شهد علماء الفلك حدثا نادرا فشل فيه نجم يحتضر في الانفجار على شكل مستعر أعظم، وبدلا من ذلك انهار مباشرة في ثقب أسود. تصبح هذه الملاحظة الرائعة سجل المراقبة الأكثر اكتمالا حتى الآن لتحول النجم إلى ثقب أسود، مما يسمح لعلماء الفلك ببناء صورة فيزيائية شاملة للعملية.
ويبعد النجم "الميت"، المسمى M31-2014-DS1، حوالي 2.5 مليون سنة ضوئية عن الأرض، ويقع في مجرة المرأة المسلسلة القريبة. وقام فريق بحثي بقيادة كيساراي دي، الباحث المشارك في معهد فراتيرون التابع لمؤسسة سيمونز، بدمج بيانات الرصد الحديثة مع أكثر من عشر سنوات من البيانات الأرشيفية لتأكيد وتحسين النموذج النظري لتحول هذا النوع من النجوم الضخمة إلى ثقب أسود. وتجذب النتائج، التي نشرت في مجلة ساينس، اهتماما واسع النطاق وتقدم لمحة نادرة عن الأصول الغامضة للثقوب السوداء.
قام فريق البحث بتحليل قياسات النجم من مشروع NEOWISE التابع لناسا والتلسكوبات الأرضية والفضائية الأخرى من عام 2005 إلى عام 2023. ووجدوا أن ضوء الأشعة تحت الحمراء لـ M31-2014-DS1 بدأ في السطوع في عام 2014، ثم خفت بسرعة في عام 2016، وانخفض بكثير عن سطوعه الأصلي في عام واحد فقط. وأظهرت الملاحظات في عامي 2022 و2023 أن النجم اختفى بشكل أساسي في النطاقين المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة، وانخفض سطوعه إلى جزء من عشرة آلاف من قيمته الأصلية. ولا يمكن اكتشاف بقاياه حاليًا إلا في منتصف الأشعة تحت الحمراء، كما أن سطوعه لا يتجاوز عُشر ما كان عليه من قبل.
وقال دي: "كان هذا النجم في يوم من الأيام أحد ألمع النجوم في مجرة المرأة المسلسلة، ولكن الآن لم يتم العثور عليه في أي مكان. تخيل لو اختفى منكب الجوزاء فجأة، سيصاب الجميع بالجنون! حدث نفس الشيء لهذا النجم في مجرة المرأة المسلسلة". وبعد مقارنة بيانات الرصد هذه مع التنبؤات النظرية، خلص الباحثون إلى أن التعتيم الدراماتيكي للنجم إلى جزء صغير جدًا من سطوعه الإجمالي الأصلي يقدم دليلاً قويًا على أن قلبه انهار وشكل ثقبًا أسود.
تقوم النجوم بدمج الهيدروجين وتحويله إلى الهيليوم في قلوبها، وهي عملية تخلق ضغطًا خارجيًا لموازنة سحب الجاذبية الثابت نحو الداخل. عندما يبدأ الوقود في النجوم الضخمة، التي تبلغ كتلتها حوالي 10 أضعاف كتلة الشمس أو أكثر، في النفاد، يختل التوازن بين القوى الداخلية والخارجية. تبدأ الجاذبية في ضغط النجم، وينتج قلبه أولاً ليشكل النجم النيوتروني الكثيف في المركز. عادةً، يؤدي إطلاق النيوترينوات خلال هذه العملية إلى خلق موجة صدمية قوية بما يكفي لتمزيق جزء كبير من الطبقات الأساسية والخارجية في انفجار سوبر نوفا. ومع ذلك، إذا فشلت موجة الصدمة التي يحركها النيوترينو في دفع مادة النجم للخارج، فقد اعتقدت النظرية منذ فترة طويلة أن معظم مادة النجم ستعود إلى النجم النيوتروني، لتشكل ثقبًا أسود.
