اكتشف علماء الفلك أقرب وأسرع نجم على الإطلاق يدور حول الثقب الأسود الوحشي في مجرتنا

اكتشف علماء الفلك أقرب وأسرع نجم على الإطلاق يدور حول القوس A* (Sgr A*)، وهو الثقب الأسود الذي تبلغ كتلته 4.3 مليون كتلة شمسية في قلب مجرتنا. يكمل النجم الخافت، المسمى S301، دورة كل 8.7 سنوات ويتخطى الثقب الأسود بسرعة 55 مليون ميل في الساعة (90 مليون كم/ساعة) تقريبًا، أي حوالي 8٪ من سرعة الضوء. ومداره ضيق للغاية، لدرجة أنه في غضون عقد من الزمن تقريبًا، من المفترض أن يتمكن الباحثون من قياس معدل دورانه. تم الإبلاغ عن هذا الاكتشاف في 19 أغسطس في المجلة طبيعة.

النجوم كالفوانيس في الفضاء الملتوي

مركز ال درب التبانة، على بعد حوالي 27000 سنة ضوئية، وهو واحد من أفضل المختبرات الطبيعية التي يمتلكها الفيزيائيون. تتجمع بضع عشرات من النجوم حول الثقب الأسود المركزي للمجرة في مدارات ضيقة، ونظرًا لأن الجاذبية هناك أقوى بكثير من أي مكان آخر يمكننا مراقبته عن كثب، فإن تلك النجوم تتصرف بطرق لم يتوقعها إسحاق نيوتن أبدًا.

“النجوم التي تدور حول Sgr A* هي أجسام مثيرة للاهتمام للغاية، لأنها تعمل بمثابة مجسات مضيئة للزمكان المنحني حول الثقب الأسود،” مؤلف مشارك في الدراسة فيليكس مانجوقال طالب الدكتوراه في معهد ماكس بلانك للفيزياء خارج الأرض في ألمانيا لموقع Live Science عبر البريد الإلكتروني.

حتى الآن، كان النجم الذي يقوم بمعظم هذا العمل هو S2، وهو نجم ساطع يدور في مدار مدته 16 عامًا. لقد تابع علماء الفلك S2 منذ عام 1992، خلال أكثر من دورتين كاملتين، وقد كشف هذا التتبع عن تنبؤين مميزين لنظرية أينشتاين العامة النسبية: فقدان الضوء الصادر من النجم للطاقة أثناء خروجه من بئر جاذبية الثقب الأسود، والدوران البطيء لمداره الإهليلجي، المعروف باسم مبادرة شوارزشيلد.

وتعتمد هذه التأثيرات فقط على كتلة الثقب الأسود. لكن الثقوب السوداء لها خاصية ثانية: الدوران. يسحب الثقب الأسود الدوار نسيج الفضاء معه، مثل ملعقة تحرك العسل. يتلاشى هذا التأثير بسرعة كبيرة مع المسافة، لذا فإن قياس الدوران يتطلب نجمًا يقترب كثيرًا من الثقب الأسود أكثر مما يفعل S2 على الإطلاق.

إن قياسات دوران الثقوب السوداء مهمة أيضًا خارج نطاق فيزياء الثقب الأسود. وقال مانغ إن أحد البدائل الرائدة للنسبية العامة “يفترض وجود قوة خامسة أساسية تنشأ، على سبيل المثال، من توحيد الجاذبية وفيزياء الكم”.

وأي انحراف عن تنبؤات أينشتاين يجب أن يظهر في هذه المدارات النجمية. حتى الآن، قال: “لا يمكن اشتقاق سوى حد أعلى، والذي ينخفض ​​تدريجيًا” – وبعبارة أخرى، لا توجد شقوق في نظرية أينشتاين حتى الآن، لكن الاختبارات مستمرة في التشديد.

مدار قياسي

وهنا يأتي دور S301. في الصور التي التقطتها أداة GRAVITY على التلسكوب الكبير جدًا التابع للمرصد الأوروبي الجنوبي في تشيلي، اكتشف علماء الفلك “نجمًا جديدًا خافتًا جدًا في مركز المجرة يدور حول الثقب الأسود المركزي الضخم Sgr A* بشكل قريب جدًا لدرجة أن مداره حساس لدوران الثقب الأسود،” كما قال مانغ.

