ربما يستهلك الثقب الأسود الموجود في مركز درب التبانة طاقته الدورانية لتشغيل الأشعة الكونية

الملخص:

يختبئ في وسط مجرة ​​درب التبانة ثقب أسود هائل تبلغ كتلته نحو 4 ملايين ضعف كتلة الشمس - برج القوس أ*. على الرغم من أنه يبعد حوالي 26000 سنة ضوئية عن الأرض وأن نشاطه الإجمالي الحالي هادئ نسبيًا، إلا أنه قد يكون لديه طريقة مدهشة لإطلاق الطاقة: من خلال التضحية بطاقته الدورانية، فإنه يسرع الجسيمات المحيطة به إلى طاقات عالية للغاية ويوفر الطاقة لبعض الأشعة الكونية في درب التبانة.

في 17 أكتوبر 2026، نشرت مجلة SciTechDaily أحدث دراسة نظرية حول هذه الآلية. يقترح الباحثون أن برج القوس A* قد ينقل طاقة دوران الثقب الأسود إلى البروتونات من خلال آلية تسمى "عملية بنروز المغناطيسية"، مما يسمح لهذه الجسيمات بالوصول إلى مستويات طاقة تصل إلى عدة بيتا إلكترون فولت (PeV). تدعم نتائج البحث أيضًا الفرضية القائلة بأن القوس A* قد يكون معجلًا طبيعيًا للجسيمات عالية الطاقة في درب التبانة.

تم إصدار الدراسة كطبعة أولية في 2 سبتمبر 2026، بعنوان "Sagittarius A* as a Galactic Electron Voltaic Particle Accelerator: Multi-messenger Properties of the Magnet Penrose Process." ومن خلال النمذجة النظرية، قام فريق البحث بتحليل كيفية اكتساب الجسيمات القريبة من الثقب الأسود طاقة عالية للغاية، وما هي الإشارات التي قد تتركها هذه العملية وراءها والتي يمكن تحديدها من خلال الملاحظات الفلكية. وفي الوقت الحاضر، لا يزال هذا تفسيرًا نظريًا يحتاج إلى اختبار بالملاحظة، ولا يعني أن العلماء أكدوا أن الثقب الأسود الموجود في مركز درب التبانة يتسارع الأشعة الكونية بهذه الطريقة.

الأشعة الكونية هي جسيمات عالية الطاقة تنتقل عبر الفضاء بسرعات عالية للغاية، بما في ذلك البروتونات والنوى الذرية وعدد صغير من الإلكترونات. نطاق طاقتها واسع للغاية، وبعض الأشعة الكونية تحمل طاقات تتجاوز بكثير ما يمكن للبشر تحقيقه باستخدام مسرعات الجسيمات الموجودة. لقد حاول العلماء منذ فترة طويلة معرفة مصدر هذه الجسيمات وما هي الآلية التي تستخدمها الطبيعة لتسريعها إلى مثل هذه الطاقات المذهلة.

على الأرض، يستخدم البشر مسرعات الجسيمات الكبيرة لزيادة طاقة الجسيمات المشحونة تدريجيًا من خلال المجالات الكهربائية. لكن في الكون، قد تصبح بقايا المستعرات الأعظم ورياح النجوم النابضة والبيئات القاسية المحيطة بالثقوب السوداء مسرعات طبيعية للجسيمات. ويشكل مركز مجرة ​​درب التبانة مصدر قلق خاص لأنه يحتوي على ثقوب سوداء هائلة، وكميات كبيرة من الغاز، ومجالات مغناطيسية قوية، وبيئة إشعاعية معقدة عالية الطاقة.

يقدر الباحثون أن البروتونات القريبة من القوس A* قد تتسارع إلى طاقات تصل إلى عدة بيتا إلكترون فولت. واحد بيتا إلكترون فولت يعادل 1000 تريليون إلكترون فولت، أو 10¹⁵ إلكترون فولت. يتجاوز مستوى الطاقة هذا بكثير طاقة بروتون واحد يتم الوصول إليه عن طريق تصادم البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير. لذلك، إذا كانت الآلية ذات الصلة موجودة بالفعل، فقد يصبح القوس A* أحد المصادر المهمة للجسيمات عالية الطاقة في درب التبانة.

