الفلك

هل يمكنني صنع ثقب أسود من ذرة أو ذرتين؟

هل يمكنني صنع ثقب أسود من ذرة أو ذرتين؟

لذلك كنت أشاهد شيئًا يقول

إذا ضغطنا الأرض في حجم حبة الفول السوداني: سنحصل على ثقب أسود ؛

إذا ضغطنا جبل إيفرست إلى بضعة أمتار نانوية ؛ سنحصل على ثقب أسود.

هل يمكنني صنع ثقب أسود من ذرة أو ذرتين؟ إذا كانت الإجابة بنعم ، فهل سيصبح أكبر ويتحول إلى ثقب أسود بالحجم الطبيعي؟


هناك إجابتان: نعم ولا.

نعم لأن كل كتلة M لها نصف قطر Schwarzschild مقداره $ frac {2GM} {c ^ 2} $ (حيث G هو ثابت الجاذبية (حوالي 6.7 دولار times10 ^ {- 11} $ و c هي سرعة الضوء (حوالي 300 000 000 $ mathrm {m / s} $). إذا تم ضغط شيء ما إلى نصف قطر Schwarzschild الخاص به ، فإنه يتحول إلى ثقب أسود. يمكنك القيام بذلك من أجل ذرة. كتلة ذرة الكربون (على سبيل المثال) تبلغ 2 دولار مرات 10 ^ {- 26} mathrm {kg} $ لذا فإن نصف قطر Schwartzschild هو $$ frac {2 times (6.7 times10 ^ {- 11}) times (2 times10 ^ {- 26})} {300000 000 ^ 2} حوالي 3 times10 ^ {- 53} mathrm {meter} $$

لذا فإن الجواب الفعلي هو لا حيث لا توجد طريقة مجدية لضغط ذرة بهذا الحجم. من المهم هنا حقيقة أن هذا الحجم صغير جدًا بحيث لا تتصرف الأشياء بهذا الحجم مثل الكرات الصغيرة ولكن كأجسام ميكانيكية كمومية. لكن الثقب الأسود هو كائن ثقالي تم تصميمه بواسطة النسبية العامة ، ولا تعمل النسبية وميكانيكا الكم معًا بشكل جيد. بعبارة أخرى ، ليس لدينا نموذج علمي لوصف كيفية تصرف الثقب الأسود ذي الكتلة الذرية.

أظهر ستيفن هوكينج أن الثقوب السوداء الصغيرة غير مستقرة ، لذا فإن الثقب الأسود ذو الكتلة الذرية سيكون غير مستقر للغاية ، وسيتبخر في وقت قصير جدًا.


أعتقد أن الجواب لا.

إذا حاولنا ضغط هذه الذرات ، فسينتهي بنا الأمر (في النهاية) إلى أن تكون النوى قريبة بما يكفي لنجبر على الاندماج. قد يعني الاندماج أننا شكلنا نواة واحدة.

هذه المرحلة لا مفر منها.

لذا فإن سؤال الذرتين الخاص بك الآن يقلل إلى ما إذا كانت نواة واحدة يمكن أن تشكل ثقبًا أسود؟.

النواة هي نوع من مزيج كوارك-غلوون معقد ، وإذا ضغطناها أكثر ، ينتهي بنا المطاف بنسخة كثيفة جدًا من تلك التي لا نملك الفيزياء لنمذجتها بشكل صحيح.

من غير المحتمل للغاية أن يتم تطبيق النسبية العامة التقليدية على شيء سيكون صغيرًا جدًا ، فهو في الواقع أصغر مما نعتقد أنه يمكننا تطبيق نظرية الكم. وستكون كثافة الطاقة المتضمنة في هذه المرحلة عالية جدًا لدرجة أن نظرياتنا الحالية لم تعد منطقية. نحتاج إلى نظرية كمية للجاذبية للقيام بذلك وليس لدينا نظرية تعمل بشكل جيد بما فيه الكفاية. في الواقع ، لسنا متأكدين حتى من أن نظرية الكم للجاذبية ستسمح لنا بالذهاب إلى مثل هذه المقاييس الصغيرة عالية الطاقة - حتى هذا غير معروف.

لذلك نحن في مياه مجهولة.

فلماذا "لا"؟

حسنًا ، لفرض مثل هذا الضغط على النواة ، يتعين علينا تطبيق الطاقات على منطقة صغيرة جدًا من الفضاء - أصغر مما نعتقد أنه من الممكن القيام به ، بسبب عواقب مبدأ عدم اليقين. بعبارات مبسطة ، بعد نقطة معينة لن نكون قادرين على تحديد مكان النواة في نفس الوقت ومدى سرعتها في الحركة. سيكون من المستحيل أن تقتصر على منطقة أصغر. سيحدث هذا قبل وقت طويل من وصولنا إلى نصف قطر شوارزشيلد ، حول طول بلانك.

كما سترى من الإجابة بواسطة @ James-K ، يبلغ نصف قطر Schwarzschild حوالي 10−53 م ، ولكن طول بلانك هو 18 أوامر من حيث الحجم أكبر في حوالي الساعة 10−35 م.

لذلك لم نتمكن من حصر نواتنا وضغطها بشكل واقعي في مساحة صغيرة بما يكفي للوصول إلى حجم ثقبها الأسود.

يمكننا الآن إصدار بيان عام شامل مفاده أن النظرية الجديدة قد توفر بعض الثغرة التي تسمح لنا بالالتفاف حول ذلك ، ولكن يبدو من غير المحتمل لأننا نتوقع أن تعيد نظرية جديدة إنتاج معظم ما نعرفه بالفعل عند هذه الحدود. من الصعب تخيل مبدأ عدم اليقين "الابتعاد" لذلك لا أرى طريقة للتغلب على ذلك.

هناك احتمال غير مثبت بنعم.

نظرية الكم للجاذبية التي تعمل قد (كرر قد أو ربما لا) اكتشف أن الجاذبية على هذا المقياس تغير طابعها وتسمح لها بتشكيل آفاق حدث بأحجام أكبر مما كنا نتوقعه حاليًا لمثل هذه النطاقات من الكتلة والطاقة.

لكننا نفتقر إلى أي دليل يدعم هذه الفكرة ، ولن أقوم بتحويل "لا" إلى "ربما نعم" ببساطة لإفساح المجال لأي فكرة جامحة. هذا خيال علمي وليس علم.


إضافة صغيرة للإجابات أعلاه (أحب إجابة طول بلانك). كان يُعتقد أنه قد يكون من الممكن إنشاء ثقوب سوداء صغيرة جدًا في CERN ، نظريًا على أي حال ، لكن هذه النظرية تتطلب وجود أبعاد إضافية. نظرًا لعدم ملاحظة وجود ثقوب سوداء ، فإن نظرية الأبعاد الإضافية (على المقاييس الصغيرة جدًا) قد حققت نجاحًا.

