ما هي الثقوب السوداء المتوسطة الكتلة؟

لقد اكتشفنا ثقوبًا سوداء كبيرة الكتلة. لقد اكتشفنا ثقوبًا سوداء عملاقة هائلة. ولكن ماذا عن هؤلاء في الوسط؟



ازداد البحث عن الثقوب السوداء المتوسطة الكتلة (IMBH) خلال السنوات الأخيرة ، وهناك الآن العشرات من المرشحين الواعدين. يصور هذا الفنان مفهوم  2200 كتلة شمسية لـ IMBH يُشتبه في وجوده في قلب المجموعة 47 Tucanae الكروية ، التي تقع على بعد حوالي 15000 سنة ضوئية من الأرض.

B. Kiziltan/T. Karacan

عملت الثقوب السوداء لفترة طويلة كعلف للخيال العلمي - ولسبب وجيه. تحتوي هذه الأجسام الكثيفة التي لا يمكن تصورها على الكثير من المواد المحبوسة في حجم صغير لدرجة أن جاذبيتها قوية بما يكفي لمنع حتى الضوء من الهروب من أسطحها.

على الرغم من أن أول تنبؤ بالثقب الأسود تم منذ 250 عامًا من قبل الفيلسوف ورجل الدين الإنجليزي جون ميشيل ، فإن أول مرشح للثقب الأسود ، Cygnus X-1 ، لم يتم اكتشافه حتى عام 1971. ومنذ ذلك الحين ،لقد تمكن علماء الفلك من التملص من الأسئلة التي لا حصر لها والمتعلقة بهذه الوحوش الأسطورية . ولكن يبقى أحد أكثر الأسئلة الأساسية والمتكررة : هل هذه التقوب السوداء موجودة  بجميع الأحجام؟؟

صغيرة و كبيرة، أو صغيرة إلى كبيرة؟

خلال العقود القليلة الماضية ، جمع علماء الفلك الكثير من الأدلة على وجود ثقوب سوداء في طرفي الطيف الكتلي. اكتشف الباحثون ثقوبًا سوداء صغيرة تزن فقط بضع إلى 100 مرة كتلة الشمس ، بالإضافة إلى ثقوب سوداء هائلة يمكن أن تصل إلى مليارات المرات من كتلة أخوتهم من النجوم.

يُعتقد أن الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية تتشكل عندما يموت نجم ضخم نسبياً بطريقة مذهلة. عندما يحترق النجم المنهك من خلال آثاره النهائية للوقود ، فإن جاذبيته الهائلة تجعله ينهار على  نفسه. إذا لم يكن النجم المنهار كبيرًا جدًا ، فإن المادة الملتهبة تنتعش من قلب النجم الكثيف. هذا يتسبب في انفجار سوبر نوفا ، غالبًا ما يترك وراءه قزم أبيض صغير أو نجم نيوتروني. ولكن إذا كانت البقية الباقية أكبر من حوالي ثلاث كتل شمسية ، فلا يمكن حتى للنيوترونات المعبأة بإحكام منع النواة بحجم المدينة من الاستمرار في الانهيار إلى ثقب أسود ذو كتلة نجمية.

من ناحية أخرى ، هناك أيضًا فئة من الثقوب السوداء تُعرف باسم الثقوب السوداء الفائقة الكتلة ، والتي تعمل بمثابة نقاط تثبيت مركزية للجاذبية في معظم المجرات الكبيرة ، إن لم تكن كلها. مجرات كبيرة . على الرغم من أن الثقوب السوداء الهائلة الموجودة في أي مكان تتراوح بين ملايين الى مليارات كتلة الشمس ، فإنها تحزم كل المادة  في منطقة بحجم نجمة واحدة تقريبًا. هناك العديد من خطوط الأدلة التي تشير إلى أن هؤلاء العمالقة الكونيين هي شائعة في جميع أنحاء الكون ، ولكن بالضبط كيف ومتى تشكل لا يزال لغزا.



يعتقد علماء الفلك أن الثقوب السوداء الهائلة تكمن في قلوب معظم المجرات الكبيرة . في أبريل 2019 ، استخدم تعاون دولي هائل من الباحثين "تلسكوب أفق الحدث" لتصوير ثقب أسود هائل للغاية في وسط مجرة ​​Messier 87 ، التي تقع على بعد 54 مليون سنة ضوئية.

