Electron-positron cascade in magnetospheres of supermassive Kerr black holes and the origin of relativistic AGN jets

غرفة محرك الكون: كيف يمكن للثقوب السوداء (أو قد لا تستطيع) إطلاق نفاثاتها

تخيل الكون كمحيط شاسع ومظلم، تتناثر فيه أكثر المحركات تطرفاً مما يمكن تخيله: الثقوب السوداء فائقة الكتلة. هذه ليست مجرد مكانس كونية؛ بل هي قلوب النوى المجراتية النشطة (AGNs)، وهي أكثر الأجسام طاقة في الكون. عندما تأكل هذه الثقوب السوداء، فهي لا تكتفي بابتلاع كل شيء؛ بل غالباً ما تقذف بشعبتين هائلتين من الجسيمات تشبهان أشعة الليزر، تنطلقان في اتجاهين متضادين بسرعة تقترب من سرعة الضوء. نسمي هذه "النفاثات النسبية". إنها قوية جداً لدرجة أنها تستطيع الامتداد عبر مجرات بأكملها، لتضيء سماء الراديو وتُشكل تطور الكون.

ولكن هنا يكمـل الغموض: كيف يتمكن ثقب أسود، مشهور بقدرته على حبس كل شيء، من إطلاق هذا العرض المذهل للألعاب النارية؟ تشير النظرية الرائدة إلى أن دوران الثقب الأسود يعمل مثل دينامو عملاق، حيث يلتوي الحقول المغناطيسية لتقذف البلازما (حساء ساخن من الجسيمات المشحونة) في الفضاء. ومع ذلك، هناك عقبة؛ فالحقل المغناطيسي وحده يشبه خرطوم مياه بلا ماء؛ فهو يحتاج إلى مصدر للجسيمات لحمل الطاقة. وفي فراغ الفضاء بالقرب من الثقب الأسود، لا توجد جسيمات من الأساس. لذا، يجب أن يكون لدى الكون طريقة لـ "خلق" هذا الوقود من العدم. لطالما اشتبه العلماء في أن عملية تسمى "تتابع الإلكترون-بوزيترون" تعمل كأثر كرة ثلج كوني، حيث يتم تسريع عدد قليل من الجسيمات، فتصطدم بالضوء وتخلق فيضاً من الجسيمات الجديدة لتغذية النفاث. تغوص هذه الورقة البحثية في أعماق آلية كرة الثلج هذه لترى ما إذا كانت هي القصة بأكملها أم مجرد شرارة صغيرة.

---

كرة الثلج التي لم تكن كبيرة بما يكفي

في هذه الدراسة، يعمل الفيزيائيان ميخائيل ف. ميدفيديف وأندريه أ. زدزيارسكي كالمحققين الكونيين، حيث يحققان في آلية "الانهيار" التي يُفترض أنها تخلق الوقود لهذه النفاثات الفائقة. أرادا معرفة: هل يمكن للحقل المغناطيسي ودوران الثقب الأسود نفسه توليد ما يكفي من الجسيمات لتشغيل النفاثات الضخمة التي نراها في الكون؟

لفهم تحقيقاتهما، تخيل ثقباً أسود محاطاً بقرص دوار من الغاز الساخن. هذا الغاز يبعث فيضاً من الضوء الناعم منخفض الطاقة (الفوتونات). يدور الثقب الأسود، ملتفاً بخطوط المجال المغناطيسي مثل الرباط المطاطي. وفي فجوة صغيرة فارغة بالقرب من الثقب الأسود، يتشكل مجال كهربائي صغير. يعمل هذا المجال كمسرع جسيمات كوني، حيث يلتقط إلكتروناً واحداً ويطلقه على طول مسار مغناطيسي بسرعة تقارب سرعة الضوء.

بينما ينطلق هذا الإلكترون بسرعة، يصطدم بالضوء الناعم المنبعث من قرص الغاز. هذا الاصطدام يشبه اصطدام كرة البيلياردو بصف من الكرات؛ حيث ينقل الإلكترون طاقته الهائلة إلى فوتون، محولاً إياه إلى شعاع غاما عالي الطاقة. ثم يصطدم شعاع غاما هذا بفوتون ناعم آخر، و—بوم!—ينقسم إلى جسيمين جديدين: إلكترون وتوأمه من المادة المضادة، وهو البوزيترون. يتم تسريع هذه الجسيمات الجديدة أيضاً، مما يخلق المزيد من أشعة غاما، التي تخلق مزيداً من الأزواج. إنها سلسلة من التفاعلات، "تتابع" أو انهيار، قادر نظرياً على تحويل بذور قليلة إلى فيض هائل من الجسيمات لتغذية النفاث.

