يؤكد الاكتشاف الغريب للثقب الأسود نظرية أينشتاين في النسبية العامة

أول اكتشاف للضوء خلف ثقب أسود

شاهد الأشعة السينية المسقطة في الكون من قبل فائقة الكتلة الثقب الأسود في مركز مجرة ​​تبعد 800 مليون سنة ضوئية ، لاحظ عالم الفيزياء الفلكية بجامعة ستانفورد دان ويلكنز نمطًا مثيرًا للاهتمام. لاحظ سلسلة من توهجات الأشعة السينية الساطعة – مثيرة ، لكنها ليست غير مسبوقة – ثم سجلت التلسكوبات شيئًا غير متوقع: ومضات إضافية من الأشعة السينية كانت أصغر ، فيما بعد ، و “ألوان” مختلفة عن التوهجات الساطعة.

وفقًا للنظرية ، كانت أصداء الضوء هذه متوافقة مع الأشعة السينية المنعكسة من خلف الثقب الأسود – ولكن حتى الفهم الأساسي للثقوب السوداء يخبرنا أنها مكان غريب للضوء.

قال ويلكينز ، الباحث في معهد كافلي للفيزياء الفلكية وعلم الكونيات في جامعة ستانفورد و SLAC National معمل المسرع. ومع ذلك ، فهذه ميزة غريبة أخرى للثقب الأسود تجعل هذه الملاحظة ممكنة. وأوضح ويلكينز أن “سبب رؤيتنا لهذا هو أن هذا الثقب الأسود يشوه الفضاء ، ويثني الضوء ، ويلوي الحقول المغناطيسية حوله”.

رسم توضيحي لصدى الضوء خلف ثقب أسود. الائتمان: ESA

الاكتشاف الغريب المفصل في مقال نُشر اليوم (28 يوليو 2021) في الطبيعة، هي أول ملاحظة مباشرة للضوء خلف الثقب الأسود – وهو السيناريو الذي تنبأت به نظرية النسبية العامة لأينشتاين ولكن لم يتم تأكيده حتى الآن.

“منذ خمسين عامًا ، عندما بدأ علماء الفيزياء الفلكية في التكهن بسلوك المجال المغناطيسي بالقرب من ثقب أسود ، لم يكن لديهم أي فكرة أنه في يوم من الأيام يمكن أن يكون لدينا تقنيات لرصده مباشرة ورؤية نظرية النسبية العامة لأينشتاين أثناء العمل ،” قال روجر بلاندفورد ، المؤلف المشارك للورقة ، والبروفيسور لوك بلوسوم في كلية الإنسانيات والعلوم وأستاذ الفيزياء وفيزياء الجسيمات في ستانفورد وفي SLAC.

كيف ترى الثقب الأسود

كان الدافع الأولي لهذا البحث هو معرفة المزيد عن سمة غامضة لبعض الثقوب السوداء ، تسمى التاج. تسقط المادة في ثقب أسود فائق الكتلة تزود ألمع مصادر الضوء المستمر في الكون ، وبذلك تشكل تاجًا حول الثقب الأسود. يمكن تحليل هذا الضوء – وهو ضوء الأشعة السينية – لرسم خريطة للثقب الأسود وتمييزه.

رسم متحرك يوضح كيف يتردد صدى الضوء خلف الثقب الأسود. الائتمان: ESA

تبدأ النظرية الرئيسية لماهية الإكليل بانزلاق الغاز إلى الثقب الأسود حيث ترتفع درجة حرارته إلى ملايين الدرجات. عند درجة الحرارة هذه ، تنفصل الإلكترونات عن الذرات ، مما يؤدي إلى تكوين a بلازما. عالق في الدوران القوي للثقب الأسود ، يتقوس المجال المغناطيسي عالياً فوق الثقب الأسود ويدور حول نفسه لدرجة أنه ينتهي به المطاف بالكسر تمامًا – وهو موقف يذكرنا بما يحدث حول شمسنا لدرجة أنه استعار اسم “التاج” .

قال ويلكينز: “هذا المجال المغناطيسي الذي يتجمع ثم يتحرك بالقرب من الثقب الأسود يسخن كل شيء حوله وينتج هذه الإلكترونات عالية الطاقة التي تنتج بعد ذلك الأشعة السينية”.

عندما نظر ويلكنز عن كثب للتحقيق في أصل التوهجات ، رأى سلسلة من الومضات الأصغر. قرر الباحثون أن هذه هي نفس مشاعل الأشعة السينية ولكنها تنعكس من عودة من القرص – لمحة أولى عن الجانب الآخر من الثقب الأسود.

قال ويلكينز: “لقد كنت أقوم ببناء تنبؤات نظرية حول كيفية ظهور هذه الأصداء لنا خلال السنوات القليلة الماضية”. “لقد رأيتهم بالفعل في النظرية التي طورتها ، لذلك بمجرد أن رأيتهم في ملاحظات التلسكوب ، تمكنت من فهم الاتصال.”

الملاحظات المستقبلية

تستمر مهمة توصيف وفهم التيجان وستتطلب المزيد من المراقبة. جزء من هذا المستقبل سيكون مرصد الأشعة السينية التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ، أثينا (التلسكوب المتقدم للفيزياء الفلكية عالية الطاقة). بصفته عضوًا في مختبر ستيف ألين ، أستاذ الفيزياء في جامعة ستانفورد وفيزياء الجسيمات والفيزياء الفلكية في SLAC ، يساعد ويلكنز في تطوير جزء من كاشف تصوير المجال الواسع لأثينا.

قال ويلكينز: “لديها مرآة أكبر بكثير مما كانت لدينا في أي وقت مضى على تلسكوب الأشعة السينية ، وسوف تسمح لنا بالحصول على صور عالية الدقة في أوقات مراقبة أقصر بكثير”. “لذا فإن الصورة التي بدأنا في الحصول عليها من البيانات الآن ستصبح أكثر وضوحًا مع هذه المراصد الجديدة.”

المرجع: 28 يوليو 2021 ، الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03667-0

المؤلفون المشاركون لهذا البحث هم من جامعة سانت ماري (كندا) والمعهد الهولندي لأبحاث الفضاء (SRON) وجامعة أمستردام وجامعة ولاية بنسلفانيا.

تم دعم هذا العمل من قبل ناسا برنامجي NuSTAR و XMM-Newton Guest Observer ، وزمالة Kavli في جامعة ستانفورد ، و VM Willaman Endowment في جامعة ولاية بنسلفانيا.