التحقق من دوران الثقب الأسود الهائل – النظرية النسبية العامة لأينشتاين تتألق

تمثيل تخطيطي لنموذج قرص التراكم المائل. من المفترض أن يكون محور دوران الثقب الأسود مستقيمًا لأعلى ولأسفل في هذا الرسم التوضيحي. يشير اتجاه النفاث بشكل عمودي تقريبًا على مستوى القرص. يؤدي عدم المحاذاة بين محور دوران الثقب الأسود ومحور دوران القرص إلى تحفيز القرص والنفث. الائتمان: يوتشو كوي وآخرون. (2023)، Intouchable Lab@Openverse وZhejiang Lab

المجرة M87 الثقب الأسود يُظهر دفقًا متذبذبًا، مما يؤكد دورانه، كما تم استخلاصه من دراسة استمرت عقدين من الزمن تتماشى مع تنبؤات النظرية النسبية العامة لأينشتاين.

المجرة الراديوية القريبة M87، التي تقع على بعد 55 مليون سنة ضوئية من الأرض والتي تحتوي على ثقب أسود أكبر بـ 6.5 مليار مرة من الشمس، تُظهر تدفقًا متذبذبًا يتأرجح لأعلى ولأسفل بسعة حوالي 10 درجات، مما يؤكد وجود الثقب الأسود. يلف.

الدراسة التي ترأسها الباحث الصيني الدكتور يوتشو تسوي ونشرت في طبيعة في 27 سبتمبر، أجراها فريق دولي باستخدام شبكة عالمية من التلسكوبات الراديوية.

ومن خلال التحليل المكثف لبيانات التلسكوب من عام 2000 إلى عام 2022، كشف فريق البحث عن دورة متكررة مدتها 11 عامًا في الحركة المسبقة للقاعدة النفاثة، كما تنبأت النظرية النسبية العامة لأينشتاين. تربط الدراسة ديناميكيات التدفق مع الثقب الأسود المركزي الهائل، مما يوفر دليلاً على أن الثقب الأسود في M87 يدور.

ظواهر الثقب الأسود الهائل

يمكن للثقوب السوداء الهائلة الموجودة في مركز المجرات النشطة – وهي الأجرام السماوية الأكثر اضطرابًا في عالمنا – أن تتراكم كميات هائلة من المواد بسبب قوة الجاذبية غير العادية وقوة الجاذبية. بلازما التدفقات الخارجة، المعروفة باسم النفاثات، تقترب من سرعة الضوء وتمتد لآلاف السنين الضوئية.

إن آلية نقل الطاقة بين الثقوب السوداء الهائلة وأقراصها المتراكمة والنفاثات النسبية قد حيرت الفيزيائيين وعلماء الفلك لأكثر من قرن من الزمان. تشير النظرية السائدة إلى أنه يمكن استخلاص الطاقة من ثقب أسود دوار، مما يسمح بإخراج بعض المواد المحيطة بالثقب الأسود الهائل بطاقة كبيرة. ومع ذلك، فإن دوران الثقوب السوداء فائقة الكتلة، وهو عامل حاسم في هذه العملية والمعلمة الأكثر أهمية بخلاف كتلة الثقب الأسود، لم يتم ملاحظته بشكل مباشر.

اللوحة العلوية: الهيكل النفاث M87 بتردد 43 جيجا هرتز استنادًا إلى بيانات التراص نصف السنوية التي تمت ملاحظتها في الفترة من 2013 إلى 2018. تشير الأسهم البيضاء إلى زاوية موضع الطائرة في كل قطعة فرعية. اللوحة السفلية: أفضل النتائج المجهزة استنادًا إلى الصورة المكدسة سنويًا من 2000 إلى 2022. تم الحصول على النقاط الخضراء والزرقاء من الملاحظات عند 22 جيجا هرتز و43 جيجا هرتز على التوالي. يمثل الخط الأحمر أفضل ملاءمة وفقًا لنموذج المبادرة. الائتمان: يوتشو كوي وآخرون، 2023