هذا النوع من الأجرام السماوية الذي يمكنه تسريع البروتونات إلى مستوى طاقة الإلكترون فولت يسمى "PeVatron"، وهو معجل جسيمات لمستوى طاقة الإلكترون فولت. وقد لاحظ علماء الفلك أشعة غاما عالية الطاقة في مركز مجرة ​​درب التبانة، ولكن ما إذا كانت هذه الإشعاعات تأتي من تسارع الجسيمات بالقرب من الثقب الأسود أو من تفاعل الأجرام السماوية الأخرى مع الأشعة الكونية واسعة النطاق لا يزال مثيرا للجدل.

في العادة، يأتي الإشعاع الساطع حول الثقب الأسود بشكل أساسي من المواد التي سقطت في الثقب الأسود قبل سقوطه. يتجمع الغاز وينضغط ويسخن تحت تأثير جاذبية الثقب الأسود، مشكلًا تدفقًا متراكمًا عالي الحرارة أو قرصًا متراكمًا، وتطلق المادة كمية كبيرة من الطاقة قبل عبور أفق الحدث أخيرًا.

لكن الثقوب السوداء نفسها لا تبتلع الطاقة فحسب. بالنسبة للثقوب السوداء الدوارة، يمكن أيضًا استخراج الطاقة التي يحملها دورانها تحت ظروف معينة. وهذه الآلية هي التي تستخدم الطاقة الدورانية للثقوب السوداء بشكل مباشر، وهو ما يركز عليه الباحثون هذه المرة.

يمكن إرجاع هذه النظرية إلى عملية بنروز التي اقترحها الفيزيائي روجر بنروز في عام 1969. ووفقا للنسبية العامة، هناك منطقة تسمى "الإرغوسفير" حول ثقب أسود دوار. هنا، يسحب دوران الثقب الأسود الزمكان المحيط به بقوة بحيث لا يمكن للأجسام أن تظل ثابتة بالنسبة لراصد بعيد، بل يجب أن تتحرك في اتجاه دوران الثقب الأسود.

في ظل ظروف معينة، إذا دخلت الجسيمات إلى طبقة الطاقة وخضعت لعمليات انقسام مناسبة، فمن الممكن أن يسقط بعضها في الثقب الأسود حاملا طاقة سلبية محددة بالنسبة إلى اللانهاية، بينما يمكن للجزء الآخر الهروب بطاقة أكبر من الجسيمات الأصلية. الطاقة الإضافية التي تكتسبها الجسيمات الهاربة تأتي من الطاقة الدورانية للثقب الأسود نفسه.

فكر في الأمر على أنه استخراج طاقة ميكانيكية من آلة تدور بسرعة: تكتسب الجسيمات الهاربة طاقة إضافية، في حين تنخفض طاقة دوران الثقب الأسود وفقًا لذلك. و"استهلاك طاقته الذاتية" المذكور هنا لا يعني أن الثقب الأسود يحترق كالوقود، بل أن طاقته الدورانية تنتقل إلى جزيئات خارجية.

ودرس الباحثون كذلك دور المجالات المغناطيسية في هذه العملية. تستخدم عملية بنروز المغناطيسية المجال المغناطيسي حول الثقب الأسود لتغيير حركة وتوزيع الطاقة للجسيمات المشحونة، بحيث يمكن نقل الطاقة الدورانية للثقب الأسود بشكل أكثر فعالية إلى الجسيمات المشحونة مثل البروتونات.

في النموذج المقترح في هذه الدراسة، يبدأ الرابط الرئيسي بالتفاعلات النووية في الغاز الساخن المحيط بالثقب الأسود. يمكن لبعض التفاعلات النووية إنتاج النيوترونات. بعد دخول هذه النيوترونات إلى طبقة الطاقة للثقب الأسود، قد تخضع للتحلل الإشعاعي، منتجة البروتونات والإلكترونات والنيوترينوات المضادة.

النيوترونات نفسها غير مشحونة، وبالتالي لا تتأثر بشكل مباشر بقوة لورنتز للمجال المغناطيسي مثل البروتونات. لكن البروتونات المنتجة بعد اضمحلال النيوترونات لها شحنة كهربائية ويمكن أن تتفاعل مع المجال المغناطيسي المحيط. ويعتقد الباحثون أنه في ظل الظروف المناسبة، يمكن لهذه البروتونات أن تكتسب الطاقة من دوران الثقب الأسود ثم تهرب بعد ذلك إلى الفضاء بين النجوم.

