تعد الثقوب السوداء من أكثر الظواهر غموضًا وتعقيدًا في الكون. هل تساءلت يومًا ما إذا كانت هذه الثقوب السوداء دقيقة أم مجرد نظرية؟ هل يمكن لشيء أن يكون أسود إلى حد ابتلاع حتى الضوء؟ دعونا نستكشف مع أبو العلوم الأسرار المذهلة للثقوب السوداء ونرسم صورة أوضح لهذه الظاهرة الغامضة في الفضاء.
ماهي الثقوب السوداء؟
ووفقا لتعريف بسيط، فإن الثقوب السوداء هي نقاط في الفضاء ذات جاذبية وكثافة عالية للغاية، ولا يمكن حتى للضوء الهروب منها. هذا الجذب قوي جدًا لدرجة أنه يضغط كل المادة في مساحة صغيرة. تتشكل هذه النقاط السوداء الغامضة من بقايا النجوم الضخمة التي خضعت لانهيار الجاذبية.
اقترح ألبرت أينشتاين لأول مرة إمكانية وجود ثقوب سوداء في عام 1916 من خلال نظريته في النسبية العامة. تمت صياغة مصطلح "الثقب الأسود" بعد عدة سنوات في عام 1967 من قبل عالم الفلك الأمريكي جون ويلر.
وفقًا للنظرية النسبية العامة، يمكن للكتلة المضغوطة بدرجة كافية أن تؤدي إلى انحناء الزمكان (الفضاء رباعي الأبعاد الذي يضم ثلاثة أبعاد للمكان وأبعادًا واحدة للزمن) وإنشاء ثقب أسود.
نقطة اللاعودة للثقب الأسود هي أفق الحدث. لا تعكس الثقوب السوداء أي ضوء، ولكن يمكن الاستدلال على وجودها من خلال تأثيرها على المواد والأشياء المحيطة بها.
كيف تتكون الثقوب السوداء؟
تتشكل الثقوب السوداء من خلال عملية تعرف باسم انهيار الجاذبية. ويحدث هذا عندما يستنفد نجم ضخم وقوده النووي ويفتقر إلى الطاقة اللازمة لموازنة جاذبيته.
يولد النجم الطاقة طوال حياته من خلال الاندماج النووي، حيث تندمج ذرات الهيدروجين لتكوين الهيليوم، مما يؤدي إلى إطلاق كميات هائلة من الطاقة. تخلق هذه الطاقة ضغطًا خارجيًا يقاوم قوة الجاذبية الداخلية للنجم، مما يؤدي إلى سحب المواد إلى الداخل.
مع اقتراب معظم النجوم من نهاية حياتها، تنتفخ وتفقد كتلتها، لتصبح في النهاية أقزامًا بيضاء متجمدة. ومع ذلك، فإن النجوم الضخمة التي تبلغ كتلتها عشرة إلى عشرين ضعف كتلة الشمس تتحول إلى نجوم نيوترونية أو ثقوب سوداء.
في النهاية، عندما يحترق نجم ضخم بكل وقوده النووي، يصبح قلبه غير مستقر ويتعرض لانهيار الجاذبية، مما يؤدي إلى تدمير طبقاته الخارجية. تنفجر هذه النجوم في انفجار ضخم يعرف باسم المستعر الأعظم، تاركًا وراءه ثقوبًا سوداء أو نجومًا نيوترونية.
يصنف علماء الفلك الثقوب السوداء إلى ثلاثة أنواع: الثقوب السوداء النجمية، والثقوب السوداء الضخمة، والثقوب السوداء متوسطة الكتلة.
الثقوب السوداء النجمية
الثقوب السوداء النجمية هي نوع محدد من الفراغ الكوني الذي يتشكل نتيجة انهيار جاذبية النجوم الضخمة. عندما يصل نجم ضخم إلى نهاية دورة حياته، فإنه يتعرض لانفجار مستعر أعظم، مما يؤدي إلى طرد طبقاته الخارجية إلى الفضاء. وما تبقى هو قلب النجم، الذي ينهار تحت جاذبيته، مكونًا ثقبًا أسود نجميًا.
يبدأ تشكل الثقب الأسود النجمي عندما لا يتمكن قلب النجم، الذي تبلغ كتلته عدة أضعاف كتلة شمسنا، من الحفاظ على الاندماج النووي. يتوقف الضغط الخارجي الناتج عن تفاعلات الاندماج، وتتولى الجاذبية المسؤولية، مما يؤدي إلى انهيار النواة. إن الانهيار شديد للغاية لدرجة أنه يخلق نقطة فريدة – نقطة كثيفة بشكل لا نهائي – في مركز الثقب الأسود.
