Active Galactic Nuclei and Quasars

النوى المجرية النشطة والكوازارات

الثقوب السوداء فائقة الكتلة التي تتراكم عليها المادة، التدفقات الخارجة، والتغذية الراجعة على تكوين النجوم

تظهر بعض أكثر الظواهر سطوعًا وديناميكية في الكون عندما تقوم الثقوب السوداء فائقة الكتلة (SMBHs) في مراكز المجرات بتراكم الغاز. في هذه النوى المجرية النشطة المعروفة باسم active galactic nuclei (AGN)، تتحول كميات هائلة من الطاقة الجاذبية إلى إشعاع كهرومغناطيسي، غالبًا ما يتفوق على سطوع المجرة المضيفة بأكملها. في الطرف الأعلى من طيف اللمعان تقع الكوازارات، وهي AGN متألقة مرئية عبر المسافات الكونية. يمكن أن تؤدي هذه الحلقات من تغذية الثقب الأسود المكثفة إلى دفع تدفقات خارجة قوية — عبر ضغط الإشعاع، الرياح، أو النفاثات النسبية — التي تعيد ترتيب الغاز داخل المجرات، مؤثرة أو حتى كابحة لتكوين النجوم. في هذا المقال، سنستكشف كيف تغذي SMBHs AGN، والتوقيعات الرصدية وتصنيف الكوازارات، وآليات "التغذية الراجعة" الحاسمة التي تربط نمو الثقب الأسود بمصير المجرات المضيفة.

1. تعريف النوى المجرية النشطة

1.1 المحركات المركزية: الثقوب السوداء فائقة الكتلة

في قلب AGN يوجد ثقب أسود فائق الكتلة، تتراوح كتلته من عدة ملايين إلى عدة مليارات من كتل الشمس. تقع هذه الثقوب السوداء داخل نتوءات أو نوى المجرات. في الظروف العادية ذات الاعتماد المنخفض، تظل هادئة نسبيًا. تنشأ مرحلة AGN عندما يتدفق ما يكفي من الغاز أو الغبار إلى الداخل—مُتراكمة على الثقب الأسود—ويتشكل قرص تراكم دوار، مطلقًا إشعاعًا ساطعًا عبر الطيف الكهرومغناطيسي [1, 2].

1.2 فئات AGN والميزات الرصدية

تُظهر AGNs مظاهر رصدية متنوعة:

  • مجرات سايفرت: نشاط نووي متوسط اللمعان في المجرات الحلزونية، مع خطوط انبعاث ساطعة من سحب الغاز المؤين.
  • الكوازارات (QSOs): أكثر AGN لمعانًا، غالبًا ما تهيمن على ضوء مضيفها، ويمكن اكتشافها بسهولة على مسافات كونية.
  • مجرات الراديو / بليزارات: AGN تتميز بفوهات راديوية قوية أو انبعاث موجه بشدة نحونا.

على الرغم من التنوع الظاهر، تعكس هذه الفئات اختلافات في اللمعان والتوجيه والبيئة بدلاً من محركات مختلفة جوهريًا [3].

1.3 النموذج الموحد

يفترض "النموذج الموحد" المقبول على نطاق واسع وجود SMBH مركزي بالإضافة إلى قرص تراكم، محاط بـ منطقة الخط العريض (BLR) من السحب عالية السرعة وطورس من الغبار المحجب. يمكن أن تؤدي تأثيرات التوجيه وهندسة الطورس إلى طيف AGN من النوع 1 (غير محجوب) أو النوع 2 (محجوب بالغبار). يمكن أن تدفع الاختلافات في اللمعان أو كتلة الثقب الأسود النظام من سيفيرت منخفض اللمعان إلى كوازار عالي اللمعان [4].

2. عملية التراكم

2.1 أقراص التراكم واللمعان

الغاز الساقط في البئر الجاذبية العميقة لـ SMBH يشكل قرص تراكم رقيق، يحول الطاقة الكامنة الجاذبية إلى حرارة وإشعاع. النموذج الكلاسيكي هو قرص Shakura-Sunyaev، الذي يمكن أن يشع بشكل كبير، غالبًا بالقرب من حد إيدينغتون:

لEdd ≈ 1.3×1038 (مBH / م⊙) إرغ/ثانية-1

حيث يمكن لثقب أسود يتغذى بمعدلات محدودة بإيدينغتون أن يضاعف كتلته في ~108 سنوات. عادةً ما تقترب الكوازارات أو تتجاوز أجزاء من لمعان إيدينغتون، مما يفسر سطوعها الشديد [5, 6].