حتى لو تم إنشاء تلك الثقوب السوداء ، فمن المتوقع أن تتبخر بسرعة كبيرة. (من المليار من المليار من المليار من الثانية) ، ولكن حتى معدل الاضمحلال هذا يجب أن يكون ملحوظًا. لم يلاحظ أي منها.

يجدر أيضًا السؤال ، ما إذا كانت CERN قد حطمت بروتونين معًا بسرعة كبيرة حقًا ، وإذا كان ذلك يحدث ثقبًا أسود (من الناحية النظرية) ، كما هو الحال في التظاهر بأنه ممكن ... هل يتكون هذا الثقب الأسود النظري من بروتونين أم أنه تتكون من بروتونين و 14 تيرا بايت بالإضافة إلى الطاقة الحركية؟ أعتقد أنه من الأكثر دقة أن نقول إن مثل هذا الثقب الأسود يتكون بالفعل من الطاقة الحركية وليس الذرات نفسها.

قد يسمي البعض ذلك بتقسيم الشعر على قطة شرودنجر ، لكنني أعتقد أنها نقطة مهمة. قد تكون الطاقة الحركية الهائلة الناتجة عن اصطدام قريب من سرعة الضوء قادرة على تكوين ثقب أسود صغير ، وفي هذه الحالة ، يجب أن يطلق على الطاقة الحركية اسم المكون الأساسي وليس الذرات.


هي ذرات الثقوب السوداء واحتمالات الجسيمات الأخرى

ضع في اعتبارك التشابهات بين الثقوب السوداء والجسيمات ، وأوجه التشابه مذهلة. كلاهما يعتبر كتلة ولكن ليس لهما حجم. نحن نستخدم الشحنة والكتلة والدوران حصريًا لوصف كليهما أيضًا. التحدي الرئيسي في المقارنة هو أن فيزياء الجسيمات تدار بواسطة ميكانيكا الكم & # x2013 موضوع صعب مع الثقوب السوداء ، على أقل تقدير. لقد وُجِد أن لها بعض الآثار الكمومية في شكل إشعاع هوكينغ ومفارقة جدار الحماية ، ولكن من الصعب وصف الحالات الكمومية للثقوب السوداء بشكل كامل. نحتاج إلى استخدام تراكب وظائف الموجة والاحتمالات للحصول على إحساس حقيقي للجسيم ، ووصف الثقب الأسود على هذا النحو يبدو غير منطقي. ولكن إذا صغّرنا حجم ثقب أسود إلى المقياس المعني ، فستظهر بعض النتائج المثيرة للاهتمام (براون).


هل يمكن أن تكون محاطًا بثقوب سوداء صغيرة ولا تعرفها حتى

قد يكون كل منها ثقيلًا مثل الكويكب وصغيرًا مثل العلامة العشرية.

هل تعرضت للهجوم من قبل كادر من الثقوب السوداء الصغيرة؟ قلة من الذين تم تعديلهم جيدًا سيجيبون بنعم بجدية. ومع ذلك ، وفقًا لعلماء الفيزياء ، فإن الحدوث ليس خارج نطاق الاحتمال. قد يحتوي الكون في الواقع على عدد كبير من الثقوب السوداء الصغيرة التي تتحرك عبر الفضاء ربما من تلقاء نفسها ، أو حتى في شكل أسراب. على الرغم من صغر حجمها ، إلا أنها ليست أقل أهمية. يمكن أن يزن بعضها قدر وزن كويكبك العادي. في أثقل وزنهم ، يزنون أقل بقليل من القمر. لكن في الحجم المادي ستكون صغيرة ، قطرها 0.25 ملم ، حول حجم الفاصلة العشرية أو عرض شعرة الإنسان.

النبأ السار هو أن علماء الفيزياء الفلكية لديهم قدرة جيدة على التعامل مع معظم مكونات الكون. ومع ذلك ، هناك عيب مذهل ، وهو نفاد تفسيرات ما تبقى. قد يتحول هذا إلى "أزمة علمية" ، وفقًا لما ذكره ألكسندر كاشلينسكي ، عالم الكونيات في وكالة ناسا. 20٪ من كوننا يتكون من مادة عادية ، بينما 80٪ من المادة المظلمة الغامضة ، التي لا نعرف عنها إلا القليل. نحن نعلم أنه يمارس بعض الجاذبية الضعيفة على المادة العادية. هذا كل ما في الأمر.

ثقب أسود لاحظه علماء الفلك.

لسوء الحظ ، فإن جميع المحاولات على مدار الثمانين عامًا الماضية لفهم المادة المظلمة أو تحديد موقعها ، سواء في الفضاء أو على الأرض ، قد أدت إلى ظهور bupkis. الآن ، تنفد الخيارات لدى العلماء. تعتبر الثقوب السوداء الفيزيائية الفلكية أو ذات الكتلة النجمية ، كما يطلق عليها التنوع الصغير ، بالنسبة للبعض الملاذ الأخير لتجنب مثل هذه الأزمة. إن فكرة انحراف الثقوب السوداء الصغيرة عبر الفضاء ليست النظرية الرائدة. إنه على الهامش. يعتقد معظم علماء الفيزياء الفلكية أن المادة المظلمة موجودة. لقد ثبت أن الجسيم الذي يتكون منه هو أكثر مراوغة مما كان متوقعًا.

الثقوب السوداء التي نعرفها ثقيلة جدًا بشكل عام. معظمها يبلغ حجمها 20-100 مرة مثل شمسنا. في الآونة الأخيرة ، تمكن العلماء من قياس موجات الجاذبية عند اصطدام ثقبين أسودين ، متوسط ​​الحجم - كتلة كل منهما 30 مرة كتلة شمسنا. من خلال دراسة هذا الحدث ، حصلت نظرية الثقب الأسود الصغير على دفعة. يعتقد بعض الباحثين أن الثانية بعد الانفجار العظيم تشكلت ثقوبًا سوداء مصغرة. تمامًا كما يُعتقد أن الحياة على الأرض ولدت من حساء بدائي ، فإن هذه الثقوب السوداء الصغيرة أيضًا ستولد من "حساء الجسيمات". يقترح كاشلينسكي أن هذه الثقوب السوداء "البدائية" ستكون صغيرة لكنها تنتقل في أسراب.

ثقب أسود بحجم النجم اكتشفه تلسكوب هابل الفضائي.