يحيط بالمتفرد أفق الحدث، الذي يمثل الحدود التي لا يمكن لأي شيء بعدها الهروب من جاذبية الثقب الأسود. أفق الحدث هو منطقة كروية نصف قطرها يتناسب مع كتلة الثقب الأسود. يتم محاصرة أي مادة أو إشعاع يعبر أفق الحدث، مما يؤدي إلى "السواد" المميز للثقب الأسود.
يمكن أن تمتلك الثقوب السوداء النجمية نطاقًا واسعًا من الكتل، تتراوح عادةً من بضعة أضعاف كتلة شمسنا إلى حوالي 20 إلى 30 ضعف كتلتها. وتستمر هذه الثقوب السوداء وتمارس تأثير جاذبيتها على الفضاء المحيط بها، ومع ذلك فهي لا تستهلك المواد بشكل نشط أو تنمو بشكل ملحوظ ما لم تتفاعل مع الأجسام القريبة.
تحظى الثقوب السوداء النجمية باهتمام كبير لدى علماء الفلك، حيث يمكن الاستدلال على وجودها من خلال تأثيراتها على محيطها، مثل تأثير الجاذبية على النجوم القريبة أو انبعاث الأشعة السينية من المادة الساقطة. ومن خلال دراسة هذه التأثيرات، يمكن للعلماء معرفة المزيد عن خصائص وسلوكيات هذه الكيانات الرائعة في عالمنا.
الثقوب السوداء الضخمة
تشكل الثقوب السوداء الضخمة فئة من الفراغات المظلمة ذات كتل أكبر بكثير من الثقوب السوداء النجمية. وهي تتواجد في مراكز المجرات، بما في ذلك مجرتنا درب التبانة. تتراوح مجموعات هذه الثقوب السوداء من مئات الآلاف إلى مليارات المرات من كتلة شمسنا.
تظل آلية التكوين الدقيقة للثقوب السوداء فائقة الكتلة موضوعًا للبحث المستمر، مع اقتراح العديد من النظريات. أحد الاحتمالات هو أنها تتشكل من خلال التراكم التدريجي للكتلة مع مرور الوقت. يمكن أن يحدث هذا من خلال اندماج الثقوب السوداء الأصغر حجمًا أو تراكم سحب الغاز الكثيفة، مما يؤدي إلى تراكم كتلة الثقب الأسود تدريجيًا.
وتشير فرضية أخرى إلى أن الثقوب السوداء الضخمة تشكلت مباشرة من انهيار سحب الغاز الهائلة في الكون المبكر.
للثقوب السوداء الهائلة تأثير عميق على المجرات المضيفة لها. تؤثر جاذبيتها الهائلة على حركة النجوم والأجرام السماوية الأخرى. ويمكنهم أيضًا أن يلعبوا دورًا حاسمًا في تكوين المجرات وتطورها. يمكن للطاقة المنبعثة أثناء نمو الثقب الأسود الهائل أن تؤثر على الغاز والغبار المحيط به، وتنظم تكوين النجوم، وتشكل البنية العامة للمجرة.
إحدى السمات المميزة للثقوب السوداء فائقة الكتلة هي وجود قرص تراكمي. عندما تسقط المواد المحيطة، مثل الغاز أو النجوم، باتجاه الثقب الأسود، فإنها تشكل قرصًا دوارًا حوله.
تعمل قوى الاحتكاك والجاذبية داخل القرص على تسخينه وإصدار إشعاعات مكثفة، بما في ذلك الأشعة السينية. يوفر اكتشاف ودراسة هذا الإشعاع رؤى قيمة حول وجود وخصائص الثقوب السوداء فائقة الكتلة.
كشفت الملاحظات أيضًا أن بعض المجرات تحتوي على نوى شديدة السطوع تُعرف باسم النوى المجرية النشطة (AGN). يتم تشغيل هذه النوى المجرية النشطة عن طريق تراكم الكتلة في الثقوب السوداء الهائلة. تطلق المواد المتساقطة كميات هائلة من الطاقة بأشكال مختلفة، مما يؤدي إلى انفجارات قوية للجسيمات والإشعاعات التي تمتد إلى ما هو أبعد من الثقب الأسود.
الثقوب السوداء متوسطة الكتلة
الثقوب السوداء متوسطة الكتلة (IMBHs) هي فئة من الفراغات الكونية تتراوح كتلتها بين كتل الثقوب السوداء النجمية والثقوب السوداء الهائلة. عادة، تقع مجموعاتها ضمن بضع مئات إلى بضعة آلاف من أضعاف شمسنا.
