27.3: الكوازارات كمجسات للتطور في الكون
- Page ID
- 197749
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- تتبع صعود وسقوط الكوازارات على مر الزمن الكوني
- وصف بعض الطرق التي تؤثر بها المجرات والثقوب السوداء على نمو بعضها البعض
- وصف بعض الطرق التي ربما تكونت بها الثقوب السوداء الأولى
- اشرح لماذا لا تنتج بعض الثقوب السوداء انبعاثات كوازار بل تكون هادئة
إن تألق الكوازارات ومسافتها الكبيرة تجعلها مجسات مثالية للمناطق البعيدة من الكون وماضيه البعيد. تذكر أنه عند تقديم الكوازارات لأول مرة، ذكرنا أنها تميل عمومًا إلى أن تكون بعيدة. عندما نرى أشياء بعيدة للغاية، نراها كما كانت منذ فترة طويلة. يخبرنا الإشعاع المنبعث من كوازار على بعد 8 مليارات سنة ضوئية كيف كان شكل هذا الكوازار وبيئته قبل 8 مليارات سنة، وهو أقرب بكثير إلى الوقت الذي تشكلت فيه المجرة المحيطة به لأول مرة. اكتشف علماء الفلك الآن الضوء المنبعث من الكوازارات التي تشكلت بالفعل بعد بضع مئات من ملايين السنين بعد أن بدأ الكون توسعه قبل 13.8 مليار سنة. وبالتالي، فإنها تمنحنا فرصة رائعة للتعرف على الوقت الذي كانت فيه الهياكل الكبيرة تتجمع لأول مرة في الكون.
تطور كوازارس
تقدم Quasars دليلًا دامغًا على أننا نعيش في عالم متطور - عالم يتغير بمرور الوقت. يخبروننا أن علماء الفلك الذين عاشوا منذ مليارات السنين كانوا سيرون كونًا مختلفًا تمامًا عن عالم اليوم. يوضح لنا عدد الكوازارات في فترات حمراء مختلفة (وبالتالي في أوقات مختلفة من تطور الكون) مدى أهمية هذه التغييرات (الشكل\(\PageIndex{1}\)). نحن نعلم الآن أن عدد الكوازارات كان الأكبر في الوقت الذي كان فيه الكون 20٪ فقط من عمره الحالي.
كما ترى، فإن الانخفاض في أعداد الكوازارات مع اقتراب الوقت من يومنا هذا أمر مفاجئ للغاية. تظهر الملاحظات أيضًا أن الانبعاثات من أقراص التراكم حول الثقوب السوداء الأكثر ضخامة تبلغ ذروتها مبكرًا ثم تتلاشى. لا تُرى أقوى الكوازارات إلا في الأوقات المبكرة. من أجل شرح هذه النتيجة، نستخدم نموذجنا لمصدر الطاقة للكوازارات - أي أن الكوازارات عبارة عن ثقوب سوداء تحتوي على وقود كافٍ لصنع قرص تراكم رائع حولها.
يمكن تفسير حقيقة وجود كوازارات منذ زمن بعيد (بعيدًا) أكثر مما هو موجود اليوم (بالقرب) إذا كان هناك المزيد من المواد المتاحة لتراكمها الثقوب السوداء في وقت مبكر من تاريخ الكون. قد تقول إن الكوازارات كانت أكثر نشاطًا عندما كانت الثقوب السوداء تحتوي على وقود لـ «محركاتها المنتجة للطاقة». إذا تم استهلاك هذا الوقود في الغالب في المليارات القليلة الأولى من السنين بعد أن بدأ الكون توسعه، ثم لاحقًا في حياته، لن يتبقى للثقب الأسود «الجائع» سوى القليل جدًا لإضاءة المناطق المركزية للمجرة.
بعبارة أخرى، إذا كانت المادة الموجودة في قرص التراكم تستنفد باستمرار عن طريق السقوط في الثقب الأسود أو تفجيرها من المجرة في شكل نفاثات، فيمكن أن يستمر الكوازار في الإشعاع فقط طالما كان الغاز الجديد متاحًا لتجديد قرص التراكم.
