كيف يقدّر العلماء كتلة ثقب أسود؟

هنالك علاقة بسيطة بين زاوية أضلاع مجرة لولبية وكتلة الثقب الأسود في قلبها.

لسنوات طويلة اعتمد العلماء على سلسلة معقدة من تقنيات الملاحظة والحساب، لتحديد كتلة الثقوب السوداء، ولكن أظهر بحث جديد أنه في بعض الحالات يمكن استبدال هذه المهمة الشاقة بطريقة بسيطة جدًا تَسهُل حتى على طلاب المدارس.

في الطريقة التقليدية ولأن الثقوب السوداء لا تبعث أي ضوء مرئي، مما يضطر العلماء لحساب كتلتها من خلال مدارات النجوم والغازات حولها، وهذه الحسابات تتطلب متابعة معقدة جدًا، يستطيعها فقط فلكيين مدربين ومعدين بالمعدات اللازمة.

أظهر فريق من العلماء بقيادة بنيامين ديفيس (Benjamin Davis) من جامعة سوينبرن (Swinburne) للتكنولوجيا في فيكتوريا أنه يمكننا أن نقدّر بدقة القياسات نفسها التي تم الحصول عليها بشق الأنفس لثقب أسود بالنظر إلى الأذرع اللولبية للمجرة المضيفة.

هذا الاكتشاف والذي تم تدوينه في الملاحظات الشهرية للجمعية الفلكيّة الملكيّة، مبني على عمل السير جيمس جينز (Sir James Jeans) وإدوين هابل (Edwin Hubble) والذي أُجري قبل قرن تقريبًا وأشار إلى العلاقة بين الانتفاخ منتصف المجرة الحلزونية وكيفية توزّع أذرعها.

وجد جينز وهابل أن المجرات اللولبية ذات الانتفاخات الكبيرة لديها أذرع مرسومة بشكل حلزوني مُحكم، بينما المجرات ذات الانتفاخات الأصغر تكون أذرعها مشتتة على نطاق واسع.

منذ ما يقارب عقد من الزمن، أحد المشاركين في التقرير الجديد حينها مارك سيغار (Marc Seigar) من جامعة مينيسوتا دولوث (Minnesota Duluth) في الولايات المتحدة الأمريكية، طور هذا المفهوم عندما كشف عن وجود علاقة بين كتلة الثقب الأسود المركزي وهندسة الأذرع الحلزونية.

ومن خلال التحليل الدقيق لعينة أكبر من المجرات باستخدام الصور التي تم جمعها بواسطة مجموعة من التلسكوبات، قام ديفيس وفريقه بتعديل هذه العلاقة وجعلها قادرة على توقع ثقوب سوداء منخفضة الكتلة في المجرات ذات الأذرع اللولبية.

ومن المثير للاهتمام أن البحث يشير أيضًا إلى أن الثقوب السوداء و«أقراص المجرات» والتي تعني المستويات التي تتنامى بها لولبية المجرة، يجب أن تتطورا معًا.

ويقول ديفيس وزملاؤه أن هذه العلاقة يمكن أن تساعد الفلكيين في التحري عن عدد من الثقوب المشتبه بها، والمفقودة من الثقوب السوداء التي تبلغ كتلتها بين 100 إلى 100.000 كتلة شمسية مما يسهم أيضًا على تفسير العمليات التي تنتج موجات الجاذبية (الموجات الثقالية).

والمعادلة هي:

(MBH/M⊙) = (7.01 ± 0.07) − (0.171 ± 0.017)[|ϕ| − 15°]

MBH/M⊙ كتلة الثقب الأسود مقاسًا بالكتلة الشمسية.

Φ زاوية ميل الذراع بالنسبة لاتجاه حركة المجرة.