علماء الفيزياء الفلكية في برينستون يكشفون سر نفاثات الثقب الأسود و”السيوف الضوئية” المجرية

وقد قرر الآن فريق من علماء الفيزياء الفلكية في برينستون أنه قريب من تلك الطاقة الثقب الأسود يدفع M87* الجدل الدائر في هذا المجال إلى الخارج، وليس إلى الداخل.

شيء واحد يعرفه الجميع عن الثقوب السوداء هو أن كل شيء قريب منها يُمتص إليها.

بالكاد كل شيء، كما تبين.

يقول عالم الفيزياء الفلكية إليوت كوارترت، أستاذ تشارلز الشاب في علم الفلك بجامعة برينستون عام 1897: “أحد التنبؤات المذهلة للنظرية النسبية لأينشتاين هو أنه على الرغم من تعريف الثقوب السوداء على أنها أجسام لا يمكن لأي شيء الهروب منها، إلا أن الثقوب السوداء تفقد الطاقة في الواقع”. “يمكن أن تدور، وكما تتباطأ قمة الدوران مع مرور الوقت وتفقد تلك الطاقة في دورانها، فإن الثقب الأسود الدوار يمكن أن يفقد الطاقة إلى محيطه.”

لقد قبل العلماء هذا النموذج على نطاق واسع منذ السبعينيات. لقد كانوا يعلمون أن المجالات المغناطيسية يمكنها استخلاص الطاقة من الثقوب السوداء الدوارة، ولكنهم لم يعرفوا كيف.

قرر فريق من علماء الفيزياء الفلكية في جامعة برينستون أن الطاقة القريبة من أفق الحدث للثقب الأسود M87* تندفع إلى الخارج، وليس إلى الداخل. (M87 هو اسم المجرة، ميسييه 87، وبالتالي فإن الثقب الأسود الموجود في مركزها يسمى M87*.) وقال كواتيرت إن الباحثين طوروا أيضًا طريقة لاختبار التنبؤ بأن الثقوب السوداء تفقد الطاقة الدورانية. تلك الطاقة “تشهد تدفقات خارجية قوية بشكل لا يصدق نطلق عليها اسم النفاثات”.

رسوم متحركة توضح كيف يتحرك المجال المغناطيسي الذي يعبر أفق الحدث للثقب الأسود إلى الأعلى بينما يدور الثقب الأسود بسرعة. يقوم الثقب الأسود الذي يدور بسرعة بتدوير المجال المغناطيسي بسرعة كبيرة، مما يتسبب في فقدان الثقب الأسود المزيد من الطاقة إلى محيطه. الاستقطاب الخطي من الثقوب السوداء لاحظ فريق من علماء الفيزياء الفلكية في جامعة برينستون انحراف خطوط المجال المغناطيسي في الصور المأخوذة من تلسكوب أفق الحدث. الائتمان: فيديو لجورج وونغ، معهد الدراسات المتقدمة و جامعة برينستون

هذه الطائرات المستنفدة للطاقة “تشبه في الأساس مليون-سنة ضوئيةقال ألكساندرو لوبشاسكا، باحث ما بعد الدكتوراه السابق في جامعة برينستون، “سيوف جيدي الضوئية طويلة”، ويمكن أن تمتد لفترة أطول بعشر مرات. درب التبانة جالاكسي.

وقد تم نشر نتائج عملهم مؤخرا ال مجلة الفيزياء الفلكية. أندرو سيل، باحث مشارك في الفيزياء الفلكية، هو المؤلف الأول لهذه الورقة. هو والمؤلف المشارك جورج وونغ كلاهما عضوان تلسكوب أفق الحدث لعب دورًا رئيسيًا في تطوير النماذج المستخدمة لشرح المجموعة والثقوب السوداء. وقد انضم كل من تشايل، ووونغ، ولوبساسكا، وكواتايرت إلى المنظرين مبادرة برينستون للجاذبية.

ونسب الفريق الفضل إلى “سيل” في تقديم رؤية رئيسية في قلب الورقة الجديدة: إن الاتجاه الذي تدور فيه خطوط المجال المغناطيسي يكشف عن اتجاه تدفق الطاقة. وقال كوارترت من هناك “سقط الباقي في مكانه”.

