نموذج فيزيائي جديد يجمع بين الملاحظات والمحاكاة ويشرح العمليات الرئيسية في محيط الثقوب السوداء - من انبعاثات النفثات إلى نمو الكتلة الشديد
علماء الفلك يدرسون الثقب الأسود الهائل اكتشف M87* طريقة جديدة تطلق بها هذه الوحوش الكونية طاقتها.
من "سديم بلا نجوم" إلى مجرة عملاقة
لما يقرب من قرنين من الزمان، ظل علماء الفلك غير متأكدين من الطبيعة الحقيقية للجرم الساطع في كوكبة العذراء، والذي سجله شارل مسييه عام ١٧٨٤ باسم "٨٧: سديم بلا نجوم". ما بدا رقعة ضبابية من الضوء، تبيّن لاحقًا أنه مجرة عملاقة. عندما اكتُشفت دفقة غامضة من الضوء تنبعث من مركزها عام ١٩١٨، لم يكن لدى العلماء أدنى فكرة عن سبب تكوينها.
في قلب هذه المجرة الضخمة، المعروفة الآن باسم M87، يقع الثقب الأسود فائق الكتلة M87*، الذي تبلغ كتلته حوالي ستة مليارات ونصف المليار ضعف كتلة الشمس. يدور هذا الثقب الأسود بسرعة، ويدفع دورانه تيارًا من الجسيمات المشحونة ينطلق بسرعة تقارب سرعة الضوء، ويمتد لمسافة حوالي 5,000 سنة ضوئية في الفضاء. تُرى نفثات مماثلة حول ثقوب سوداء دوارة أخرى، مما يساعد على نشر الطاقة والمادة في جميع أنحاء الكون ويساهم في تشكيل تطور المجرات.
فك شفرة طاقة الثقب الأسود
طوّر فريق بحثي من جامعة جوته في فرانكفورت، بقيادة البروفيسور لوتشيانو رازولا، أداةً حاسوبيةً جديدةً تُسمى FPIC. يُحاكي برنامج المحاكاة هذا بدقةٍ كيفية تحويل ثقبٍ أسود دوارٍ لطاقته الدورانية إلى نفثٍ قوي. اكتشف الباحثون أنه بالإضافة إلى آلية بلاندفورد-زينيك المعروفة، والتي لطالما اعتُبرت تفسيرًا لكيفية استخراج الثقوب السوداء للطاقة الدورانية باستخدام المجالات المغناطيسية، تلعب عمليةٌ أخرى مهمة دورًا أيضًا: الاندماج المغناطيسي. في هذه الظاهرة، تنكسر خطوط المجال المغناطيسي ثم تلتقي مجددًا، محولةً الطاقة المغناطيسية إلى حرارة وإشعاع وانفجارات بلازما.
باستخدام برنامج FPIC، حاكى الفريق سلوك عدد لا يُحصى من الجسيمات المشحونة والمجالات الكهرومغناطيسية الشديدة المتأثرة بالجاذبية الشديدة المحيطة بثقب أسود. وأوضح الدكتور كلاوديو مارينغولو، كبير مطوري البرنامج، قائلاً: "إن محاكاة مثل هذه العمليات أمر بالغ الأهمية لفهم الديناميكيات المعقدة للبلازما النسبية في الزمكان المنحني بالقرب من الأجسام الكثيفة، والتي يحكمها التفاعل بين المجالات الجاذبة والمغناطيسية الشديدة".
تطلّب تشغيل هذه المحاكاة موارد حاسوبية هائلة، بلغت ملايين ساعات المعالجة على حاسوبي جوته العملاق في فرانكفورت ونيتس العملاق في شتوتغارت. كانت هذه القدرة الحاسوبية الهائلة ضرورية لحل معادلات ماكسويل ومعادلات حركة الإلكترونات والبوزيترونات في إطار نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين.
سلاسل البلازما والطاقة السلبية
في المستوى الاستوائي للثقب الأسود، كشفت حسابات الباحثين عن نشاط اندماجي مكثف، يُسبب تكوين سلسلة من البلازمويدات - تكاثفات البلازما في فقاعات نشطة - تتحرك بسرعة الضوء تقريبًا. ووفقًا للعلماء، تصاحب هذه العملية تكوين جسيمات ذات طاقة سالبة تُستخدم في إحداث ظواهر فيزيائية فلكية متطرفة، مثل النفثات البركانية وانفجارات البلازما.
يقول الدكتور فيليبو كاميوني من مشروع FPIC: "تفتح نتائجنا الباب أمام إمكانية رائعة مفادها أن آلية بلاندفورد-زينيك ليست العملية الفيزيائية الفلكية الوحيدة القادرة على استخراج الطاقة الدورانية من ثقب أسود، ولكن الاندماج المغناطيسي يساهم أيضًا".
إضاءة ألمع المحركات في الكون
يقول رازولا: "من خلال بحثنا، يُمكننا توضيح كيفية استخراج الطاقة بكفاءة من الثقوب السوداء الدوارة وتسخيرها في النفثات. وهذا يُساعدنا على تفسير السطوع الشديد للنوى المجرية النشطة، وكذلك تسارع الجسيمات إلى سرعة تُقارب سرعة الضوء". ويضيف أنه من المثير للاهتمام والرائع فهم ما يحدث بالقرب من الثقب الأسود بشكل أفضل باستخدام برامج رقمية متطورة. "في الوقت نفسه، من المُجزي أكثر أن نتمكن من تفسير نتائج هذه المحاكاة المعقدة من خلال معالجة رياضية دقيقة - كما فعلنا في دراستنا".
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
وهذا يوفر أساسًا قويًا لفهم الموضوع.