لا تزال آلية تشكل الثقوب السوداء متوسطة الكتلة غير مفهومة بشكل كامل، مما يجعلها مجالًا بحثيًا مثيرًا للاهتمام. يشير أحد السيناريوهات المقترحة إلى أن الثقوب السوداء الضخمة يمكن أن تنشأ من الانهيار المباشر للنجوم الضخمة أو الاصطدامات العنيفة للثقوب السوداء النجمية في مجموعات النجوم الكثيفة.
والاحتمال الآخر هو أنها تنتج عن تراكم ودمج المزيد من البقع السوداء الصغيرة بمرور الوقت.
نظرًا لكتلتها المتوسطة، يُعتقد أن الكتل IMBH تلعب دورًا مهمًا في تطور المجرات. يمكن أن تؤثر على ديناميكيات العناقيد النجمية المحيطة وتساهم في نمو الثقوب السوداء الهائلة في مراكز المجرات.
توفر الثقوب السوداء IMBH أيضًا حلقة مفقودة محتملة في فهمنا لنمو الثقب الأسود الهرمي، مما يسد الفجوة بين مجموعات الثقوب السوداء النجمية والفائقة الكتلة.
يشكل اكتشاف ودراسة الثقوب السوداء متوسطة الكتلة تحديًا، لأنه من المتوقع أن تكون أقل شيوعًا وأكثر تعقيدًا في مراقبتها من الثقوب السوداء النجمية أو فائقة الكتلة. كتلتها المنخفضة تجعلها أقل إضاءة، وقد تكون تأثيراتها المميزة على محيطها أكثر دقة.
ومع ذلك، يسعى العلماء بنشاط إلى الحصول على أدلة رصدية للأجسام IMBHs باستخدام تقنيات مختلفة، بما في ذلك دراسة ديناميكيات العناقيد النجمية، وتحليل خصائص النوى المجرية النشطة، والتحقيق في إشارات موجات الجاذبية.
إن وجود الثقوب السوداء متوسطة الكتلة وخصائصها له آثار مهمة على فهمنا لتكوين الثقب الأسود وتطور المجرات. هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث والملاحظات لتأكيد وجودها وتوضيح دورها في المشهد الكوني.
ماذا يوجد داخل الثقب الأسود؟
الثقوب السوداء هي أجسام غامضة ورائعة تنبأت بها النظرية النسبية العامة، التي تصف كيفية عمل الجاذبية في الكون. داخل الثقب الأسود، تنهار قوانين الفيزياء المعروفة، مما يجعل من الصعب على العلماء فهم ما يكمن داخل الثقب الأسود بشكل كامل. ومع ذلك، استنادًا إلى النظريات والمعرفة الحالية، إليك ما نعتقد أنه قد يحدث داخل الثقب الأسود:
- التفرد: في قلب الثقب الأسود يوجد تفرد. هذه نقطة ذات كثافة لا نهائية حيث تتركز كل كتلة الثقب الأسود. وكما نفهمها، تتوقف قوانين الفيزياء عن التطبيق هنا، وتنهار نظرياتنا الحالية.
- أفق الحدث: يحيط بالمتفرد أفق الحدث. هذه هي الحدود التي لا يمكن لأي شيء بعدها، ولا حتى الضوء، الهروب من جاذبية الثقب الأسود. بمجرد أن يعبر جسم ما أفق الحدث، فإنه ينقطع بشكل فعال عن بقية الكون.
- السباغيتي: عندما يقترب جسم ما من الثقب الأسود، فإنه يتعرض لقوى مد شديدة بسبب مجال الجاذبية الهائل. غالبًا ما يشار إلى هذه العملية باسم "المعكرونة". بعبارات بسيطة، يتمدد الجسم ويتشوه إلى شكل طويل ورفيع بسبب الاختلاف في قوة الجاذبية المؤثرة على أجزاء مختلفة من الجسم.
- مفارقة المعلومات: أحد أكبر الألغاز المحيطة بالثقوب السوداء هو مصير المعلومات. وفقاً لميكانيكا الكم، المعلومات لا تُفقد حقاً. ومع ذلك، إذا سقط جسم ما في ثقب أسود، فإنه يبدو وكأنه يختفي، مما يؤدي إلى ما يسمى "مفارقة معلومات الثقب الأسود". ولا يزال الباحثون يحاولون التوفيق بين ميكانيكا الكم والنسبية العامة لحل هذا اللغز.
