع تلسكوب WISE للأشعة تحت الحمراء المجرة ورأى أن سطوعها في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (بطول موجة 3.5 و4.6 ميكرون) زاد بمقدار 1.2 قدر نجمي.

المجرة ليست مجرد حشد من النجوم. ففي مركز الكثير منها يتوهج شيء أشد سطوعًا من مليارات الشموس: غاز محمّى يتساقط نحو ثقب أسود. ومن لون هذا التوهج يمكننا أن نفهم أي حياة تعيشها المجرة — هل تولّد النجوم بهدوء أم تلتهم المادة بعنف. في السابق، كان علماء الفلك يزيلون ضوء النجوم يدويًا ويفصلون الخطوط المتقاربة في الطيف، مثل طاهٍ دقيق يفصل صفار البيضة عن بياضها.

في ليلة من عام 2008، اشتعل شيء فجأة في نواة المجرة البعيدة J1047+5907 في نطاق الأشعة السينية. هكذا تتصرف أحيانًا محيطات الثقوب السوداء الهائلة: سحابة غاز شديدة الحرارة فوقها تطلق فجأة تيارًا قويًا من الضوء. الثقب الأسود نفسه لا يصدر أي إشعاع، لكن محيطه يمكن أن يتوهج مثل لوحة إعلانية نيون.

الثقب الأسود الدوّار هو دوامة كونية تبتلع كل ما حولها. بعض هذه الثقوب لها خيوط غير مرئية تمتد من أفق الحدث مثل أسلاك العجلة. ظل العلماء يتجادلون طويلاً حول ماهية هذه الخيوط وما إذا كان يمكن رؤيتها. في دراسة جديدة، أظهر الفيزيائيون أن هذه الخيوط ليست مجرد افتراض رياضي. إذ تتدفق عليها تيارات من الحقول الكهربائية والمغناطيسية، وبشكل غير متساوٍ.

في مركز المجرة NGC 4278 يوجد ثقب أسود يقذف نفاثتين من البلازما، وكأنه مدفع عملاق يطلق جسيمات في الفضاء. تعمل هذه النفاثات على تسريع الجسيمات إلى طاقات لم تحلم بها أي معجلات أرضية. مؤخرًا، رصد مرصد LHAASO إشعاعًا شديد الصلابة من هذه المجرة، وهو إشعاع ينشأ عندما تصطدم الجسيمات في النفاثة بشيء ما وتنقل طاقتها إلى الضوء.

ضوء مصباح بعيد ينعكس عن الضباب المحيط به، ومن تأخر الانعكاس يمكننا استنتاج المسافة. إذا كان الضباب غير متجانس، سيصل الانعكاس أبكر أو لاحقًا، فتكون المسافة خاطئة. بهذه الطريقة تقريبًا يقدّر علماء الفلك كتلة الثقوب السوداء الهائلة في مراكز المجرات: يراقبون مدى سرعة استجابة سحب الغاز (خط الانبعاث العريض) لتوهجات النواة الساطعة، أي الكوازار.

الكوازار هو ثقب أسود فائق الكتلة في مركز المجرة، يلتهم المادة ويضيء أشد من كل النجوم المحيطة به. جزء من الطاقة يتحول إلى إشعاع راديوي، ويُعتقد أنه قد يسخن الغاز البارد أو يقذفه خارج المجرة، وهذا الغاز هو المادة الخام لتكوين نجوم جديدة. قرر علماء الفلك اختبار كيفية ارتباط قوة الإشعاع الراديوي بمخزون هذا الغاز.

في قلب كل مجرة يغفو ثقب أسود فائق الكتلة — عملاق جاذبي بكتلة تعادل ملايين الكتل الشمسية. عندما يلتهم المادة بنشاط، ترتفع حرارة محيطه إلى درجات هائلة ويشتعل عبر الكون بأكمله — وهذا ما يُعرف بالنواة النشطة لـالمجرة. ولكن كيف يمكن معرفة التوهجات الماضية إذا كان الثقب الأسود اليوم صامتًا، لا يكشف عن نفسه بأي كمية من الإشعاع؟ الجواب يقدمه تأثير يُدعى الصدى الضوئي.