في الواقع، كان هناك المزيد من الغاز الذي يجب تراكمه في وقت مبكر من تاريخ الكون. في ذلك الوقت، لم يكن معظم الغاز قد انهار بعد لتكوين النجوم، لذلك كان هناك المزيد من الوقود المتاح لتغذية الثقوب السوداء وتشكيل نجوم جديدة. تم استهلاك الكثير من هذا الوقود لاحقًا في تكوين النجوم خلال المليارات القليلة الأولى من السنين بعد أن بدأ الكون توسعه. في وقت لاحق من حياتها، لن يتبقى للمجرة سوى القليل لتغذية الثقب الأسود الجائع أو لتكوين المزيد من النجوم الجديدة. كما نرى من الشكل\(\PageIndex{1}\)، بلغ كل من تكوين النجوم ونمو الثقب الأسود ذروته معًا عندما كان عمر الكون حوالي 2 مليار سنة. منذ ذلك الحين، كان كلاهما في انخفاض حاد. لقد تأخرنا عن حفلة المجرات وفقدنا بعض الإثارة المبكرة.
تشير ملاحظات المجرات الأقرب (التي تُرى لاحقًا في الوقت المناسب) إلى وجود مصدر آخر للوقود للثقوب السوداء المركزية - تصادم المجرات. إذا اصطدمت مجرتان من نفس الكتلة واندمجت، أو إذا تم سحب مجرة أصغر إلى مجرة أكبر، فقد يقترب الغاز والغبار من إحداهما بدرجة كافية من الثقب الأسود في الأخرى حتى تلتهمها وبالتالي توفر الوقود اللازم. وجد علماء الفلك أن التصادمات كانت أيضًا أكثر شيوعًا في وقت مبكر من تاريخ الكون مما هي عليه اليوم. كان هناك المزيد من المجرات الصغيرة في تلك الأوقات المبكرة لأنه بمرور الوقت، كما سنرى (في تطور وتوزيع المجرات)، تميل المجرات الصغيرة إلى الاندماج في المجرات الأكبر. مرة أخرى، هذا يعني أننا نتوقع رؤية المزيد من الكوازارات منذ فترة طويلة (بعيدًا) مما نراه اليوم (في مكان قريب) - كما نفعل في الواقع.
الاعتماد المتبادل بين الثقوب السوداء والمجرات
بمجرد أن بدأ قياس كتل الثقب الأسود بشكل موثوق في أواخر التسعينيات، شكلت لغزًا. بدا الأمر كما لو أن كتلة الثقب الأسود المركزي تعتمد على كتلة المجرة. تبدو الثقوب السوداء في المجرات دائمًا وكأنها تبلغ 1/200 كتلة المجرة التي تعيش فيها. تظهر هذه النتيجة بشكل تخطيطي في الشكل\(\PageIndex{2}\)، ويتم رسم بعض الملاحظات في الشكل\(\PageIndex{3}\).
بطريقة ما ترتبط كتلة الثقب الأسود وكتلة انتفاخ النجوم المحيطة. ولكن لماذا توجد هذه العلاقة؟ لسوء الحظ، لا يعرف علماء الفلك حتى الآن الإجابة على هذا السؤال. ومع ذلك، نعلم أن الثقب الأسود يمكن أن يؤثر على معدل تكوين النجوم في المجرة، وأن خصائص المجرة المحيطة يمكن أن تؤثر على سرعة نمو الثقب الأسود. دعونا نرى كيف تعمل هذه العمليات.
كيف يمكن للمجرة أن تؤثر على الثقب الأسود في مركزها
دعونا ننظر أولاً إلى كيفية تأثير المجرة المحيطة على نمو وحجم الثقب الأسود. وبدون كميات كبيرة من «الطعام» الطازج، لا تتوهج المناطق المحيطة بالثقوب السوداء إلا بشكل ضعيف حيث تتدفق أجزاء من المواد المحلية إلى الداخل باتجاه الثقب الأسود. لذلك يجب أن تجد كميات كبيرة من الغاز طريقها إلى الثقب الأسود من المجرة لتغذية الكوازار وجعله ينمو ويعطي الطاقة التي يجب ملاحظتها. من أين يأتي هذا «الطعام» للثقب الأسود في الأصل وكيف يمكن تجديده؟ هيئة المحلفين لا تزال خارج المحكمة، لكن الخيارات واضحة جدًا.
