المجرات الملتهمة: العيد السريع للثقوب السوداء يصدم العلماء

وقال نيك كاز من جامعة نورث وسترن، الذي قاد الدراسة: "نظرية قرص التراكم الكلاسيكية تتنبأ بأن قرص التراكم سوف يتطور ببطء. لكن بعض النجوم الزائفة - الثقوب السوداء التي تلتهم الغاز في قرص التنامي - يبدو أنها تخضع لتغيرات جذرية على فترات زمنية تتراوح من أشهر إلى سنوات. التغييرات مثيرة للغاية. يبدو أن الجزء الداخلي من قرص التراكم - حيث يأتي معظم الضوء - قد تم تدميره ثم يتجدد. لا يمكن لنظرية قرص التراكم الكلاسيكية تفسير هذا التغيير الدراماتيكي". ولكن من الممكن أن يكون السطوع والتعتيم السريع الذي شوهد في عمليات المحاكاة لدينا متوافقًا مع تدمير المناطق الداخلية للقرص.

كاز هو طالب دراسات عليا في علم الفلك في كلية واينبرج للآداب والعلوم بجامعة نورث وسترن وعضو في مركز الاستكشاف والأبحاث متعدد التخصصات في الفيزياء الفلكية (CIERA). أشرف على كاز المؤلف المشارك ألكسندر تشيخوفسكوي، الأستاذ المشارك في الفيزياء وعلم الفلك في كلية واينبرغ وعضو CIERA.

افتراض خاطئ

إن الأقراص التراكمية المحيطة بالثقوب السوداء هي أجسام معقدة للغاية من الناحية الفيزيائية، وبالتالي يصعب نمذجتها. لقد كافحت النظريات التقليدية لتفسير سبب تألق هذه الأقراص بشكل ساطع ثم تعتيم فجأة، وأحيانًا تختفي تمامًا.

اعتقد الباحثون السابقون خطأً أن أقراص التراكم كانت مرتبة نسبيًا. في هذه النماذج، تدور الغازات والجسيمات حول الثقب الأسود، في نفس مستوى الثقب الأسود وفي نفس اتجاه دوران الثقب الأسود. وبعد ذلك، وعلى مدى فترات زمنية تتراوح من مئات إلى مئات الآلاف من السنين، تلتف جزيئات الغاز تدريجيًا داخل الثقب الأسود، لتغذيه.

وقال كاز: "على مدى عقود، افترض الناس افتراضًا كبيرًا بأن القرص التراكمي يتماشى مع دوران الثقب الأسود". "لكن الغاز الذي يغذي هذه الثقوب السوداء لا يعرف بالضرورة الاتجاه الذي تدور فيه الثقوب السوداء، فلماذا تصطف نفسها؟ تغيير المحاذاة يغير الصورة بشكل كبير."

تُظهر محاكاة الباحثين، وهي واحدة من أعلى عمليات المحاكاة دقة للقرص التراكمي حتى الآن، أن المنطقة المحيطة بالثقب الأسود أكثر فوضوية واضطرابًا مما كان يُعتقد سابقًا.

يشبه الجيروسكوب أكثر من اللوحة

استخدم الباحثون Summit، أحد أكبر أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم في مختبر أوك ريدج الوطني، لإجراء محاكاة ثلاثية الأبعاد للديناميكا المائية المغناطيسية النسبية العامة (GRMHD) لقرص تراكمي رفيع مائل. في حين أن عمليات المحاكاة السابقة لم تكن قوية بما يكفي لتشمل جميع الفيزياء اللازمة لبناء ثقب أسود حقيقي، فإن النموذج الذي تقوده نورث وسترن يتضمن ديناميكيات الغاز والمجالات المغناطيسية والنسبية العامة لبناء صورة أكثر اكتمالا.

وقال كاز: "الثقوب السوداء هي أجسام نسبية عامة متطرفة تؤثر على الزمكان المحيط بها". "لذلك عندما تدور الثقوب السوداء، فإنها تسحب الفضاء من حولها مثل دوامة دوامة عملاقة، مما يجبر الفضاء على الدوران أيضًا - وهي ظاهرة تُعرف باسم "سحب الإطار". وهذا يخلق تأثيرًا قويًا جدًا بالقرب من الثقب الأسود، ويصبح أضعف وأضعف بعيدًا".