من المهم أن نلاحظ أن فهمنا للثقوب السوداء لا يزال يتطور، وأن الأبحاث مستمرة لاستكشاف هذه الأجسام الغامضة بشكل أكبر. توفر بعض النظريات، مثل المبدأ الهولوغرافي والديناميكا الحرارية للثقب الأسود، رؤى مثيرة للاهتمام حول طبيعة الثقوب السوداء وارتباطاتها المحتملة ببقية الفيزياء.
باختصار، تظل الثقوب السوداء واحدة من أكثر الظواهر إثارة للاهتمام في الكون وأقلها فهمًا. لا تزال الطبيعة الدقيقة لما يكمن داخل الثقب الأسود موضوعًا للبحث العلمي النشط والاستكشاف النظري.
مكونات أخرى للثقوب السوداء
- قرص التراكم: معظم الثقوب السوداء محاطة بأقراص شديدة الحرارة من المواد، خاصة الغاز والغبار القادم من الأجرام السماوية الأخرى مثل النجوم والكواكب. تسقط هذه المادة في الثقب الأسود لتشكل قرصًا متناميًا.
- ظل الثقب الأسود: ظل الثقب الأسود عبارة عن منطقة مظلمة ثنائية الأبعاد في الكرة السماوية تشكلت نتيجة لسحب الجاذبية القوية للثقب الأسود. ولا يمكن لسلسلة من مسارات الفوتون داخل هذه المنطقة الهروب من الثقب الأسود والبقاء محصورين داخله.
- مجال الفوتون: في مجال الفوتون، تكون الجاذبية قوية جدًا بحيث يمكن للضوء أن ينتقل في مسارات دائرية. تدور الفوتونات حول الثقب الأسود على مسافة كرة الفوتون. ولو كان هناك مراقب في هذه المنطقة، لرأى محيطه يتكرر.
- النفاثة النسبية: في بعض الأحيان، تعود المادة من أفق الحدث بعد دخولها إلى الثقب الأسود. في هذه الحالة، يتم إنشاء نفاثات لامعة من المادة تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء. ويمكن ملاحظة هذه النفاثات القوية من مسافات بعيدة على الرغم من أن الثقوب السوداء تبدو غير مرئية.
إشعاع هوكينج وتبخر الثقب الأسود
ينبعث إشعاع هوكينج من الظواهر الكمومية بالقرب من أفق الحدث للثقب الأسود. وتتناسب درجة حرارة الثقوب السوداء مع كتلتها، كما تشير هذه الإشعاعات.
على الرغم من أن إشعاع هوكينج لم يتم رصده بعد، إلا أن نظريات النسبية العامة وميكانيكا الكم توفر دعمًا علميًا كبيرًا. سُميت هذه الظاهرة على اسم عالم الفيزياء ستيفن هوكينج، الذي كتب بحثًا بعنوان "انفجارات الثقب الأسود" عام 1974. ووفقًا لفرضية هوكينج حول الإشعاع، يمكن للثقوب السوداء أن تبعث طاقة، مما يؤدي إلى انخفاض حجمها.
عندما تسقط المادة في الثقب الأسود، فإنها لا تستطيع الهروب. هذه الظاهرة يمكن أن تقلل من الفوضى أو الإنتروبيا. وبما أن إزالة المادة تقلل من الفوضى، فقد اعتبرت الثقوب السوداء مخالفة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية.
إن الآلية الفعلية لإشعاع هوكينج وانبعاث الجسيمات بالقرب من أفق الحدث للثقب الأسود معقدة للغاية. يتطلب فهمًا شاملاً للرياضيات ونظرية الكم.
ومع ذلك، تم تأكيد فرضية هوكينج الشهيرة حول إنتروبيا الثقب الأسود مؤخرًا، وتم حل العديد من حالات سوء الفهم المتعلقة بها. استنادًا إلى نظرية النسبية العامة لأينشتاين، قدم ستيفن هوكينج مفهوم مساحة الثقب الأسود في عام 1971.
ووفقًا لهذه الفرضية، لا يمكن أن تتقلص مساحة سطح الثقب الأسود بمرور الوقت. أثبتت ملاحظات اندماج الثقوب السوداء وموجات الجاذبية الناتجة عن هذا الاندماج صحة هذه الفرضية. ووفقا لهذا التخمين، فإن مساحة الثقب الأسود المتكون من اندماج ثقبين أسودين تتزايد.