قال عالم الفيزياء الفلكية تيموثي براندت من معهد الدراسات المتقدمة ، إنه يمكن أن يكونوا أصغر من ذرة. قال براندت مهتم بالتجارة قد تمر هذه الثقوب السوداء المجهرية بين الأرض والشمس مرة كل 100 مليون سنة ، عطاء أو آخذ. سيكون من الصعب اكتشافها. إذا كنت بالقرب منه ، فقد تتمكن من رؤيته. إذن ماذا سيحدث إذا لمسته عن طريق الخطأ؟ سيكون الأمر أشبه بإصابتك برصاصة ، ولكن بقوة المد والجزر التي من شأنها أن تشوهك. سوف تحترق أيضًا بسبب الحرارة الهائلة. لا يبدو هذا أسلوبًا رائعًا ، ولكنه مناسب لشخصية رئيس لعبة فيديو أو شرير خيال علمي. وصف براندت إمكانية زيارة الثقوب السوداء الكمومية للأرض بأنها "غير مرجحة على الإطلاق". ومع ذلك ، إذا حدث شيء من هذا القبيل ، فقد اعترف ، "من شأنه أن يسبب بعض الفوضى".

يعتقد باحثون آخرون أن الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية تمر عبر الأرض طوال الوقت ، دون وقوع حوادث. يؤمن بهذا الرأي آرون فانديفندر ، الباحث في Halcyon Molecular ، في كاليفورنيا ، ووالده ، J. Pace VanDevender ، من مختبرات سانديا الوطنية ، في نيو مكسيكو. يعتقدون أن ثقبًا أسودًا أو اثنين يمرون عبر الأرض يوميًا. هذه صغيرة ، وأصغر من الذرات. يوافقه الرأي عالم الفلك ماسيمو ريكوتي من جامعة ماريلاند. قال إن هذه الثقوب السوداء صغيرة جدًا ، ومن غير المرجح أن تمزق الذرات. وقال: "حتى لو كانوا يتحركون عبر جسم صلب ، فإنهم في معظم الأوقات يجدون أنفسهم في فراغ تقريبًا ، نظرًا لصغر حجمهم".

وفقًا لوجهة النظر هذه ، بدلاً من محاصرة الكثير من المادة ، قد يأخذون أحيانًا الذرات معهم في مداراتهم. بمجرد حصولهم على مثل هذه الذرات ، يطلق عليهم معادلات الجاذبية للذرة (GEAs). هذه الثقوب السوداء مختلفة تمامًا عن أبناء عمومتها البعيدين الذين ينتشرون في اتساع الفضاء. تمتلك GEAs آفاق أحداث صغيرة أو أفواه مخروطية الشكل ، وهي صغيرة جدًا ، بحيث يكون لديها فرصة ضئيلة لامتصاص أي شيء فيها.

خريطة ثلاثية الأبعاد لتوزيع المادة المظلمة ، أعيد بناؤها من قياسات مأخوذة بواسطة تلسكوب هابل. صورة ناسا / وكالة الفضاء الأوروبية / ريتشارد ماسي (معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا)

هناك بعض النظريات الأخرى ، مثل إحدى النظريات التي نشرت العام الماضي في المجلة خطابات المراجعة المادية ، أن الثقوب السوداء الصغيرة يمكن أن تسبب فقاعات تعطل مجال هيغز. هذا مجال طاقة مكون من جسيمات بوزون هيغز في الفضاء. إذا تفاعلت هذه الثقوب السوداء الصغيرة معها ، فقد تؤدي إلى انهيار الفراغ في الفضاء ، والذي ، ليس بالأمر المهم ، من شأنه أن يدمر الكون بأكمله! يخبرنا معظم العلماء ألا نقلق. وبعض المنظرين المشهورين يستاءون بشدة من هذا الرأي. تنص نظرية أخرى على أن جميع الجسيمات ، في الواقع ، يمكن أن تكون اختلافات في الثقوب السوداء البدائية.

يقترح بعض علماء الفيزياء أن المادة المظلمة تتكون من GEAs ، تمامًا كما تتكون المادة نفسها من الذرات. لكن هذه الثقوب السوداء مع الجسيمات التي تدور حولها ، هي مجرد واحدة من عدد من الجسيمات الأخرى التي يُفترض أنها تشكل المادة المظلمة. لن يعرف أحد حتى يتم التعرف على الجسيم الصحيح ، ربما من خلال التجارب مع مسرّع الجسيمات ، مثل ذلك الموجود في CERN. بالنسبة للعلماء ، فإن الاحتمال الأكثر إثارة للقلق هو أن الثقوب السوداء الصغيرة صغيرة جدًا وأن تأثير جاذبيتها ضعيف جدًا ، بحيث يكاد يكون من المستحيل اكتشافها. وهذا قد يعيد العلم إلى الوراء. فكيف يمكن للمرء اكتشاف ثقب أسود مجهري؟

هل تريد معرفة ما سيحدث إذا سقط ثقب أسود بحجم عملة معدنية بالقرب منك؟ انقر هنا:


قد تساعد الثقوب السوداء في الكشف عن جزيئات جديدة

عادة ما يتطلب العثور على جسيمات جديدة طاقات عالية - ولهذا السبب تم بناء مسرعات ضخمة يمكنها تسريع الجسيمات إلى سرعة الضوء تقريبًا. لكن هناك طرقًا إبداعية أخرى لإيجاد جسيمات جديدة.

في ورقة نشرت في المجلة المراجعة الجسدية د (متوفر أيضًا في arxiv.org) ، يقدم الفريق طريقة لإثبات وجود "محاور" افتراضية. يمكن أن تتراكم هذه المحاور حول الثقب الأسود وتستخرج الطاقة منه. يمكن أن تصدر هذه العملية موجات الجاذبية ، والتي يمكن قياسها بعد ذلك.

الأكسيونات هي جسيمات افتراضية ذات كتلة منخفضة جدًا. وفقًا لألبرت أينشتاين ، ترتبط الكتلة ارتباطًا مباشرًا بالطاقة ، وبالتالي فإن القليل جدًا من الطاقة مطلوب لإنتاج الأكسيونات.

قال الدكتور دانيال جروميلر ، أحد كبار مؤلفي البحث: "لم يتم إثبات وجود الأكسيونات ، لكن من المحتمل جدًا". وبالاشتراك مع الدكتورة غابرييلا موكانو ، قام بحساب كيفية اكتشاف الأكسيونات.

في فيزياء الكم ، يوصف كل جسيم بأنه موجة. الطول الموجي يتوافق مع طاقة الجسيم. الجسيمات الثقيلة لها أطوال موجية صغيرة ، لكن المحاور منخفضة الطاقة يمكن أن يكون لها أطوال موجية تصل إلى عدة كيلومترات.

تظهر النتائج الجديدة أن المحاور يمكن أن تدور حول ثقب أسود ، على غرار الإلكترونات التي تدور حول نواة الذرة. بدلاً من القوة الكهرومغناطيسية ، التي تربط الإلكترونات والنواة معًا ، فإن قوة الجاذبية هي التي تعمل بين المحاور والثقب الأسود.

