تثني الثقوب السوداء فهمنا للكون وقوانين الفيزياء. عندما يدور الثقب الأسود ، فإنه يسحب المساحة المحيطة به ، ويعطي الفلكيين فرصة لدراسة بعض توقعات آينشتاين حول النسبية.
ربما يكون وجود الثقوب السوداء هو أروع توقع لنظرية أينشتاين العامة للنسبية. عندما تصبح أي كتلة ، مثل النجم ، أكثر إحكاما من حد معين ، تصبح جاذبيتها قوية لدرجة أن الجسم ينهار إلى نقطة مفردة ، ثقب أسود. في العقل الشائع ، هذه الجاذبية الهائلة هي مكان تحدث فيه أشياء غريبة. والآن ، قام فريق بقيادة مركز الفيزياء الفلكية بقياس ثقب أسود نجمي ذو كتلة نجمية تدور بسرعة كبيرة - تتحول أكثر من 950 مرة في الثانية - إلى حد يتجاوز السرعة المتوقعة للتناوب.
يقول فلكي CfA جيفري ماكلينتوك: "أود أن أقول إن نظام الجاذبية هذا بعيد كل البعد عن الخبرة المباشرة والمعرفة مثل العالم دون الذري نفسه".
بتطبيق تقنية لقياس الدوران تم تطويره بشكل مشترك من قبل McClintock وعالم الفيزياء الفلكية CfA Ramesh Narayan ، استخدم الفريق بيانات الأقمار الصناعية Rossi X-ray Timing Explorer التابعة لناسا لتقديم أكثر تحديد مباشر حتى الآن لفتحة الثقب الأسود.
قاد ماكلينتوك ونارايان مجموعة دولية تتكون من ريبيكا شافي ، قسم الفيزياء بجامعة هارفارد. رونالد ريميلارد ، مركز كافلي للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ؛ شين ديفيس ، جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا ، ولي شين شين لي ، معهد ماكس بلانك للفيزياء الفلكية ، ألمانيا ، في هذا البحث. تم نشر النتائج في عدد اليوم من مجلة Astrophysical Journal.
يقول مكلينتوك: "لدينا الآن قيم دقيقة لمعدلات دوران ثلاثة ثقوب سوداء". "الأكثر إثارة هو النتيجة التي حققناها لـ MicroSasar GRS1915 + 105 ، والتي تدور بنسبة تتراوح بين 82٪ و 100٪ من القيمة القصوى النظرية".
يقول المُنظِر نارايان: "هذه النتيجة لها آثار كبيرة على تفسير كيفية انبعاث الثقوب السوداء من الطائرات ، ونمذجة المصادر المحتملة لانفجارات أشعة غاما ، وللكشف عن موجات الجاذبية".
لماذا يهتم الفلكيون بالدوران؟
يقول مكلينتوك: "في علم الفلك ، يتم وصف الثقب الأسود بالكامل من خلال رقمين فقط يحددان كتلته ومدى سرعة دورانه". "لا نعرف شيئًا آخر بهذه البساطة باستثناء جسيم أساسي مثل الإلكترون أو الكوارك."
على الرغم من نجاح علماء الفلك في قياس كتلة الثقب الأسود ، إلا أنهم وجدوا صعوبة أكبر في قياس المعلمة الأساسية الثانية للثقب الأسود ، وهو دورانها.
يقول نارايان: "في الواقع ، حتى هذا العام ، لم يكن هناك تقدير موثوق للدوران لأي ثقب أسود".
جاذبية الثقب الأسود قوية جدًا لدرجة أنه عندما يدور الثقب الأسود ، فإنه يسحب الفضاء المحيط معه. تسمى حافة ثقب الغزل هذا بأفق الحدث. يتم سحب أي مادة تعبر أفق الحدث إلى الثقب الأسود.
يقول نارايان: "إن تردد دوران الثقب الأسود الذي قمنا بقياسه هو معدل دوران الزمكان ، أو سحبه ، في أفق حدث الثقب الأسود".
الثقب الأسود عالي السرعة ، GRS 1915 ، هو أكبر ثقب من الثقوب السوداء الثنائية للأشعة السينية البالغ عددها 20 ثقبًا والتي تعرف كتلتها حاليًا ، ويزن حوالي 14 ضعف وزن الشمس. وهي معروفة بخصائصها الفريدة مثل نفث المواد من المواد بسرعة تقارب الضوء والتغيرات السريعة في انبعاث الأشعة السينية.
