النفاثات النسبية هي تدفقات ضيقة وعالية السرعة من البلازما والمجالات المغناطيسية تنطلق من محيط الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية، وتتحرك بسرعات تقترب من سرعة الضوء. في النوى المجرية النشطة، تُغذى هذه النفاثات بالتراكم على الثقوب السوداء فائقة الكتلة ويمكن أن تمتد لملايين السنين الضوئية، متجاوزةً مجرتها المضيفة بكثير. تُعد هذه النفاثات من أكثر الظواهر طاقةً في الكون، حيث تُصدر إشعاعًا عبر الطيف الكهرومغناطيسي بأكمله، وتنتج أحيانًا نيوترينوات وأشعة كونية.
التاريخ
تأسس مفهوم النفاثات في المجرات النشطة في سبعينيات القرن العشرين من خلال الرصد الراديوي، لكن الطبيعة النسبية تأكدت في الثمانينيات باستخدام قياس التداخل طويل القاعدة (VLBI) الذي أظهر حركة ظاهرية أسرع من الضوء. وقد طور روجر بلاندفورد ورومان زنايك الإطار النظري للإطلاق المغناطيسي في عام 1977.
كيف يعمل
يتم إطلاق النفاثة عن طريق التواء خطوط المجال المغناطيسي المثبتة في قرص التراكم الدوار أو في الغلاف الخارجي للثقب الأسود. ومع سقوط المادة نحو الداخل، يستخرج المجال المغناطيسي الطاقة الدورانية ويسرع البلازما إلى الخارج على طول محور دوران الثقب الأسود. يُنتج إشعاع النفاثة بواسطة إشعاع السنكروترون من الإلكترونات النسبية التي تتحرك حلزونيًا في المجال المغناطيسي، وبواسطة تشتت كومبتون العكسي للفوتونات منخفضة الطاقة إلى طاقات عالية. عندما تكون النفاثة موجهة نحو الأرض، تظهر كنجم زائف متغير (blazar)، حيث يتعزز إشعاعها بفعل الحزمة النسبية.
في التطبيق
تُدرس النفاثات النسبية لفهم دوران الثقوب السوداء وفيزياء التراكم، كما أنها تعمل كمسرعات جسيمات طبيعية، حيث يُعزى إليها بعض من أعلى الأشعة الكونية طاقةً والنيوترينوات.
حقيقة طريفة
يبدو أن النفاثة في مجرة M87، التي صورها تلسكوب أفق الحدث، تتمايل، مما يوفر دليلًا مباشرًا على تأثير دوران الثقب الأسود على اتجاه النفاثة.
Universal constant of gravitation, determining the strength of gravitational force. — ثابت الجاذبية= 6.67430e-11cubic metre per kilogram per second squared
الأرجوحة التي تتأرجح على تلة ذات أسنان تتصرف بشكل غريب: بدون نبضات، تعلق في أول حفرة، ومع الضربات الإيقاعية قد تتحرك صعودًا أو هبوطًا أو تتجمد. هذا بالضبط ما رآه الفيزيائيون عندما وضعوا غبارة واحدة في مصيدة ذات قاع سنّي وبدأوا بدفعها بالتناوب بأشعة ليزر.
غبارة بحجم 13 ميكرومترًا، مع نبضات خفيفة، تسارعت إلى 0.95 مم/ثانية.
في قناة حلقية بين حلقتين مسننتين، تعلق كريات دقيقة: بعضها نصف قطرها 8 ميكرومتر، والبعض الآخر 14. يُشغَّل التفريغ، وتبدأ الجسيمات في الحركة. الصغيرة تتجه في اتجاه، والكبيرة في الاتجاه المعاكس. وكأنما في مركز تجاري، حيث تعمل سلالم متحركة متقابلة لأشخاص بارتفاعات مختلفة.
جسيم بطاقة $$10^{18}$$ إلكترون فولت يخترق الغلاف الجوي للأرض، وكأن كرة تنس تطير بسرعة 200 كيلومتر في الساعة وتصطدم بجدار. من أين تأتي هذه القذائف؟ يتناقش علماء الفيزياء الفلكية في ذلك منذ عقود. انفجارات أشعة غاما، وهي انفجارات قوية قصيرة الأمد لأشعة غاما، كانت منذ زمن طويلة مرشحة لدور المسرعات.
