توصل بحث جديد باستخدام عمليات المحاكاة الحاسوبية والبيانات الفلكية إلى أن بعض انفجارات أشعة جاما طويلة الأمد (GRBs) ناتجة عن اندماجات كونية تشكل ثقوبًا سوداء، مما يتحدى النظريات السابقة التي تقول إن انفجارات GRBs ناتجة بالكامل عن انهيار النجوم. يوفر هذا الاختراق فهمًا أكثر اكتمالًا لأصل انفجارات أشعة جاما.
استخدم علماء الفيزياء الفلكية في معهد فراتيون وزملاؤه أحدث عمليات المحاكاة الحاسوبية لإعطائنا فهمًا أوضح لكيفية توليد الثقوب السوداء للانفجارات الأكثر نشاطًا في الكون.
تساعد عمليات المحاكاة الحاسوبية المتطورة جنبًا إلى جنب مع الحسابات النظرية علماء الفلك على فهم أصول بعض الظواهر الضوئية الأكثر نشاطًا وغموضًا في الكون - انفجارات أشعة جاما (GRBs). ويؤكد النموذج الموحد الجديد أن بعض انفجارات أشعة جاما طويلة الأمد يتم إنتاجها بعد عمليات اندماج كونية خلقت ثقوبًا سوداء صغيرة محاطة بقرص عملاق من المادة الخام.
اعتقد علماء الفلك سابقًا أن الثقوب السوداء التي تنتج انفجارات GRB الطويلة تتشكل عادةً عندما تنهار النجوم الضخمة. ومع ذلك، تظهر النماذج الجديدة أنه من الممكن أيضًا إنشاءها عند اندماج جسمين كثيفين، مثل زوج من النجوم النيوترونية - البقايا الكثيفة الميتة للنجوم الضخمة - أو ثقب أسود ونجم نيوتروني. تشرح النتائج انفجارات GRB الطويلة التي تم رصدها مؤخرًا، والتي لم يتمكن علماء الفلك من ربطها بانهيار النجوم.
نشر مبتكرو المحاكاة نتائجهم في 29 نوفمبر في مجلة The Astrophysical Journal Letters.
تُظهر عمليات المحاكاة كيف يؤدي اندماج ثقب أسود ونجم نيوتروني إلى إنشاء نفاثات ورياح قوية تؤدي إلى انفجارات أشعة جاما. تقترح دراسة جديدة إطارًا يربط بين فيزياء عمليات الاندماج هذه ورصد انفجارات أشعة جاما. وجدت الأبحاث أن اندماج الأجسام الضخمة مثل الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية يمكن أن ينتج عنه انفجارات أشعة غاما طويلة الأمد. المصدر: أولي جوتليب
وقال أوري جوتليب، المؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة والباحث في مركز الفيزياء الفلكية الحاسوبية (CCA) في معهد فلاتيرون في مدينة نيويورك: "تربط النتائج التي توصلنا إليها الملاحظات بالفيزياء الأساسية وتوحد العديد من الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها في مجال انفجارات أشعة جاما". "للمرة الأولى، يمكننا معرفة ما يحدث قبل أن يتشكل الثقب الأسود من خلال عمليات رصد انفجارات أشعة جاما."
GRBs هي الأحداث الأكثر سطوعًا والأكثر عنفًا في الكون. لقد أبهرت انفجارات أشعة جاما وحيرت علماء الفلك منذ اكتشافها لأول مرة في عام 1967. وحتى مع مرور العقود، تظل الآلية الدقيقة التي تنتج انفجارات أشعة جاما القوية غير مؤكدة. على مر السنين، لاحظ علماء الفلك نوعين متميزين من انفجارات أشعة جاما - أحدهما يدوم أقل من ثانية والآخر يدوم 10 ثوانٍ أو أكثر. وتوصل الباحثون في النهاية إلى أن انفجارات أشعة جاما القصيرة تنشأ من نفاثات منبعثة بعد اندماج جسمين مدمجين، في حين أن انفجارات أشعة جاما الطويلة قد تحدث في نفاثات منبعثة عندما تنهار النجوم الدوارة الضخمة. لكن خلال العام الماضي، أظهرت ملاحظتان غير عاديتين لتدفقات أشعة جاما الطويلة أن انهيار الكائنات العملاقة ليس فقط هو الذي يسبب انفجارات أشعة جاما الطويلة.
