قد يكون علماء الفلك قد اكتشفوا وجود حر “مظلم”

كما يعتقد علماء الفلك ، إذا ترك موت النجوم الكبيرة ثقوبًا سوداء ، فستنتشر مئات الملايين في جميع أنحاء مجرة ​​درب التبانة. المشكلة هي أن الثقوب السوداء المعزولة غير مرئية.

الآن ، اكتشف فريق بقيادة جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، لأول مرة ما هو الثقب الأسود الحر العائم من خلال مراقبة سطوع نجم بعيد حيث يتشوه ضوءه بفعل قوة الجاذبية القوية للجسم. – تسمى الجاذبية بالعدسة الدقيقة.

المجموعة بقيادة طالب الدراسات العليا كيسي لام و جيسيكا لو، يقدر الأستاذ المشارك بجامعة كاليفورنيا في بيركلي أن كتلة الجسم المضغوط غير المرئي هي 1.6 إلى 4.4 مرة من كتلة الشمس. يحذر باحثو جامعة كاليفورنيا في بيركلي من إمكانية استبدال الثقب الأسود بنجم نيوتروني ، حيث يعتقد علماء الفلك أنه يجب أن يكون أثقل بمقدار 2.2 مرة من كتلة الشمس لينهار في ثقب أسود. النجوم النيوترونية هي أيضًا أجسام كثيفة ومضغوطة للغاية ، لكن جاذبيتها متوازنة مع الضغط النيوتروني الداخلي ، مما يمنعها من الانهيار أكثر في الثقب الأسود.

سواء كان ذلك ثقبًا أسود أو نجمًا نيوترونيًا ، فإن هذا الجسم كان أول بقايا نجم مظلم – “شبح” نجمي – يتم العثور عليه وهو يتجول في المجرة دون أن يكون متصلاً بنجم آخر.

قال لو: “لقد كان أول ثقب أسود عائم أو نجم نيوتروني يتم اكتشافه بواسطة العدسة الدقيقة للجاذبية”. “باستخدام العدسة الدقيقة ، يمكننا فحص هذه الأشياء المنعزلة والمضغوطة ووزنها. أعتقد أننا فتحنا نافذة جديدة لهذه الأشياء المظلمة ، والتي لا يمكن رؤيتها بأي طريقة أخرى.”

يعتقد علماء الفلك أن تحديد عدد الأجسام الصغيرة في مجرة ​​درب التبانة كان مفرطًا في الإنتاج خلال الانفجار العظيم لمساعدة علماء الفلك على فهم تطور النجوم – على وجه الخصوص ، كيف تموت – وتطور مجرتنا.

وافق لام ولو وفريقهما الدولي على نشر التحليل رسائل من مجلة علم الفلك. يتضمن التحليل أربع ظواهر عدسات دقيقة أخرى لم تكن ناجمة عن ثقب أسود ، ولكن بسبب قزم أبيض أو نجمين نيوترونيين. خلص الفريق إلى أن عدد الثقوب السوداء في المجرة يبلغ 200 مليون – حول ما يتوقعه معظم العلماء النظريين.

نفس البيانات ، نتائج مختلفة

درس الفريق المنافس لمعهد علوم تلسكوب الفضاء (STScI) في بالتيمور نفس ظاهرة العدسة الدقيقة وادعى أن كتلة الجسم المضغوط كانت 7.1 كتلة شمسية وثقب أسود بلا شك. ورقة تصف تحليل فريق STScI بقيادة STScI كايلاش ساهومقبول للنشر في مجلة الفيزياء الفلكية.

استخدم كلا الفريقين نفس البيانات: قياسات تشتت الضوء من نجم بعيد تشوهت أو “عدست” بواسطة جسم مضغوط للغاية ، والقياسات الفلكية لتغيير موقع نجم بعيد في السماء نتيجة الجاذبية. تحلل مادة العدسة. جاءت البيانات الضوئية من تجربتين للعدسة الدقيقة: اختبار عدسة الجاذبية الضوئية (OGLE) باستخدام تلسكوب 1.3 متر تديره جامعة وارسو في تشيلي ، واختبار العدسة الدقيقة لاختبار علم الفلك المناسب 1.8 (MOA). يتم تشغيل التلسكوب المتر في نيوزيلندا من قبل جامعة أوساكا. جاءت البيانات الفلكية من تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا. تدير STScI المشروع العلمي للتلسكوب وتجري أنشطتها العلمية.

