تم شرح الاندماج المستحيل لثقبين أسودين ضخمين

كارثة كونية قوية تم تسجيله في عام 2023. وعلى بعد حوالي 7 مليارات سنة ضوئية، اصطدم ثقبان أسودان ثقيلان بشكل غير مسبوق. لقد حيرت الكتلة الهائلة لهذه الأجسام وسرعة دورانها العلماء. وكان يعتقد أن مثل هذه الثقوب السوداء لا يمكن أن توجد.

ويبدو أن علماء الفيزياء الفلكية وجدوا تفسيرا لهذا الحدث الشاذ. لقد أجروا محاكاة معقدة تتبعت تاريخ النظام منذ ولادة النجوم السلفية حتى وفاتهم، مع الأخذ في الاعتبار العامل الذي تم التغاضي عنه سابقًا وهو المجالات المغناطيسية. ظهرت النتائج على الصفحات رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.

وأوضح عالم الفيزياء الفلكية أور غوتليب من مركز الفيزياء الفلكية الحاسوبية التابع لمعهد فلاتيرون، والمؤلف الرئيسي للدراسة: “لم ينظر أحد إلى هذه الأنظمة بالطريقة التي نظرنا بها – فقد اتخذ علماء الفلك السابقون الطريق السهل وأهملوا المجالات المغناطيسية. ولكن بمجرد أخذ المجالات المغناطيسية في الاعتبار، يصبح من الممكن تفسير أصل هذا الحدث الفريد”.

الاصطدام المحدد GW231123تم اكتشافه من خلال التعاون بين LIGO-Virgo-KAGRA باستخدام أجهزة الكشف التي تقيس موجات الجاذبية – التقلبات في الزمكان الناتجة عن حركة الأجسام الضخمة.

حدث “مستحيل”.

في ذلك الوقت، لم يتمكن علماء الفلك من فهم كيفية نشوء مثل هذه الثقوب السوداء الكبيرة والسريعة الدوران. عندما تصل النجوم الضخمة إلى نهاية دورات حياتها، ينهار العديد منها وينفجر على شكل مستعرات أعظم، تاركًا وراءه ثقبًا أسود. ومع ذلك، مع كتلة معينة من النجم المحتضر، يمكن أن يصبح ما يسمى بالمستعر الأعظم المستقر الزوجي – وبعد هذا الانفجار لا يتبقى شيء.

وقال جوتليب: “نتيجة لمثل هذه المستعرات الأعظمية، من غير المتوقع أن تتشكل ثقوب سوداء في نطاق كتلة يتراوح بين 70 إلى 140 كتلة شمسية”. “لذا فإن اكتشاف الثقوب السوداء ذات الكتل في هذه الفجوة كان محيرًا”.

يمكن أن تتشكل الثقوب السوداء في نطاق الكتلة المحظور هذا بشكل غير مباشر، من خلال اندماج ثقبين أسودين في ثقب واحد أكبر، لكن في حالة GW231123، اعتبر العلماء أن هذا السيناريو غير مرجح. عملية اندماج الثقب الأسود فوضوية للغاية وغالباً ما تعطل دوران الثقب الأسود الناتج. كانت الأجسام الموجودة في نظام GW231123 هي أسرع الأجسام التي تدور على الإطلاق والتي لاحظها مرصد LIGO، حيث تدور الزمكان المحيط بسرعة الضوء تقريبًا. إن وجود ثقبين أسودين بهذا الحجم وبسرعة الدوران هذه بدا أمرًا لا يصدق، لذلك افترض العلماء أن هناك آلية أخرى متورطة.

تتكون المحاكاة الحاسوبية من جزأين. في المرحلة الأولى، أعادوا بناء دورة حياة نجم عملاق كتلته 250 كتلة شمسية في المرحلة الرئيسية – منذ بداية احتراق الهيدروجين حتى استنفاده وانهياره إلى مستعر أعظم. وبحلول وقت الانفجار، يكون مثل هذا النجم قادرا على حرق ما يكفي من الوقود “لإنقاص الوزن” إلى 150 كتلة شمسية، وهو ما يزيد قليلا عن الفاصل الزمني المحظور ويكفي لتشكيل ثقب أسود.

قامت سلسلة ثانية أكثر تعقيدًا من النماذج، مع الأخذ في الاعتبار المجالات المغناطيسية، بدراسة عواقب انفجار المستعر الأعظم. بدأ النموذج ببقايا مستعر أعظم – سحابة من المواد النجمية مليئة بالمجالات المغناطيسية، مع وجود ثقب أسود في المركز. وفي السابق، كان علماء الفلك يعتقدون أن جميع المواد الموجودة في السحابة سقطت في الثقب الأسود الوليد، بحيث تتوافق كتلتها النهائية مع كتلة النجم قبل الانهيار. ومع ذلك، أعطت المحاكاة نتيجة مختلفة.

ضغط المجال المغناطيسي

إذا لم يدور النجم، ينهار إلى ثقب أسود، فإن سحابة المادة المتبقية تمتصه بسرعة. ومع ذلك، إذا كان النجم الأصلي يدور بسرعة كافية، فإن هذه السحابة تشكل قرصًا دوارًا يؤدي إلى دوران الثقب الأسود بشكل أكبر مع سقوط المادة في هاويتها. عند وجود المجالات المغناطيسية، فإنها تمارس الضغط على قرص الحطام. وهذا الضغط كافٍ لرمي بعض المواد بعيدًا عن الثقب الأسود بسرعة الضوء تقريبًا.

وبناءً على ذلك، تبقى كمية أقل من المادة في القرص. إذا كان المجال المغناطيسي قويًا جدًا، فيمكن أن يطير ما يصل إلى نصف الكتلة الأصلية بعيدًا. ومثل هذا السيناريو يسمح بتكوين ثقب أسود كتلته ضمن النطاق المحظور.

وقال جوتليب: “وجدنا أن وجود الدوران والمجالات المغناطيسية يمكن أن يغير بشكل أساسي تطور النجم بعد الانهيار، مما يؤدي إلى أن تكون كتلة الثقب الأسود أقل بكثير من الكتلة الإجمالية للنجم المنهار”.

ووفقا له، تشير النتائج إلى وجود صلة بين كتلة الثقب الأسود وسرعة دورانه. يمكن للمجالات المغناطيسية القوية أن تبطئ الثقب الأسود وتحمل بعض المادة النجمية بعيدًا، مما يؤدي إلى خلق ثقوب سوداء أخف وزنًا وأبطأ في الدوران. تسمح الحقول الضعيفة بتكوين كائنات أثقل وأسرع تدور. وهذا يعطي سببًا لافتراض وجود نمط معين يربط بين كتلتها ودورانها.

وتظهر عمليات المحاكاة أيضًا أنه عندما تتشكل مثل هذه الثقوب السوداء، يجب أن يكون هناك انفجارات من أشعة جاما. ومن شأن البحث عن هذه التوهجات أن يساعد في تأكيد الآلية المقترحة لتكوين مثل هذه الأجسام وإظهار مدى شيوعها في الكون. حتى الآن، GW231123 هو النظام الوحيد الذي يتناسب مع النموذج المعروض.