نجم في مدار ثقب أسود يؤكد توقعاً للنسبية العامة

نجم في مدار ثقب أسود يؤكد توقعاً للنسبية العامة

مضى أكثرُ من قرن على طرح نظرية النسبية العامة التي ما زالت تنبؤاتها تتأكَّد يوماً بعد يوم. وآخر هذه الإثباتات حدث في مجرتنا عند منطقة الرامي أ* (Sagittarius *A) حيث يُعتقَدُ وجود ثقب أسود تُقَدَّر كُتلَتُهُ بأربعة ملايين أضعاف كُتلة الشمس، وقد تبيَّن أنَّ أحد النجوم التي تدور حول هذا الثقب الأسود، والمعروف باسم إس2 (S2)، له حركة فلكية تتوافق تماماً مع معادلات النسبيّة العامة.

منذ ثلاثة عقودٍ تقريباً والفلكيون يتابعون حركة النجم إس2 ليتضح أن الفلكَ الذي يَسبَحُ فيه ليس إهليجاً (Ellipse) ثابتاً كما تصفه نظرية نيوتن وقوانين كبلر. رغم أنَّ هذه القوانين تعمل جيداً في كثير من الأحيان، فإنَّها تعجز عن وصف حركة الأجرام السماوية إذا كانت الجاذبية التي تؤثر عليها هائلة أو إذا كانت سرعاتها قريبة نسبيّـاً من سرعة الضوء، وكذلك الأمر في حالة النجم إس2 إذ إنه يقترب لمسافةٍ تُقَدَّرُ بعشرين مليار كيلومتر من الثقب الأسود أثناء دورانه حوله، وعندها تبلغ سرعته نحو 3% من سرعة الضوء، وهي سرعة هائلة لا بدَّ عندها من اعتماد قوانين أينشتاين بدلاً من قوانين نيوتن وكبلر.

خلال دوران إس2 حول الثقب الأسود، يتغير اتجاه محور دورانه بدلاً من أن يكون ثابتاً، وتعرف هذه الحركة باصطلاح المبادرة (Precession). والنتيجة هي أن الإهليج الفلكي للنجم ليس بثابتٍ بلْ يتغير في مظهر يشبه الوردة كما هو موضح في الصورة المرفقة، ويمكن مشاهدة فيديو محاكاة لحركة هذا النجم نشره المرصد الأوروبي الجنوبي (European Southern Observatory) على الرابط أ، وقد سبق ملاحظة الظاهرة ذاتها منذ قرن تقريباً لدى كوكب عطارد حيث كان هذا هو الدليل الأول على صحة النسبية العامة.
كما هو معروف فإن معادلات النسبية العامة تقدم وصفاً لانحناء الزمكان حول كتلةٍ ما كالأجرام السماوية، وفي حالة جرم كُرويّ التناظر، ثابتٍ (أي لا يدور حول نفسه)، بدون شحنة كهربائية ومحاطٍ بالفراغ، يُعرف حل معادلات أينشتاين باسم حل شفارتزشيلد (Schwarzschild Solution) نسبة إلى الفيزيائي الألماني الذي طَرَحَ هذا الحل. وتنطبق هذه المواصفات بشكل كبير على ثقب الرامي أ*، ولهذا يمكن تسمية مبادرة النجم إس2 الذي يدور حوله بمبادرة شفارتزشيلد (Schwarzschild Precession).

وتُعَدُّ هذه المرة الأولى التي يجري فيها رصد مبادرة شفارتزشيلد لنجم يدور حول ثقب أسود فائق، كما أنَّ هذا التطابق بين حركة إس2 و معادلات أينشتاين يُمَكِّن من حساب توزع المادة المظلمة حول ثقب الرامي أ* و معرفة ما إذا كان هنالك وجودٌ محتملٌ لثقب أسود بجواره أصغر منه.

وتجدر الإشارة إلى أنَّ النجم إس2 قد سبق وقدَّم دليلاً على صحة النسبية العامة سنة 2018 من خلال قياس انزياح الطَّيفِ المنبعث منه نحو الأحمر بسبب حقل الجاذبية الناتج عن ثقب الرامي أ*.

ويتطلع الباحثون في المستقبل القريب إلى دراسة حركة نجوم أخرى أقلّ سطوعاً وأكثر قرباً من أفق الحدث لدى ثقب الرامي أ*، حيث سيُمَكِّنُ هذا من اختبار حلولٍ أخرى لمعادلات أينشتاين لا سيما حل كير (Kerr Solution) الذي يَأخذُ دوران الثقب الأسود حول نفسه في الحسبان.

تم نشر البحث في : Astronomy & Astrophysics.

المصادر : https://www.sciencealert.com/a-star-dancing-around-a-supermassive-black-hole-is-another-win-for-relativity