التركيز على M87

في هذه الدراسة، ركز فريق البحث على M87، حيث تم رصد أول طائرة فيزيائية فلكية رصدية في عام 1918. وبفضل قربها، يمكن حل مناطق تكوين الطائرة القريبة من الثقب الأسود بالتفصيل باستخدام قياس التداخل الأساسي الطويل جدًا (VLBI). كما يمثله تصوير ظل الثقب الأسود الحديث باستخدام تلسكوب أفق الحدث (EHT). من خلال تحليل بيانات VLBI من M87 التي تم الحصول عليها على مدار الـ 23 عامًا الماضية، اكتشف الفريق النفاثات البادئة الدورية في قاعدتها، مما يوفر نظرة ثاقبة لحالة الثقب الأسود المركزي.

ديناميات الثقب الأسود والنسبية

وفي قلب هذا الاكتشاف يكمن السؤال الحاسم: ما هي القوة في الكون التي يمكن أن تغير اتجاه مثل هذه الطائرة القوية؟ يمكن أن تكون الإجابة مخفية في سلوك القرص التراكمي، وهو تكوين مرتبط بالثقب الأسود المركزي الهائل.

عندما تدور المواد المتساقطة حول الثقب الأسود بسبب عزمها الزاوي، فإنها تشكل بنية تشبه القرص قبل أن تتصاعد تدريجيًا إلى الداخل حتى يتم سحبها بشكل مصيري إلى الثقب الأسود. ومع ذلك، إذا كان الثقب الأسود يدور، فإنه يمارس تأثيرًا كبيرًا على الزمكان المحيط به، مما يتسبب في سحب الأجسام القريبة على طول محور دورانه، وهي ظاهرة تُعرف باسم “سحب الإطار”، والتي تنبأت بها النظرية النسبية العامة لأينشتاين.

يشير التحليل الشامل الذي أجراه فريق البحث إلى أن محور الدوران لقرص التراكم ينحرف عن محور دوران الثقب الأسود، مما يؤدي إلى نفاثة سابقة. يوفر اكتشاف هذه الحركة دليلًا لا لبس فيه على أن الثقب الأسود الهائل في M87 يدور بالفعل، مما يعزز فهمنا لطبيعة الثقوب السوداء فائقة الكتلة.

قال يوتشو تسوي، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر تشجيانغ، وهي مؤسسة بحثية في هانغتشو، والمؤلف الرئيسي للدراسة: “نحن سعداء بهذه النتيجة المهمة”. “نظرًا لأن المحاذاة غير الصحيحة بين الثقب الأسود والقرص صغيرة نسبيًا وفترة المبادرة تبلغ حوالي 11 عامًا، فإن تجميع البيانات عالية الدقة التي تتتبع بنية M87 على مدار عقدين من الزمن والتحليل الشامل ضروري للحصول على هذا الإنجاز.”

وأضاف الدكتور كازوهيرو هادا من المرصد الفلكي الوطني في اليابان: “بعد نجاح تصوير الثقب الأسود في هذه المجرة باستخدام EHT، أصبح ما إذا كان هذا الثقب الأسود يدور أم لا هو الشغل الشاغل بين العلماء”. “الآن تحول الترقب إلى يقين. هذا الثقب الأسود الوحشي يدور بالفعل.”

المساهمات والتداعيات المستقبلية

استفاد هذا العمل من إجمالي 170 حقبة من الملاحظات التي حصلت عليها شبكة VLBI لشرق آسيا (EAVN)، والمصفوفة الأساسية الطويلة جدًا (VLBA)، والمصفوفة المشتركة لـ KVN وVERA (KaVA)، ومن شرق آسيا إلى إيطاليا تقريبًا شبكة (EATING) العالمية. في المجمل، ساهم في هذه الدراسة أكثر من 20 تلسكوبًا من جميع أنحاء العالم.