ومع ذلك ، هناك فرق مهم للغاية بين الإلكترونات في الذرة والأكسيونات حول الثقب الأسود. الإلكترونات هي الفرميونات - مما يعني أن اثنين منهم لا يمكن أن يكونا في نفس الحالة. من ناحية أخرى ، فإن الأكسيونات هي بوزونات ، ويمكن للعديد منها أن تحتل نفس الحالة الكمية في نفس الوقت. يمكنهم تكوين "سحابة بوزونية" تحيط بالثقب الأسود. تمتص هذه السحابة الطاقة باستمرار من الثقب الأسود ويزداد عدد المحاور في السحابة.

هذه السحابة ليست مستقرة بالضرورة. وأوضح الدكتور غروميلر قائلاً: "تمامًا مثل كومة الرمل السائبة ، التي يمكن أن تنزلق فجأة ، بسبب حبة رمل إضافية واحدة ، يمكن أن تنهار سحابة البوزون هذه فجأة".

الشيء المثير في مثل هذا الانهيار هو أنه يمكن قياس "بوز نوفا". هذا الحدث سيجعل المكان والزمان يهتزان ويطلق موجات الجاذبية.

تظهر الدراسة الجديدة أن موجات الجاذبية هذه لا توفر لنا رؤى جديدة حول علم الفلك فحسب ، بل يمكنها أيضًا إخبارنا بالمزيد عن الأنواع الجديدة من الجسيمات.

المعلومات الببليوغرافية: Mocanu G. ، Grumiller D. 2012. الحرجية ذاتية التنظيم في السحب البوزونية حول الثقوب السوداء. فيز. القس د 85 دوى: 10.1103 / PhysRevD.85.105022


يستخدم علماء الفلك أجهزة الكمبيوتر العملاقة لدراسة الذرات المرتبطة بالثقوب السوداء

تحمل الذرات فائقة السخونة في الفضاء مفتاح لغز فلكي ، ويقود عالم فلك من جامعة ولاية أوهايو جهودًا لدراسة تلك الذرات هنا على الأرض.

استخدم أنيل برادهان ، أستاذ علم الفلك ، وفريقه أجهزة الكمبيوتر العملاقة لإجراء حسابات الطاقة الأكثر دقة على الإطلاق لهذه الذرات وخصائصها. نتيجة لذلك ، سيكون لدى علماء الفلك - على وجه الخصوص ، أولئك الذين يصطادون الثقوب السوداء - فكرة أفضل عما يبحثون عنه عندما يفحصون مادة فضائية بعيدة باستخدام تلسكوبات الأشعة السينية.

تظهر النتائج في عدد سبتمبر من مجلة الفيزياء ب: الفيزياء الذرية والجزيئية والبصرية. وعلى الرغم من أن موضوع الورقة تقني للغاية ، إلا أنه يروي قصة تنسج معًا الفيزياء الذرية ، ونظرية أينشتاين للنسبية ، وأحدث الملاحظات الفلكية ، وبعض أسرع أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم.

قام علماء الفلك بالتجسس في بحار من الذرات فائقة السخونة في شكل بلازما ، ودوروا حول مراكز المجرات الساطعة جدًا ، والتي تسمى نوى المجرة النشطة. يُعتقد أن البلازما علامة منبهة لثقب أسود ، فالثقب الأسود نفسه غير مرئي ، لكن أي مادة تتصاعد داخله يجب أن تكون شديدة السخونة ، وأن تتألق بأشعة إكس.

قبل أن يثبت أي شخص بشكل قاطع ما إذا كانت المجرات النشطة تحتوي على ثقوب سوداء ، يحتاج علماء الفلك إلى قياس مستويات الطاقة للذرات المثارة في البلازما بدقة شديدة ، ومطابقة القياسات مع ما يعرفونه عن الفيزياء الذرية.

اعترف برادان بأن ضمان دقة البيانات الذرية لا يبدو وكأنه أكثر الوظائف إثارة في علم الفلك - لكنه مهم بشكل أساسي.

وقال "معظم علماء الفلك يعتبرون أن البيانات الذرية التي يشيرون إليها صحيحة - يجب عليهم ذلك لتفسير ملاحظاتهم".

لمدة 30 عامًا ، عمل أستاذ علم الفلك على حل المشكلة. دفعته بيانات الأشعة السينية الجديدة عالية الدقة التي تم جمعها بواسطة مرصد شاندرا للأشعة السينية التابع لناسا والقمر الصناعي نيوتن التابع لوكالة الفضاء الأوروبية للأشعة السينية. اعتقادًا منه أن مثل هذه الملاحظات عالية الجودة تتطلب بيانات ذرية جيدة ، قرر هو وفريقه - بقيادة عالمة الأبحاث في ولاية أوهايو سلطانة نهار - إجراء الحسابات الذرية الأكثر دقة.

بعد سنوات من كتابة رموز الكمبيوتر وآلاف الساعات من وقت الحوسبة في مركز أوهايو للحواسيب الفائقة ، قاموا بحساب مستويات الطاقة للذرات عالية الحرارة التي تتراوح من الكربون إلى الحديد - الذرات الموجودة في هذه البلازما.

بعض القيم المقبولة سابقًا لهذه الذرات قد اعترفت بمعدلات خطأ من 30 في المائة إلى عوامل عالية من اثنين أو ثلاثة. مع الحسابات الجديدة المذكورة في هذه الدراسة ، تم تقليل الخطأ لجميع الذرات إلى نسبة قليلة.

هذا يعني أنه من الآن فصاعدًا ، عندما يسجل علماء الفلك صور الأشعة السينية للأجسام في الفضاء ، سيكون لديهم فكرة أفضل بكثير عن ماهية الذرات التي تشكل المادة التي ينظرون إليها ، والظروف الفيزيائية داخل هذا الجسم.

إن الذرة التي يهتم بها معظم صائدي الثقوب السوداء هي الحديد ، وهنا يأتي دور نظرية النسبية العامة لأينشتاين.

يجب أن تؤدي الجاذبية الهائلة للثقب الأسود ، وفقًا للنسبية ، إلى تشويه إشارة الأشعة السينية كما تُرى من الأرض ، خاصة بالنسبة لذرات الحديد. الإشارة عبارة عن طيف ، وتبدو كسلسلة من الخطوط ، ولكل ذرة خطها الخاص. يظهر خط واحد على وجه الخصوص ، يسمى خط K-alpha الحديدي ، موسعًا للأشعة السينية المنبثقة من مركز المجرات النشطة ، وغالبًا ما يُشار إليه على أنه مؤشر رئيسي على وجود ثقب أسود.

