التوهجات من الثقب الأسود الثنائى الفائق OJ 287 تضع قيودًا على "نظرية عدم وجود شعر"

رصد مرصد سبيتزر التابع لناسا ، والمتخصص في الأشعة تحت الحمراء، مؤخرًا توهجًا من نظام الثقب الأسود الثنائي العملاق OJ 287، ضمن الفترة الزمنية المقدرة التي تنبأ بها النموذج الذي طوره علماء الفيزياء الفلكية. وقد اختبر هذا الرصد جوانب مختلفة من النسبية العامة، ونظرية "انعدام الشعر"، وأثبت أن OJ 287 هو بالفعل مصدر لموجات الجاذبية تحت الحمراء.

تقع مجرة ​​OJ 287 في كوكبة السرطان على بُعد 3.5 مليار سنة ضوئية من الأرض، وتضم ثقبين أسودين : أحدهما أكبر حجماً بكتلة تزيد عن 18 مليار ضعف كتلة الشمس، ويدور حوله ثقب أسود أصغر حجماً بكتلة تقارب 150 مليون ضعف كتلة الشمس ، ويشكلان معاً نظاماً ثنائياً من الثقوب السوداء . أثناء دورانه حول الثقب الأسود الأكبر، يخترق الثقب الأسود الأصغر قرص التراكم الهائل من الغاز والغبار المحيط برفيقه الأكبر، مُحدثاً وميضاً ضوئياً أشد سطوعاً من تريليون نجم.

يصطدم الثقب الأسود الأصغر بقرص التراكم الخاص بالثقب الأكبر مرتين كل اثنتي عشرة سنة. ومع ذلك، ونظرًا لمداره البيضاوي غير المنتظم (المسمى شبه كبلاري في المصطلحات الرياضية، كما هو موضح في الشكل أدناه)، يمكن أن تظهر التوهجات في أوقات مختلفة - أحيانًا بفارق سنة واحدة فقط؛ وأحيانًا أخرى بفارق يصل إلى عشر سنوات (1). باءت محاولات عديدة لنمذجة المدار والتنبؤ بموعد حدوث التوهجات بالفشل حتى عام 2010، عندما ابتكر علماء الفيزياء الفلكية نموذجًا قادرًا على التنبؤ بحدوثها بدقة تتراوح بين أسبوع وثلاثة أسابيع. وقد تم إثبات دقة النموذج من خلال التنبؤ بظهور توهج في ديسمبر 2015 بدقة تصل إلى ثلاثة أسابيع.

من المعلومات المهمة الأخرى التي ساهمت في صياغة نظرية ناجحة لنظام الثقب الأسود الثنائي OJ 287، حقيقة أن الثقوب السوداء فائقة الكتلة يمكن أن تكون مصادر للموجات الثقالية ، وهو ما تأكد بعد الرصد التجريبي لهذه الموجات عام 2016، والتي نتجت أثناء اندماج ثقبين أسودين فائقَي الكتلة . وقد تم التنبؤ بأن OJ 287 هو مصدر الموجات الثقالية تحت الحمراء (2).

في عام ٢٠١٨، قدّم فريق من علماء الفيزياء الفلكية نموذجًا أكثر تفصيلًا، وزعموا قدرتهم على التنبؤ بتوقيت التوهجات الشمسية المستقبلية بدقة تصل إلى بضع ساعات (٣). ووفقًا لهذا النموذج، سيحدث التوهج التالي في ٣١ يوليو ٢٠١٩، مع هامش خطأ يبلغ ٤.٤ ساعات. كما تنبأ النموذج بسطوع التوهج الناتج عن الاصطدام خلال ذلك الحدث. وقد رصد تلسكوب سبيتزر الفضائي التابع لناسا هذا الحدث وأكده (٤)، والذي توقف عن العمل في يناير ٢٠٢٠. كان سبيتزر أملنا الوحيد لرصد هذا الحدث المتوقع، إذ لم يكن بالإمكان رصده بواسطة أي تلسكوب آخر على الأرض أو في مدارها ، نظرًا لوجود الشمس في كوكبة السرطان، ووجود النجم OJ 287 والأرض على جانبين متقابلين منها. كما أثبتت هذه الملاحظة أن النجم OJ 287 يُصدر موجات جاذبية في نطاق الأشعة تحت الحمراء، كما كان متوقعًا. وفقًا لهذه النظرية المقترحة، من المتوقع أن يحدث التوهج الناتج عن الاصطدام من OJ 287 في عام 2022.

