تمكن علماء الفلك من قياس أثقل زوج من الثقوب السوداء تم العثور عليه على الإطلاق!

استخدم فريق من علماء الفلك البيانات الأرشيفية لتلسكوب "جيميني نورث" لقياس أثقل زوج من الثقوب السوداء الضخمة المكتشفة حتى اليوم، حيث يعد اندماج ثقبين أسودين ضخمين ظاهرة تم التنبؤ بها منذ فترة طويلة، دون أن تُرصد بشكل مباشر. في حين يقدم هذا الزوج الضخم أدلة حول سبب احتمال حدوث مثل هذا الحدث في الكون.

تضم كل مجرة ضخمة تقريبًا ثقبًا أسود هائلًا في مركزها، وعند اندماج مجرتين، يحتمل أن يشكل الثقبان الأسودان زوجًا ثنائيًا يدور كل منهما حول الآخر. كان من المتوقع أن تندمج هذه الأزواج في نهاية المطاف، لكن لم يسبق ملاحظة مثل هذا الحدث. وقد شغل إمكانية حدوث ذلك علماء الفلك لعقود طويلة.

وفي ورقة بحثية نُشرت مؤخرًا في مجلة الفيزياء الفلكية، قدم فريق البحث رؤية جديدة حول هذا الموضوع. استخدموا في ذلك البيانات المستقاة من تلسكوب جيميني نورث "Gemini North" في هاواي، لتحليل ثنائي ثقب أسود هائل يقع في المجرة الإهليلجية أو البيضاوية B2 0402+379.

 يعد هذا الثنائي الوحيد الذي تم تحليله بتفاصيل كافية لرؤية الجسمين بشكل منفصل، حيث يحمل الرقم القياسي لأقرب فاصل مباشر تم قياسه على الإطلاق، وهو 24 سنة ضوئية فقط. بينما يشير هذا القرب إلى احتمالية الاندماج، أظهرت دراسة أخرى أن الزوج ظل عند هذه المسافة لأكثر من ثلاثة مليارات سنة، ما يطرح تساؤلات حول العوائق التي تحول دون الاندماج.

ولفهم ديناميكيات هذا النظام وسبب توقف الاندماج، استعرض الفريق البيانات الأرشيفية من جهاز Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) التابع لتلسكوب "جيميني نورث"، مما مكنهم من قياس سرعات النجوم القريبة من الثقوب السوداء. وقد أوضح روجر روماني، أستاذ الفيزياء في جامعة ستانفورد والمؤلف المشارك في الدراسة، أن الدقة العالية لـ GMOS سمحت برسم خريطة للسرعات المتزايدة للنجوم بالقرب من مركز المجرة، مما ساهم في استنباط الكتلة الإجمالية للثقوب السوداء.

ويُقدر الفريق أن كتلة الثنائي تبلغ 28 مليار مرة كتلة الشمس، مما يجعلهما أثقل ثقب أسود ثنائي تم قياسه حتى الآن. هذا القياس لا يوفر سياقًا قيمًا لتكوين النظام الثنائي وتاريخ المجرة المضيفة فحسب، بل يؤكد أيضًا على النظرية القائلة بأن كتلة الثقب الأسود الثنائي الضخم تلعب دورًا مهمًا في تعطيل الاندماج المحتمل.

ومن جهته، أكد مارتن ستيل، مدير برنامج NSF في مرصد "Gemini" الدولي، على أن أرشيف البيانات للمرصد يحتوي على العديد من الاكتشافات العلمية غير المستغلة، مشيرًا إلى أن القياسات الجماعية لهذا الثقب الأسود الثنائي الضخم تعد مثالًا بارزًا على الإمكانات الكبيرة للأبحاث الجديدة التي تستكشف هذا الأرشيف.

يمكن أن يساعد فهم تشكيل هذا الثنائي في التنبؤ بمدى ومتى قد يحدث الاندماج، حيث تشير الأدلة إلى أن الزوج تشكل عبر عمليات اندماج متعددة للمجرات. وتُعتبر  B2 0402+379"عنقودًا أحفوريًا"، نتيجة لاندماج العديد من النجوم والغازات في عنقود مجري كامل داخل مجرة واحدة ضخمة. كما يشير وجود ثقبين أسودين هائلين، بكتلتهما الكبيرة المجتمعة، إلى أنهما نتجا عن اندماج عدة ثقوب سوداء أصغر من مجرات مختلفة.

وبعد اندماج المجرات، لا تتصادم الثقوب السوداء الضخمة مباشرة، بل تبدأ في التأثير على بعضها البعض في مدار محدد، فمع كل دورة، تنتقل الطاقة من الثقوب السوداء إلى النجوم المحيطة، ما يؤدي إلى فقدان الطاقة واقتراب الزوج من بعضهما حتى تصل المسافة بينهما إلى سنوات ضوئية قليلة، حيث يتولى إشعاع الجاذبية السيطرة ويحدث الاندماج. وقد تمت ملاحظة هذه العملية بشكل مباشر في ثنائيات الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية، وتم تسجيل أول حالة في عام 2015 من خلال اكتشاف موجات الجاذبية، لكنها لم تُرصد في ثنائي فائق الكتلة.

مع الإدراك الجديد للكتلة الضخمة للنظام، خلص الفريق إلى ضرورة وجود عدد كبير جدًا من النجوم لإبطاء مدار الثنائي بما يكفي لجعلهما قريبين إلى هذا الحد. وخلال هذه العملية، يبدو أن الثقوب السوداء قذفت تقريبًا كل المادة في محيطها، مما أدى إلى ترك قلب المجرة محرومًا من النجوم والغاز. وبدون المزيد من المواد لزيادة إبطاء مدار الزوج، توقف اندماجهما في المراحل النهائية.

ومن جانبه، أوضح روماني أن المجرات التي تحتوي على أزواج من الثقوب السوداء الأخف وزنًا عادة ما تمتلك النجوم والكتلة الكافية لدفع الثنائي نحو بعضهما بسرعة. في حين نظرًا لثقل هذا الزوج، كان من الضروري وجود الكثير من النجوم والغاز لإتمام المهمة، لكن الثنائي قد نظف المجرة المركزية من هذه المواد، مما جعلها معطلة ومتاحة للدراسة.

ومن الجدير بالذكر أنه لم يتحدد بعد ما إذا كان هذان الزوجان من الثقوب سيتغلبان على هذا الجمود ويندمجان في النهاية على مدى ملايين السنين، أو سيظلان في نسيان مداري إلى الأبد. إذا حدث الاندماج، فستكون موجات الجاذبية الناتجة أقوى بمئة مليون مرة من تلك الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية.

ويُذكر أيضًا أنه قد يتمكن الزوجان من التغلب على هذه المسافة النهائية عبر اندماج مجرات أخرى، مما قد يزود النظام بمواد إضافية، أو ربما ثقب أسود ثالث، لإبطاء مدار الزوج بدرجة كافية للاندماج. ومع ذلك، نظرًا لكون B2 0402+379 عنقودًا أحفوريًا، فمن غير المرجح حدوث اندماج مجري آخر.

وقد أعرب تيرث سورتي، طالب جامعي في جامعة ستانفورد والمؤلف الرئيسي للدراسة، عن تطلعهم لمزيد من التحقيقات في قلب B2 0402+379 لفحص كمية الغاز الموجودة هناك. وأشار إلى أن ذلك سيوفر مزيدًا من الفهم حول ما إذا كان بإمكان الثقوب السوداء فائقة الكتلة الاندماج في النهاية أو ستبقى عالقة كزوج ثنائي.