العملاق النائم يفاجئ علماء غايا

المادة الموجودة في الثقب الأسود كثيفة جدًا بحيث لا يمكن لأي شيء الهروب من جاذبيتها الهائلة، ولا حتى الضوء. الغالبية العظمى من الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية التي نعرفها تلتهم المادة من نجم رفيق قريب. تسقط المادة التي تم التقاطها على الجسم المنهار بسرعة عالية، وتصبح ساخنة للغاية وتطلق الأشعة السينية. تنتمي هذه الأنظمة إلى عائلة من الأجرام السماوية تسمى ثنائيات الأشعة السينية.

عندما لا يكون للثقب الأسود رفيق قريب بدرجة كافية لسرقة المادة منه، فإنه لا يولد أي ضوء ويصعب للغاية اكتشافه. وتسمى هذه الثقوب السوداء “خاملة”.

للتحضير لإصدار كتالوج Gaia التالي، إصدار البيانات 4 (DR4)، يقوم العلماء بفحص حركات مليارات النجوم وإجراء اختبارات معقدة لمعرفة ما إذا كان هناك أي شيء خارج عن المألوف. يمكن أن تتأثر حركات النجوم بالرفاق: النجوم الخفيفة، مثل الكواكب الخارجية؛ أثقل مثل النجوم. أو ثقيلة جدًا، مثل الثقوب السوداء. توجد فرق مخصصة في Gaia Collaboration للتحقيق في أي حالات “غريبة”.

كان أحد هذه الفرق منخرطًا بعمق في هذا العمل، عندما وقع انتباههم على نجم عملاق قديم في كوكبة العقاب، على مسافة 1926 سنة ضوئية من الأرض. ومن خلال التحليل التفصيلي للتذبذب في مسار النجم، وجدوا مفاجأة كبيرة. وكان النجم محصورا في حركة مدارية مع ثقب أسود خامل ذو كتلة عالية بشكل استثنائي، حوالي 33 مرة كتلة الشمس.

هذا هو الثقب الأسود الخامل الثالث الذي تم العثور عليه مع جايا، وقد أُطلق عليه اسم “Gaia BH3”. اكتشافه مثير للغاية بسبب كتلة الجسم. “هذا هو نوع الاكتشاف الذي تقوم به مرة واحدة في حياتك البحثية”، هكذا صرّح باسكوال بانوزو من المركز الوطني للأبحاث العلمية، مرصد باريس، في فرنسا، وهو المؤلف الرئيسي لهذه النتيجة. “حتى الآن، لم يتم اكتشاف ثقوب سوداء بهذا الحجم في المجرات البعيدة إلا من خلال التعاون بين LIGO-Virgo-KAGRA، وذلك بفضل ملاحظات موجات الجاذبية.”

يبلغ متوسط ​​كتلة الثقوب السوداء المعروفة ذات الأصل النجمي في مجرتنا حوالي 10 أضعاف كتلة شمسنا. حتى الآن، تم تسجيل الرقم القياسي للوزن بواسطة ثقب أسود في ثنائي الأشعة السينية في كوكبة الدجاجة (Cyg X-1)، والذي تقدر كتلته بنحو 20 مرة ضعف كتلة الشمس.

تقول البروفيسور كارول مونديل، مديرة العلوم في وكالة الفضاء الأوروبية: “من المثير للإعجاب أن نرى التأثير التحويلي الذي تحدثه جايا على علم الفلك والفيزياء الفلكية”. “إن اكتشافاتها تصل إلى ما هو أبعد من الهدف الأصلي للمهمة، وهو إنشاء خريطة دقيقة للغاية ومتعددة الأبعاد لأكثر من مليار نجم في جميع أنحاء درب التبانة.”

دقة لا مثيل لها

إن الجودة الرائعة لبيانات غايا مكنت العلماء من تحديد كتلة الثقب الأسود بدقة لا مثيل لها وتقديم الدليل الأكثر مباشرة على وجود ثقوب سوداء في هذا النطاق من الكتلة.

يواجه علماء الفلك السؤال الملح المتمثل في تفسير أصل الثقوب السوداء الكبيرة مثل Gaia BH3. إن فهمنا الحالي لكيفية تطور النجوم الضخمة وموتها لا يفسر على الفور كيف ظهرت هذه الأنواع من الثقوب السوداء.

تتنبأ معظم النظريات بأن النجوم الضخمة، مع تقدمها في السن، تتخلص من جزء كبير من مادتها من خلال الرياح القوية؛ في النهاية، يتم نفخها جزئيًا في الفضاء عندما تنفجر على شكل مستعرات أعظم. ما تبقى من جوهرها ينكمش ليصبح إما نجمًا نيوترونيًا أو ثقبًا أسود، اعتمادًا على كتلته. من الصعب جدًا تفسير النوى الكبيرة بما يكفي لتتحول إلى ثقوب سوداء تبلغ كتلتها 30 مرة كتلة شمسنا.

ومع ذلك، قد يكون مفتاح حل هذا اللغز قريبًا جدًا من Gaia BH3.