أحد مصادر الوقود الواضحة للثقب الأسود هو المادة من المجرة المضيفة نفسها. تبدأ المجرات بكميات كبيرة من الغاز والغبار بين النجوم، ويتم تحويل بعض هذه المادة بين النجوم على الأقل تدريجيًا إلى نجوم مع تطور المجرة. من ناحية أخرى، عندما تستمر النجوم في حياتها وتموت، تفقد كتلتها طوال الوقت في الفراغ بينها، وبالتالي تعيد بعض الغاز والغبار إلى الوسط بين النجوم. نتوقع العثور على المزيد من الغاز والغبار في المناطق الوسطى في وقت مبكر من حياة المجرة أكثر من وقت لاحق، عندما يتم تحويل الكثير منها إلى نجوم. يمكن أن تتراكم بواسطتها أي مادة بين النجوم تقترب جدًا من الثقب الأسود. هذا يعني أننا نتوقع أن ينخفض عدد ولمعان الكوازارات التي تعمل بهذه الطريقة بمرور الوقت. وكما رأينا، هذا هو بالضبط ما نجده.
اليوم، لم يتبق سوى القليل جدًا من المواد الخام لكل من المجرات الإهليلجية والانتفاخات النووية للمجرات الحلزونية لتكون بمثابة مصدر وقود للثقب الأسود. ومعظم الثقوب السوداء العملاقة في المجرات القريبة، بما في ذلك تلك الموجودة في مجرة درب التبانة الخاصة بنا، أصبحت الآن مظلمة وهادئة نسبيًا - مجرد ظلال لذواتها السابقة. لذلك يتناسب مع ملاحظاتنا.
يجب أن نلاحظ أنه حتى لو كان لديك ثقب أسود هادئ للغاية، فقد يقترب نجم في المنطقة من حين لآخر. ثم يمكن لقوى المد والجزر القوية للثقب الأسود أن تسحب النجم بأكمله إلى تيار من الغاز. يشكل هذا التدفق بسرعة قرص تراكم يعطي الطاقة بالطريقة العادية ويجعل منطقة الثقب الأسود شبه مؤقتة. ومع ذلك، ستسقط المادة في الثقب الأسود بعد بضعة أسابيع أو أشهر فقط. ثم يعود الثقب الأسود إلى حالته الكامنة والهادئة، حتى يتجول ضحية أخرى.
يحدث هذا النوع من أحداث «آكلي لحوم البشر» مرة واحدة فقط كل 100,000 عام أو نحو ذلك في مجرة نموذجية. ولكن يمكننا مراقبة ملايين المجرات في السماء، لذلك يتم العثور على عدد قليل من هذه «أحداث اضطراب المد والجزر» كل عام (الشكل\(\PageIndex{4}\)). ومع ذلك، فإن هذه الأحداث الفردية، على الرغم من أنها مثيرة، نادرة جدًا بحيث لا يمكن حساب الكتل الضخمة للثقوب السوداء المركزية.
مصدر آخر للوقود للثقب الأسود هو تصادم المجرة المضيفة مع مجرة أخرى. تتحول بعض المجرات الأكثر سطوعًا، عند التقاط صورة مفصلة، إلى أزواج من المجرات المتصادمة. وتحتوي معظمها على كوازارات بداخلها، لا يمكن رؤيتها بسهولة بالنسبة لنا لأنها مدفونة بكميات هائلة من الغبار والغاز.
يؤدي التصادم بين سيارتين إلى حدوث فوضى كبيرة، مما يؤدي إلى إخراج أجزاء من مكانها المعتاد. وبنفس الطريقة، إذا اصطدمت مجرتان واندمجتا، فيمكن إخراج الغاز والغبار (ولكن ليس النجوم كثيرًا) من مداراتهما العادية. قد يقترب البعض بدرجة كافية من الثقب الأسود في إحدى المجرات أو الأخرى حتى تلتهمها وبالتالي توفر الوقود اللازم لتشغيل الكوازار. كما رأينا، حدثت اصطدامات المجرات وعمليات الاندماج بشكل متكرر عندما كان الكون صغيرًا وربما تساعد في تفسير حقيقة أن الكوازارات كانت أكثر شيوعًا عندما كان الكون حوالي 20٪ فقط من عمره الحالي.
إن التصادمات في عالم اليوم أقل تكرارًا، لكنها تحدث. بمجرد أن تصل المجرة إلى حجم درب التبانة، ستكون معظم المجرات التي تندمج معها مجرات أصغر بكثير - المجرات القزمية (انظر الفصل الخاص بالمجرات). هذه لا تعطل المجرة الكبيرة كثيرًا، لكنها يمكن أن توفر بعض الغاز الإضافي لثقبها الأسود.