هل تتناقض نظرية مساحة هوكينج مع فرضيتة؟
يعتقد الكثيرون أن نظرية مساحة هوكينج تتناقض مع فرضيته الأخرى حول تبخر الثقب الأسود. من ناحية أخرى، ووفقا للنظرية النسبية العامة، لا يمكن للثقوب السوداء أن تتقلص، لكنها قد تتقلص وفقا لفيزياء الكم.
وفقًا لفرضية هوكينج الإشعاعية، ينبعث ضباب من الجسيمات الصغيرة بسبب التأثيرات الكمومية بالقرب من حواف الثقب الأسود. يؤدي هذا في النهاية إلى انكماش عمر الثقب الأسود وتبخره لفترة أطول.
وبما أن هذا التبخر يحدث على مدى فترات طويلة، فيمكن القول أنه لا يخالف نظرية المساحة على المدى القصير. على أية حال، لا يزال هناك الكثير من التكهنات حول الثقوب السوداء. ومع ذلك، نظرًا لأنه من المفترض أن توجد الثقوب السوداء إلى أجل غير مسمى، فلن يتأثر مفهوم فقدان المعلومات، حيث تظل المعلومات الموجودة داخل الثقب الأسود غير قابلة للوصول من العالم الخارجي.
ومن ناحية أخرى، تتبدد الثقوب السوداء تدريجيًا من خلال توليد إشعاع هوكينج. ويبدو أن هذا الإشعاع لا يقدم أي معلومات عن المواد التي تدخل الثقب الأسود، مما يؤدي إلى فقدان المعرفة إلى الأبد.
ما هي الثقوب السوداء الثنائية؟
الثقوب السوداء الثنائية (BBH) عبارة عن أنظمة مكونة من ثقبين أسودين في مدارات قريبة. تُصنف الثقوب السوداء الثنائية إلى نوعين: الثقوب السوداء الثنائية النجمية، وبقايا النجوم الثنائية، والثقوب السوداء الثنائية المجرية، الناتجة عن اندماج المجرات.
وبما أن الثقوب السوداء لا تولد موجات، فإن عرضها يمثل تحديًا ومقيدًا. ومع ذلك، عندما يصطدم ثقبان أسودان، يتم إطلاق كميات هائلة من الطاقة على شكل موجات جاذبية. ويمكن تقريب هذه الموجات باستخدام نظرية النسبية العامة لأينشتاين. تنتشر موجات الجاذبية بسرعة الضوء، وهي منحنية بواسطة الأجسام الضخمة في الزمكان.
وفي عام 1905، طرح هنري بوانكاريه فكرة هذه الموجات، والتي تنبأ بها ألبرت أينشتاين عام 1916 باستخدام النظرية النسبية العامة. نما الاهتمام بالثقوب السوداء الثنائية خلال أواخر القرن العشرين وأوائل القرن الحادي والعشرين بسبب انتقال موجات الجاذبية.
تعد اندماجات الثقوب السوداء الثنائية من بين أقوى مصادر موجات الجاذبية في الكون، مما يوفر فرصة ممتازة لاكتشاف هذه الموجات مباشرة. إذا اقترب ثقبان أسودان من بعضهما البعض، فإنهما يندمجان. وبعد الاندماج، يتم إنشاء ثقب أسود واحد.
في سبتمبر 2015، تم التأكد بشكل كامل من وجود ثقوب سوداء ثنائية نجمية (وموجات الجاذبية). وفي هذا التاريخ، اكتشف مرصد LIGO GW150914، وهي موجة جاذبية ناتجة عن اندماج ثقبين أسودين نجميين ثنائيين يحتويان على 30 كتلة شمسية ويقعان على بعد 1.3 مليار سنة ضوئية من الأرض.
الثقب الأسود في قلب مجرة درب التبانة
القوس A* هو مصدر راديوي صغير ورائع يقع في مركز مجرة درب التبانة. يمكن العثور على هذا الكيان بالقرب من كوكبتي القوس والعقرب. يستضيف القوس A* ثقبًا أسود هائلًا، يشبه الأجسام الضخمة الموجودة في مراكز العديد من المجرات الحلزونية والإهليلجية.
يتم استخدام ملاحظات العديد من النجوم القريبة من القوس A، وخاصة النجم S2، لحساب الكتلة والحد الأعلى لنصف نصف قطر هذه الكتلة. قرر علماء الفلك أن القوس A هو الثقب الأسود الهائل الموجود في مركز مجرة درب التبانة بناءً على الحدود الشعاعية الدقيقة وقياسات الكتلة.