نظرًا لأن كلا مجسي العدسة الدقيقة يلتقطان نفس المادة ، فإن لهما اسمان: MOA-2011-BLG-191 و OGLE-2011-BLG-0462 ، أو OB110462 ، للاختصار.

في حين أن مثل هذه الدراسات تكتشف حوالي 2000 نجم تضيء بالعدسة الدقيقة كل عام في مجرة ​​درب التبانة ، فإن إضافة البيانات الفلكية سمحت لكلا الفريقين بتحديد كتلة الجسم المضغوط وبعده عن الأرض. قدّر الفريق ، بقيادة جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، أن مجرة ​​درب التبانة كانت على بعد حوالي 2280 و 6260 سنة ضوئية (700-1920 بارسيك) ، بالقرب من مركز المجرة وبالقرب من النتوء الهائل حول الثقب الأسود الهائل في المركز.

قدر فريق STScI أن المسافة ستكون 5153 سنة ضوئية (1580 بارسيك).

البحث عن الإبرة في طبقة القش

أصبح لو ولام مهتمين بالمواد لأول مرة في عام 2020 بعد أن اتخذ فريق STScI قرارًا مؤقتًا. خمسة أحداث microlensing رصده هابل – واستمر كل ذلك لأكثر من 100 يوم وبالتالي ربما كان ثقوبًا سوداء – لم تسببه أجسام صغيرة على الإطلاق.

اعتقد لو ، الذي كان يبحث عن الثقوب السوداء العائمة الحرة منذ عام 2008 ، أن البيانات ستساعد في تقدير وفرتها في المجرة ، والتي تقدر بنحو ما بين 10 ملايين و 1 مليار. حتى الآن ، تم تحديد الثقوب السوداء بحجم النجوم فقط كجزء من نظام النجم الثنائي. تُرى الثقوب السوداء في الثنائيات على الأشعة السينية ، والتي تتشكل عندما يسقط جسم من نجم على ثقب أسود ، أو اكتشاف موجات الجاذبية الأخيرة الحساسة لانصهار اثنين أو أكثر من الثقوب السوداء. لكن هذه الأحداث نادرة.

قال لو: “نظرت أنا وكيسي في البيانات ونحن مهتمون جدًا. كان بإمكاننا أن نقول ،” واو ، ليس هناك ثقوب سوداء. إنه لأمر مدهش “. “لذلك ، بدأنا في النظر إلى البيانات. إذا لم تكن هناك ثقوب سوداء في البيانات ، فهذا غير متوافق مع نموذجنا الخاص بعدد الثقوب السوداء التي يجب أن تكون موجودة في مجرة ​​درب التبانة. يحتاج البعض منا إلى التغيير. فهم الثقوب السوداء – عددها أو مدى سرعتها أو كتلتها “.

عندما درست لام قياس الضوء وعلم الفلك لخمسة أحداث للعدسة الدقيقة ، كانت مندهشة من أن OB110462 له خصائص جسم صغير. استمر ضوء النجوم لفترة طويلة ، قرابة 300 يوم ؛ وامتد اضمحلال مكانة نجم الخلفية.

قال لام إن طول حدث العدسة هو الملاحظة الرئيسية. في عام 2020 ، أظهر أن أفضل طريقة للعثور على العدسات الدقيقة للثقب الأسود هي البحث عن أحداث طويلة جدًا. وقال إن 1٪ فقط من حالات العدسة الدقيقة التي يمكن اكتشافها قد تكون من الثقوب السوداء ، لذا فإن النظر في جميع الحالات سيكون مثل البحث عن إبرة في كومة قش. ومع ذلك ، يقدر لام أن حوالي 40٪ من حالات العدسة الدقيقة التي تستمر لأكثر من 120 يومًا قد تكون عبارة عن ثقوب سوداء.