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.
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.
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.
في مركز مجرة بعيدة، حيث يدور ثقب أسود فائق الكتلة بكتلة تعادل مئة مليون شمس، تخترق الفضاء مجالات مغناطيسية. وهي ملتفة في دوامات شديدة — مثل قمع في صدفة، لكن بدلاً من الماء هناك بلازما متسارعة إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. هنا تحديداً، على الموجات الصادمة، تولد جسيمات بطاقة لا يضاهيها أي مسرّع أرضي.
انهيار نواة النجم يشبه انضغاط نابض: المادة تسقط إلى الداخل، وفي المركز يولد نجم نيوتروني. لكن السقوط لا يكون مستقيمًا تمامًا. في الطبقات الخارجية المغلية، تنقل الدوامات العشوائية الدوران إلى الغاز الساقط — فيلتف قرص حول الجسم المركزي.
هذا القرص ليس نهرًا هادئًا. إنه ينبض: يقوى تارة ويخفت تارة أخرى. المادة التي لا تملك دورانًا تستمر في السقوط عليه من الأعلى، لكن القرص لا يختفي.
غصن يسقط في دوامة مائية. يدور ويتكسر، لكن أحيانًا ينطلق من المركز نافورة ماء قوية. تقريبًا هكذا يمزق الثقب الأسود نجمًا يمر بجانبه، وأحيانًا بعد ذلك ينطلق في الفضاء نفاث بلازما مبهر — النفاث.
قبل عشرة مليارات سنة، كان الكون مليئًا بشرارات قرمزية غريبة. رصدها تلسكوب جيمس ويب في صور الأعماق السحيقة عند انزياحات حمراء بعيدة — مصادر مدمجة تتوهج كـمجرات بأكملها، لكن بحجم منطقة صغيرة جدًا في مركزها. أطلق عليها الفلكيون اسم «النقاط الحمراء الصغيرة». وظلت طبيعتها عصية على التفسير طويلًا.
في أبريل 2021، صوّبت هوائيات تلسكوب أفق الحدث (EHT) — الشبكة العالمية من المقاريب الراديوية المليمترية — نحو نقطة صغيرة في كوكبة العذراء. إنها النواة النشطة للمجرة 3C 279، الواقعة على بُعد 16,5 ميغا فرسخ، وهي واحدة من ألمع البلازارات وأكثرها تغيرًا.
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.
في قلب المجرة 1ES 1927+654، ساد الهدوء لسنوات: كان الغاز المتنامي يهمس فقط في الأشعة السينية، متدفقًا في رياح بطيئة. ولكن في الأعوام 2022–2025، تغير المشهد بشكل حاد.
في كوكبة العقاب، على بُعد نحو 40 ألف سنة ضوئية منا، يعمل أحد أقوى المسرّعات الطبيعية في المجرة. إنه الميكروكويزار GRS 1915+105، وهو زوج من نجم عادي وثقب أسود. يجذب الثقب الأسود مادة النجم إليه ويقذفها على شكل نفاثتين ضيقتين، تتسارعان إلى ما يقارب سرعة الضوء.
قبل حوالي عقد ونصف من الزمان، سجل مقراب فيرمي لأشعة غاما «فقاعات» غامضة – تجمعات بلازمية عملاقة، كما لو نُفخت بمنافيخ خفية، ترتفع لعشرات آلاف السنين الضوئية من مركز المجرة. أثارت طبيعتها جدلاً محتدماً فوراً: رأى فيها البعض أثراً لنفاثات الثقب الأسود الهائل الرامي A*، ورأى آخرون صداها لعصر عنيف من تشكل النجوم.
البلازارات هي أشعة طويلة الأمد من الثقوب السوداء في مراكز المجرات. انفجارات أشعة غاما هي أقصر الومضات عند انفجار المستعرات العظمى أو اندماج النجوم النيوترونية. الأولى تعمل ككشاف دائم، والثانية كفلاش تصوير. لكن تلاشي ضوئهما يخضع للقانون نفسه - قانون التبريد السريع.