2.2 تغذية SMBH

يجب أن توجه العمليات المجرة الغاز من مقاييس الكيلوبارسك إلى مناطق تحت البارسك حول الثقب الأسود:

  • التدفقات المدفوعة بالبار: يمكن للأشرطة الداخلية أو الأذرع الحلزونية إزالة الزخم الزاوي من الغاز في القرص، مما يدفعه إلى الداخل ببطء (التطور العلماني).
  • الاندماجات والتفاعلات: بشكل أكثر عنفاً، يمكن للاندماجات الكبرى أو الصغرى أن توصل كميات كبيرة من الغاز إلى المنطقة النووية بسرعة، مما يشعل مراحل الكوازار.
  • تدفقات التبريد: في نوى العناقيد الغنية، يمكن للغاز داخل العنقود المبرد أن يتدفق إلى مركز المجرة، مغذياً الثقب الأسود المركزي.

بمجرد الاقتراب من الثقب الأسود، توجه الاضطرابات المحلية، والصدمات، واللزوجة المادة أكثر إلى قرص الاقتراب النهائي [7].

3. الكوازارات: أكثر AGN سطوعاً

3.1 الاكتشاف التاريخي

الكوازارات (اختصار لـ “الأجسام الشبيهة بالنجوم”) تم التعرف عليها في الستينيات كمصادر نقطية ذات انزياحات حمراء مرتفعة بشكل غير متوقع، مما يعني لمعاناً هائلاً. سرعان ما تبين أنها نوى مجرية مدعومة بثقوب سوداء فائقة الكتلة تمتص المادة، تتألق بشدة بحيث يمكن رصدها من مسافات تصل إلى مليارات السنين الضوئية، مما يوفر أدوات حاسمة لفهم الكون المبكر.

3.2 الانبعاث متعدد الأطوال الموجية

يمتد اللمعان الشديد للكوازار عبر الراديو (إذا كانت النفاثات موجودة)، تحت الأحمر (إعادة الإشعاع بواسطة الغبار في الطوق)، البصري/الأشعة فوق البنفسجية (استمرارية قرص الاقتراب)، والأشعة السينية (هالة القرص، التدفقات النسبية). عادةً ما تظهر الأطياف خطوط انبعاث عريضة من سحب عالية السرعة بالقرب من الثقب الأسود، وربما خطوط انبعاث ضيقة من الغاز الأبعد [8].

3.3 الدور الكوني

غالباً ما تبلغ الكوازارات ذروتها في الوفرة عند z ∼ 2–3، متزامنة مع فترة كانت المجرات تتجمع بنشاط. إنها تتتبع نمو أكبر الثقوب السوداء في التاريخ الكوني المبكر. كما ترسم ملاحظات خطوط امتصاص الكوازارات الغاز المتداخل وبنية الوسط بين المجرات.

4. التدفقات والتغذية الراجعة

4.1 رياح ونفاثات مدفوعة من AGN

تنتج أقراص الاقتراب ضغط إشعاعي مكثف أو رياح مغناطيسية الانطلاق، مكونة أحياناً تدفقات ثنائية القطب يمكن أن تصل سرعتها إلى آلاف الكيلومترات في الثانية. قد تولد AGN الصاخبة راديوياً أيضاً نفاثات نسبية تسير بسرعة تقارب سرعة الضوء، وتمتد بعيداً خارج المجرة المضيفة. يمكن لهذه التدفقات أن:

  • طرد أو تسخين الغاز، مما يحد من تكوين النجوم في الانتفاخ.
  • نقل المعادن والطاقة إلى الهالة أو الوسط بين المجرات.
  • كبح أو تعزيز تكوين النجوم إقليمياً، اعتماداً على ضغط الصدمة مقابل إزالة الغاز [9].

4.2 التغذية الراجعة على تكوين النجوم

تغذية راجعة من AGN—مفهوم أن الثقوب السوداء النشطة يمكن أن تؤثر بشكل كبير على المجرة—أصبح حجر الزاوية في نماذج تكوين المجرات الحديثة:

  1. تغذية راجعة في وضع الكوازار: يمكن للتدفقات القوية في المراحل المضيئة أن تطرد كميات كبيرة من الغاز البارد، مما يوقف تكوين النجوم بشكل أكبر.
  2. تغذية راجعة في وضع الراديو: يمكن للنفاثات في حالات الاقتراب المنخفضة أن تسخن الغاز المحيط (على سبيل المثال، في نوى العناقيد)، مما يمنع تدفقات التبريد واسعة النطاق.

تساعد هذه التغذية الراجعة في تفسير الطبيعة الحمراء والهادئة للإهليلجيات الضخمة والعلاقات المرصودة (مثل ارتباط كتلة الثقب الأسود بالبروز) التي تربط نمو SMBH بتطور المجرة [10].

