تكشف التلسكوبات عن الدوران السريع للثقب الأسود في درب التبانة الذي يشوه الزمكان

يُظهر الرسم التوضيحي لهذا الفنان مقطعًا عرضيًا للثقب الأسود الهائل والمادة المحيطة به في مركز مجرتنا. تمثل الكرة السوداء الموجودة في المركز أفق الحدث للثقب الأسود، وهي نقطة اللاعودة التي لا يمكن لأي شيء، ولا حتى الضوء، الهروب منها. عند النظر إلى الثقب الأسود الدوار من الجانب، كما هو موضح في هذا الرسم التوضيحي، فإن الزمكان المحيط به يتشكل مثل كرة القدم الأمريكية. تمثل المادة الصفراء البرتقالية الموجودة على كلا الجانبين غازًا يحوم حول الثقب الأسود. وتندفع هذه المادة حتمًا نحو الثقب الأسود وتعبر أفق الحدث بمجرد أن تتخذ شكل كرة القدم. وبالتالي فإن المنطقة الموجودة داخل شكل كرة القدم ولكن خارج أفق الحدث تمثل تجويفًا. تُظهر النقط الزرقاء نفاثات تنطلق من قطبي الثقب الأسود الدوار. حقوق الصورة: ناسا/CXC/M.Weiss

• دراسة جديدة يمكن أن تساعد في حل مسألة مدى سرعة درب التبانةإنها ضخمة للغاية الثقب الأسود تحولت.
• يحتوي الثقب الأسود، المعروف باسم القوس A* (Sgr A*)، على كتلة تبلغ حوالي 4 ملايين مرة كتلة الشمس.
• باستعمال ناساشاندرا للأشعة السينية والمصفوفة الكبيرة جدًا التابعة لـ NSF، وجدت هذه الدراسة أن القوس A* يدور بسرعة كبيرة.
• يؤدي هذا الدوران العالي إلى تشويه الزمكان حول القوس A*، مما يجعله يبدو وكأنه على شكل كرة قدم أمريكية.

يصور الرسم التوضيحي لهذا الفنان نتائج دراسة جديدة للثقب الأسود الهائل في مركز مجرتنا المسمى Sagittarius A* (المختصر Sgr A*). كشفت هذه النتيجة أن القوس A* يدور بسرعة كبيرة لدرجة أنه يشوه الزمكان – أي الزمن وأبعاد الفضاء الثلاثة – بحيث يبدو أشبه بكرة القدم.

تم الحصول على هذه النتائج باستخدام مرصد شاندرا للأشعة السينية التابع لناسا ومصفوفة كارل جي جانسكي الكبيرة جدًا (VLA) التابعة لمؤسسة العلوم الوطنية. قام فريق من الباحثين بتطبيق طريقة جديدة تستخدم الأشعة السينية وبيانات الراديو لتحديد مدى سرعة دوران Sgr A* بناءً على كيفية تدفق المادة من وإلى الثقب الأسود. ووجدوا أن القوس A* يدور بسرعة زاوية تبلغ حوالي 60% من أقصى قيمة ممكنة وبزخم زاوي يبلغ حوالي 90% من أقصى قيمة ممكنة.

تمتلك الثقوب السوداء خاصيتين أساسيتين: كتلتها (وزنها) ودورانها (السرعة التي تدور بها). إن تحديد أي من هاتين القيمتين يخبر العلماء بالكثير عن الثقب الأسود وسلوكه. في الماضي، أجرى علماء الفلك عدة تقديرات أخرى لسرعة دوران القوس A* باستخدام تقنيات مختلفة، وكانت النتائج تتراوح بين عدم دوران القوس A* على الإطلاق إلى الدوران الأقصى تقريبًا.

تشير الدراسة الجديدة إلى أن القوس A* يدور في الواقع بسرعة كبيرة، مما يتسبب في سحق الزمكان المحيط به. يُظهر الرسم التوضيحي مقطعًا عرضيًا للقوس A* والمواد التي تدور حوله في القرص. تمثل الكرة السوداء الموجودة في المركز ما يسمى بأفق الحدث للثقب الأسود، وهي نقطة اللاعودة التي لا يمكن لأي شيء، ولا حتى الضوء، الهروب منها.

