تُظهر هذه الصورة تجسيدًا للفنان للمناطق الداخلية لكوازار مدعومًا بثقب أسود فائق الكتلة في المركز. عندما يسقط قرص الغاز والغبار في الثقب الأسود ، تخلق درجات الحرارة العالية الضوء. يمكن للاختلافات في هذا الضوء أن تساعد الفلكيين على قياس كتلة الثقب الأسود.
(الصورة: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (Penn State) / SDSS تعاون)
تختبئ الثقوب السوداء الوحشية في مراكز معظم المجرات في الكون ، والآن ، تساعد تقنية جديدة العلماء على قياس كتلة بعض أكبر الثقوب السوداء في الكون ، حتى عندما تقع في مراكز باهتة جدًا وبعيدة المجرات. يمكن للنهج الجديد أن يحسن بشكل كبير فهم العلماء لكيفية تشكل هذه الحيوانات العملاقة وتطورها ، وكيف تؤثر على تطور المجرة.
وقالت كاثرين جرير ، زميلة ما بعد الدكتوراه في جامعة ولاية بنسلفانيا ، في بيان صادر عن Sloan Digital Sky Survey (SDSS): "هذه هي المرة الأولى التي قمنا فيها بقياس الكتل مباشرة للعديد من الثقوب السوداء الهائلة حتى الآن". قاد جرير مشروعًا لقياس كتل ثروة مما يسمى بالثقوب السوداء الهائلة باستخدام بيانات SDSS. وأوردت النتائج يوم الثلاثاء (9 يناير) في اجتماع الجمعية الفلكية الأمريكية في ناشيونال هاربور بولاية ماريلاند.
قال جرير: "هذه القياسات الجديدة والقياسات المستقبلية مثلها ، ستوفر معلومات حيوية للأشخاص الذين يدرسون كيفية نمو المجرات وتطورها خلال الزمن الكوني". [صور: الثقوب السوداء للكون]
الثقوب السوداء قياس الكتلة
استنادًا إلى عقود من ملاحظات المجرة ، يفترض علماء الفلك الآن أن قلب كل مجرة كبيرة تقريبًا يحتوي على ثقب أسود فائق الكتلة (SMBH). يمكن أن تكون هذه الوحوش الوحشية أكبر بملايين أو مليارات المرات من كتلة شمس الأرض. لا تشع الثقوب السوداء الضوء أو تعكسه ، لذا لا يمكن رؤية هذه SMBHs مباشرة. ولكن عندما تجذب جاذبية SMBH الغبار والغبار من المجرة المحيطة ، فإنها تخلق قرصًا دواميًا من المواد يقع في الثقب الأسود. تسخن هذه المادة المتعفنة وتبدأ في إشعاع الضوء ، مما يجعل الثقب الأسود "مرئيًا" (وإن كان بشكل غير مباشر). في بعض الحالات ، يصبح الضوء من هذه الأقراص أكثر سطوعًا من كل النجوم في المجرة. تسمى هذه المجرات الساطعة بشكل لا يصدق نوى المجرة النشطة (AGN). يُطلق على ألمع AGN أشباه النجوم ، والتي يمكن للفلكيين رؤيتها على طول الطريق عبر الكون المرئي. وتشير إلى وجود ثقب أسود فائق الكتلة ، بحسب البيان.
للثقوب السوداء ثلاثة خصائص قابلة للقياس فقط - الكتلة والدوران والشحنة - لذا يعد حساب الكتلة جزءًا كبيرًا من فهم الثقب الأسود الفردي. في المجرات القريبة ، يمكن لعلماء الفلك ملاحظة كيفية تحرك مجموعات النجوم والغاز حول مركز المجرة واستخدام تلك الحركات لاستنتاج كتلة الثقب الأسود المركزي. لكن المجرات البعيدة تقع بعيدا جدا بحيث لا تستطيع التلسكوبات حل النجوم وسحب المواد حول الثقب الأسود ، وفقا للبيان.
وقد أتاحت تقنية تعرف باسم رسم خرائط الصدى للفلكيين قياس كتل هذه الثقوب السوداء النائية. أولاً ، يقارن الباحثون سطوع الغاز المشع في المنطقة الخارجية للمجرة مع سطوع الغاز الموجود في المنطقة الداخلية للمجرة. (تُعرف هذه المنطقة الداخلية ، القريبة جدًا من الثقب الأسود ، باسم المنطقة المتصلة). يؤثر الغاز في المنطقة المتصلة على الغاز سريع الحركة بعيدًا. ومع ذلك ، يستغرق الضوء وقتًا للسفر إلى الخارج ، أو ارتداد الصدى ، مما يتسبب في تأخير بين التغييرات المرئية في المنطقة الداخلية وتأثيرها على المنطقة الخارجية. يكشف قياس التأخير عن بُعد القرص الخارجي للغاز عن الثقب الأسود. إلى جانب معدل الدوران حول المجرة ، يسمح هذا لعلماء الفلك بقياس كتلة SMBH ، كما أخبر Grier Space.com في رسالة بريد إلكتروني.