قام المؤلفان بإجراء الحسابات ليروا ما إذا كان هذا الانهيار يعمل في العالم الحقيقي. ووجدا أنه لكي يبدأ هذا التتابع، يجب أن تكون الظروف مضبوطة بدقة. يجب أن يكون الحقل المغناطيسي قوياً بما يكفي، ويجب أن يكون الضوء الخلفي في منطقة "غولدي لوكس" (المنطقة المثالية) محددة—ليس ضعيفاً جداً ولا قوياً جداً، بل في نطاق ضيق من الضوء المرئي إلى الأشعة فوق البنفسجية. إذا كان الحقل المغناطيسي ضعيفاً جداً (أقل من حوالي 1 غاوس)، فإن الانهيار ببساطة لن يبدأ أبداً. ويقترح المؤلفان أن هذا قد يفسر لماذا تمتلك بعض المجرات نفاثات صاخبة ومضيئة (غنية بالراديو) بينما تكون أخرى هادئة (فقيرة بالراديو): قد يعود الأمر ببساطة إلى ما إذا كانت ثقوبها السوداء تمتلك الإعداد المغناطيسي الصحيح لتحفيز الانهيار.

ومع ذلك، إليكم المفاجأة.

بينما يمكن للانهيار أن يبدأ، اكتشف المؤلفان أنه ينتج عدداً قلي️⃣اً جداً من الجسيمات لتفسير النفاثات التي نراها بالفعل في المجرات الأكثر سطوعاً. لقد قاموا بحساب الأرقام لمجرة راديوية شهيرة تسمى 3C 120. وبناءً على الضوء المنبعث من نفاثتها، نعلم أنها تحتاج إلى تدفق قدره $2.7^{+12}_{-2.3} \times 10^{49}$ جسيم في كل ثانية للحفاظ على سطوعها.

ولكن عندما حسبوا عدد الجسيمات التي يمكن أن ينتجها الانهيار المغناطيسي، كانت النتيجة مخيبة للآمال تماماً. فحتى في ظل أكثر الظروف تفاؤلاً—بافتراض أن الثقب الأسود يدور بأقصى سرعة تسمح بها الفيزياء وأن القرص المحيط يتوهج بأقصى سطوع—لم يستطع الانهيار إنتاج سوى حوالي $4 \times 10^{41}$ جسيم في الثانية.

لوضع ذلك في المنظور، فإن الانهيار ينتج أقل من جزء من مليار من الجسيمات التي تحتاجها النفاثة فعلياً. إنه يشبه محاولة ملء مسبح بصنبور يقطر قطرة واحدة. تُظهر الرياضيات أن الانهيار المغناطيسي وحده غير كافٍ تماماً لتشغيل النفاثات المضيئة لمجرات ساطعة مثل 3C 120.

إذاً، إذا لم يكن الانهيار هو مصدر المياه الرئيسي، فمن أين يأتي الوقود؟ تشير الورقة إلى أن الإجابة تكمن في مكان آخر. من المرجح أن الجسيمات يتم إنشاؤها مباشرة بواسطة الحرارة الشديدة لقرص التنامي نفسه، حيث تصطدم الفوتونات عالية الطاقة من الغاز الساخن لتخلق أزواجاً، أو ربما تقوم النفاثات بـ "تحميل" مادة إضافية من الفضاء المحيط أثناء انتقالها.

في النهاية، خلص المؤلفان إلى أنه بينما يعد الانهيار المغناطيسي خطوة ضرورية لبدادة تشغيل المحرك (بدونه، ستكون طاقة النفاث صفراً)، إلا أنه ليس خزان الوقود. بالنسبة للنفاثات الأكثر سطوعاً وقوة في الكون، يجب أن تستخدم الطبيعة طريقة أكثر كفاءة بكثير لإنشاء حساء الجسيمات هذا، والتي تتضمن على الأرج_ح الحرارة الحارقة لتدفق التنامي بجوار الثقب الأسود مباشرة. الانهيار المغناطيسي هو الشرارة، لكن تدفق التنامي الساخن هو البنزين.