حصل رينهارد جينزل وأندريا غيز على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2020 لمطابقة خصائص القوس A مع الثقوب السوداء الهائلة. في 31 أكتوبر 2018، تم الإعلان عن اكتشاف برج القوس أ. وجد علماء الفلك كتلا غازية في كوكبة القوس تتحرك بسرعة 30% من سرعة الضوء.
قُدرت سرعة النجم S2 في مدار القوس A بـ 7650 كيلومترًا في الثانية (2.55% من سرعة الضوء) في يوليو 2018. وبافتراض أن النسبية العامة هي تفسير معقول للجاذبية في أفق الحدث، فإن الانبعاثات الراديوية من القوس A تأتي من نقطة مضيئة حول الثقب الأسود وبالقرب من أفق الحدث أو ربما من القرص التراكمي.
يدور القوس A* حول عدة نجوم تُعرف باسم نجوم المجموعة S. بسبب الغبار الموجود بين النجوم والذي يحد بشدة من الأطوال الموجية المرئية، لا يمكن رؤية هذه النجوم إلا في نطاق الأشعة تحت الحمراء للنطاق K.
النجمان S62 وS4714 لهما مدارات قريبة من برج القوس A*. ومع ذلك، تشير فكرة منقحة إلى أنه بحلول عام 2021، ستوفر الملاحظات رؤى جديدة حول حركة هذه النجوم وتفاعلاتها مع الثقب الأسود.
هل يوجد ثقب أسود في مركز مجرة درب التبانة؟
قد لا يكون الثقب الأسود في قلب مركز مجرة درب التبانة. وبدلا من ذلك، يمكن أن يتكون قلب المجرة من مادة مظلمة كثيفة. يتم استنتاج ملامح القوس A*، وهو الثقب الأسود الضخم الموجود في مركز مجرة درب التبانة، من تأثيرات جاذبيته على الأجسام الأخرى، مثل المدارات الغريبة للنجوم القريبة من مركز المجرة. ولكن ماذا لو كان هذا التشخيص غير صحيح؟
وفقًا لدراسة حديثة، إذا كان مركز المجرة يتكون من مادة مظلمة، فهناك سبب أقوى لوصف مدارات مركز المجرة والسرعات المدارية الأولية في المناطق الخارجية للمجرة.
تم إجراء العديد من التحقيقات حول مدار النجم S2 على مدى العقدين الماضيين. يكمل هذا النجم دورته حول قلب المجرة كل ستة عشر عامًا. ويعتقد أن مساره الطويل والإهليلجي هو المختبر المثالي لدراسات النسبية العامة.
في السابق، أظهر فريقان أن النسبية لا تنطبق فقط على الزمكان في مركز المجرة، ولكن أيضًا على ثقب أسود هائل كتلته أربعة ملايين ضعف كتلة الشمس. ثم جاءت G2، القضية الجماعية.
أظهر المركب G2، الذي يدور في مدار بيضاوي الشكل، سلوكًا غير عادي في عام 2014 عندما كان أقرب إلى مركز المجرة. وتحولت هذه الكتلة من كونها مدمجة وطبيعية إلى استطالة وامتداد، ثم عادت إلى حالتها الطبيعية.
كان سلوك G2 غريبًا بشكل ملحوظ، ولا تزال طبيعته مجهولة؛ إلا أن حركته المدارية عند النقطة الأقرب للثقب الأسود أظهرت نوعا من التوسع يتناقض مع نموذج الثقب الأسود، وفقا لفريق علماء الفيزياء الفلكية بقيادة إدوارد أنطونيو بيسرا فيرجارا من المركز الدولي للفيزياء الفلكية النسبية.
أظهر الباحثون العام الماضي أن S2 وG2 يتوافقان مع نموذج جديد: فرميونات المادة المظلمة، والتي تُعرف أحيانًا باسم darkninos. وبما أن هذه المادة خفيفة بما يكفي لتجنب الانهيار في ثقب أسود، فإنها تظل كفقاعة كثيفة وضخمة في قلب مجرة درب التبانة، يغلفها ضباب منتشر باتجاه حوافها.
الأجسام الوحيدة التي تدور حول مركز المجرة هي S2 وG2. قام الباحثون بتوسيع نموذجهم ليشمل سبعة عشر نجمًا آخر من المجموعة S المحيطة بمركز المجرة واكتشفوا بعض النتائج المثيرة للاهتمام. وأكد هؤلاء النجوم النتائج التي توصلوا إليها. وفقًا لعمليات المحاكاة، قد يحتوي قلب المجرة على فقاعة كثيفة من المادة المظلمة التي تصبح أقل كثافة مع تحركها نحو الخارج.