كما ساهمت التلسكوبات الراديوية في الصين في هذا المشروع، بما في ذلك تلسكوب تيانما الراديوي الصيني الذي يبلغ طوله 65 مترا بطبقه الضخم وحساسيته العالية للأطوال الموجية المليمترية. بالإضافة إلى ذلك، يعمل التلسكوب الراديوي البالغ طوله 26 مترًا في شينجيانغ على تحسين الدقة الزاوية لعمليات رصد EAVN. تعد البيانات عالية الجودة ذات الحساسية العالية والدقة الزاوية العالية ضرورية للحصول على هذا الإنجاز.

“سيعمل التلسكوب الراديوي Shigatse الذي يبلغ طوله 40 مترًا والموجود في مرصد شنغهاي الفلكي على تحسين قدرة التصوير لـ EAVN بالملليمتر. على وجه الخصوص، تمتلك هضبة التبت، حيث يقع التلسكوب، واحدة من أفضل ظروف الموقع لرصد الطول الموجي (دون) المليمتر. قال البروفيسور تشيتشيانغ شين، مدير مرصد شنغهاي الفلكي التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، إنه يلبي توقعاتنا لتعزيز المرافق المحلية للرصد الفلكي.

وبينما تسلط هذه الدراسة الضوء على العالم الغامض للثقوب السوداء الهائلة، فإنها تمثل أيضًا تحديات هائلة. لا تزال بنية القرص التراكمي والقيمة الدقيقة لدوران الثقب الأسود الهائل M87 غير مؤكدة إلى حد كبير. ويتوقع هذا العمل أيضًا أنه سيكون هناك المزيد من المصادر بهذا التكوين، مما يشكل تحديًا للعلماء لاكتشافها.

المرجع: “الفوهة النفاثة المتدفقة التي تتصل بثقب أسود دوار في M87” بقلم يوتشو كوي، كازوهيرو هادا، توموهيسا كاواشيما، موتوكي كينو، ويكانغ لين، يوسوكي ميزونو، هيونووك رو، ماركي هونما، كونوو يي، جينتاو يو، جونغهو بارك، وو جيانغ، تشيتشيانغ شين، إيفجينيا كرافشينكو، خوان كارلوس ألجابا، شياو بينج تشينج، إيلي تشو، غابرييل جيوفانيني، مارسيلو جيروليتي، تايهيون جونج، رو سين لو، كوتارو نينوما، جونجوان أوه، كين أوهسوجا، ساتوكو ساوادا ساتوه، بونج وون سون ، هيرويوكي آر تاكاهاشي، ميكو تاكامورا، فومي تازاكي، ساشا تريب، كيواكي واجيما، كازونوري أكياما، تاو آن، كييتشي أسادا، سلفاتوري بوتاتشيو، دو يونج بيون، لانج كوي، يوشياكي هاجيوارا، تومويا هيروتا، جيفري هودجسون، نوريوكي كاواجوتشي، جاي يونج كيم، سانج سونج لي، جي وون لي، جيونج أي لي، جوزيبي ماكافيري، أندريا ميليس، أليكسي ميلنيكوف، كارلو ميجوني، سي جين أوه، كويشيرو سوجياما، زويزهينج وانج، ينجكانج تشانغ، تشونغ تشن، جو يون هوانج، دونج كيو جونج، هيو ريونج كيم، جيونج سوك كيم، هيديوكي كوباياشي، بن لي، جوانجوي لي، زياوفي لي، زيونج ليو، تشينغهوي ليو، شيانغ ليو، تشونغ سيك أوه، تومواكي أوياما، دوك جيو روه ، جينكينج وانج، نا وانج، شيتشيانج وانج، بو شيا، هاو يان، جاي هوان يوم، يوشينوري يونيكورا، جيان بينغ يوان، هوا تشانغ، رونغ بينغ تشاو، ويي تشونغ، 27 سبتمبر 2023، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-023-06479-6