انطباع فنان عن النظام الثنائي VTFS 243. الائتمان: ESOL. كالسادا CC BY 4.0

يساعد علماء الفيزياء الفلكية في جامعة كوبنهاغن في تفسير ظاهرة غامضة تتمثل في اختفاء النجوم فجأة من سماء الليل. وقد أسفرت دراستهم لنظام نجمي ثنائي غير عادي عن دليل قاطع على أن النجوم الضخمة يمكن أن تنهار بالكامل إلى ثقوب سوداء دون انفجار سوبر نوفا.

يومًا ما، سيتوسع النجم الموجود في مركز نظامنا الشمسي، الشمس، حتى يبتلع الأرض. ويصبح غير مستقر بشكل متزايد حتى ينهار في النهاية إلى جسم أصغر وأكثر كثافة قزم ابيض.

ومع ذلك، إذا كانت كتلة الشمس تبلغ حوالي ثمانية أضعاف كتلتها أو أكثر، فسوف تنفجر بانفجار ضخم – مستعر أعظم. ويبلغ انهياره ذروته بانفجار، مما يؤدي إلى قذف الطاقة والكتلة بقوة هائلة إلى الفضاء. النجم النيوتروني أو ثقب أسود في أعقابه.

في حين أن هذا يعد فهمًا أساسيًا لكيفية موت النجوم الضخمة، إلا أن هناك الكثير مما يجب فهمه حول المجرات أعلاه والموت المذهل لهذه النجوم على وجه الخصوص.

يقع النظام النجمي الثنائي VFTS 243 في “سحابة ماجلان الكبرى”، وهي مجرة ​​قزمة على محيط درب التبانة. سحابات ماجلان هي مجرات تابعة لمجرة درب التبانة. هذه المجرات القزمة التي تدور حول مركز المجرة لا يمكن رؤيتها إلا من نصف الكرة الجنوبي. هنا، يمكن رؤيتها فوق التلسكوبات الفرعية للتلسكوب الكبير جدًا (VLT) التابع للمرصد الأوروبي الجنوبي في بارانال، تشيلي. الائتمان: جي سي مونيوز / ESO

يقدم بحث جديد أجراه علماء الفيزياء الفلكية في معهد نيلز بور بجامعة كوبنهاجن أقوى دليل حتى الآن على أن النجوم الضخمة جدًا يمكن أن تستسلم بشكل أكثر خلسة وسرية من المستعرات الأعظم. في الواقع، تشير دراستهم إلى أن جاذبية النجم يمكن أن تكون قوية جدًا بحيث لا يحدث أي انفجار بمجرد موته. وبدلا من ذلك، يمكن للنجم أن يمر بما يسمى الانهيار الكامل.

“نحن نعتقد أن نواة النجم يمكن أن تنهار تحت ثقله، كما يحدث للنجوم الضخمة في المراحل الأخيرة من حياتها. ولكن بدلا من أن تنتهي بانفجار سوبر نوفا لامع، أكثر سطوعا من مجرتها ومتوقع للنجوم ثماني مرات بحجم الشمس، يستمر الانهيار حتى يصبح نجماً. الثقب الأسود“يشرح المؤلف الأول أليخاندرو فيجنا-جوميز، الذي كان باحثًا في مرحلة ما بعد الدكتوراه في معهد نيلز بور عندما أجريت الدراسة.

حقائق وأساطير: النجوم الباهتة

وفي العصر الحديث هناك العديد من الملاحظات النجوم التي تختفي لسبب غير مفهوم.

“”استطلاع لا شيء”” ومن الأمثلة على ذلك الجهود البحثية التي يقودها عالم الفيزياء الفلكية كريس كوزانيك، والتي تسعى بنشاط للحصول على تفسيرات لاختفاء النجوم واختفائها.

يمكن للقارئ المهتم أيضًا استكشاف الأوصاف التاريخية. غالبًا ما ترتبط هذه بالنجوم التي تومض فجأة، وهو ما يتزامن مع عروض المستعرات الأعظم. لكن هناك قصص أخرى عن نجوم تختفي فجأة، مثل الأسطورة اليونانية المرتبطة بكوكبة الثريا، المعروفة باسم الأخوات السبع. تصف أسطورة الثريا البنات السبع لتيتان أطلس والحورية بليون. وفقًا للأسطورة، تزوجت إحدى بناتهم من رجل واختبأت، وهو ما يعطي تفسيرًا غير علمي للغاية، ولكنه جميل لسبب رؤيتنا لذلك. ستة نجوم في الثريا.

ويرتبط هذا الاكتشاف بظاهرة اختفاء النجوم، التي أثارت اهتمام علماء الفلك في السنوات الأخيرة، ويعتبر مثالا واضحا وربما يقدم تفسيرا علميا معقولا لهذا النوع من الظواهر.