استنادا إلى الاكتشافات السابقة، فإن المادة المظلمة هي بلا شك واحدة من الألغاز الرئيسية في الكون. وتعزى طبيعتها المجهولة منطقيا إلى تأثيرات الجاذبية التي لا تستطيع المادة العادية تفسيرها. النجوم والغبار والمجرات هي أمثلة على المادة العادية.
إذا كانت المادة العادية تهيمن على المجرات، فإنها ستدور بشكل أسرع بكثير. تعد عدسة الجاذبية، أو انحناء الزمكان حول الأجسام الضخمة، أكبر بكثير مما كان يُعتقد سابقًا. تسبب هذه الظاهرة قوة جذب مزدوجة لا يستطيع البشر الشعور بها على الفور.
نحن نعلم فقط أن المادة المظلمة تمارس تأثيرات الجاذبية على الأجسام الأخرى. إن نوى المجرة النشطة، مثل الثقب الأسود الهائل في المجرة M87*، والذي تبلغ كتلته حوالي 6.5 مليار مرة كتلة الشمس، أكثر اتساقًا مع نموذج الثقب الأسود.
ووفقا للباحثين، فإن المادة المظلمة التي تتجاوز الكتلة الحرجة يمكن أن تصبح ثقبا أسود هائلا. وتساعد هذه الظاهرة في وصف تشكل الثقوب السوداء فائقة الكتلة، حيث لا توجد فكرة عن حجمها أو عددها الذي تشكل في المراحل المبكرة للكون.
تشكل المادة المظلمة حوالي 80% من المادة الموجودة في الكون. إن عدد الثقوب السوداء فائقة الكتلة والأنواع الأخرى غير كافٍ للوقوع ضمن هذه الفئة؛ إلا أن الباحثين لم يكشفوا بعد عن أصل هذه المواد. يقدم نهجهم مرشحًا للمادة المظلمة، والتي تساعد أيضًا في وصف طبيعة الثقوب السوداء فائقة الكتلة. مزيد من التحليل يمكن أن يقربنا من الحقيقة.
حقيقة الثقوب السوداء والسفر عبر الزمن
لقد كان السفر عبر الزمن دائمًا موضوعًا مثيرًا للاهتمام للعلماء وعامة الناس. على الرغم من انجذاب الكثيرين إلى مفاهيم مثل تغيير الماضي أو استشراف المستقبل، لم يتمكن أحد من تحقيق هذا الهدف. وهذا الطموح لم يتحقق إلا في كتب وأفلام الخيال العلمي. يقول ستيفن هوكينج في كتابه "الثقوب السوداء والأكوان الصغيرة" (1994):
إن أفضل دليل لدينا على أن السفر عبر الزمن غير ممكن ولن يكون كذلك هو أننا لم نتعرض لغزو جحافل من السياح من المستقبل.
هناك تكهنات أخرى تتعلق بالسفر عبر الزمن خارج نطاق هذه المقالة، مثل الثقوب الدودية، والسفر بسرعة الضوء، وانحناء الزمكان. ترتبط العديد من الأفكار بالسفر عبر الزمن إلى الثقوب السوداء، والتي سنستكشفها أدناه.
وفقًا للبروفيسور هوكينج، فإن الثقب الأسود المماثل في الحجم للثقب الموجود في مركز المجرة يؤثر بشكل كبير على الوقت ويمكن أن يسبب تمددًا كبيرًا للوقت.
نظرًا لحجمها الهائل، يمكن للثقوب السوداء أن تكون بمثابة آلات الزمن الطبيعية. ومن ناحية أخرى، فإن المنطقة المحيطة بالثقب الأسود شديدة الحرارة، مما يجعل الوصول إليها غير ممكن بالتكنولوجيا الحالية.
ولكن حتى لو تمكن المرء من الاقتراب من الثقب الأسود، ماذا سيحدث إذا سقطت فيه؟
ساهمت جان ليفين، أستاذة الفيزياء وعلم الفلك، بشكل كبير في فهمنا للثقوب السوداء من خلال أبحاثها. تأخذ الجمهور في رحلة فضائية خيالية إلى قلب الثقب الأسود في كتابها "كيف تنجو من الثقب الأسود". يتضمن السقوط في الثقب الأسود عبور أفق الحدث، والذي يشار إليه غالبًا بنقطة اللاعودة.