لا تتطلب هذه الآلية أن يكون الثقب الأسود نشطًا للغاية. يعتبر نشاط التراكم الحالي لـ Sagittarius A* ضعيفًا نسبيًا، لكنه لا يزال يتمتع بكتلة ضخمة وطاقة دورانية كبيرة محتملة. وطالما أن البيئة المحيطة تتمتع بالمجال المغناطيسي المناسب، وظروف توليد الجسيمات والهندسة، فإن عملية استخراج الطاقة ممكنة.

ومع ذلك، فإن إمكانية تطبيق النموذج على المركز الحقيقي لمجرة درب التبانة لا يزال يعتمد على عدد من العوامل التي لم يتم تحديدها بشكل كامل بعد، بما في ذلك قوة المجال المغناطيسي حول الثقب الأسود، ومعدل إنتاج الجسيمات، وحالة دوران الثقب الأسود، والخسائر المختلفة التي تتكبدها الجسيمات عالية الطاقة أثناء هروبها.

إذا هربت البروتونات عالية الطاقة من المنطقة المجاورة للثقب الأسود، فقد تصطدم بالغاز الكثيف الموجود في مركز مجرة ​​درب التبانة أثناء انتشارها إلى الخارج، منتجة أشعة جاما عالية الطاقة والنيوترينوات. توفر هذه الجسيمات الثانوية للعلماء طريقة مهمة لاختبار النظريات.

أشعة جاما هي إشعاع كهرومغناطيسي عالي الطاقة للغاية وغير مشحون، لذلك عند مرورها عبر الفضاء بين النجوم، لا يتم إعادة توجيهها بشكل جذري بواسطة المجالات المغناطيسية مثل الجسيمات المشحونة في الأشعة الكونية. غالبًا ما يساعد اتجاه انتشارها علماء الفلك على تتبع الإشعاع وصولاً إلى مصدره. في المقابل، تتأثر البروتونات الموجودة في الأشعة الكونية بالمجالات المغناطيسية بين النجوم ويمكن أن تنحني مساراتها بشكل كبير، مما يجعل من الصعب تحديد مكان تسارعها في البداية مباشرةً من الاتجاه الذي وصلت فيه إلى الأرض.

قام فريق البحث بحساب طيف طاقة أشعة جاما الذي يمكن أن تنتجه عملية بنروز المغناطيسية وقارن نتائج النموذج بالملاحظات الموجودة. ويعتقد الباحثون أن الإشعاع الناتج عن هذه الآلية قد يساهم في بعض الإشارات في عمليات رصد أشعة جاما عالية الطاقة، بما في ذلك تلك التي اكتشفها نظام التلسكوب المجسم عالي الطاقة H.E.S.S. ومرصد شيرينكوف لأشعة جاما للمياه على ارتفاعات عالية (HAWC).

إذا كان من الممكن قياس ميزات طيف الطاقة التي تنبأت بها النماذج النظرية المختلفة بشكل أكثر دقة، فستتاح للباحثين الفرصة لتحديد ما إذا كانت آلية استخراج الطاقة الدورانية للثقب الأسود تعمل بالفعل في مركز درب التبانة.

قد تكون معدات الرصد المستقبلية هي المفتاح لاختبار هذه النظرية. وأشار فريق البحث إلى أنه من المتوقع أن يكتشف مرصد أشعة جاما واسع المجال (SWGO) المخطط له في نصف الكرة الجنوبي الإشارات ذات الصلة التي تنبأ بها نموذجه، وقد يختبر مرصد مصفوفة تلسكوب شيرينكوف (CTAO) أيضًا بعض السيناريوهات النظرية.

تخطط SWGO لاستخدام مصفوفة كشف واسعة النطاق للمراقبة المستمرة لأشعة جاما عالية الطاقة، وهي مناسبة بشكل خاص لمراقبة مناطق السماء المهمة مثل مركز درب التبانة. يمكن للأدوات واسعة المجال مراقبة التغيرات في الإشعاع عالي الطاقة في السماء لفترات زمنية أطول من التلسكوبات التي لا يمكن توجيهها إلا إلى هدف محدد لفترة محدودة، مما يساعد الباحثين على دراسة عمليات تسريع الجسيمات المستمرة.