بالمناسبة، إذا اصطدمت مجرتان، تحتوي كل منهما على ثقب أسود، فقد يندمج الثقبان الأسودان ويشكلان ثقبًا أسودًا أكبر (الشكل\(\PageIndex{5}\)). في هذه العملية ستصدر موجة من موجات الجاذبية. أحد الأهداف الرئيسية لمهمة LISA (هوائي الفضاء بالليزر) المخطط لها من قبل وكالة الفضاء الأوروبية هو اكتشاف إشارات موجات الجاذبية من دمج الثقوب السوداء فائقة الكتلة.
شاهد مجرتين تتصادم لتشكل ثقبًا أسود فائق الضخامة.
كيف يؤثر الثقب الأسود على تكوين النجوم في المجرة؟
لقد رأينا أن المواد الموجودة في المجرات يمكن أن تؤثر على نمو الثقب الأسود. يمكن للثقب الأسود بدوره أن يؤثر أيضًا على المجرة التي يقيم فيها. ويمكنها القيام بذلك بثلاث طرق: من خلال نفاثاتها، ومن خلال رياح الجسيمات التي تتمكن من التدفق بعيدًا عن قرص التراكم، ومن خلال الإشعاع الصادر من قرص التراكم. عندما تتدفق بعيدًا عن الثقب الأسود، يمكن لجميع هذه العناصر الثلاثة إما تعزيز تكوين النجوم عن طريق ضغط الغاز والغبار المحيطين بها - أو بدلاً من ذلك قمع تكوين النجوم عن طريق تسخين الغاز المحيط وتمزيق السحب الجزيئية، وبالتالي تثبيط أو منع تكوين النجوم. يمكن أن تكون الطاقة المتدفقة كافية لوقف تراكم المواد الجديدة وتجويع الثقب الأسود للوقود. لا يزال علماء الفلك يحاولون تقييم الأهمية النسبية لهذه التأثيرات في تحديد التطور العام لانتفاخات المجرة ومعدلات تكوين النجوم.
باختصار، رأينا كيف يمكن لكل من المجرات والثقوب السوداء الضخمة أن تؤثر على تطور الأخرى: توفر المجرة الوقود للثقب الأسود، ويمكن للكوازار إما دعم أو قمع تكوين النجوم. ربما يساعد توازن هذه العمليات في تفسير العلاقة بين الثقب الأسود وكتل الانتفاخ، ولكن لا توجد حتى الآن نظريات تشرح كميًا وتفصيلًا لماذا يكون الارتباط بين الثقب الأسود وكتل الانتفاخ ضيقًا كما هو أو لماذا تكون كتلة الثقب الأسود دائمًا حوالي 1/200 أضعاف كتلة الانتفاخ.
ولادة الثقوب السوداء والمجرات
في حين أن العلاقة بين الكوازارات والمجرات واضحة بشكل متزايد، إلا أن اللغز الأكبر على الإطلاق - وهو كيفية بدء الثقوب السوداء الهائلة في المجرات - لا يزال دون حل. تظهر الملاحظات أنها كانت موجودة عندما كان الكون صغيرًا جدًا. أحد الأمثلة الدرامية هو اكتشاف كوازار كان ساطعًا بالفعل عندما كان عمر الكون 700 مليون سنة فقط. ما الذي يتطلبه الأمر لإنشاء ثقب أسود كبير بهذه السرعة؟ هناك مشكلة ذات صلة وهي أنه من أجل بناء ثقوب سوداء تحتوي في نهاية المطاف على أكثر من 2 مليار كتلة شمسية، من الضروري وجود ثقوب سوداء «بذرة» عملاقة بكتل لا تقل عن 2000 ضعف كتلة الشمس - ويجب أن تكون قد تم إنشاؤها بطريقة أو بأخرى بعد وقت قصير من بدء توسع الكون.
يعمل علماء الفلك الآن بنشاط لتطوير نماذج لكيفية تشكل هذه الثقوب السوداء للبذور. تشير النظريات إلى أن المجرات تشكلت من السحب المنهارة من المادة المظلمة والغاز. شكل بعض الغاز نجومًا، ولكن ربما استقر بعض الغاز في المركز حيث أصبح مركزًا لدرجة أنه شكل ثقبًا أسود. إذا حدث ذلك، فقد يتشكل الثقب الأسود على الفور - على الرغم من أن هذا يتطلب ألا يدور الغاز كثيرًا في البداية.