تُقيّد ملاحظات هذه التوهجات " نظرية انعدام الشعر " (5، 6)، التي تنص على أنه بينما لا تمتلك الثقوب السوداء أسطحًا حقيقية، إلا أن هناك حدًا يحيط بها لا يمكن لأي شيء - ولا حتى الضوء - الإفلات منه. يُطلق على هذا الحد اسم أفق الحدث. تفترض هذه النظرية أيضًا أن المادة التي تُشكّل الثقب الأسود أو التي تسقط فيه "تختفي" خلف أفق الحدث، وبالتالي تصبح غير قابلة للوصول إليها بشكل دائم من قِبل المراقبين الخارجيين، مما يوحي بأن الثقوب السوداء "لا تمتلك شعرًا". إحدى النتائج المباشرة لهذه النظرية هي أنه يمكن وصف الثقوب السوداء بشكل كامل من خلال كتلتها وشحنتها الكهربائية ودورانها الذاتي. ووفقًا لبعض العلماء، فإن هذه الحافة الخارجية للثقب الأسود، أي أفق الحدث، قد تكون وعرة أو غير منتظمة، مما يُناقض "نظرية انعدام الشعر". ومع ذلك، إذا كان على المرء إثبات صحة "نظرية عدم وجود شعر"، فإن التفسير المعقول الوحيد هو أن التوزيع غير المتساوي للكتلة للثقب الأسود الكبير من شأنه أن يشوه الفضاء المحيط به بطريقة تؤدي إلى تغيير مسار الثقب الأسود الأصغر ، وبالتالي تغيير توقيت اصطدام الثقب الأسود بقرص التراكم في ذلك المدار المحدد ، مما يتسبب في تغيير وقت ظهور التوهجات المرصودة.

كما هو متوقع، يصعب استكشاف الثقوب السوداء . لذا، ومع تقدمنا ​​في هذا المجال، لا بد من دراسة المزيد من الملاحظات التجريبية المتعلقة بتفاعلات الثقوب السوداء ، سواء مع محيطها أو مع ثقوب سوداء أخرى، قبل أن نتمكن من تأكيد صحة "نظرية انعدام الشعر".

***

المراجع:

1. فالتونين ف ، زولا س ، وآخرون. 2016 ، "الثقب الأسود الأساسي يدور في OJ287 على النحو الذي تحدده توهج الذكرى المئوية للنسبية العامة" ، Astrophys. جي ليت. 819 (2016) رقم 2 ، L37. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8205/819/2/L37
2. أبوت بي بي. ، وآخرون. 2016. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) ، “مراقبة موجات الجاذبية من ثنائي ثقب أسود اندماج” ، فيز. القس ليت. 116 ، 061102 (2016). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102
3. Dey L. ، Valtonen MJ. ، Gopakumar A. وآخرون 2018. "المصادقة على وجود ثنائي الثقب الأسود الضخم النسبي في OJ 287 باستخدام توهج المئوية العام للنسبية: تحسين المعلمات المدارية" ، الفلك. 866 ، 11 (2018). معرف الهوية الرقمي: https://doi.org/10.3847/1538-4357/aadd95
4. لين س. ، داي ل. ، وآخرون 2020. “Spitzer Observations of the Preddington Flare of Blazar OJ 287”. رسائل مجلة الفيزياء الفلكية ، المجلد. 894 ، رقم 1 (2020). DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab79a4
5. Gürlebeck، N.، 2015. "نظرية عدم وجود شعر للثقوب السوداء في البيئات الفيزيائية الفلكية" ، استعراض للحروف البدنية 114 ، 151102 (2015). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.151102
6. هوكينج ستيفن دبليو وآخرون 2016. شعر ناعم على الثقوب السوداء. https://arxiv.org/pdf/1601.00921.pdf

***