“إذا نظر المرء إلى نجم مرئي يمر عبر انحراف كلي، فسيكون كما لو أن نجمًا انطفأ فجأة واختفى من السماء في الوقت المناسب. كان الانهيار كاملاً لدرجة أنه لم يحدث أي انفجار، ولم يهرب أي شيء، ولا يمكن رؤية مستعر أعظم ساطع في سماء الليل. وقد لاحظ علماء الفلك بالفعل الاختفاء المفاجئ للنجوم الساطعة في الآونة الأخيرة. “لا يمكننا التأكد من وجود اتصال، ولكن النتائج التي حصلنا عليها من خلال تحليل VFTS 243 تقربنا جدًا من تفسير موثوق به”، كما يقول أليخاندرو فيجنا-جوميز.

عرض تلسكوب الفضاء الإلكتروني لسديم الرتيلاء، حيث يقع VTFS 243. مصدر الصورة: ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الكندية، وSTScI

نظام نجمي غير عادي بدون أي علامات انفجار

كان هذا الاكتشاف مدفوعًا بملاحظة حديثة لنظام نجمي ثنائي غير عادي على حافة مجرتنا يسمى VFTS 243. هنا، يوجد نجم فائق الكتلة وثقب أسود تبلغ كتلته حوالي 10 أضعاف كتلة شمسنا.

ويدرك العلماء وجود مثل هذه الأنظمة النجمية الثنائية درب التبانة وعلى مدى عقود، تحول أحد النجوم إلى ثقب أسود. لكن الاكتشاف الأخير لـ VFTS 243 خارج مجرة ​​درب التبانة في سحابة ماجلان الكبرى يعد أمرًا مميزًا حقًا.

حقائق: الثقوب السوداء

حتى الضوء لا يستطيع الإفلات من الثقوب السوداء. وبالتالي، لا يمكن ملاحظتها بشكل مباشر. ومع ذلك، يمكن التعرف على بعض الثقوب السوداء بسبب كمية الطاقة الكبيرة المنبعثة من الغازات التي تدور حولها. ويمكن ملاحظة البعض الآخر، كما في حالة VFTS 243، من خلال تأثيرها على النجوم التي تدور حولها.

بشكل عام، يعتقد علماء الفلك أن هناك ثلاثة أنواع من الثقوب السوداء:

تتشكل الثقوب السوداء النجمية – مثل نظام VFTS 243 – عندما تنهار النجوم التي تزيد كتلتها عن ثمانية أضعاف كتلة الشمس. ويعتقد العلماء أنه قد يكون هناك 100 مليون منها في مجرتنا وحدها.

يُعتقد أن الثقوب السوداء الهائلة – التي تتراوح كتلتها ما بين 100 ألف إلى 10 مليار مرة كتلة الشمس – موجودة في مركز جميع المجرات تقريبًا. القوس A* هو الثقب الأسود الهائل الموجود في مركز مجرتنا، درب التبانة.

الثقوب السوداء متوسطة الكتلة (IMBH) – التي تتراوح كتلتها ما بين 100 إلى 100 ألف مرة كتلة شمسنا – هي الحلقة المفقودة منذ فترة طويلة. وفي السنوات الأخيرة، ظهر العديد من المرشحين الجديرين بالثقة.

هناك أيضًا نظريات تصف أنواعًا أخرى من الثقوب السوداء التي لم يتم اكتشافها بعد. أحد هذه الثقوب، ما يسمى بالثقوب السوداء البدائية، ربما تكون قد تشكلت في بداية الكون ويمكن نظريًا أن تكون مجهرية.

“عادة، يمكن قياس أحداث المستعرات الأعظم في الأنظمة النجمية بطرق مختلفة بعد حدوثها. ولكن على الرغم من أن VFTS 243 يحتوي على نجم انهار إلى ثقب أسود، إلا أنه لا توجد آثار لانفجار في أي مكان. VFTS 243 هو نظام غير عادي. يقول أليخاندرو فيجنا-جوميز: “لم يتغير مدار النظام إلا بالكاد منذ انهيار النجم في الثقب الأسود”.

وقام الباحثون بتحليل بيانات الرصد للعديد من العلامات المتوقعة من نظام نجمي تعرض لانفجار سوبر نوفا في الماضي. وبشكل عام، لم يجدوا سوى أدلة قليلة وغير موثوقة على مثل هذا الحدث.

لا يُظهر النظام أي علامة على وجود “ركلة ولادة” كبيرة، أي تسارع الأجسام التي تدور حولها. إنه متماثل للغاية، دائري تمامًا تقريبًا في مداره، وتشير العلامات المتبقية من مخرجات الطاقة أثناء الانهيار الأساسي للنجم السابق إلى نوع من الطاقة يتوافق مع الانهيار الكامل.

يقول البروفيسور إيرين تامبورا من معهد نيلز بور، الذي شارك في الدراسة: “يشير تحليلنا بشكل لا لبس فيه إلى أن الثقب الأسود في VFTS 243 تشكل على الفور، مع فقدان الطاقة بشكل رئيسي من خلال النيوترينوات”.