5. المجرات المضيفة وتوحيد AGN

5.1 التحفيز بالاندماج مقابل العلماني

تشير الأدلة الرصدية إلى أن قنوات مختلفة يمكن أن تحفز AGN:

  • الاندماجات الكبرى: تقوم الاندماجات الغنية بالغاز بتوجيه كميات كبيرة من الغاز إلى الثقب الأسود، مشعلة كوازارات ساطعة. يمكن أن يتزامن هذا مع انفجارات نجمية، تليها إخماد لتكوين النجوم.
  • العمليات العلمانية: يمكن للتدفقات المدفوعة بالقضبان أو التدفقات الثانوية أن تغذي الثقب الأسود بثبات، مما ينتج نوى سيفيرت متوسطة اللمعان.

غالبًا ما تظهر المجرات التي تستضيف أكثر الكوازارات لمعانًا تشوهات مدية أو أدلة شكلية على اندماجات حديثة. قد تظهر AGN منخفضة اللمعان في مجرات قرصية غير مضطربة مع قضبان أو بروزات كاذبة.

5.2 ارتباط البروز بالثقب الأسود

تكشف الملاحظات عن ارتباط قوي بين كتلة الثقب الأسود (MBH) وتشتت سرعة النجوم في البروز (σ) أو كتلة البروز—علاقة MBH–σ. هذا يشير إلى أن تغذية الثقب الأسود ونمو البروز مرتبطان، مما يدعم نماذج التغذية الراجعة حيث يمكن للثقب الأسود النشط تنظيم تكوين النجوم في بروز المضيف، أو العكس.

5.3 دورات عمل AGN

قد تمر كل مجرة بعدة حلقات AGN عبر الزمن الكوني. قد يقضي الثقب الأسود النموذجي جزءًا فقط من حياته في تراكم نشط بالقرب من حد إيدينغتون، مكونًا مراحل AGN أو الكوازارات المضيئة. بعد استنفاد الغاز أو طرده، يخفت AGN، تاركًا مجرة "عادية" أكثر هدوءًا مع ثقب أسود مركزي خامد.

6. مراقبة AGN عبر الزمن الكوني

6.1 الكوازارات عالية الانزياح نحو

الكوازارات مرئية عند انزياحات نحو عالية جدًا، بعضها يتجاوز z > 7، مما يعني أنها كانت تتألق بالفعل خلال المليار سنة الأولى. يظل فهم كيفية نمو SMBHs بهذه السرعة تحديًا: إما أن البذور كانت كبيرة (عبر الانهيار المباشر) أو وقعت حلقات مبكرة من تراكم فائق الإيدينغتون. مراقبة هذه الكوازارات البعيدة تستكشف ظروف عصر إعادة التأين وتجميع المجرات المبكر.

6.2 الحملات متعددة الأطوال الموجية

تجمع المسوحات مثل SDSS، 2MASS، GALEX، Chandra، والبعثات الجديدة مثل JWST والمرصدات الأرضية من الجيل التالي لفحص AGN من الراديو إلى الأشعة السينية، موضحة الاستمرارية الكاملة من سيفيرت منخفضة اللمعان إلى الكوازارات القوية. في الوقت نفسه، تكشف التحليل الطيفي الميداني المتكامل (مثل MUSE، MaNGA) عن حركيات المجرة المضيفة وتوزيعات تكوين النجوم حول نوى AGN.

6.3 العدسة الجاذبية

أحيانًا، يتم عدسة الكوازارات خلف العناقيد الضخمة بفعل الجاذبية، مما يؤدي إلى صور مكبرة تكشف عن بنية صغيرة النطاق في AGN أو توفر مسافات لمعان دقيقة للغاية. يمكن لمثل هذه الظواهر العدسية تحسين تقديرات كتلة الثقب الأسود واستكشاف المعلمات الكونية.

7. وجهات نظر نظرية ومحاكاة

7.1 فيزياء تراكم القرص

نماذج القرص ألفا الكلاسيكية لـ Shakura-Sunyaev، مدعومة بمحاكاة المغناطيسية الهيدروديناميكية (MHD) للتراكم، تصف كيفية نقل الزخم الزاوي وكيف يحدد لزوجة القرص معدلات التراكم. الحقول المغناطيسية والاضطراب حاسمان في توليد التدفقات الخارجة أو النفاثات (عبر آلية Blandford–Znajek للنُفاثات من الثقوب السوداء الدوارة).