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.
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.
ينهار نجم ضخم، ويُولد ثقب أسود، محاط بقرص من البلازما الحارة. لكي تندفع من هذا القرص نفاثات ضيقة، تحتاج إلى مجال مغناطيسي منظم. لكن داخل النجم يكون المجال متشابكًا.
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.
النجمة حديثة الولادة تشبه خلاط المطبخ: إنها تخفق السحابة المحيطة بها، وتتطاير الرذاذ في كل اتجاه. لكن بدلًا من العجين، لدينا غاز وغبار. في السابق، كان الفلكيون يرون فقط نفاثات الغاز، وكانوا يعتبرون الغبار هشًا للغاية: إذ كان يُفترض أن تفتت موجة الصدمة حبيبات الغبار إلى ذرات.
تلسكوب جيمس ويب نظر إلى سحابة BHR71، حيث تبدأ نجمة حياتها للتو.
قرب الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية، تغلي البلازما مثل الماء في غلاية. لكن في هذه «الغلاية» لا توجد جدران، فقط مجالات مغناطيسية تلتف وتتمزق. في أماكن التمزق تنشأ طبقات رقيقة حيث يعيد المجال المغناطيسي توصيل نفسه، وتحصل الجسيمات على دفعة، مثل راكب أمواج على موجة.
تيار الماء من خرطوم يصطدم بجدار فينتشر جانبًا. هكذا تتصرف النفاثات الفيزيائية الفلكية — تيارات ضيقة من البلازما تنطلق من محيط الثقوب السوداء أو النجوم الفتية. عندما يواجه هذا التيار مقاومة من الغاز المحيط، تتشكل داخله موجة صادمة، تشبه الموجة المستقرة في نهر سريع. على هذه الموجة، تنعكس الجسيمات المشحونة مرارًا وتكرارًا، مثل كرات في لعبة تنس الطاولة، وتكتسب طاقة.
عندما يصطدم نواتا رصاص بسرعة هائلة، تنشأ للحظة سحابة من المادة الملتهبة — أكثر كثافة وحرارة من مركز الشمس. عبر هذه السحابة تطير نفثات من الجسيمات: حزم ضيقة مثل أشعة الليزر، قُذفت بفعل الاصطدام. كاشف CMS يلتقط آثارها ويُظهر كيف تتغير النفثات وهي تشق طريقها عبر "الضباب" الساخن.
قاس العلماء مدى اتساع انتشار جسيمات النفثة في اتجاهين: على طول محور الحزمة وعرضيًا.
خرطوم الحديقة يضخ تيارًا قويًا من الماء. إذا ضغطت عليه قليلًا أو هززته، يبدأ التيار في التلوي مثل أفعى، وتتطاير رذاذ الماء في كل اتجاه. شيء مشابه يحدث مع النفاثات البلازمية العملاقة التي تقذفها الثقوب السوداء. هذه النفاثات ملتوية بواسطة الحقول المغناطيسية وقد تفقد استقرارها، فتبدأ في التذبذب.
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.
من مركز المجرة، حيث يختبئ الثقب الأسود، تنطلق في الاتجاهين نفثات ضيقة من الغاز شديد الحرارة — تُعرف بالنفثات (jets). تتوهج هذه النفثات عبر مسافات شاسعة، قد تتجاوز أحيانًا طول المجرة نفسها.
عندما يصطدم بروتونان بسرعة هائلة، ينطلق من نقطة الاصطدام شعاع ضيق من الجسيمات — نفاث يشبه رذاذ الماء المتطاير عند رمي حجر في الماء. في اصطدامات نوى الرصاص الثقيلة، يكون الأمر أكثر تعقيدًا: تنشأ في الداخل سحابة حارة تعيق النفاث عن الطيران مستقيمًا.
أظهر القياس أنه إذا كان النفاث ضعيفًا، فإن مساره لا يتغير تقريبًا.
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.
