علماء الفيزياء الفلكية في برينستون يكشفون سر نفاثات الثقب الأسود و”السيوف الضوئية” المجرية

وقد حدد فريق من علماء الفيزياء الفلكية في جامعة برينستون الآن بشكل قاطع أن هناك طاقة قريبة من الثقب الأسود M87* يدفع إلى الخارج، وليس إلى الداخل، نقاشًا طويل الأمد في هذا المجال.

الشيء الوحيد الذي يعرفه الجميع عن الثقوب السوداء هو أن كل شيء قريب منها يُمتص إليها.

بالكاد كل شيء، كما تبين.

“على الرغم من تعريف الثقوب السوداء بأنها أجسام لا يمكن لأي شيء الهروب منها، إلا أن إحدى التنبؤات المذهلة للنظرية النسبية لأينشتاين هي أن الثقوب السوداء يمكن أن تفقد الطاقة بالفعل”، يوضح عالم الفيزياء الفلكية إليوت كواتايرت، وأستاذ تشارلز أ. يونغ لعلم الفلك في جامعة برينستون. Foundation Class 1897. “يمكن للثقب الأسود أن يدور، وكما تتباطأ القمة بمرور الوقت وتفقد تلك الطاقة أثناء دورانها، يمكن للثقب الأسود الدوار أيضًا أن يفقد الطاقة إلى محيطه.”

لقد قبل العلماء هذا النموذج إلى حد كبير منذ السبعينيات، وكانوا يعلمون أن المجالات المغناطيسية من المحتمل أن تستخرج الطاقة من الثقوب السوداء الدوارة، لكنهم لم يعرفوا كيف.

توصل فريق من علماء الفيزياء الفلكية في جامعة برينستون بشكل قاطع إلى أن الطاقة القريبة من أفق الحدث للثقب الأسود M87* تتدفق إلى الخارج، وليس إلى الداخل. (M87 هو اسم المجرة، ميسييه 87، لذا فإن الثقب الأسود الموجود في مركزها يُسمى M87*.) ابتكر الباحثون أيضًا طريقة لاختبار التنبؤ بأن الثقوب السوداء تفقد طاقة دورانية، وهي كواتايرت معلنة، ولإثبات ذلك تنبؤ. هذه الطاقة التي تنتج “التدفقات القوية بشكل لا يصدق التي نراها والتي نسميها الطائرات”.

رسم متحرك يوضح كيفية التفاف المجال المغناطيسي الذي يعبر أفق الحدث للثقب الأسود عندما يدور الثقب الأسود بشكل أسرع. الثقب الأسود الذي يدور بشكل أسرع “يرفع” المجال المغناطيسي بشكل أسرع، مما يتسبب في فقدان الثقب الأسود المزيد من الطاقة إلى محيطه. لاحظ فريق من علماء الفيزياء الفلكية في جامعة برينستون التفاف خطوط المجال المغناطيسي في صور تلسكوب أفق الحدث للاستقطاب الخطي للثقوب السوداء. الائتمان: فيديو لجورج وونغ، معهد الدراسات المتقدمة و جامعة برينستون

هذه الطائرات التي تنتج الطاقة “تشبه في الأساس ملايين-سنة ضوئيةقال ألكساندرو لوبساسكا، زميل ما بعد الدكتوراه السابق في جامعة برينستون: “سيوف الجيداي الضوئية طويلة جدًا، ويمكنها أن تمتد أطول بعشر مرات من السيوف الضوئية”. درب التبانة galaxy.

وقد نشرت مؤخرا نتائج عملهم في ال مجلة الفيزياء الفلكية. أندرو تشيل، باحث مشارك في الفيزياء الفلكية، هو المؤلف الأول لهذه الورقة. هو والمؤلف المشارك جورج وونغ كلاهما عضوان في تلسكوب أفق الحدث ولعب الفريق دورًا أساسيًا في تطوير النماذج المستخدمة لتفسير الثقوب السوداء. تشايل ووونغ ولوبساسكا وكواتايرت جميعهم من المنظرين المنتسبين إلى مبادرة برينستون الجاذبية.

ونسب الفريق الفضل إلى تشايل بالفكرة الأساسية في قلب الورقة الجديدة: الاتجاه الذي تظهر فيه خطوط المجال المغناطيسي بشكل حلزوني يكشف عن اتجاه تدفق الطاقة. ومن هنا، قال كواتيرت: “لقد سقطت بقية الأمور في مكانها الصحيح”.