7.2 نماذج تطور المجرات واسعة النطاق

المحاكاة الكونية (مثل IllustrisTNG، EAGLE، SIMBA) تدمج بشكل متزايد وصفات تغذية راجعة مفصلة لـ AGN لمطابقة ازدواجية ألوان المجرات المرصودة، وترابط كتلة الثقب الأسود-الانتفاخ، وكبح تكوين النجوم في الهالات الضخمة. تظهر هذه الأكواد أن حتى حلقات الكوازارات القصيرة يمكن أن تغير بشكل جذري مخزون الغاز للمضيف.

7.3 الحاجة إلى فيزياء تغذية راجعة محسنة

على الرغم من التقدم، لا تزال هناك شكوك رئيسية حول كيفية ارتباط الطاقة بدقة مع الوسط بين النجمي متعدد الأطوار. فهم التفاصيل الدقيقة لتفاعلات jet-ISM، وwind entrainment، أو هندسة الطوق الغباري أمر حاسم لربط فيزياء التراكم على مقياس البارسك مع تنظيم تكوين النجوم على مقياس الكيلوبارسك.

8. الخاتمة

النوى المجرية النشطة والكوازارات تجسد أكثر مراحل النوى المجرية طاقة، مدفوعة بـتراكم الثقوب السوداء فائقة الكتلة. من خلال الإشعاع ودفع التدفقات الخارجة، فهي تفعل أكثر من مجرد الإبهار: فهي تحول المجرات المضيفة، وتشكل تاريخ تكوين النجوم، ونمو الانتفاخ، وحتى البيئة واسعة النطاق عبر التغذية الراجعة. سواء تم تحفيزها بواسطة اندماجات كبرى أو تدفقات بطيئة علمانية، تبرز AGN الرابط الحميم بين تطور الثقب الأسود وتطور المجرة—مما يكشف كيف يمكن لشيء صغير مثل قرص التراكم أن يكون له عواقب مجرية أو حتى كونية.

مع تزايد الملاحظات متعددة الأطوال الموجية والمحاكاة المحسنة، سيتعمق فهمنا لتغذية AGN، ودورات حياة الكوازارات، وآليات التغذية الراجعة. في النهاية، فإن فك التداخل بين SMBHs والمجرات المضيفة لها هو المفتاح لرسم خريطة النسيج الكوني من أقدم الكوازارات إلى الثقوب السوداء الأكثر هدوءًا التي تقيم بهدوء في الانتفاخات الإهليلجية أو الحلزونية الحديثة.

المراجع والقراءات الإضافية

  1. Lynden-Bell, D. (1969). "النوى المجرية ككوازارات قديمة منهارة." Nature، 223، 690–694.
  2. Rees, M. J. (1984). "نماذج الثقوب السوداء للنوى المجرية النشطة." المراجعة السنوية للفلك والفيزياء الفلكية، 22، 471–506.
  3. Antonucci, R. (1993). "نماذج موحدة للنوى المجرية النشطة والكوازارات." المراجعة السنوية للفلك والفيزياء الفلكية، 31، 473–521.
  4. Urry, C. M., & Padovani, P. (1995). “الخطط الموحدة للنوى المجرية النشطة ذات الراديو العالي.” منشورات الجمعية الفلكية في المحيط الهادئ، 107، 803–845.
  5. Shakura, N. I., & Sunyaev, R. A. (1973). “الثقوب السوداء في الأنظمة الثنائية. المظهر الرصدي.” الفلك والفيزياء الفلكية، 24، 337–355.
  6. Soltan, A. (1982). “كتل بقايا الكوازارات.” الإشعارات الشهرية للجمعية الملكية الفلكية، 200، 115–122.
  7. Hopkins, P. F., et al. (2008). “نموذج موحد مدفوع بالاندماج لأصل انفجارات النجوم والكوازارات والكرات.” *سلسلة ملحقات مجلة الفيزياء الفلكية*، 175، 356–389.
  8. Richards, G. T., et al. (2006). “توزيعات الطاقة الطيفية والاختيار متعدد الأطوال الموجية للكوازارات من النوع 1.” سلسلة ملحقات مجلة الفيزياء الفلكية، 166، 470–497.
  9. Fabian, A. C. (2012). “الأدلة الرصدية على تغذية النوى المجرية النشطة.” المراجعة السنوية للفلك والفيزياء الفلكية، 50، 455–489.
  10. Kormendy, J., & Ho, L. C. (2013). “التطور المشترك (أو لا) للثقوب السوداء فائقة الكتلة والمجرات المضيفة.” المراجعة السنوية للفلك والفيزياء الفلكية، 51، 511–653.

 

← المقال السابق                    المقال التالي →

 

 

العودة إلى الأعلى

العودة إلى المدونة