النجم الفتي، الذي لم يُشعل بعد فرنه النووي الحراري، محاط بقرص دوار من الغاز والغبار. ولكي يكتسب كتلة، عليه أن يتخلص من الدوران الزائد – وإلا فلن يسقط الغاز على النجم، بل سيستمر في الدوران في مداره. عادةً، يحمل هذا الفائض نفاثتان ضيقتان من الغاز تنطلقان من قطبي النجم في اتجاهين متعاكسين، مثل نافورتين.
لكن بالنسبة للنجم الأولي HOPS 10 في كوكبة الجبار، رأى تلسكوب ALMA نافورة واحدة فقط.
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.
على الشمس، تنطلق بين الحين والآخر نفاثات ضيقة من البلازما — وهي النفاثات الإكليلية. تشبه نوافير الغاز شديد الحرارة التي تُقذف من الغلاف الجوي للنجم. أحد هذه الاندلاعات، الذي حدث في 10 نوفمبر 2022، لفت انتباه العلماء: فقد كان مصحوبًا بتوهج من الفئة C1.1 وكان له مخروط عريض بشكل غير عادي.
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.
أطلق عليها علماء الفلك اسم "النقاط الحمراء الصغيرة" — وهي مجرات بعيدة تختبئ في نوىها ثقوب سوداء فائقة الكتلة محاطة بغلاف كثيف من الهيدروجين . هذا "التغليف" ليس مجرد تمويه كوني، بل آلية تسريع طبيعية. الثقب الأسود، أثناء ابتلاعه المادة من قرص التراكم، يقذف جزءًا منها مرة أخرى على شكل نفاثات نسبية ضيقة.
في مركز المجرة VV 340a يقع ثقب أسود فائق الضخامة — جسم بجاذبية هائلة لدرجة أن الضوء نفسه لا يمكنه الإفلات منه. يصدر هذا الثقب نفاثة نسبية — تيارًا ضيقًا من المادة مسرّعًا إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. لا تحافظ هذه النفاثة على اتجاه ثابت: فمحورها يرسم مخروطًا، مثل محور قمة دوارة تتباطأ. هذا النمط يُعرف بالحركة المسبارية (precession).
في الليل، تندفع رصاصات غير مرئية عبر السماء — إنها الأشعة الكونية. وهي نوى ذرية تسارعت إلى سرعات تقترب من سرعة الضوء. المجالات المغناطيسية للمجرة تخلط مساراتها، لذا من الصعب تحديد مكان ولادتها بدقة. لطالما كانت بقايا النجوم المنفجرة هي المشتبه به الرئيسي، لكن بالنسبة لأسرع الجسيمات لم تكن الأدلة كافية.
في عام 2019، أظهر علماء الفلك أول صورة في التاريخ لظل ثقب أسود — هاوية مظلمة تحيط بها حلقة برتقالية غير منتظمة. هذا هو الثقب الأسود فائق الضخامة في مركز مجرة M87، على بعد 55 مليون سنة ضوئية منا. الحلقة ليست مجرد مضيئة: أحد جانبيها أكثر سطوعًا بشكل ملحوظ من الآخر. وكأن نارًا تشتعل بشكل غير متساوٍ — اللهب أعلى من جهة.
هذا التباين ليس عيبًا عشوائيًا في الصورة.
رصد تلسكوب جيمس ويب في مجرة بعيدة شريطًا متوهجًا يشبه أثر القارب في الماء، لكنه يمتد على مئتي ألف سنة ضوئية. في مقدمة هذا الأثر يتحرك ثقب أسود هائل — جسم بجاذبية هائلة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منه. إنه يخترق الغاز بين النجمي المخلخل بسرعة 954 كم/ث.
انفجارات أشعة غاما هي أقوى الانفجارات في الكون: ينكمش نجم محتضر إلى ثقب أسود، ويطلق تيارات هائلة من الطاقة. وغالبًا ما يحدث ذلك بعد انفجار مستعر أعظم. لكن علماء الفلك رصدوا إيقاعًا غريبًا — في إشعاع 34 من هذه الانفجارات، ظهرت نبضات واضحة، مثل دقات قلب كوني.