قبل ثلاثة عشر عامًا ، بدأ برادان ونهار وزملاؤهما دراسة تسمى مشروع الحديد. هدفهم ، جزئيًا ، هو معرفة سبب توسيع خط K-alpha الحديدي وما هي الآثار المترتبة على علم فلك الأشعة السينية.

قال برادهان: "تعتبر الملاحظة الأكثر مباشرة للثقب الأسود هي خط K-alpha الحديدي". "لذلك من المهم للغاية معرفة ما إذا كان قد تم توسيعه بسبب وجود ثقب أسود قريب ، أو إذا كان هناك سبب آخر."

إنه يأمل أن يقوم علماء الفلك بتطبيق بياناته الجديدة على دراسات خط الحديد K-alpha والمساعدة في حل اللغز.


يستخدم علماء الفلك أجهزة الكمبيوتر العملاقة لدراسة الذرات المرتبطة بالثقوب السوداء

تحمل الذرات فائقة السخونة في الفضاء مفتاح لغز فلكي ، ويقود عالم فلك من جامعة ولاية أوهايو جهودًا لدراسة تلك الذرات هنا على الأرض.

استخدم أنيل برادهان ، أستاذ علم الفلك ، وفريقه أجهزة الكمبيوتر العملاقة لإجراء حسابات الطاقة الأكثر دقة على الإطلاق لهذه الذرات وخصائصها. نتيجة لذلك ، سيكون لدى علماء الفلك - على وجه الخصوص ، أولئك الذين يصطادون الثقوب السوداء - فكرة أفضل عما يبحثون عنه عندما يفحصون مادة فضائية بعيدة باستخدام تلسكوبات الأشعة السينية.

تظهر النتائج في عدد سبتمبر من مجلة الفيزياء ب: الفيزياء الذرية والجزيئية والبصرية. وعلى الرغم من أن موضوع الورقة تقني للغاية ، إلا أنه يروي قصة تنسج معًا الفيزياء الذرية ، ونظرية أينشتاين للنسبية ، وأحدث الملاحظات الفلكية ، وبعض أسرع أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم.

قام علماء الفلك بالتجسس في بحار من الذرات فائقة السخونة في شكل بلازما ، ودوروا حول مراكز المجرات الساطعة جدًا ، والتي تسمى نوى المجرة النشطة. يُعتقد أن البلازما علامة منبهة لثقب أسود ، فالثقب الأسود نفسه غير مرئي ، لكن أي مادة تتصاعد داخله يجب أن تكون شديدة السخونة ، وأن تتألق بأشعة إكس.

قبل أن يثبت أي شخص بشكل قاطع ما إذا كانت المجرات النشطة تحتوي على ثقوب سوداء ، يحتاج علماء الفلك إلى قياس مستويات الطاقة للذرات المثارة في البلازما بدقة شديدة ، ومطابقة القياسات مع ما يعرفونه عن الفيزياء الذرية.

اعترف برادان بأن ضمان دقة البيانات الذرية لا يبدو وكأنه أكثر الوظائف إثارة في علم الفلك - لكنه مهم بشكل أساسي.

وقال "معظم علماء الفلك يعتبرون أن البيانات الذرية التي يشيرون إليها صحيحة - يجب عليهم ذلك لتفسير ملاحظاتهم".

لمدة 30 عامًا ، عمل أستاذ علم الفلك على حل المشكلة. دفعته بيانات الأشعة السينية الجديدة عالية الدقة التي تم جمعها بواسطة مرصد شاندرا للأشعة السينية التابع لناسا والقمر الصناعي نيوتن التابع لوكالة الفضاء الأوروبية للأشعة السينية. اعتقادًا منه أن مثل هذه الملاحظات عالية الجودة تتطلب بيانات ذرية جيدة ، قرر هو وفريقه - بقيادة عالمة الأبحاث في ولاية أوهايو سلطانة نهار - إجراء الحسابات الذرية الأكثر دقة.

بعد سنوات من كتابة رموز الكمبيوتر وآلاف الساعات من وقت الحوسبة في مركز أوهايو للحواسيب الفائقة ، قاموا بحساب مستويات الطاقة للذرات عالية الحرارة التي تتراوح من الكربون إلى الحديد - الذرات الموجودة في هذه البلازما.

بعض القيم المقبولة سابقًا لهذه الذرات قد اعترفت بمعدلات خطأ من 30 في المائة إلى عوامل عالية من اثنين أو ثلاثة. مع الحسابات الجديدة المذكورة في هذه الدراسة ، تم تقليل الخطأ لجميع الذرات إلى نسبة قليلة.

هذا يعني أنه من الآن فصاعدًا ، عندما يسجل علماء الفلك صور الأشعة السينية للأجسام في الفضاء ، سيكون لديهم فكرة أفضل عن الذرات التي تشكل المادة التي ينظرون إليها ، والظروف الفيزيائية داخل هذا الجسم.

إن الذرة التي يهتم بها معظم صائدي الثقوب السوداء هي الحديد ، وهنا يأتي دور نظرية النسبية العامة لأينشتاين.

يجب أن تؤدي الجاذبية الهائلة للثقب الأسود ، وفقًا للنسبية ، إلى تشويه إشارة الأشعة السينية كما تُرى من الأرض ، خاصة بالنسبة لذرات الحديد. الإشارة عبارة عن طيف ، وتبدو كسلسلة من الخطوط ، ولكل ذرة خطها الخاص. يظهر خط واحد على وجه الخصوص ، يسمى خط K-alpha الحديدي ، موسعًا للأشعة السينية المنبثقة من مركز المجرات النشطة ، وغالبًا ما يُشار إليه على أنه مؤشر رئيسي على وجود ثقب أسود.

قبل ثلاثة عشر عامًا ، بدأ برادان ونهار وزملاؤهما دراسة تسمى مشروع الحديد. هدفهم ، جزئيًا ، هو معرفة سبب توسيع خط K-alpha الحديدي وما هي الآثار المترتبة على علم فلك الأشعة السينية.

قال برادهان: "تعتبر الملاحظة الأكثر مباشرة للثقب الأسود هي خط K-alpha الحديدي". "لذلك من المهم للغاية معرفة ما إذا كان قد تم توسيعه بسبب وجود ثقب أسود قريب ، أو إذا كان هناك سبب آخر."

إنه يأمل أن يقوم علماء الفلك بتطبيق بياناته الجديدة على دراسات خط الحديد K-alpha والمساعدة في حل اللغز.


علم الفلك بدون تلسكوب & # 8211 الثقوب السوداء: السنوات الأولى

هناك & # 8217 وجهة نظر متزايدة بأن الثقوب السوداء في بدايات الكون ربما كانت البذور التي نمت حولها معظم المجرات الكبيرة اليوم (الآن بداخلها ثقوب سوداء هائلة). وبالعودة إلى الوراء ، قد يكون السبب أيضًا هو أن الثقوب السوداء كانت مفتاحًا لإعادة تأين الوسط النجمي المبكر & # 8211 الذي أثر بعد ذلك على الهيكل الواسع النطاق لكون اليوم & # 8217s.