رفيق مثير للاهتمام

النجم الذي يدور حول Gaia BH3 على بعد حوالي 16 مرة من المسافة بين الشمس والأرض غير شائع إلى حد ما: نجم عملاق قديم، تشكل في أول ملياري سنة بعد الانفجار الكبير، في الوقت الذي بدأت فيه مجرتنا بالتجمع. وهو ينتمي إلى عائلة الهالة النجمية المجرية ويتحرك في الاتجاه المعاكس لنجوم قرص المجرة. يشير مساره إلى أن هذا النجم ربما كان جزءًا من مجرة ​​صغيرة، أو مجموعة كروية، اجتاحتها مجرتنا منذ أكثر من ثمانية مليارات سنة.

يحتوي النجم المرافق على عدد قليل جدًا من العناصر الأثقل من الهيدروجين والهيليوم، مما يشير إلى أن النجم الضخم الذي أصبح Gaia BH3 قد يكون أيضًا فقيرًا جدًا في العناصر الثقيلة. هذا أمر رائع. وهو يدعم، لأول مرة، النظرية القائلة بأن الثقوب السوداء عالية الكتلة التي تم رصدها من خلال تجارب موجات الجاذبية نتجت عن انهيار نجوم بدائية ضخمة فقيرة في العناصر الثقيلة. ربما تطورت هذه النجوم المبكرة بشكل مختلف عن النجوم الضخمة التي نراها حاليًا في مجرتنا.

يمكن لتكوين النجم المرافق أيضًا أن يسلط الضوء على آلية تكوين هذا النظام الثنائي المذهل. “ما يذهلني هو أن التركيب الكيميائي للرفيق يشبه ما نجده في النجوم القديمة الفقيرة بالمعادن في المجرة”، تشرح إليزابيتا كافاو من CNRS، مرصد باريس، وهي أيضًا عضو في تعاون غايا.

“لا يوجد دليل على أن هذا النجم كان ملوثًا بالمواد التي قذفها انفجار المستعر الأعظم للنجم الضخم الذي أصبح BH3.” قد يشير هذا إلى أن الثقب الأسود لم يكتسب رفيقه إلا بعد ولادته، حيث استحوذ عليه من نظام آخر.

مقبلات لذيذة

إن اكتشاف Gaia BH3 هو مجرد البداية وما زال هناك الكثير مما يجب التحقيق فيه حول طبيعته المحيرة. والآن بعد أن أثار فضول العلماء، سيكون هذا الثقب الأسود ومرافقه بلا شك موضوعًا للعديد من الدراسات المتعمقة القادمة.

عثر فريق Gaia على هذا “العملاق النائم” أثناء فحص البيانات الأولية استعدادًا للإصدار الرابع من كتالوج Gaia. ولأن النتيجة استثنائية للغاية فقد قرروا الإعلان عنها قبل الإصدار الرسمي.

يعد الإصدار التالي من بيانات Gaia بأن يكون منجم ذهب لدراسة الأنظمة الثنائية واكتشاف المزيد من الثقوب السوداء الخاملة في مجرتنا. ويخلص بيري هول من جامعة جنيف بسويسرا إلى القول: “لقد عملنا بجد كبير لتحسين الطريقة التي نعالج بها مجموعات بيانات محددة مقارنة بإصدار البيانات السابق (DR3)، لذلك نتوقع اكتشاف المزيد من الثقوب السوداء في DR4”. عضو في تعاون غايا.

ملاحظات للمحررين

“اكتشاف ثقب أسود خامل كتلته 33 كتلة شمسية في قياس غايا الفلكي السابق للإصدار” بواسطة Gaia Collaboration، P. Panuzzo، وآخرون. يتم نشرها اليوم في المجلة علم الفلك والفيزياء الفلكية (أ&أ).

جايا هي مهمة أوروبية، تم بناؤها وتشغيلها من قبل وكالة الفضاء الأوروبية. تمت الموافقة عليها في عام 2000 كمهمة أساسية لوكالة الفضاء الأوروبية ضمن البرنامج العلمي Horizon 2000 Plus التابع لوكالة الفضاء الأوروبية، بدعم من جميع الدول الأعضاء في وكالة الفضاء الأوروبية. تلعب الدول الأعضاء أيضًا دورًا رئيسيًا في الجزء العلمي من المهمة كجزء من اتحاد معالجة البيانات وتحليلها (DPAC) المسؤول عن تحويل البيانات الأولية في المنتجات العلمية لإصدارات بيانات Gaia، بالتعاون مع وكالة الفضاء الأوروبية. يجمع DPAC أكثر من 450 متخصصًا من جميع أنحاء المجتمع العلمي في أوروبا. تم تصميم وبناء جايا من قبل شركة أستريوم (المعروفة الآن باسم إيرباص للدفاع والفضاء)، مع فريق أساسي يتكون من أستريوم فرنسا وألمانيا والمملكة المتحدة. وضم الفريق الصناعي 50 شركة من 15 دولة أوروبية، إلى جانب شركات من الولايات المتحدة. تم إطلاق المركبة الفضائية بواسطة Arianespace في 19 ديسمبر 2013.

قائمة بأسماء الباحثين المشاركين ودور الدول الأعضاء في وكالة الفضاء الأوروبية متاحة لوسائل الإعلام هنا [PDF].

مزيد من المعلومات حول هذا الاكتشاف