السيناريو الأكثر احتمالاً هو أن يكون للغاز بعض الزخم الزاوي (الدوران) الذي سيمنع الانهيار المباشر إلى الثقب الأسود. في هذه الحالة، سيتشكل الجيل الأول من النجوم، وسيكون لبعضها، وفقًا للحسابات، كتل بمئات المرات من كتلة الشمس. عندما تنتهي هذه النجوم من حرق الهيدروجين، بعد بضعة ملايين من السنين، ستخلق المستعرات الأعظمية التي تنتهي بها ثقوبًا سوداء تزيد مائة مرة أو نحو ذلك عن كتلة الشمس. يمكن بعد ذلك دمجها مع الآخرين أو تجميع إمدادات الغاز الغنية المتاحة في هذه الأوقات المبكرة.
يتمثل التحدي في نمو هذه الثقوب السوداء الصغيرة بسرعة كافية لصنع الثقوب السوداء الأكبر حجمًا التي نراها بعد بضع مئات من ملايين السنين. اتضح أن الأمر صعب لأن هناك قيودًا على مدى سرعة تراكم المادة. يجب أن تكون هذه الأمور منطقية بالنسبة لك مما ناقشناه سابقًا في الفصل. إذا أصبح معدل التراكم مرتفعًا جدًا، فإن الطاقة المتدفقة إلى الخارج من قرص التراكم في الثقب الأسود ستصبح قوية جدًا بحيث تزيل المادة المتساقطة.
ماذا لو، بدلاً من ذلك، لم تشكل سحابة الغاز المنهارة ثقبًا أسود بشكل مباشر أو تفككت وتشكل مجموعة من النجوم العادية، ولكنها بقيت معًا وتصنع نجمًا ضخمًا إلى حد ما داخل مجموعة كثيفة من آلاف النجوم ذات الكتلة المنخفضة وكميات كبيرة من الغاز الكثيف؟ سيكون للنجم الضخم عمر قصير وسينهار قريبًا ليصبح ثقبًا أسود. يمكن أن تبدأ بعد ذلك في جذب الغاز الكثيف المحيط بها. لكن الحسابات تظهر أن جاذبية العديد من النجوم القريبة ستتسبب في تعرج الثقب الأسود بشكل عشوائي داخل الكتلة وستمنع تكوين قرص التراكم. إذا لم يكن هناك قرص تراكم، فيمكن أن تسقط المادة بحرية في الثقب الأسود من جميع الاتجاهات. تشير الحسابات إلى أنه في ظل هذه الظروف، يمكن أن ينمو ثقب أسود حتى ولو كان صغيرًا بمقدار 10 أضعاف كتلة الشمس إلى أكثر من 10 مليارات مرة من كتلة الشمس بحلول الوقت الذي يبلغ فيه عمر الكون مليار سنة.
يستكشف العلماء أفكارًا أخرى حول كيفية تكوين بذور الثقوب السوداء الضخمة، ويظل هذا مجالًا نشطًا جدًا للبحث. مهما كانت الآلية التي تسببت في التكوين السريع لهذه الثقوب السوداء الهائلة، فإنها تعطينا طريقة لمراقبة الكون الشاب عندما كان عمره حوالي خمسة بالمائة فقط كما هو الآن.
ألقِ نظرة على بعض النتائج الجديدة من مرصد شاندرا للأشعة السينية حول تكوين الثقوب السوداء الهائلة في الكون المبكر.
ملخص
تؤثر الكوازارات والمجرات على بعضها البعض: توفر المجرة الوقود للثقب الأسود، بينما تسخن الكوازار وتعطل السحب الغازية في المجرة. ربما يساعد التوازن بين هاتين العمليتين في تفسير لماذا يبدو الثقب الأسود دائمًا حوالي 1/200 كتلة الانتفاخ الكروي للنجوم المحيطة بالثقب الأسود. كانت الكوازارات أكثر شيوعًا منذ مليارات السنين مما هي عليه الآن، ويتكهن علماء الفلك بأنها تمثل مرحلة مبكرة في تكوين المجرات. كانت الكوازارات أكثر عرضة للنشاط عندما كان الكون صغيرًا وكان الوقود لقرص التراكم متاحًا بشكل أكبر. يمكن إعادة تنشيط نشاط الكوازار من خلال تصادم بين مجرتين، مما يوفر مصدرًا جديدًا للوقود لتغذية الثقب الأسود.