أتاحت ملاحظات وتحليل M31-2014-DS1 للفريق إعادة تفسير ملاحظات النجم المماثل NGC 6946-BH1، مما أدى إلى تقدم مهم في فهم ما يحدث للطبقات الخارجية للنجم بعد فشله في الانفجار كمستعر أعظم وينهار في ثقب أسود. العنصر الرئيسي الذي يتم التغاضي عنه هو الحمل الحراري. الحمل الحراري هو نتيجة ثانوية للاختلافات الكبيرة في درجات الحرارة داخل النجم. المواد القريبة من مركز النجم ساخنة للغاية، في حين أن المناطق الخارجية أكثر برودة بكثير. يؤدي هذا الاختلاف في درجة الحرارة إلى انتقال الغاز الموجود داخل النجم من المناطق الأكثر سخونة إلى المناطق الباردة.
ومع انهيار قلب النجم، يظل الغاز الموجود في طبقاته الخارجية يتحرك بسرعة بسبب الحمل الحراري. وتظهر النماذج النظرية التي طورها علماء الفلك في معهد فراتيرون، أن هذا يمنع معظم الطبقات الخارجية من السقوط مباشرة في الثقب الأسود؛ وبدلاً من ذلك، تدور الطبقات الأعمق حول محيط الثقب الأسود وتؤدي إلى قذف الطبقات الخارجية في منطقة الحمل الحراري. قام المؤلف المشارك أندريا أنتوني، وهو باحث في فراتيلون، بتطوير التوقعات النظرية لنماذج الحمل الحراري هذه. وقالت: "معدل التراكم -المعدل الذي تسقط به المادة- أبطأ بكثير من الانفجار الداخلي المباشر للنجم". "تمتلك هذه المادة الحملية زخمًا زاويًا، لذا فهي تدور حول الثقب الأسود. وبدلاً من سقوطها خلال أشهر أو سنة، فإنها تستغرق عقودًا. ولهذا السبب، تصبح مصدرًا أكثر سطوعًا بكثير مما كان يمكن أن تكون عليه، ونلاحظ تأخيرات طويلة في تعتيم النجم الأصلي".
على غرار الماء الذي يحوم حول حوض الاستحمام بدلًا من التدفق مباشرة إلى الأسفل، يستمر الغاز الذي يتحرك حول هذا الثقب الأسود المتشكل حديثًا في مداره الفوضوي حتى عندما يتم سحبه ببطء إلى الداخل. ولذلك، فإن السقوط الراكد الناجم عن الحمل الحراري يمنع النجم بأكمله من الانهيار مباشرة في الثقب الأسود الناشئ. يقدر الباحثون أن حوالي واحد بالمائة فقط من غاز غلاف النجم الأصلي سقط في الثقب الأسود، مما أدى إلى تشغيل الضوء الذي ينبعث منه اليوم.
عند تحليل بيانات رصد M31-2014-DS1، أعاد دي وفريقه أيضًا تقييم النجم المماثل NGC 6946-BH1، والذي تم تصنيفه قبل 10 سنوات. وفي الورقة الجديدة، يقدمون دليلا قويا على سبب اتباع هذا النجم لنمط مماثل. وقال دي إن M31-2014-DS1 بدا في البداية وكأنه "غريب الأطوار"، ولكن يبدو الآن أنه مجرد واحد من فئة الأجسام التي تشمل NGC 6946-BH1. وقال دي: "فقط من خلال هذه الجواهر الاكتشافية الفردية، بدأنا في تجميع الصورة معًا". "سيكون الضوء الصادر من حطام الغبار المحيط بثقب أسود حديث الولادة مرئيًا لعقود قادمة عند مستويات حساسية التلسكوبات مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي، حيث يستمر في الاضمحلال ببطء شديد. وقد يصبح هذا في النهاية معيارًا لفهم كيفية تشكل الثقوب السوداء النجمية في الكون".