في عالم الفلك الحديث، تتطور اكتشافاتنا بسرعة مذهلة. كما هو الحال مع الكواكب الخارجية التي بدأت اكتشافاتها الأولى بالإثارة البحتة لوجود عوالم غريبة، ثم انتقلنا إلى تحليل الأعداد لفهم كيفية تشكل الكواكب، يبدو أننا على وشك تحقيق قفزة مماثلة في فهم اندماجات الثقوب السوداء. مع تراكم سنوات من البيانات من أربعة كاشفات لموجات الجاذبية، أصبحت الأرقام هي مفتاحنا لكشف المزيد من أسرار الكون.
كشف باحثون مؤخراً عن تحليل يشير إلى وجود فجوة كتلة واضحة في عدد الثقوب السوداء التي تم اكتشافها حتى الآن. تدعم هذه الفجوة فكرة أن بعض النجوم ضخمة لدرجة أنها تختم حياتها بما يُعرف بالمستعرات الأعظمية الثنائية عدم الاستقرار، وهي انفجارات عنيفة جداً لا تترك وراءها سوى الحطام، ولا يتبقى منها ثقوب سوداء.
سر عدم الاستقرار الثنائي: كيف تموت النجوم الضخمة؟
تتكون الثقوب السوداء نتيجة انهيار قلب نجم عملاق في نهاية حياته، خلال حدث يُعرف بالمستعر الأعظم (السوبرنوفا). بينما تتناثر الطبقات الخارجية للنجم بفعل الانفجار، تنهار الطبقات الداخلية إلى الداخل، دافعة جزءاً كبيراً من كتلة النجم لتشكيل ثقب أسود (أو نجم نيوتروني إذا كانت الكتلة صغيرة جداً). قد نتوقع أن يتراجع توزيع كتل الثقوب السوداء بشكل تدريجي، لكن النماذج النظرية تقدم صورة مختلفة تماماً.
تشير النماذج إلى وجود انقطاع حاد في هذا التوزيع. فإذا تجاوزت كتلة النجم حداً معيناً، تصبح كثافة الفوتونات في قلبه عالية جداً لدرجة أن طاقتها تتحول تلقائياً إلى كتلة على شكل أزواج من الإلكترونات والبوزيترونات. قد تبدو هذه العملية مقلقة، لكن الأخطر هو أن الفوتونات هي الوحيدة التي تمنع قلب النجم من الانكماش. إن تحويلها إلى مادة مضادة يقلل من هذه القوة الدافعة للخارج، مما يؤدي إلى انضغاط مفاجئ للنجم.
إذا كان النجم ضخماً بما فيه الكفاية، فإن هذا الانضغاط يطلق اندماج الأكسجين بشكل شبه فوري، مما يؤدي إلى انفجار هائل من الطاقة. يُعتقد أن هذه الطاقة كافية لتدمير النجم بالكامل دون ترك أي بقايا على شكل ثقب أسود. بدلاً من ذلك، قد تؤدي انفجارات أصغر من اندماج الأكسجين إلى قذف الطبقات الخارجية للنجم، مخلفة وراءها نجماً أصغر بكثير سيخلق في النهاية ثقباً أسود أقل ضخامة بكثير.
على الرغم من أن هذه النظرية راسخة من خلال النمذجة، إلا أن تأكيدها صعب للغاية. لقد كانت هناك أمثلة مقترحة لأحداث عدم الاستقرار الزوجي، ولكن ليس لدينا صورة واضحة للملاحظات التي يمكن أن تميزها عن الانفجارات النجمية العادية. وحتى تقديراتنا لكتل الثقوب السوداء التي لاحظنا اندماجها لم تكن مفيدة بالقدر المطلوب.
المشكلة تكمن في أن العديد من الاندماجات المرصودة تتضمن ثقوباً سوداء يبدو أنها اندمجت سابقاً (يُشار إليها بالجيل الثاني أو G2). لذا، فهي كبيرة بما يكفي لتجاوز الحد الذي كان من المفترض أن يمنع فيه عدم الاستقرار الزوجي تكوين ثقب أسود، لكنها ربما اكتسبت هذه الضخامة بابتلاع ثقب أسود آخر.