Event Horizon Telescope collaboration

  ولكن ماذا عن ما بينهما ؟ ألا ينبغي أن يكون هناك أيضًا فئة من الثقوب السوداء متوسطة الحجم التي تقسم الفرق بين الثقوب ذات الكتلة النجمية والثقوب السوداء الضخمة؟
  هذه الأوزان الوسطى الكونية ، والتي تتراوح من حوالي 100 إلى 1 مليون كتلة شمسية - على الرغم من اختلاف النطاق المعتمد على من تسأل - يشار إليها باسم الثقوب السوداء المتوسطة الكتلة (IMBHs). وعلى الرغم من أن علماء الفلك وجدوا أن العديد من مرشحي IMBH المقنعين ينتشرون في جميع أنحاء الكون ، إلا أن الأمر لم يحسم بعد بشأن وجودها حقًا. ومع ذلك ، فإن الأدلة بدأت تتراكم. 

هل الدليل على وجودهم موجود ؟

على الرغم من أن الدليل القاطع على وجود التقوب السوداء متوسطة الكتلة IMBH لا يزال بعيد المنال ، لكن على مدى العقود القليلة الماضية ، كان هناك عدد من الدراسات التي كشفت عن أدلة مثيرة للاهتمام تلمح إلى وجود هذه الثقوب السوداء التي ليست كبيرة جدا ، و ليست صغيرة جدا.

على سبيل المثال ، في عام 2003 ، استخدم الباحثون مرصد الفضاء  XMM-Newton التابع لوكالة الفضاء الأوروبية لتحديد مصدرين قويين متميزين للأشعة السينية في مجرة إنفجار نجمي القريبة NGC 1313. لأن الثقوب السوداء تميل إلى التمسك بشراسة بالمواد التي تكون قريبة جدًا وتصدر إشعاعات عالية الطاقة ، فهي من أقوى بواعث الأشعة السينية المعروفة. ومن خلال تحديد مصادر الأشعة السينية NGC 1313 ودراسة كيفية وميضها بشكل دوري ، في عام 2015 ، تمكن الباحثون من تقييد كتلة أحد الثقوب السوداء المشتبه بها في المجرة ، والمعروفة باسم NGC 1313 X-1 . حسبوا أنها حوالي 5000 مرة كتلة الشمس ، تعطي أو تأخذ حوالي 1000 كتلة شمسية ، مما يضعها بحزم في نطاق كتلة الثقب الأسود المتوسط ​​الكتلة.

وبالمثل ، في عام 2009 ، اكتشف الباحثون أقوى دليل على وجود ثقب أسود متوسط ​​الكتلة . على بعد حوالي 290 مليون سنة ضوئية بالقرب من حافة المجرة ESO 243-49 ، لاحظ الفريق مصدر أشعة سينية ساطع بشكل لا يصدق يسمى (Hyper-Luminous X-ray source 1)  الذي لم يكن له نظير بصري. هذا يشير إلى أن الكائن ليس مجرد نجمة أو مجرة ​​خلفية. بالإضافة إلى ذلك ، وجد الباحثون أن توقيع الأشعة السينية HLX-1 يتنوع مع مرور الوقت ، مما يشير إلى وجود ثقب أسود يضيء في كل مرة يقوم فيها نجم قريب باتباع نهج قريب ، حيث يقوم بإدخال الغاز إلى الثقب الأسود ويسبب انفجارات قصيرة للأشعة السينية التي تتلاشى ببطء بعد ذلك. بناءً على سطوع الهبات المرصودة ، قام الباحثون بحساب الحد الأدنى من الكتلة للثقب الأسود بحوالي 500 مرة من كتلة الشمس ، على الرغم من أن بعض التقديرات قدرت وزنه بما يقرب من 20000 كتلة شمسية.

يقول شون فاريل من جامعة ليستر بعد الاكتشاف "مثل هذا الكشف ضروري ." "في حين أنه من المعروف بالفعل أن الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية هي من بقايا النجوم الضخمة ، إلا أن آليات تشكيل الثقوب السوداء الهائلة لا تزال غير معروفة." ومضى فاريل ليوضح أن "تحديد HLX-1 هو بالتالي خطوة مهمة نحو فهم أفضل لتشكيل الثقوب السوداء الهائلة الموجودة في وسط درب التبانة وغيرها من المجرات.



تقع على بعد حوالي 290 مليون سنة ضوئية من الأرض ، ويعتقد أن المجرة الحلزونية ESO 243-49 تأوي أحد أوائل المرشحين الأقوياء للحصول على لقب ثقب أسود متوسط ​​الكتلة ، HLX-1. تم العثور على الثقب الأسود (تم عمل دائرة عليه في الصورة ) بالقرب من حافة المجرة داخل مجموعة من النجوم الشابة .