ومع ذلك فإن اكتشاف أشعة جاما عالية الطاقة وحده لا يكفي لإثبات وجود عملية بنروز المغناطيسية. إن البيئة في مركز مجرة ​​درب التبانة معقدة للغاية، فهي لا تحتوي فقط على ثقوب سوداء هائلة الحجم، بل تحتوي أيضًا على عدد كبير من النجوم، وسحب غازية كثيفة، ومصادر محتملة أخرى لتسريع الجسيمات عالية الطاقة، ومجموعة واسعة من الإشعاع المنتشر. آليات مختلفة قد تنتج إشارات ملحوظة مماثلة.

لذلك يحتاج العلماء إلى الجمع بين أشعة جاما وأنواع أخرى من الملاحظات، وخاصة إشارات النيوترينو. عندما تصطدم البروتونات عالية الطاقة بالغاز، بالإضافة إلى إنتاج أشعة جاما، فإنها قد تنتج أيضًا النيوترينوات. تتفاعل النيوترينوات بشكل ضعيف للغاية مع المادة، ويمكنها الهروب من البيئات السماوية الكثيفة، مما يوفر للباحثين دليلًا آخر حول عمليات تسريع الجسيمات.

لكن حاليًا، لم تعط عمليات رصد النيوترينو في مركز درب التبانة نتائج كافية لتحديد الآلية ذات الصلة. في سبتمبر 2026، لم يجد التحليل الذي نشره مرصد IceCube Neutrino بالتعاون مع HAWC أي إشارة نيوترينو مهمة في مركز مجرة ​​درب التبانة، ووضع حدودًا جديدة لكثافة الإشعاع المرتبط بها. وأشار الباحثون إلى أنه في المستقبل، قد تساعد مرافق مراقبة النيوترينو الأكثر حساسية مثل IceCube-Gen2 وKM3NeT وP-ONE العلماء على تحديد ما إذا كانت أشعة جاما عالية الطاقة في مركز درب التبانة تأتي بشكل أساسي من التفاعل بين البروتونات والغاز.

تُظهر هذه الخلفية أيضًا أنه على الرغم من أن آلية استخراج طاقة الثقب الأسود لها أساس نظري واضح، إلا أنه لا تزال هناك حاجة إلى بيانات أكثر ثراءً ودقة لربطها بالملاحظات الفعلية. يجب على الباحثين استبعاد المصادر المحتملة الأخرى للإشعاع عالي الطاقة والتحقق مما إذا كانت السمات الطيفية التي تنبأت بها النظرية موجودة بالفعل.

تكمن أهمية هذه الدراسة في أنها تقدم تفسيرا لمصدر الأشعة الكونية عالية الطاقة في مركز مجرة ​​درب التبانة والذي يمكن اختباره بشكل أكبر. تقليديًا، يركز العلماء عادةً على كيفية تسريع انفجارات المستعرات الأعظم وموجات الصدمة والمجالات المغناطيسية للأشعة الكونية؛ بينما تحول عملية بنروز المغناطيسي انتباههم إلى الطاقة الدورانية للثقب الأسود نفسه، مما يشير إلى أنه حتى لو كان الثقب الأسود في حالة هادئة نسبيا، فإنه قد ينقل الطاقة إلى الجسيمات الخارجية من خلال آليات فيزيائية خاصة.

إذا أكدت الملاحظات المستقبلية أن هذه العملية تحدث بالفعل، فلن يكون القوس A* مصدرًا هائلاً للجاذبية في مركز مجرة ​​درب التبانة فحسب، بل قد يكون أيضًا مصدرًا مهمًا للطاقة التي تؤثر على بيئة الجسيمات عالية الطاقة في درب التبانة. سيساعد هذا أيضًا العلماء على فهم كيفية تأثير الثقوب السوداء الهائلة على الغاز المحيط، والبيئة الإشعاعية، وتطور المنطقة المركزية للمجرة بأكملها من خلال إطلاق الطاقة.

في الوقت الحالي، لا يزال ما يقترحه الباحثون نموذجًا نظريًا، وليس عملية استخلاص طاقة الثقب الأسود التي تم تأكيدها بشكل مباشر. ستساعد نتائج المراقبة المستقبلية من SWGO وCTAO والجيل الجديد من معدات مراقبة النيوترينو في تحديد ما إذا كانت هذه التنبؤات متوافقة مع أداء الكون الحقيقي. بالنسبة للبشر، لا يزال الثقب الأسود الموجود في مركز مجرة ​​درب التبانة يخفي العديد من الألغاز، وقد تحمل الأشعة الكونية أدلة مهمة حول كيفية عمل طاقتها.