اكتشف علماء الفلك نظامًا ثنائيًا محكمًا مشتبهًا به يتكون من ثقبين أسودين هائلين في مركز المجرة النشطة ماركاريان 501 (Mrk 501 للاختصار). أجرى البحث ذو الصلة معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي في ألمانيا وتم قبوله من خلال الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.
تُظهِر عمليات الرصد الراديوي عالية الدقة طويلة المدى أنه لا يوجد فقط نفاثة جسيمية قوية معروفة منذ فترة طويلة في قلب المجرة (تشير النفاثة إلى تيار من الجسيمات عالية الطاقة المقذوفة بسرعة الضوء تقريبًا)، ولكن هناك أيضًا نفاثة ثانية مخفية، مما يوفر دليلًا مباشرًا على وجود زوج من الثقوب السوداء فائقة الكتلة تدور بالقرب من بعضها البعض.
تُظهر الأبحاث الحالية أن كل مجرة كبيرة تقريبًا تقع في مركز ثقب أسود هائل كتلته تتراوح بين ملايين ومليارات المرات من كتلة الشمس. ومع ذلك، فمن الصعب أن تنمو إلى هذا "الحجم" خلال عمر الكون بمجرد تراكم الغاز المحيط. ولذلك تعتبر عمليات الاندماج بين الثقوب السوداء إحدى الطرق المهمة لـ"التسمين". وليس من غير المألوف ملاحظة الاصطدامات بين المجرات، ويُتوقع أيضًا أن الثقوب السوداء الموجودة في مراكز هذه المجرات يجب أن تقترب تدريجيًا تحت تأثير الجاذبية وتندمج في النهاية. ومع ذلك، لا تزال النماذج النظرية غير كاملة في وصف هذه "المرحلة النهائية"، ولم يتم تأكيد نظام "الثقب الأسود الثنائي القريب" بشكل موثوق عن طريق التصوير من قبل. توفر هذه الملاحظة لـ Mrk 501 قطعة لغز رئيسية لهذه الصورة الفيزيائية الفلكية الطويلة الأمد.
أجرى فريق البحث تحليلًا منهجيًا لبيانات المراقبة في المنطقة الأساسية لـ Mrk 501 عند ترددات راديوية مختلفة تمتد على مدار حوالي 23 عامًا. جاءت البيانات من شبكة من التلسكوبات الراديوية الموزعة حول العالم، مما يشكل دقة زاويّة عالية للغاية. وأظهرت النتائج أنه بالإضافة إلى التدفق المعروف الذي يشير نحو الأرض وكان ساطعًا بشكل خاص، كان هناك أيضًا تدفق ثانٍ مخفي في البيانات. كان اتجاهها مختلفًا بشكل واضح عن الطائرة الأولى، وأظهرت تغيرات كبيرة في موقعها خلال أسابيع قليلة فقط. ومن خلال مقارنة البيانات متعددة العصور، لم "ير" علماء الفلك التدفق الثاني فحسب، بل قاموا أيضًا بتتبع مداره، والذي تم تفسيره على أنه تأثير إسقاط مداره حول ثقب أسود آخر.
وتظهر سجلات المراقبة أن الدفقة الثانية تبدو وكأنها تنبعث من خلف الثقب الأسود المعروف بكتلة أكبر وتدور في اتجاه عكس عقارب الساعة، مما يظهر تغيرات الإزاحة الدورية في عمليات الرصد المستمرة، كما لو أن النظام النفاث بأكمله "يتمايل". وفسر فريق البحث هذه الظاهرة بأنها تأرجح المستوى المداري لنظام الثقب الأسود الثنائي: حيث يدور الثقبان الأسودان حول بعضهما البعض، مما يتسبب في تغير الزاوية بين اتجاه التدفق وخط نظرنا باستمرار. وفي ملاحظة أجريت في يونيو 2022، وصل الإشعاع الصادر عن النظام النفاث إلى الأرض عبر مسار "منحرف" للغاية. تحت تأثير الانحناء للجاذبية القوية للثقب الأسود الموجود في المقدمة، تم "سحب" الضوء من النفاث الخلفي إلى هيكل على شكل حلقة تقريبًا، يسمى "حلقة أينشتاين". وهذا يوفر دعمًا قويًا للتفسير القائل بأن "الثقب الأسود الموجود في المقدمة يعمل كعدسة جاذبية، بينما تأتي التدفقات الخلفية من الثقب الأسود الثاني".