قال لام: “كم من الوقت يستمر الحدث المضيء هو مؤشر على حجم العدسة الأمامية التي تنحني ضوء نجم الخلفية”. “الأحداث الأطول هي الأكثر احتمالًا بسبب الثقوب السوداء. ومع ذلك ، هذا ليس ضمانًا لأن مدة الحلقة الأكثر سطوعًا لا تعتمد فقط على حجم العدسة الأمامية ، ولكن أيضًا على مدى سرعة تحرك العدسة الأمامية ونجم الخلفية. نحن يمكن أن يؤكد ما إذا كان ثقبًا أسودًا أم لا “.

وفقًا لـ Luv ، فإن جاذبية OB110462 في ضوء نجم الخلفية طويلة بشكل مثير للدهشة. في عام 2011 ، استغرق النجم عامًا حتى يتألق في ذروته ، ثم حوالي عام للعودة إلى طبيعته.

يُعد التمييز بين الثقب الأسود والنجم النيوتروني بيانات إضافية

لتأكيد أن OB110462 نتج عن جسم مضغوط للغاية ، طلب Lou and Lam من هابل الحصول على بيانات فلكية إضافية ، بعضها جاء في أكتوبر الماضي. تظهر البيانات الجديدة أن تغير موقع النجم نتيجة لسحب جاذبية العدسة لا يزال مرئيًا بعد 10 سنوات من الحدث. ومن المقرر مبدئيًا إجراء المزيد من ملاحظات هابل للعدسات الدقيقة في خريف عام 2022.

أكد تحليل البيانات الجديدة أن OB110462 قد يكون ثقبًا أسود أو نجمًا نيوترونيًا.

يشتبه لو ولام في أن البيانات الفلكية والقياسات الضوئية توفر قياسات مختلفة للحركات النسبية للأجسام الأمامية والخلفية ، مما يؤدي إلى نتائج مختلفة للفريقين. يختلف التحليل الفلكي بين الفريقين. يجادل الفريق ، بقيادة جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، بأنه ليس من الممكن حتى الآن التمييز ما إذا كان الجسم عبارة عن ثقب أسود أو نجم نيوتروني.

وقال لو: “كما نود أن نقول إن هذا ثقب أسود بالتأكيد ، علينا الإبلاغ عن جميع الحلول المسموح بها. ويشمل ذلك الثقوب السوداء منخفضة الكتلة وحتى النجم النيوتروني”.

قال لام: “إذا كنت لا تستطيع تصديق منحنى الضوء والسطوع ، فإنه يقول شيئًا مهمًا. إذا كنت لا تصدق عكس الوقت ، فإنه يخبرك بشيء مهم”. “لذلك ، إذا كان أحدهما خاطئًا ، فنحن بحاجة إلى فهم السبب ، أو على الأقل الشيء الآخر ، يمكننا قياس مجموعتي البيانات بشكل صحيح ، لكن نموذجنا غير صحيح. ينشأ قياس الضوء والبيانات الفلكية من نفس العملية الفيزيائية. لذا ، هناك شيء مفقود “.

قام كلا الفريقين بتقييم سرعة مادة العدسة فائقة الصغر. وجد فريق Lu / Lam سرعة هادئة نسبيًا تقل عن 30 كيلومترًا في الثانية. وجد فريق STScI سرعة غير عادية تبلغ 45 كم / ساعة ، وهو ما تم تفسيره من خلال الركلة الإضافية من المستعر الأعظم التي أحدثت الثقب الأسود.

يوضح لو أن تقدير السرعة المنخفضة لفريقه يدعم النظرية الجديدة القائلة بأن الثقوب السوداء ليست نتيجة المستعرات الأعظمية – الفرضية التي تحكم اليوم – ولكنها تأتي بدلاً من ذلك من المستعرات الأعظمية الفاشلة التي لا تسبب ضوءًا ساطعًا في الكون أو تعطي اللون الأسود الناتج. ركلة إلى الحفرة.

يتم دعم عمل Le and Lam من قبل National Science Foundation (1909641) والإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (NNG16PJ26C ، NASA FINESST 80NSSC21K2043).