NASA / ESA / S. فاريل (جامعة سيدني وجامعة ليستر)

في الآونة الأخيرة ، بدأ علماء الفلك في الكشف عن دليل قوي على تجولهم في الثقوب السوداء متوسطة الكتلة التي تكمن بالقرب من قلب درب التبانة. على سبيل المثال ، في يناير 2019 ، استخدم علماء الفلك مجموعة Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) لتتبع تدفقات الغاز التي تدور حول جسم غير مرئي يُعتقد أنه تقب اسود متوسط الكتلة ( إختصار : IMBH ) مع كتلة واضحة تبلغ حوالي 32000 ضعف كتلة الشمس.

يقع هذا الاكتشاف على بعد 23 سنة ضوئية من الثقب الأسود الفائق الضخم لـ Milky Way ،الـ *Sagittarius A ،  يشير الاكتشاف إلى أن IMBH المكتشفة حديثًا يمكن أن يندمج مع كتلة *Sagittarius A الشمسية البالغة 4 ملايين في المستقبل غير البعيد. وللمساعدة في تعزيز حالة التقب الاسود متوسط الكتلة التي تتجول عبر درب التبانة ، يأمل الباحثون في استخدام السحب الغازية الأخرى التي تدور حول مدار غريب للبحث في مجرتنا  على مزيد من الثقوب السوداء متوسطة الحجم المحصورة في المناطق التي يسيطر عليها الغاز.

البحث عن IMBH (التقوب السوداء متوسطة الكتلة )

للمضي قدمًا ، سيعتمد الباحثون على مجموعة متنوعة من الطرق لكشف عدد كبير من الثقوب السوداء متوسطة الكتلة. من خلال القيام بذلك ، فإنهم لا يأملون فقط في إثبات أن IMBHs موجودة بالفعل ، ولكن الأهم من ذلك ، أنهم يريدون استخدام IMBHs للمساعدة في معرفة كيفية نمو الثقوب السوداء الكبيرة وتطورها مع مرور الوقت.



حتى الآن ، تعاونت أجهزة الكشف على موجات الجاذبية LIGO و Virgo للكشف عن 20 حفرة سوداء ذات كتلة نجمية وهي في عملية الدمج لتشكيل ثقوب سوداء تتراوح بين حوالي 20 إلى 80 كتلة شمسية. على الرغم من أن LIGO-Virgo لم تكشف عن أي IMBHs (أكثر من 100 كتلة شمسية) ، إلا أن الباحثين متفائلون باكتشافهم في المستقبل.
LIGO-Virgo/Frank Elavsky/Northwestern

لحسن الحظ ، أصبح علماء الفلك الآن في وضع ممتاز للقيام بذلك. بفضل النجاحات الأخيرة لمشروع موجات الجاذبية LIGO-Virgo - الذي حدد 20 حفرة سوداء ذات كتلة نجمية من خلال استكشاف الكون بحثًا عن موجات الجاذبية التي يتم إنتاجها عند دمج الثقوب السوداء - لدى الباحثين طريقة جديدة للبحث عن الصغيرة إلى متوسطة الحجم من الثقوب السوداء . 

على الرغم من أن تعاون LIGO-Virgo لم يكشف بعد عن موجات الجاذبية الناتجة عن عمليات الاندماج بين الثقوب السوداء أكبر من حوالي 40 كتلة شمسية ، وفقًا لموقع LIGO ، "في [المستقبل] ، مع تحسن في [حساسية] كاشف موجات الجاذبية ، سيكون لدينا فهم أفضل لتكرار عمليات الاندماج لـ IMBH.
بدأ مسار المراقبة الثالث في جمع البيانات من 1 أبريل 2019 ، ويأمل علماء موجات الجاذبية مراقبة هذه المصادر بعيدة المنال قريبًا! "

لا تنزعج ، لأننا قد نجد دليلًا قاطعًا على مدى السنوات القليلة القادمة على الرابط المفقود بين الثقوب السوداء الصغيرة و الكبير. وإذا فعلنا ذلك ، فسوف يوضع هذا اللغز الكوني أخيرًا للراحة مرة واحدة وإلى الأبد. عندها فقط سنتمكن من التوقف عن مناقشة وجود التقوب السوداء متوسطة الكتلة ، والتركيز بدلاً من ذلك على كشف قصصهم الأصلية ، وكذلك قصص الثقوب السوداء الهائلة.