عند النظر إلى الثقب الأسود الدوار من الجانب، كما هو موضح في هذا الرسم التوضيحي، فإن الزمكان المحيط به يتشكل مثل كرة القدم. كلما زادت سرعة الدوران، أصبحت الكرة أكثر تملقًا.

تمثل المادة الصفراء البرتقالية الموجودة على كلا الجانبين غازًا يحوم حول القوس A*. وتندفع هذه المادة حتمًا نحو الثقب الأسود وتعبر أفق الحدث بمجرد أن تتخذ شكل كرة القدم. وبالتالي فإن المنطقة الموجودة داخل شكل كرة القدم ولكن خارج أفق الحدث تمثل تجويفًا. تُظهر النقط الزرقاء نفاثات تنطلق من قطبي الثقب الأسود الدوار. عند النظر إلى الثقب الأسود من الأعلى، على طول البرميل النفاث، فإن الزمكان له شكل دائري.

صورة شاندرا بالأشعة السينية لبرج القوس A* والمنطقة المحيطة به. الائتمان: ناسا/CXC/جامعة. من ولاية ويسكونسن / Y.Bai، وآخرون.

يمكن أن يكون دوران الثقب الأسود مصدرًا مهمًا للطاقة. تنتج الثقوب السوداء فائقة الكتلة الدوارة تيارات موازية مثل النفاثات عندما يتم استخراج طاقتها الدورانية، الأمر الذي يتطلب وجود بعض المادة على الأقل بالقرب من الثقب الأسود. بسبب محدودية الوقود حول القوس A*، كان هذا الثقب الأسود هادئًا نسبيًا على مدى آلاف السنين القليلة الماضية مع نفاثات ضعيفة نسبيًا. ومع ذلك، يوضح هذا العمل أن هذا يمكن أن يتغير إذا زادت كمية المادة القريبة من القوس A*.

لتحديد دوران الثقب الأسود*، استخدم المؤلفون تقنية تجريبية تسمى “طريقة الإخراج” التي توضح بالتفصيل العلاقة بين دوران الثقب الأسود وكتلته، وخصائص المادة القريبة من الثقب الأسود، وخصائص الخروج. . ينتج التدفق المتوازي موجات الراديو، في حين أن قرص الغاز المحيط بالثقب الأسود هو المسؤول عن انبعاث الأشعة السينية، وباستخدام هذه الطريقة، قام الباحثون بدمج البيانات من تشاندرا ومختبر VLA مع تقدير مستقل لكتلة الثقب الأسود. من التلسكوبات الأخرى للحد من دوران الثقب الأسود.

تم نشر المقال الذي يصف هذه النتائج بقيادة روث دالي (جامعة ولاية بنسلفانيا) في عدد يناير 2024 من المجلة الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.

المرجع: “قيم دوران الثقب الأسود الجديدة لـ Sagittarius A* التي تم الحصول عليها باستخدام طريقة الإخراج” بقلم Ruth A Daly وMegan Donahue وChristopher P O'Dea وBiny Sebastian وDaryl Haggard وAnan Lu، 21 أكتوبر 2023، الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.
دوى: 10.1093/منراس/ستاد3228

المؤلفون الآخرون هم بيني سيباستيان (جامعة مانيتوبا، كندا)، ميغان دوناهو (جامعة ولاية ميشيغان)، كريستوفر أوديا (جامعة مانيتوبا)، داريل هاغارد (جامعة ماكجيل)، وأنان لو (جامعة ماكجيل).

يدير مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا برنامج تشاندرا. يتحكم مركز شاندرا للأشعة السينية التابع لمرصد سميثسونيان للفيزياء الفلكية في العمليات العلمية من كامبريدج، ماساتشوستس، وعمليات الطيران من بيرلينجتون، ماساتشوستس.