نظام مرجعي للدراسات المستقبلية

ووفقا للبروفيسور تامبورا، فإن نظام VFTS 243 يفتح إمكانية مقارنة النظريات الفيزيائية الفلكية والحسابات النموذجية مع الملاحظات الفعلية. ويتوقع أن يكون النظام النجمي مهمًا لدراسة تطور المجرات وانهيارها.

“نتائجنا تسلط الضوء على VFTS 243 كأفضل حالة يمكن ملاحظتها لنظرية الانهيار الكلي للثقوب السوداء النجمية حيث تفشل انفجارات المستعرات الأعظم وتظهر أن نماذجنا قابلة للتطبيق. وهذا اختبار واقعي مهم لهذه النماذج. وهذا النظام هو معيار مهم لـ يقول البروفيسور: “إن الأبحاث المستقبلية حول تطور النجوم وانهيارها، نتوقع بالتأكيد أن تنجح”.

معلومات إضافية: “ركلة الولادة” المفقودة وغيرها من العلامات (غير الموجودة) للمستعر الأعظم

لا “ركلة الولادة”.

تؤثر القوى العنيفة للمستعر الأعظم بشكل مباشر على النجوم النيوترونية حديثة الولادة أو الثقوب السوداء بسبب الانبعاث غير المتماثل للمواد أثناء الانفجار. وهذا ما يشير إليه الباحثون باسم “ركلة الولادة”. تعمل هذه الركلة على تسريع المواد المدمجة. تبلغ سرعة ركلة الولادة عادة 100-1000 كم/ثانية للنجوم النيوترونية. بالنسبة للثقوب السوداء، من المتوقع أن تكون السرعات أبطأ، لكنها لا تزال كبيرة.

وبما أن الثقب الأسود في نظام VFTS 243 يبدو أنه قد تسارع فقط إلى حوالي 4 كم/ثانية، فإنه لا يظهر أي علامة على وجود ركلة ولادة كبيرة إذا تعرض لمستعر أعظم.

وبالمثل، فإن تناظر مدار النظام النجمي يُظهر عادةً علامات الشعور بتأثير انفجار مستعر أعظم عنيف بسبب قذف المواد التي تحدث. وبدلا من ذلك، وجد الباحثون التماثل.

يقول أليخاندرو فيجنا غوميز: “يشير تحليلنا إلى أن مدار VFTS دائري تقريبًا ولا توجد علامات على عدم تناسق كبير أثناء الانهيار. وهذا يشير إلى عدم وجود ثوران مرة أخرى”.

انفجار من الطاقة

ومن خلال تحليل مدار النظام النجمي الثنائي، تمكن الفريق أيضًا من حساب كمية الكتلة والطاقة المنبعثة عند تشكل الثقب الأسود.

وتشير تقديراتهم إلى أن الركلة الصغيرة التي انبعثت أثناء انهيار النجوم لم تكن ناجمة عن المادة الباريونية، بل تتكون من النيوترونات والبروتونات، والتي تسمى النيوترينوات. النيوترينوات لها كتلة منخفضة جدًا وتتفاعل بشكل ضعيف جدًا. علامة أخرى على أن النظام لا يتعرض للانفجار.

المرجع: أليخاندرو فيجنا-جوميز، رينهولد ويلكوكس، إيرين تامبورا، إيليا ماندل، ماتيو رينزو، توم واك، هانز توماس زانكا، جوليا كريستين، جوليا كريستين، “القيود على ركلات النيوترينو الطبيعية من الثقب الأسود الثنائي VFTS 243” وتوماس إم . دارس، 9 مايو 2024، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/PhysRevLett.132.191403

ساهم في البحث الباحثون التالية أسماؤهم:

أليخاندرو فيجنا-جوميز، إيرين تامبورا، هانز توماس زانكا، دانييل كريسي، رينهولد ويلكوكس، إيليا ماندل، ماتيو رينزو، توم ووك، جوليا بودنشتاينر، تومار شينار، توماس إم. داريس

وينتمي الباحثون إلى العديد من المعاهد البحثية:

• معهد نيلز بور، جامعة كوبنهاغن – الأكاديمية الدولية ودارك
• معهد ماكس بلانك للفيزياء الفلكية، جارشينج، ألمانيا
• المعهد الفلكي، KU لوفين، لوفين، بلجيكا
• كلية الفيزياء وعلم الفلك، جامعة موناش، كلايتون، أستراليا
• مركز التميز التابع لـ ARC لاكتشاف موجات الجاذبية – أوزغراف، أستراليا
• مركز الفيزياء الفلكية الحاسوبية، معهد فلاتيرون، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية
• مختبر ستيوارت، جامعة أريزونا، توكسون، الولايات المتحدة الأمريكية
• قسم علم الفلك، جامعة واشنطنسياتل، الولايات المتحدة الأمريكية
• جامعة ميونيخ التقنية، كلية TUM للعلوم الطبيعية، قسم الفيزياء، جارشينج، ألمانيا
• المرصد الأوروبي الجنوبي، كارشينج، ألمانيا
• كلية الفيزياء وعلم الفلك، جامعة تل أبيب، تل أبيب، إسرائيل
• جامعة ألبورج، ألبورج، الدنمارك