الأرقام تتحدث: دليل على فجوة الكتلة
درس الفريق الدولي وراء هذا العمل أنواع الاصطدامات التي يمكننا رؤيتها. التصنيف يشمل اندماج ثقبين أسودين من الجيل الأول (G1+G1)، حيث يكون كلاهما أقل من الكتلة التي يؤدي فيها عدم الاستقرار الزوجي إلى التدمير الكامل. النوع الثاني هو اندماج G1 مع ثقب أسود من الجيل الثاني (G1+G2)، وهو ناتج عن اندماج سابق وقد يكون G2 هذا أكبر من حد الكتلة. وأخيراً، اندماج G2 و G2، حيث يتجاوز كلاهما الحد.
من المرجح أن تحدث اندماجات الثقوب السوداء داخل هياكل غنية بالنجوم عالية الكتلة، مثل العناقيد الكروية. لكن عملية الاندماج نفسها تميل إلى نقل كمية كبيرة من الطاقة إلى الثقب الأسود الناتج، مما قد يؤدي إلى طرده من التجمع. ونتيجة لذلك، فمن المرجح أن تكون عمليات الاندماج بين الفئتين G2 وG2 أكثر ندرة بكثير من عمليات الاندماج بين الفئتين G1 وG2؛ يقدر الفريق أن حوالي 1% فقط من جميع عمليات الاندماج ستكون من G2 إلى G2.
في هذه المرحلة المبكرة نسبياً من الاكتشافات، فإن أي اندماج يشتمل على ثقب أسود G2 سيكون على الأرجح اندماجاً بين G1 وG2. هذا يعني أن الثقب الأسود الأصغر المشارك في عملية الاندماج لم يخضع لعملية اندماج سابقة، وبالتالي يجب أن يخضع لأي حد كتلة تفرضه المستعرات الأعظمية الثنائية عدم الاستقرار.
وهذا بالضبط ما رآه الباحثون: يبدو أن هناك حداً للكتلة في الثقوب السوداء الأصغر المشاركة في الاصطدامات. يقدر الباحثون هذا الحد بحوالي 45 كتلة شمسية، وهو ليس بعيداً عما تنبأت به النظرية (حوالي 50 كتلة شمسية).
ولإضافة المزيد من الأدلة على أن هذا الاكتشاف حقيقي، فإن دوران الأعضاء الأكثر ضخامة في عمليات الاندماج هذه مرتفع. هذا ما يمكن توقعه من ثقب أسود نتج عن اندماج سابق، والذي يرث بعضاً من زخم مدارات الأجسام الأم. كما أدى إجراء تحليل مستقل يعتمد على الدوران إلى إنتاج حد في نفس المنطقة تقريباً: 45 كتلة شمسية. وقد وجد عمل سابق حداً مشابهاً مع مجموعة فرعية من البيانات الحالية.
هناك أيضاً حد أعلى للكتلة التي تتركها حالات عدم الاستقرار الزوجي، وهو ثقب أسود تبلغ كتلته حوالي 130 كتلة شمسية. لكن بياناتنا الحالية تحتوي على مثال واحد فقط لثقب أسود بهذه الضخامة، لذلك لا يوجد شيء يمكننا قوله بثقة عن هذا الحد الأعلى في الوقت الحالي.
على الرغم من أن هوامش الخطأ في هذه التقديرات كبيرة نسبياً، حيث تبلغ خمسة أضعاف كتلة الشمس، إلا أن كل عام جديد سيأتي بالمزيد من البيانات. سيزيد هذا من احتمالية قدرتنا على تضييق نطاقها بشكل كبير بمرور الوقت. من المفترض أن يساعد ذلك في التحقق مما إذا كانت هذه الفجوة في كتلة الثقوب السوداء هي بالفعل نتاج عدم الاستقرار الزوجي، وربما يساعدنا أيضاً في فهم العمليات الفيزيائية المعقدة التي تخلق هذا الحد الكوني.