ومن خلال تحليل دورية تغيرات سطوع الدفق وتطور موضعه، حسب فريق البحث أن الأمر يستغرق حوالي 121 يومًا حتى يدور الثقبان الأسودان حول بعضهما البعض. تُقدر المسافة بينهما بنحو 250 إلى 540 ضعف المسافة بين الأرض والشمس - ولا يزال هذا نطاقًا ضخمًا بالنسبة للنجوم العادية، ولكن بالنسبة للثقوب السوداء فائقة الكتلة التي تتراوح كتلتها بين 100 مليون ومليار كتلة شمسية، فإن هذه المسافة "ضيقة" بالفعل. استنادًا إلى نطاق الكتلة والمعايير المدارية، قد يندمج نظام الثقب الأسود الثنائي هذا في النهاية بسبب فقدان الطاقة المدارية بسبب إشعاع الجاذبية في أقل من 100 عام تقريبًا. ويعتبر هذا المقياس الزمني "وشيكًا" في تطور الكون.
ومن الجدير بالذكر أنه على الرغم من أن الثقبين الأسودين أنفسهما ضخمان للغاية، لأن Mrk 501 بعيد للغاية عن الأرض، إلا أن تلسكوب أفق الحدث (EHT)، الذي صور البنية الحلقية لـ "أفق الحدث" للثقب الأسود، غير قادر حاليًا على تحليلهما مباشرة إلى جرمين سماويين مستقلين. ومع تقلص نصف القطر المداري، سيظل من الصعب رؤية "دائرة الدوران النهائية" لنظام الثقب الأسود الثنائي مباشرة في التصوير، لكن العلماء يأملون في التقاط خطواتها النهائية من خلال "إشارة" أخرى - إشعاع موجة الجاذبية في نطاق التردد المنخفض للغاية. ومن المتوقع أن يتم اكتشاف هذه الإشارات من خلال طريقة مراقبة "مصفوفة توقيت النجم النابض" (PTA)، والتي "تسمع" خلفية موجة الجاذبية واسعة النطاق للكون من خلال مراقبة الاضطرابات الدقيقة الدورية للنجوم النابضة بالميلي ثانية بدقة.
في الواقع، تعد ثنائيات الثقوب السوداء فائقة الكتلة بالفعل أحد المصادر الرئيسية المرشحة لشرح إشارة "خلفية موجة الجاذبية" التي أبلغت عنها فرق مثل مصفوفة توقيت النجم النابض الأوروبي في عام 2023. أصبح Mrk 501 الآن "مختبرًا مستهدفًا" قيمًا للغاية، والذي من المتوقع أن يتوافق بشكل مباشر مع بعض إشارات موجات الجاذبية منخفضة التردد المقاسة بواسطة PTA مع أنظمة ثنائية محددة للثقوب السوداء، مما يعطي "الخلفية" الإحصائية السابقة هوية واضحة للأجرام السماوية. أشار المتعاونون في البحث إلى أنه إذا أمكن التقاط موجات الجاذبية بنجاح في اتجاه هذا المصدر في المستقبل، فلن يتوقعوا فقط أن يروا ترددها يزداد تدريجيًا بمرور الوقت، بما يتوافق مع عملية تقارب الثقوب السوداء، ولكن قد يكونون أيضًا قادرين على الحصول على سجلات تطور قريبة من "التتبع في الوقت الفعلي" على مقياس "اندماج الثقوب السوداء الهائلة" لأول مرة.
في هذه الدراسة، تم التوقيع على سيلك بريتزن وفريديريك جارون ونيكولاس روي ماكدونالد من معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي كمؤلفين مشاركين، وسيتم نشر النتائج ذات الصلة في الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية. لا يوفر هذا الزوج من النجوم الثنائية ذات الثقب الأسود الهائل في مركز Mrk 501 حالة أساسية لفهم كيفية نمو الثقب الأسود في مركز درب التبانة فحسب، بل يفتح أيضًا "نطاق إطلاق" نادرًا لعلم فلك موجات الجاذبية في المستقبل استنادًا إلى توقيت النجم النابض، مما يسمح للبشر بمشاهدة "اندماج الثقب الأسود" على نطاق كوني بأعيننا في العقود القليلة القادمة إلى مئات السنين.