لكن العملية بطيئة بشكل مؤلم. وقال الباحثون في البيان إنه لمراقبة تأثير الصدى ، يجب دراسة مجرة فردية مرارا وتكرارا لعدة أشهر ، في حين أن الكوازارات البعيدة يمكن أن تستغرق عدة سنوات من الملاحظات المتكررة. على مدار العشرين عامًا الماضية ، تمكن الفلكيون من استخدام تقنية صدى الصوت لحوالي 60 SMBHs فقط في المجرات القريبة وحفنة من النجوم الزائفة البعيدة.
كجزء من مشروع خرائط أصداء SDSS ، بدأت Grier وزملاؤها في رسم خرائط SMBH بشكل أسرع مما كان ممكنًا في السابق. يأتي مفتاح هذا التعيين السريع من التلسكوب المخصص للمشاهدة الواسعة للمشروع ، والذي يقع في مرصد أباتشي بوينت في Sunspot ، نيو مكسيكو ، والذي يمكنه جمع البيانات عن الكوازارات المتعددة في نفس الوقت ، وفقًا لـ Grier. وهي تراقب حاليًا رقعة من السماء تحتوي على حوالي 850 كوازار.
لاحظ الباحثون الكوازارات مع تلسكوب كندا - فرنسا - هاواي في هاواي وتليسكوب بوك تلسكوب مرصد ستيوارد في أريزونا لمعايرة قياساتهم للأشياء الباهتة بشكل لا يصدق. في المجموع ، قام الباحثون الآن بقياس تأخيرات صدى الوقت لـ 44 كوازار ، واستخدموا هذه القياسات لحساب كتل الثقب الأسود التي تتراوح بين 5 ملايين إلى 1.7 مليار مرة كتلة شمس الأرض ، وفقًا للبيان.
وقال ارون بارث استاذ علم الفلك بجامعة كاليفورنيا ايرفين الذي لم يشارك في بحث الفريق في البيان "هذه خطوة كبيرة الى الامام لعلم الكوازار." "لقد أظهروا للمرة الأولى أن هذه القياسات الصعبة يمكن إجراؤها في وضع الإنتاج الضخم."
تزيد القياسات الجديدة إجمالي عدد قياسات كتلة المجرة SMBH بحوالي الثلثين. نظرًا لأن العديد من تلك المجرات بعيدة جدًا ، تكشف القياسات الجديدة عن كتل SMBH من الخلف إلى الوراء ، إلى أن كان الكون نصف عمره الحالي فقط.
من خلال الاستمرار في مراقبة 850 الكوازارات باستخدام تلسكوب SDSS على مدى عدة سنوات ، سيجمع الفريق سنوات من البيانات التي ستسمح لهم بقياس كتل حتى الكوازارات الأقل خفة ، والتي لا يمكن قياس تأخيراتها الأطول بسنة واحدة من البيانات.
قال يوي شين ، الأستاذ المساعد في جامعة إلينوي والباحث الرئيسي لمشروع SDSS Reverberation Mapping Project: "الحصول على ملاحظات الكوازارات على مدى عدة سنوات أمر حاسم للحصول على قياسات جيدة". "بينما نواصل مشروعنا لرصد المزيد والمزيد من النجوم الزائفة لسنوات قادمة ، سوف نكون قادرين على فهم أفضل لكيفية نمو وتطور الثقوب السوداء الهائلة."
بعد انتهاء المرحلة الرابعة الحالية من SDSS في عام 2020 ، ستبدأ المرحلة الخامسة ، SDSS-V. يتميز SDSS-V ببرنامج جديد يسمى Black Hole Mapper ، حيث يخطط الباحثون لقياس كتل SMBH في أكثر من 1000 كوازار ، ومراقبة الكوازارات الأبطأ والأقدم من أي مشروع رسم خرائط صدى تدار على الإطلاق.
وقال نيل براندت استاذ علم الفلك والفيزياء الفلكية في ولاية بنسلفانيا وعضو اس اس اس دي منذ فترة طويلة في بيان "ستسمح لنا خارطة الثقب الأسود بالانتقال الى عصر رسم صدى الثقوب السوداء الهائل على نطاق صناعي حقيقي." "سنتعلم المزيد عن هذه الأشياء الغامضة أكثر من أي وقت مضى."