لتلخيص تلك السنوات المبكرة ... كان أولًا الانفجار الكبير & # 8211 ولمدة ثلاث دقائق تقريبًا كان كل شيء مضغوطًا جدًا ومن ثم كان ساخنًا جدًا & # 8211 ولكن بعد ثلاث دقائق تشكلت البروتونات والإلكترونات الأولى وخلال الـ 17 دقيقة التالية تشكلت نسبة من هؤلاء تفاعلت البروتونات لتشكيل نوى الهيليوم & # 8211 حتى 20 دقيقة بعد الانفجار العظيم ، أصبح الكون المتسع باردًا جدًا بحيث لا يحافظ على التركيب النووي. من هناك ، ارتدت البروتونات ونواة الهليوم والإلكترونات على مدار الـ 380 ألف سنة التالية كبلازما شديدة الحرارة.

كانت هناك فوتونات أيضًا ، ولكن كانت هناك فرصة ضئيلة لهذه الفوتونات لفعل أي شيء سوى أن تتشكل ثم تمت إعادة امتصاصها على الفور بواسطة جسيم مجاور في هذا البلازما الساخنة المشوية. ولكن في 380000 سنة ، برد الكون المتسع بما يكفي لتتحد البروتونات ونواة الهليوم مع الإلكترونات لتشكيل الذرات الأولى & # 8211 وفجأة تُركت الفوتونات مع مساحة فارغة تنطلق فيها كأشعة الضوء الأولى & # 8211 والذي لا يزال بإمكاننا اكتشافه اليوم كخلفية ميكروية كونية.

ما تبع ذلك كان ما يسمى بالعصور المظلمة حتى حوالي نصف مليار سنة بعد الانفجار العظيم ، بدأت النجوم الأولى في التكون. من المحتمل أن تكون هذه النجوم كبيرة ، مثل كبيرة حقًا ، نظرًا لأن ذرات الهيدروجين (والهيليوم) الباردة والمستقرة المتاحة تتجمع وتتراكم بسهولة. ربما كانت بعض هذه النجوم المبكرة كبيرة جدًا لدرجة أنها سرعان ما فجرت نفسها إلى أشلاء مثل المستعرات الأعظمية غير المستقرة. كان بعضها الآخر كبيرًا جدًا وانهار في ثقوب سوداء - العديد منها لديه الكثير من الجاذبية الذاتية للسماح لانفجار سوبر نوفا بتفجير أي مادة من النجم.

وهنا تبدأ قصة إعادة التأين. لم تبقى ذرات الهيدروجين الباردة والمستقرة للوسط النجمي المبكر باردة ومستقرة لفترة طويلة جدًا. في عالم أصغر مليء بالنجوم الضخمة المكدسة بكثافة ، تمت إعادة تسخين هذه الذرات بسرعة ، مما تسبب في انفصال إلكتروناتها وتحول نواتها إلى أيونات حرة مرة أخرى. أدى هذا إلى إنشاء بلازما منخفضة الكثافة & # 8211 لا تزال ساخنة جدًا ، ولكنها منتشرة جدًا بحيث لا تكون معتمًا للضوء بعد الآن.

حسنًا ، حقًا من الأيونات إلى الذرات إلى الأيونات مرة أخرى - ومن هنا جاء مصطلح إعادة التأين. الفرق الوحيد هو أنه بعد نصف مليار سنة منذ الانفجار العظيم ، كانت البلازما المعاد تأينها للوسط النجمي منتشرة لدرجة أنها ظلت - ولا تزال - شفافة للإشعاع. الائتمان: عالم جديد.

من المحتمل أن تكون خطوة إعادة التأين هذه قد حدت من الحجم الذي يمكن أن تنمو عليه النجوم الجديدة - بالإضافة إلى الحد من فرص نمو المجرات الجديدة & # 8211 نظرًا لأن الأيونات الساخنة والمثيرة أقل عرضة للتجمع والتجمع من الذرات الباردة والمستقرة. ربما تكون إعادة التأين قد ساهمت في التوزيع الحالي للمادة & # 8216 التكتل & # 8217 - والذي تم تنظيمه في مجرات كبيرة منفصلة بشكل عام بدلاً من انتشار النجوم في كل مكان.

وقد تم اقتراح أن الثقوب السوداء المبكرة - الثقوب السوداء في ثنائيات الأشعة السينية عالية الكتلة - ربما ساهمت بشكل كبير في إعادة تأين الكون المبكر. تشير النمذجة الحاسوبية إلى أن الكون المبكر ، الذي يميل نحو النجوم الضخمة جدًا ، من المرجح أن يكون به ثقوب سوداء كبقايا نجمية ، بدلاً من النجوم النيوترونية أو الأقزام البيضاء. أيضًا ، غالبًا ما تكون هذه الثقوب السوداء في ثنائيات أكثر من كونها معزولة (نظرًا لأن النجوم الضخمة غالبًا ما تشكل أنظمة متعددة أكثر من النجوم الصغيرة).

لذلك مع وجود ثنائي هائل حيث يكون أحد المكونات عبارة عن ثقب أسود - سيبدأ الثقب الأسود بسرعة في تجميع قرص تراكم كبير يتكون من مادة مأخوذة من النجم الآخر. ثم سيبدأ قرص التراكم هذا في إشعاع فوتونات عالية الطاقة ، خاصة عند مستويات طاقة الأشعة السينية.

في حين أن عدد الفوتونات المؤينة المنبعثة من الثقب الأسود المتراكم يشبه على الأرجح عدد الفوتونات الساطعة والمضيئة ، فمن المتوقع أن تصدر نسبة أعلى بكثير من فوتونات الأشعة السينية عالية الطاقة & # 8211 مع كل من تلك الفوتونات يحتمل أن يسخن ويؤين ذرات متعددة في مساره ، في حين أن الفوتون النجمي & # 8217s & # 8217s قد يعيد تأين ذرة واحدة أو ذرتين فقط.


علم الفلك بدون تلسكوب & # 8211 الثقوب السوداء: السنوات الأولى

هناك & # 8217 وجهة نظر متزايدة بأن الثقوب السوداء في بدايات الكون ربما كانت البذور التي نمت حولها معظم المجرات الكبيرة اليوم (الآن بداخلها ثقوب سوداء هائلة). وبالعودة إلى الوراء ، قد يكون السبب أيضًا هو أن الثقوب السوداء كانت مفتاحًا لإعادة تأين الوسط النجمي المبكر & # 8211 الذي أثر بعد ذلك على الهيكل الواسع النطاق لكون اليوم & # 8217s.