جذب الثقب الأسود M87* (العلامة النجمية إلى الثقب الأسود الموجود في منتصف المجرة M87) اهتمامًا عالميًا عندما تم اكتشافه لأول مرة بواسطة تلسكوب Event Horizon. منذ ذلك الحين، اكتشف علماء الفيزياء الفلكية في جامعة برينستون أن تطور المجال المغناطيسي حول الثقب الأسود يحدد دوامة الاستقطاب الواضحة التي تظهر في صور الثقوب السوداء. وعلى وجه الخصوص، فإن اتجاه تدفق الطاقة (من الثقب إلى الحقل أو العكس) يحدد كيفية التفاف الاستقطاب. ومن خلال قياس اتجاه دوامة الاستقطاب، يمكن للمرء أن يستنتج ما إذا كان المجال المغناطيسي يستخرج طاقة الدوران من الثقب أو يضخ طاقة الدوران فيه. مصدر الصورة: نموذج من أندرو تشيل، وجورج وونغ، وألكساندرو لوبساسكا، وإليوت كواتايرت، مبادرة برينستون للجاذبية

وقال وونغ، وهو باحث مرتبط بمبادرة برينستون للجاذبية وعضو في مبادرة برينستون للجاذبية: “إذا أخذت الأرض وحولتها إلى مادة تي إن تي وفجرتها 1000 مرة في الثانية لملايين وملايين السنين، فهذا هو مقدار الطاقة التي نحصل عليها من M87”. من معهد الدراسات المتقدمة.

لقد عرف العلماء منذ عقود أنه عندما يبدأ الثقب الأسود في الدوران، فإنه يسحب معه نسيج الزمكان. يتم احتجاز خطوط المجال المغناطيسي التي تمر عبر الثقب الأسود، مما يؤدي إلى إبطاء الدوران، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة.

وقال لوبساسكا، وهو باحث مشارك سابق في جامعة برينستون: “تنبؤنا الدقيق الجديد هو أنه في كل مرة تنظر فيها إلى ثقب أسود فيزيائي فلكي، إذا كان لديه خطوط مجال مغناطيسي متصلة به، فسيكون هناك نقل للطاقة – كميات مجنونة حقًا من نقل الطاقة”. وهو الآن أستاذ مساعد في الفيزياء والرياضيات في جامعة فاندربيلت وفاز بالجائزة جائزة آفاق جديدة في الفيزياء 2024 من مؤسسة جائزة الاختراق لأبحاثه حول الثقوب السوداء.

ومع تدفق الطاقة بالقرب من أفق الحدث لـ M87* نحو الخارج، قال الفريق إن تدفق الطاقة يمكن أن يتدفق نظريًا نحو الداخل إلى ثقب أسود مختلف. وهم واثقون من ارتباطهم بين تدفق الطاقة واتجاه خطوط المجال المغناطيسي، وسيتم اختبار توقعاتهم بأن تدفق الطاقة يأتي من الثقب الأسود مع إطلاق المشروع الذي لا يزال نظريًا”.الجيل القادم»تلسكوب أفق الحدث.

وقال وونغ إنه على مدى العام ونصف العام الماضيين، كان الباحثون في مجال الثقب الأسود حول العالم يقترحون مواصفات للأداة المستقبلية. “يمكن للصحف مثل صحفنا أن تلعب دورًا حاسمًا في تحديد ما نحتاج إليه. أعتقد أنه وقت مثير بشكل لا يصدق.

وأكد الباحثون الأربعة في ورقتهم البحثية أنهم لم يثبتوا بشكل قاطع أن دوران الثقب الأسود “يعمل في الواقع على تشغيل النفاثات خارج المجرة”، على الرغم من أن الأدلة تميل بالتأكيد في هذا الاتجاه. على الرغم من أن مستويات الطاقة التي أظهرها نموذجهم تتناسب مع احتياجات الطائرات النفاثة، إلا أنهم لا يستطيعون استبعاد إمكانية تشغيل الطائرة بواسطة محرك دوار. بلازما خارج الثقب الأسود. وقال لوبساسكا: “أعتقد أنه من المحتمل جدًا أن يكون الثقب الأسود هو الذي يدفع الطائرة، لكن لا يمكننا إثبات ذلك”. “مرة أخرى.”

المرجع: “قياس استقطاب الثقب الأسود I. التوقيع على استخراج الطاقة الكهرومغناطيسية” بقلم أندرو تشيل وألكساندرو لوبساسكا وجورج إن. وونغ وإليوت كواتايرت، 14 نوفمبر 2023، مجلة الفيزياء الفلكية.
دوى: 10.3847/1538-4357/acf92d

تم دعم هذا البحث من قبل مبادرة برينستون للجاذبية، وزمالة تابلين، والمؤسسة الوطنية للعلوم (منحة رقم 2307888)، وجائزة محقق مؤسسة سيمونز.