يؤدي سحب الإطار إلى تمايل القرص بأكمله في دائرة، على غرار المعالجة المسبقة للجيروسكوب. لكن الجزء الداخلي من القرص يتأرجح بشكل أسرع بكثير من الجزء الخارجي. يؤدي عدم تطابق القوة هذا إلى اعوجاج القرص بأكمله، مما يؤدي إلى اصطدام الغازات من أجزاء مختلفة من القرص. تعمل موجات الصدمة القوية الناتجة عن الاصطدام على دفع المواد بقوة أقرب فأقرب إلى الثقب الأسود.

عندما يصبح الالتواء أكثر شدة، تستمر المنطقة الأعمق من قرص التراكم في التذبذب بشكل أسرع وأسرع حتى تنفصل عن بقية القرص. ثم، بناءً على نتائج المحاكاة الجديدة، تبدأ الأقراص الفرعية في التطور بشكل مستقل عن بعضها البعض. بدلًا من التحرك بسلاسة معًا مثل الصفائح المسطحة حول الثقب الأسود، تتمايل الأقراص الفرعية بشكل مستقل بسرعات وزوايا مختلفة مثل العجلات في الجيروسكوب.

وقال كاز: "عندما يتمزق القرص الداخلي، فإنه تتم معالجته بشكل مستقل. وتكون حركته الأمامية أسرع لأنه أقرب إلى الثقب الأسود، ولأنه أصغر، فيمكنه التحرك بسهولة أكبر".

حيث تفوز الثقوب السوداء

وفقًا لعمليات المحاكاة الجديدة، فإن المنطقة المسيلة للدموع – حيث تنفصل الأقراص الفرعية الداخلية والخارجية – هي المكان الذي يبدأ فيه جنون التغذية حقًا. وبينما يحاول الاحتكاك تثبيت القرص معًا، يحاول تشوه الزمكان الناتج عن الثقب الأسود المغزلي تمزيق القرص.

وقال كاتز: "هناك منافسة بين دوران الثقب الأسود والاحتكاك والضغط داخل القرص". "المنطقة الممزقة هي المكان الذي ينتصر فيه الثقب الأسود. يتصادم القرصان الداخلي والخارجي مع بعضهما البعض. ويزيل القرص الخارجي طبقات القرص الداخلي، ويدفعها إلى الداخل."

الآن، تتقاطع الأقراص الفرعية بزوايا مختلفة. يقوم القرص الخارجي بتفريغ المواد على القرص الداخلي. وتدفع هذه الكتلة الإضافية أيضًا القرص الداخلي نحو الثقب الأسود، وتبتلعه. ثم تقوم جاذبية الثقب الأسود بسحب الغاز من المناطق الخارجية نحو المناطق الداخلية الفارغة الآن، وإعادة ملئه.

الاتصالات بين الكوازارات

وقال كاتز إن هذه الدورة السريعة من "الأكل والأكل والأكل" يمكن أن تفسر ما يسمى "المظهر المتغير" للكوازارات. الكوازارات هي أجسام شديدة السطوع تبعث 1000 مرة طاقة من 200 مليار إلى 400 مليار نجم في مجرة ​​درب التبانة بأكملها. إن تغيير الكوازارات أكثر تطرفًا. ويبدو أنها تومض وتنطفئ على مدار عدة أشهر، وهي فترة قصيرة للغاية بالنسبة لكوازار نموذجي.

على الرغم من أن النظرية الكلاسيكية تضع افتراضات حول سرعة تطور القرص التراكمي وتغيرات السطوع، فإن ملاحظات الكوازارات المشوهة تشير إلى أنها تتطور في الواقع بشكل أسرع بكثير.

"المنطقة الداخلية للقرص المتنامي، والتي يأتي منها معظم السطوع، يمكن أن تختفي تمامًا - بسرعة في غضون أشهر. يمكننا أن نراها تختفي تمامًا. لم يعد النظام يضيء. ثم يصبح أكثر سطوعًا مرة أخرى، وتتكرر العملية. لا يمكن للنظرية التقليدية أن تفسر سبب اختفائه في المقام الأول، أو كيف يتم إعادة ملئه بهذه السرعة."

تتمتع المحاكاة الجديدة بالقدرة ليس فقط على تفسير النجوم الزائفة، ولكن أيضًا للإجابة على الأسئلة القديمة حول الطبيعة الغامضة للثقوب السوداء.

وقال كاتز: "إن كيفية دخول الغاز إلى الثقب الأسود لتزويده بالطاقة هو سؤال مركزي في فيزياء القرص التراكمي". "إذا كنت تعرف كيف يحدث هذا، فيمكنك معرفة المدة التي يستمر فيها القرص، ومدى سطوعه، وكيف يجب أن يبدو الضوء عندما ننظر إليه باستخدام التلسكوب."