أجرى جوتليب وزملاؤه عمليات محاكاة حديثة لاختبار كيف يمكن أن يؤدي اندماج الأجسام الضخمة والمدمجة إلى انفجارات أشعة جاما. استغرقت عمليات المحاكاة الجديدة عدة أشهر، وتم إجراؤها جزئيًا على كمبيوتر فائق السرعة في معهد فراتيلون. تبدأ المحاكاة الجديدة عندما يكون الجسمان المدمجان في مدار قريب ويتم تتبع النفاثات حتى تبتعد عن موقع الاندماج. يسمح هذا النهج للباحثين بوضع افتراضات أقل حول الفيزياء المعنية. ومن خلال الجمع بين عمليات المحاكاة والقيود من البيانات الفلكية، قام العلماء ببناء نموذج موحد لأصل انفجارات أشعة جاما.
قرر الباحثون أن انفجارات GRB غير العادية قد تم إنشاؤها بعد اندماج جسمين مدمجين. يؤدي الاندماج إلى إنشاء ثقب أسود محاط بقرص تراكمي كبير - وهو عبارة عن كعكة تدور بسرعة من المواد المغناطيسية المتبقية - والتي يمكن أن تنبعث منها GRBs طويلة. تساعد هذه المعلومات المستمدة من عمليات المحاكاة علماء الفلك على فهم ليس فقط الأجسام التي تنتج انفجارات أشعة جاما هذه، ولكن أيضًا ما يحدث قبلها.
تُظهر عمليات المحاكاة كيف يؤدي اندماج ثقب أسود ونجم نيوتروني إلى إنشاء نفاثات ورياح قوية تؤدي إلى انفجارات أشعة جاما. تقترح دراسة جديدة إطارًا يربط بين فيزياء عمليات الاندماج هذه ورصد انفجارات أشعة جاما. وجدت الأبحاث أن اندماج الأجسام الضخمة مثل الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية يمكن أن ينتج عنه انفجارات أشعة غاما طويلة الأمد. المصدر: أولي جوتليب
قال غوتليب: "إذا رأينا انفجارًا طويلًا لأشعة غاما مثل ذلك الذي لوحظ في عام 2022، فإننا نعلم الآن أنه يأتي من ثقب أسود بقرص ضخم. ومع العلم بوجود قرص ضخم، يمكننا الآن حساب نسبة الكتلة للجرمين الأصليين، لأن نسبة كتلتهما مرتبطة بخصائص القرص. على سبيل المثال، سيؤدي اندماج النجوم النيوترونية ذات الكتل غير المتساوية حتمًا إلى إنتاج انفجارات GRB ذات فترات أطول".
ويأمل العلماء في استخدام هذا النموذج الموحد لتحديد الأجسام التي تنتج انفجارات أشعة جاما قصيرة. يشير النموذج إلى أن هذه الانفجارات يمكن أن تكون ناجمة عن ثقوب سوداء ذات أقراص تراكمية أصغر، أو من نوع من الأجسام يُعرف باسم النجم النيوتروني فائق الكتلة، وهو شكل غير مستقر من النجوم ينهار بسرعة ليشكل ثقبًا أسود ولكن ليس قبل إصدار نبضة قصيرة من أشعة غاما. ويأمل العلماء أنه مع المزيد من عمليات رصد انفجارات GRB، يمكنهم تحسين عمليات المحاكاة الخاصة بهم لتحديد أصل جميع انفجارات GRB. في حين أن عمليات رصد انفجارات GRB لا تزال نادرة نسبيًا، إلا أن علماء الفلك يهدفون إلى التقاط المزيد من انفجارات GRB عندما يبدأ مرصد Vera C Rubin عمليات الرصد في أوائل عام 2025.
وقال جوتليب: "بينما نقوم بمراقبة المزيد من انفجارات GRB ذات فترات النبض المختلفة، سنكون أكثر قدرة على اكتشاف المحرك المركزي الذي يحرك هذه الأحداث المتطرفة".