جذب الثقب الأسود M87* (تشير النجمة إلى الثقب الأسود الموجود في مركز المجرة M87) انتباه العالم عندما تم اكتشافه لأول مرة بواسطة تلسكوب Event Horizon. منذ ذلك الحين، اكتشف علماء الفيزياء الفلكية في جامعة برينستون أن المجال المغناطيسي الملتوي حول الثقب الأسود يحدد الدوران الاستقطابي الملاحظ في صور الثقب الأسود. على وجه الخصوص، يحدد اتجاه تدفق الطاقة (من الثقب إلى الحقل أو العكس) كيفية انقلاب الاستقطاب. ومن خلال قياس الاتجاه الذي تسير فيه ملفات الاستقطاب، يمكن للمرء أن يستنتج ما إذا كان المجال المغناطيسي يستخرج طاقة الدوران من الثقب أو يحقن طاقة الدوران فيه. مصدر الصورة: نموذج من أندرو سيل، وجورج وونغ، وألكساندرو لوبشاسكا، وإليوت كوارترت، مبادرة برينستون للجاذبية

وقال وونغ: “إذا أخذت الأرض وحولتها كلها إلى مادة تي إن تي وفجرتها 1000 مرة في الثانية لملايين وملايين السنين، فهذه هي كمية الطاقة التي سنحصل عليها من M87”. عضو في مبادرة برينستون للجاذبية ومعهد الدراسات المتقدمة.

لقد عرف العلماء منذ عقود أنه عندما يبدأ الثقب الأسود في الدوران، فإنه يسحب الزمكان. يتم سحب خطوط المجال المغناطيسي التي تسحب عبر الثقب الأسود، مما يؤدي إلى إبطاء الدوران ويؤدي إلى إطلاق الطاقة.

قال لوبشاسكا، عالم أبحاث مشارك سابق: “توقعاتنا الجديدة والحادة هي أنه كلما نظرت إلى ثقب أسود فيزيائي فلكي مرتبط به خطوط مجال مغناطيسي، هناك نقل للطاقة – نقل مجنون حقًا للطاقة”. فاز برينستون، الذي يعمل الآن أستاذًا مساعدًا للفيزياء والرياضيات في جامعة فاندربيلت جائزة نيوهورايزن 2024 في الفيزياء من مؤسسة جائزة الاختراق لأبحاثه حول الثقب الأسود.

وقال الفريق إنه في حين أن تدفق الطاقة بالقرب من أفق الحدث لـ M87* يتدفق نحو الخارج، فمن الممكن أن يتدفق تدفق الطاقة نظريًا نحو الداخل إلى ثقب أسود مختلف. وهم واثقون من العلاقة بين تدفق الطاقة واتجاه خطوط المجال المغناطيسي، وسيتم اختبار توقعاتهم بأن تدفق الطاقة يأتي من الثقب الأسود بشكل نظري أكثر.الجيل القادم“تلسكوب أفق الحدث.

وقال وونغ إنه على مدى العام ونصف العام الماضيين، كان الباحثون في مجال الثقب الأسود حول العالم يقترحون مواصفات للأداة المستقبلية. “ستلعب الأبحاث المشابهة لأبحاثنا دورًا مهمًا في تحديد ما نحتاج إليه. أعتقد أن هذا وقت مثير للغاية.

وشدد الباحثون الأربعة في ورقتهم البحثية على أنهم لم يظهروا بشكل قاطع أن دوران الثقب الأسود “يحرك النفاثات خارج المجرة”. على الرغم من أن نموذجهم أظهر مستويات طاقة متوافقة مع تلك المطلوبة للطائرات النفاثة، إلا أنهم لم يتمكنوا من استبعاد احتمال أن تكون الطائرة مدفوعة بالدوران. بلازما خارج الثقب الأسود. وقال لوبشاسكا: “أعتقد أنه من الممكن جدًا أن يقود الثقب الأسود طائرة، لكننا لا نستطيع إثبات ذلك”. “ما زال.”

ملحوظة: أندرو سيل، ألكسندر لوبشاسكا، جورج ن. وونغ وإليوت كوارتر، 14 نوفمبر 2023، “قياس استقطاب الثقب الأسود I. توقيع لاستخراج الطاقة الكهرومغناطيسية” مجلة الفيزياء الفلكية.
دوى: 10.3847/1538-4357/acf92d

تم دعم هذا البحث من قبل مبادرة برينستون للجاذبية، وزمالة تابلين، والمؤسسة الوطنية للعلوم (منحة رقم 2307888)، وجائزة محقق مؤسسة سيمونز.