لتلخيص تلك السنوات المبكرة ... كان أولًا الانفجار الكبير & # 8211 ولمدة ثلاث دقائق تقريبًا كان كل شيء مضغوطًا جدًا ومن ثم كان ساخنًا جدًا & # 8211 ولكن بعد ثلاث دقائق تشكلت البروتونات والإلكترونات الأولى وخلال الـ 17 دقيقة التالية تشكلت نسبة من هؤلاء تفاعلت البروتونات لتشكيل نوى الهيليوم & # 8211 حتى 20 دقيقة بعد الانفجار العظيم ، أصبح الكون المتسع باردًا جدًا بحيث لا يحافظ على التركيب النووي. من هناك ، ارتدت البروتونات ونواة الهليوم والإلكترونات على مدار الـ 380 ألف سنة التالية كبلازما شديدة الحرارة.

كانت هناك فوتونات أيضًا ، ولكن كانت هناك فرصة ضئيلة لهذه الفوتونات لفعل أي شيء سوى أن تتشكل ثم تمت إعادة امتصاصها على الفور بواسطة جسيم مجاور في هذا البلازما الساخنة المشوية. ولكن في 380000 سنة ، برد الكون المتسع بما يكفي لتتحد البروتونات ونواة الهليوم مع الإلكترونات لتشكيل الذرات الأولى & # 8211 وفجأة تُركت الفوتونات مع مساحة فارغة تنطلق فيها كأشعة الضوء الأولى & # 8211 والذي لا يزال بإمكاننا اكتشافه اليوم كخلفية ميكروية كونية.

ما تبع ذلك كان ما يسمى بالعصور المظلمة حتى حوالي نصف مليار سنة بعد الانفجار العظيم ، بدأت النجوم الأولى في التكون. من المحتمل أن تكون هذه النجوم كبيرة ، مثل كبيرة حقًا ، نظرًا لأن ذرات الهيدروجين (والهيليوم) الباردة والمستقرة المتاحة تتجمع وتتراكم بسهولة. ربما كانت بعض هذه النجوم المبكرة كبيرة جدًا لدرجة أنها سرعان ما فجرت نفسها إلى أشلاء مثل المستعرات الأعظمية غير المستقرة. كان بعضها الآخر كبيرًا جدًا وانهار في ثقوب سوداء - العديد منها لديه الكثير من الجاذبية الذاتية للسماح لانفجار سوبر نوفا بتفجير أي مادة من النجم.

وهنا تبدأ قصة إعادة التأين. لم تبقى ذرات الهيدروجين الباردة والمستقرة للوسط النجمي المبكر باردة ومستقرة لفترة طويلة جدًا. في عالم أصغر مليء بالنجوم الضخمة المكدسة بكثافة ، تمت إعادة تسخين هذه الذرات بسرعة ، مما تسبب في انفصال إلكتروناتها وتحول نواتها إلى أيونات حرة مرة أخرى. أدى هذا إلى إنشاء بلازما منخفضة الكثافة & # 8211 لا تزال ساخنة جدًا ، ولكنها منتشرة جدًا بحيث لا تكون معتمًا للضوء بعد الآن.

حسنًا ، حقًا من الأيونات إلى الذرات إلى الأيونات مرة أخرى - ومن هنا جاء مصطلح إعادة التأين. الفرق الوحيد هو أنه بعد نصف مليار سنة منذ الانفجار العظيم ، كانت البلازما المعاد تأينها للوسط النجمي منتشرة لدرجة أنها ظلت - ولا تزال - شفافة للإشعاع. الائتمان: عالم جديد.

It’s likely that this reionization step then limited the size to which new stars could grow – as well as limiting opportunities for new galaxies to grow – since hot, excited ions are less likely to aggregate and accrete than cool, stable atoms. Reionization may have contributed to the current ‘clumpy’ distribution of matter – which is organized into generally large, discrete galaxies rather than an even spread of stars everywhere.

And it’s been suggested that early black holes – actually black holes in high mass X-ray binaries – may have made a significant contribution to the reionization of the early universe. Computer modelling suggests that the early universe, with a tendency towards very massive stars, would be much more likely to have black holes as stellar remnants, rather than neutron stars or white dwarfs. Also, those black holes would more often be in binaries than in isolation (since massive stars more often form multiple systems than do small stars).

So with a massive binary where one component is a black hole – the black hole will quickly begin to accumulate a large accretion disk composed of matter drawn from the other star. Then that accretion disk will begin to radiate high energy photons, particularly at X-ray energy levels.

While the number of ionizing photons emitted by an accreting black hole is probably similar to that of its bright, luminous progenitor star, it would be expected to emit a much higher proportion of high energy X-ray photons – with each of those photons potentially heating and ionizing multiple atoms in its path, while a luminous star’s photon’s might only reionize one or two atoms.


A Supermassive Black Hole’s Fiery and Furious Wind

When you think of black holes, you probably think they are chaotic destroyers of all wandering through space devouring everything in their path, and once something gets too close, it’s gone forever.

That’s a little unfair. Actually, a lot unfair. They only eat stuff that’s nearby, for one thing. And for another, they’re sloppy eaters. Not everything falls straight down their gullet a lot of it can swirl around the black hole in what’s called an accretion disk. Material in that disk can be heated to terrifyingly high temperatures, millions of degrees, causing it to glow fiercely bright. It can blast out X-rays, and even create an intensely strong wind of material that flows away from the black hole.

We also know that every big galaxy we look at has a supermassive black hole in its very center. If that black hole has gas and matter falling into it, the accretion disk can be huge and ridiculously, soul-crushingly bright. The luminosity of such an object can easily outshine the hundreds of billions of stars in the host galaxy, and make the black hole visible clear across the Universe.

This sets up an interesting problem. When you have a monster in the middle like that, how does it affect the rest of the galaxy? A curious fact was discovered many years ago the mass of the black hole in a galaxy seems to correlate with how the stars in the galaxy orbit. You might think “duh” to that, but hang on. Even though a black hole can have a mass of a billion times the Sun, that’s a teeny tiny fraction of the mass of a galaxy with a few hundred billion stars in it.

Somehow, the black hole is affecting the galaxy around it on a huge scale. كيف؟

The obvious way is through this wind, this cosmic hurricane of particles blasting outward from it at high fractions of the speed of light. Studying that wind is maddeningly difficult, though. For example, when we look right at the center of the galaxy, all we can see is the extremely narrow slice of gas between us and the black hole. That gas absorbs the light coming from the accretion disk, blocking it. As it happens, different kinds of atoms block different colors of light. One type of iron, for example, that has a lot of its electrons ripped away from the intense energy blasting away nearby, is really good at absorbing a very specific wavelength of X-rays.