على مدى العقود القليلة الماضية ، تم اكتشاف عشرات الثقوب السوداء في أنظمة الأشعة السينية الثنائية. ثنائي الأشعة السينية هو نظام يدور فيه جسمان حول بعضهما البعض ، مع غاز من أحدهما - نجم طبيعي مثل الشمس - يتم نقله بثبات إلى الآخر - في هذه الحالة ، ثقب أسود. اللوالب الغازية على الثقب الأسود من خلال عملية تسمى التراكم. عندما تتأرجح ، فإنها تسخن حتى ملايين الدرجات وتشع الأشعة السينية. استخدم الفريق طيف الأشعة السينية لقرص تراكم الثقب الأسود لتحديد دورانه.
تعتمد هذه التقنية على توقع رئيسي لنظرية النسبية: الغاز الذي يتراكم على الثقب الأسود يشع فقط إلى نصف قطر معين يقع خارج الثقب الأسود - خارج أفق الحدث. داخل هذا نصف القطر ، يسقط الغاز في الحفرة بسرعة كبيرة لإنتاج الكثير من الإشعاع. يعتمد نصف القطر الحرج على دوران الثقب الأسود ، لذا فإن قياس هذا الشعاع يوفر تقديرًا مباشرًا للدوران. كلما كان نصف القطر أصغر ، كلما زادت حرارة الأشعة السينية المنبعثة من القرص. درجة حرارة الأشعة السينية ، إلى جانب سطوع الأشعة السينية ، يعطي نصف القطر الذي بدوره يعطي معدل دوران الثقب الأسود.
تقول ريبيكا شافي ، طالبة دراسات عليا في قسم الفيزياء في جامعة هارفارد: "إنه لأمر رائع حقًا أن تكون قادرًا على قياس شيء ما أساسي". "طريقتنا بسيطة للغاية من حيث المفهوم وسهلة الفهم. نحن محظوظون حقًا لأن لدينا مراصد قوية للأشعة السينية مثل مستكشف توقيت روسي بالأشعة السينية في الفضاء والتلسكوبات على الأرض لإجراء القياسات التي نحتاجها ".
قد تساعد نتائج الفريق في البحث عن سبب انفجارات أشعة غاما ، والتي يمكن أن تكون للحظة ألمع وميض في الكون. قام عالم الفيزياء الفلكية النظرية ستان ووسلي من جامعة كاليفورنيا ، سانتا كروز ، بوضع نماذج لأشعة جاما على أساس انهيار نجم ضخم. ومع ذلك ، تعتمد هذه النماذج على وجود ثقوب سوداء ذات دوران مرتفع للغاية ، والتي لم يتم تأكيدها حتى الآن.
يقول ووسلي: "هذا مهم للغاية". "لم يكن لدي أي فكرة عن إمكانية إجراء مثل هذه القياسات."
وتخلص الورقة إلى أن GRS 1915 والفتحتين الأسودتين الأخريين اللتين درسهما الفريق ولدوا بسعات دوران عالية. أي أن النواة المنهارة للنجم الضخم الأصلي سكبت زخمها الزاوي في الثقب الأسود.
يقول مكلينتوك: "منذ أن توصل المجتمع قبل سنوات عديدة إلى كيفية قياس كتلة الثقب الأسود ، كان قياس الدوران هو الكأس المقدسة في هذا المجال". "يمكن تطبيق التقنية التي استخدمناها في GRS 1915 على عدد من ثنائيات الأشعة السينية للثقب الأسود. لا يمكننا الانتظار لنرى ما نجده! "
يقول نارايان: "إن أحد آمالنا الكبيرة هو أن أنظمة الثقب الأسود التي ندرسها ستتم دراستها أيضًا من قبل مجموعات أخرى باستخدام طرقهم المفضلة لقياس الدوران". "بمجرد تطوير هذه الأساليب الأخرى بشكل أكبر لتصبح أكثر موثوقية ، ستكون المقارنة بين النتائج من الطرق المختلفة أكثر إثارة للاهتمام."
المصدر الأصلي: بيان صحفي CfA