وظهر النجم لأول مرة في ربيع عام 2023 على شكل بقعة باهتة شمال غرب الثقب الأسود. بمجرد أن حصل الفريق على مدار تقريبي، عادوا إلى الملاحظات الأرشيفية ووجدوها مرة أخرى في البيانات من عامي 2021 و2017. في المجمل، هناك 19 موقعًا تم قياسه على مدى ثماني سنوات ترسم شكلًا بيضاويًا مغلقًا وكاملًا في السماء.

المدار متطرف بكل المقاييس. يستغرق S301 8.7 سنوات للدوران حول الثقب الأسود، متغلبًا على الرقم القياسي السابق – نجم يدور في مدار مدته 12 عامًا – ويمتد مسار S301 إلى شكل بيضاوي رفيع للغاية. في أقرب نقطة له، يمر على بعد حوالي 12 وحدة فلكية من الثقب الأسود – 12 ضعف المسافة بين الأرض والشمس – وحوالي 10 مرات أقرب مما وصل إليه S2 على الإطلاق.

وحتى على تلك المسافة، فإن S301 آمن. يبدو أنه نجم عادي من نجوم النسق الرئيسي تبلغ كتلته حوالي 1.5 كتلة شمسية، وهو مضغوط بدرجة كافية بحيث لا تستطيع مد الثقب الأسود أن تمزقه. يشير مداره الممتد إلى حد كبير إلى أصل عنيف؛ اقترح الفريق أن S301 ربما كان في يوم من الأيام نصف نجم مزدوج ضيق انحرف قريبًا جدًا، وانفجر إلى قسمين، وخرج شريكه من المجرة كنجم فائق السرعة.

يُظهر المدار الضيق بالفعل النسبية في العمل. وقال مانغ: “لقد وجدنا أن مدار S301 يخضع لتأثيرات نسبية عامة قوية، حيث أن ما يسمى بمبادرة شوارزشيلد – وهو تحول القطع الناقص المداري داخل مستواه – واضح للغاية”. يتأرجح الشكل البيضاوي بمقدار درجتين تقريبًا في كل لفة. وأضاف: “في غضون السنوات العشر المقبلة، سيكون قياس دوران القوس Sgr A* مع S301 في متناول اليد”.

الجزء الصعب، وما يأتي بعد ذلك

كان العثور على S301 في حد ذاته إنجازًا عظيمًا. ومن الأرض، يبدو النجم أضعف بنحو 2 مليار مرة من النجم منكب الجوزاء – أحد ألمع النجوم في سمائنا – وهو يقع في حقل مزدحم بجوار جيرانه الأكثر سطوعًا، مما يجعله المعادل الرصدي لانتقاء ذبابة واحدة تطن فوق أوركسترا كاملة. لقد تطلب الأمر طريقة جديدة لإعادة بناء الصورة، بالإضافة إلى ترقية GRAVITY الأخيرة إلى GRAVITY+، والتي عززت حساسيتها بعامل من 10 إلى 100، لسحب الإشارة.

لا تزال هناك قطعة واحدة مفقودة: يستطيع الفريق رؤية كيف يتحرك S301 عبر السماء، ولكن ليس باتجاهنا أو بعيدًا عنا، مما يترك مدارين متطابقين بشكل متساوٍ مع البيانات.

والآن يخططون لملء هذه الفجوة. قال مانغ: “سنواصل متابعة S301 عن كثب على طول مداره”، سواء باستخدام GRAVITY أو باستخدام أداة قادمة تقيس كيفية تحول الضوء الصادر عن النجم نحو الطرف الأحمر أو الأزرق من الطيف أثناء تحركه بعيدًا عن الأرض أو بالقرب منها.

تشير عمليات المحاكاة التي أجراها الفريق إلى أن عقدًا من هذه الملاحظات المجمعة يمكن أن يحدد دوران الثقب الأسود بشكل جيد بما يكفي لتمييز ثقب أسود يدور بسرعة عن ثقب أسود ثابت بثقة عالية. إحصائيًا، لا ينبغي أن يكون S301 وحده؛ قد يوجد ما يقرب من 100 نجم مماثل في مدارات مماثلة، لكن معظمها خافت جدًا بحيث لا يمكن رؤيته اليوم.

تعرف على مقدار ما تعرفه عن الثقوب السوداء من خلال موقعنا مسابقة الثقب الأسود!