That can tell you something about the gas, like how hot it is, and how fast the gas is moving away from the black hole. But what it doesn’t tell you is the overall shape of the wind. Is it blowing out spherically, like an expanding balloon, or is it focused into narrow beams?

Lots of black holes have those beams screaming away from them. We know this because we can see them. But not every black hole has them. So how can you figure out the shape of the wind?

Some astronomers have just announced they found a way. The black hole they observed is a billion-solar-mass beast in the center of the galaxy PDS 456, which is about 2 billion light-years away. It’s fairly well studied, and is a good example of a typical “active galaxy,” one with an actively feeding black hole in its core.

They observed it using two different observatories: XMM-Newton and NuSTAR. Both can sort incoming X-rays into their individual energies (think of that like color in light we see). XMM-Newton could see the gas blocking the black hole directly, but can’t detect any gas anywhere else. NuSTAR, however, is able to see the kind of X-rays that would be coming from gas surrounding the black hole … and it did. Looking at the spectrum of the X-rays, it found the unmistakable signature of gas expanding outward in a sphere (if you want technical stuff, it saw a classic P-Cygni profile).

This is a big deal. The geometry of the expanding wind can tell us its total energy. Think of it this way: Imagine you have a 1-watt light bulb. It looks pretty dim, because it’s sending light out in all directions. Only a little bit of the light is heading into your eye. But if I have a flashlight, it focuses the energy emitted, so it can gather up all the light being wasted in other directions and beam it toward you. The bulb in a flashlight can be a lot dimmer, but still look brighter to you because of that.

Photo by X-ray: NASA/CXC/U.Birmingham/M.Burke et al.

And that’s the basis of these new observations. They saw that the wind from the black hole is expanding in all directions, which means the astronomers could determine the overall physical nature of the wind. It turns out the black hole is blasting a wind that totals 10 times the Sun’s mass every year—and mind you, that vast amount of stuff is screaming out at tens of thousands of kilometers per second. If I’ve done my math right (and I have I checked), that means the mechanical energy in that wind is a staggering 10 trillion times the total energy the Sun emits every second.

And that wind is blowing outward in all directions, so it can easily affect the gas around it, even thousands of light-years away. This in turn would affect how stars form in a galaxy, and explain the relationship we see between the black hole and the stars in the galaxy around it.

And here’s the really cool thing: We think those big black holes form at the same time as the galaxy itself. As the zillions of tons of gas swirl around in the proto-galaxy, assembling itself into stars, some of it is falling into the nascent black hole in the center of that maelstrom. It forms a disk around the black hole, heats up, and starts to blast out a wind. This wind slams into the gas around it, all around it, blowing it hither and yon.

When the galaxy finally coalesces as a massive island universe of billions of stars, the motions of the stars themselves still have the fingerprint of the black hole’s wind imprinted on them, even billions of years later. And that wind may have helped trigger more stars being born as it rams into and compresses the gas around it, just as it can also shut down star formation by blowing that gas away.

Our galaxy, the Milky Way, has such a black hole in the middle. It’s not a big one as they go, a mere 4 million times the mass of the Sun. But 10 billion years ago, when our galaxy was forming, it may have been active, and may have affected the young galaxy around it as well.

When you go outside at night and look at the stars, think on that. If you can see Sagittarius, you’re looking toward the center of our galaxy, where that monster dwells. It’s surrounded by billions of stars, so distant from us their light merges into a soft glow. But they’re there, those myriad stars, and their motions, their formation, even their existence itself may have been profoundly influenced by a black hole that we didn’t even know existed until a few decades ago.

Ah, science. It allows us to wonder about the inner workings of the Universe we live in, and then shows us how the pieces fit together. If there is a grander, more exhilarating adventure than that, I don’t know what it is.


Scientists Solve Long Standing Mystery of Black Hole Jets

This is a model of the black hole system with jets. Image credit: J. Miller-Jones, ICRAR / R. Hynes.

Stellar-mass black holes are often found feasting on material from a companion star. Matter flows from the star towards the black hole, circling in a disc around it with a temperature so high that it emits X-rays.

The black hole can be a fussy eater: instead of swallowing all of the material, it sometimes pushes a fraction of it away in the form of two powerful jets of particles. Because these jets release mass and energy into the surroundings, the black hole has less material to feed on.

By studying the composition of the jets, scientists can learn more about the feeding habits of black holes.

Observations at radio wavelengths have already found that black hole jets contain electrons moving at close to the speed of light. But, until now, it was not clear whether the negative charge of the electrons is complemented by their anti-particles, positrons, or rather by heavier positively-charged particles in the jets, like protons or atomic nuclei.

In a new study, published online today in the journal طبيعة, the scientists observed a black hole binary system called 4U1630-47.

The black hole was known to be active, but radio observations did not show any jets, and the X-ray spectrum didn’t reveal anything unusual. However, a few weeks later, the team took another look and this time saw radio emissions corresponding to the sudden appearance of these jets, and even more interestingly, lines had appeared in the X-ray spectrum – the tell-tale signature of ordinary atoms – around the black hole.

“Intriguingly, we found the lines were not where they should be, but rather were shifted significantly,” said study second author Dr James Miller Jones of the International Center for Radio Astronomy Research.

The same effect occurs when a siren from a vehicle changes pitch as it moves towards or away from us, as the sound wave is shortened or lengthened by the movement.

“It led us to conclude the particles were being accelerated to fast speeds in the jets, one directed towards Earth, and the other one in the opposite direction,” said co-author Dr Simone Migliari from the University of Barcelona said.

This is the first strong evidence of such particles in jets from a typical small black hole.

“We’ve known for a long time that jets contain electrons, but haven’t got an overall negative charge, so there must be something positively charged in them too,” Dr Miller Jones said.

Positively charged atoms are much heavier than the positrons scientists thought might make up the jets, and therefore the jets can carry away far more energy from the black hole than previously confirmed.

What’s more, astronomers aren’t sure whether the jets are powered by the spin of the rotating black hole itself, or whether they are instead launched directly from the disk of matter that surrounds the black hole.

“Our results suggest it’s more likely the disk is responsible for channeling the matter into the jets, and we are planning further observations to try and confirm this,” Dr Miller-Jones said.

The scientists also determined the jets were moving at 66 percent of the speed of light, or 198,000 km/s, the most accurate determination to date of the jet speed from a run-of-the-mill black hole that’s a few times the mass of the Sun.

Bibliographic information: María Díaz Trigo et al. Baryons in the relativistic jets of the stellar-mass black-hole candidate 4U 1630-47. طبيعة, published online November 13, 2013 doi: 10.1038/nature12672


شاهد الفيديو: صناعة ثقب اسود... في المختبر. black hole industry... in the laboratory (شهر اكتوبر 2021).