القرص الساخن وراء النفاثات النسبوية في الثقوب السوداء

كيف يمكن لثقب أسود يلتهم المادة بمعدّل مرتفع أن يطلق في الوقت نفسه نفاثًا نسبويًا هائلًا، بينما تقول النظرية إن بيئته لا تصلح لذلك؟ هذا هو اللغز الذي تناولته دراسة جديدة عن المجرة النشطة 3C 120، وخلصت فيها إلى أن القرص الرقيق الذي يحيط بالثقب الأسود لا يمتد حتى حافته. ففي منطقته الداخلية يحلّ محلّه تدفّق حارّ وسميك، ترى الدراسة أنه موضع انطلاق النفاث.

ما الذي رُصد في 3C 120؟

تقع 3C 120 على بُعد نحو 420 مليون سنة ضوئية، وهي مجرة راديوية ذات خطوط عريضة. نشر الباحثون نتائجهم في مجلة «The Astrophysical Journal Letters»، والمؤلفان الرئيسيان المشاركان هما Hirofumi Noda، الأستاذ المشارك في Tohoku University، وKazuhiro Hada، الباحث في Nagoya City University.

اعتمد الفريق على تنسيق رصدٍ في نطاقين. الأول الأشعة السينية عبر مهمة XRISM، والثاني الموجات الراديوية عبر ثلاث شبكات لقياس التداخل بخط الأساس الطويل جدًا (VLBI): GMVA العاملة بالموجات المليمترية، وVLBA، وشبكة شرق آسيا EAVN. يلخّص Noda قيمة هذا الجمع بقوله: «بالنظر إلى الثقب الأسود نفسه عبر تلسكوبات متطوّرة للأشعة السينية والراديو، تمكّنا من رؤية البلازما الحارّة المحيطة بالثقب الأسود والنفّاث المنبثق منه». ويضيف: «وهذا يتيح لنا الربط المباشر بين البيئة القصوى قرب الثقب الأسود وتشكّل النفّاث».

كشف التحليل الطيفي لـXRISM عن خط انبعاث الحديد Fe Kα وقد اتّسع بفعل التأثيرات النسبوية. ومن هذا الاتساع استنتج الباحثون أن القرص البارد الرقيق يُبتر عند نحو 20Rg، حيث Rg هو نصف القطر الجذبي. وصف المؤلفان ذلك بقولهما: «يكشف التحليل الطيفي عالي الدقة للأشعة السينية عن خط Fe Kα متّسع نسبويًا، ما يشير إلى أن القرص البارد الرقيق الهندسة يُبتر عند نحو 20Rg (حيث Rg هو نصف القطر الجذبي)، وتحلّ محلّ منطقته الداخلية دفقةٌ حارّة سميكة الهندسة».

Loading image...

لماذا يُعدّ الأمر مفارقة؟

تغذّي المادة الثقوب السوداء فائقة الكتلة حين تتجمّع في قرص تراكم شديد السخونة. يُقذف جزء من هذه المادة بدل ابتلاعه، وتقف وراء ذلك حقول مغناطيسية قوية في القرص. وتتكوّن النفّاثات من غاز متأيّن، وقد تمتد ملايين البارسيك وتبلغ سرعاتٍ نسبوية، وتؤثر في الغاز وتشكّل النجوم داخل المجرات المضيفة والعناقيد المحيطة بها.

لكن الفيزياء الكامنة وراء هذا الارتباط لا تزال غير محسومة. يقول Noda وHada: «النفّاثات النسبوية من أكثر الظواهر طاقةً في الكون وتؤثر في تطوّر المجرات عبر التغذية الراجعة الطاقية، ومع ذلك لا يزال الارتباط الفيزيائي بين تدفقات التراكم وإطلاق النفّاثات دون حلّ».

التفسير الأكثر شيوعًا هو آلية Blandford–Znajek (BZ)، وفيها يقول المؤلفان: «يُعزى إنتاج النفّاثات على نطاق واسع إلى آلية Blandford–Znajek (BZ)، التي تستخلص الطاقة الدورانية للثقب الأسود عبر حقول مغناطيسية واسعة النطاق يُبقيها تدفّق التراكم قائمةً».

تحظى هذه الآلية بدعم رصدي في التدفقات الحارّة السميكة هندسيًا. أما حيث يرتفع معدّل التراكم وتقوى النفّاثات، فتنشأ المفارقة. يوضح المؤلفان: «مع أن هذه الآلية مدعومة رصديًا في تدفقات التراكم الحارّة السميكة هندسيًا، فإن البيئات عالية التراكم ذات النفّاثات القوية تطرح مفارقة، إذ تهيمن عليها عادةً أقراص باردة رقيقة هندسيًا لا تقوى على الحفاظ على حقول مغناطيسية واسعة النطاق».

Loading image...

لماذا 3C 120 مختبر مناسب؟

وفق المؤلفين: «تُعدّ المجرة الراديوية ذات الخطوط العريضة 3C 120 (z = 0.033)، التي تبلغ كتلة ثقبها الأسود نحو 6.3 × 10^7 كتلة شمسية (M⊙)، مختبرًا مثاليًا لمعالجة هذه المشكلة». ويشيران إلى الفارق عن المجرة M87 الضعيفة التراكم: «خلافًا للنوى المجرية النشطة ضعيفة التراكم مثل M87، تتراكم المادة في 3C 120 بمعدّل مرتفع نسبيًا، وهي تطلق في الوقت نفسه نفّاثًا نسبويًا قويًا».

الخلاصة التي توصّل إليها الفريق أن النفّاث مرتبط بالتدفق الداخلي الحارّ حتى مع ارتفاع معدّل التراكم. وهي ليست حكمًا نهائيًا، فالباحثون يقولون إن الصلة قد تمرّ عبر عملية Blandford–Znajek، أي بصيغة الاحتمال. نص ما كتباه: «تُظهر هذه النتائج أنه حتى عند معدلات التراكم العالية يرتبط إطلاق النفّاثات بتدفق داخلي حارّ، ربما عبر عملية Blandford–Znajek، ما يقدّم دليلًا على ارتباط شامل بين القرص والنفّاث عبر انتقال هندسي».

ويضيفان أن النتائج «تبرز الدور المحوري للجمع المنسّق بين التحليل الطيفي عالي الدقة للأشعة السينية والتصوير بتقنية VLBI في فكّ ألغاز الهيدروديناميكا المغناطيسية (MHD) للثقوب السوداء، وتوضح كيف تُنشئ التحوّلات البنيوية الداخلية مواقع مواتية مغناطيسيًا للنفّاثات المدفوعة بالدوران». وتقترح الدراسة أن طريقتها قد تفيد في بحث بتر القرص والعلاقة بين القرص والنفّاث، وهي الدراسة المنشورة عن بتر القرص.

ما الخطوة التالية؟

تقتصر النتائج حتى الآن على مجرة واحدة، ولذلك يخطّط الباحثون لتطبيق الأسلوب نفسه على عيّنة أكبر من المجرات. ويحدّد Noda الهدف المقبل بقوله: «هدفنا التالي بناء صورة أكثر اكتمالًا لكيفية تفاعل المادة والحقول المغناطيسية ودوران الثقب الأسود في هذه البيئات القصوى».

وتتجاوز أهمية السؤال الثقب الأسود الواحد، إذ يختم Noda بقوله: «قد يساعدنا فهم هذه العملية أيضًا على فهم أفضل لكيفية تأثير الثقوب السوداء فائقة الكتلة في تطوّر المجرات والبنى الأكبر في الكون».