رواية ليفين تقرب الجمهور من أفق الحدث. يتم تعريف الثقب الأسود على أنه قرص مظلم منفرد. يمكنك النظر إلى ما وراء أفق الحدث. وبعبارة أخرى، أنت لست وحدك. لا يوفر أفق الحدث حاجزًا لدخول الضوء من خلاله، لكن الثقب الأسود المظلم من الخارج يمكن أن يكون خطيرًا للغاية.
يمكنك رؤية العالم خارج أفق الحدث من خلال نافذة ذات اتجاه واحد. يمكنك ملاحظة تقدم العالم بينما لا يمكنك إيقاف هبوطك. من خلال المرور عبر أفق الحدث، يرسم الضوء القادم من المجرة عرضًا سريعًا لعقود أو ملايين أو حتى مليارات السنين على الأرض.
الضوء الذي يلفت انتباهك يكشف كل شيء بدءًا من انهيار الحضارات وحتى كاميرات المصورين وحتى انفجار أيونات النجوم. عندما تهبط، يضيق عنق الثقب الأسود، مما يؤدي إلى تركيز كل الضوء في نقطة مضيئة. سترى الضوء في نهاية النفق، تمامًا مثل تجربة الاقتراب من الموت.
وفقًا للمنظورات العلمية والرياضية ونظرية النسبية العامة، فإن الانحناء اللانهائي للزمكان يؤدي إلى التفرد حيث تنتهي جميع المسارات. يمكن تعريف التفرد على أنه انقطاع في الزمكان. ستصل بلا شك إلى التفرد. سوف تنهار عند دخول التفرد. يتسارع الجزء الأقرب من جسمك بشكل أسرع من الجزء البعيد، مما يؤدي إلى نتيجة مروعة. يتقارب التشريح وينهار في لحظة. سوف يتم تمزيقك وتمزيقك في أقل من جزء من الثانية، أقصر من غمضة عين.
بعد ذلك، يتم تقسيم المادة العضوية لجسمك إلى أجزاء أصغر حتى يتم توجيه جزيئات وجودك في النهاية نحو أجزاء من المكان والزمان. نهاية الطريق هي التفرد، ونقطة النهاية في المكان هي الزمن أو آخر نقطة في الوجود.
ما وراء التفرد، ليس هناك مستقبل. الموت في التفرد يعني نهاية وجودك: زوال الجزيئات الأساسية في جسدك واستئصال واقعك وحقيقتك. أنت غير واقعي. في الواقع، مثل العديد من الاحتمالات الأخرى، لا ينبغي قبول التفرد باعتباره نتيجة مفروغ منها. وعلى الرغم من النهاية الوشيكة للتفرد، إلا أنه يجب التعامل معه بحذر. في النموذج، قد تصبح التفرد عبئًا.
بمعنى آخر، استنادًا إلى التعريفات الرياضية، ينهار التعريف الفيزيائي للنسبية عند التفرد. النسبية العامة لا تستطيع أن تحكي القصة الكاملة للكون. وربما، داخل أعماق الثقب الأسود، يمكن الوصول إلى بقايا المادة الكمومية التي سقطت بسبب الطاقات التدميرية بدلاً من التفرد. ومع ذلك، لا تزال هذه الفرضية تفتقر إلى دعم كبير.
هناك فرضية أكثر انتشارًا مبنية على التكهنات وهي أن كل شيء داخل الثقب الأسود ينهار إلى ثقب أبيض، تمامًا مثل الانفجار الكبير الجديد في جزء آخر من الكون. علاوة على ذلك، يمكن أن يكون الجزء الداخلي من الثقب الأسود أكبر من الجزء الخارجي؛ قد يوجد عالم آخر في الداخل.
ووفقا للأدلة الموجودة، فإن الثقب الأسود هو نقطة مظلمة في الزمكان، ولا يزال العلماء بحاجة إلى الإجابة على السؤال: أين سننتهي إذا وقعنا في ثقب أسود؟ ويزيد الغموض المحيط بالثقب الأسود وأفق الحدث من غموض هذه المأساة.
سوف تموت قبل أن يحدث الانفجار الكبير على أية حال. إن تغيير وجهة نظرك حول التفرد لن يبقيك على قيد الحياة. سوف يتحلل جسمك، ومع ذلك قد تصبح جزءًا من نظام بيئي أكبر.
إذا لم يتم استنفاد جزيئات جسمك بالكامل في حالة التفرد، فقد تصبح بقايا كمية في مركز الثقب الأسود. وقد تحمل هذه البقايا الأمل في المستقبل أو حتى تصبح عناصر لعالم جديد، وقد يؤدي بعضها في النهاية إلى الحياة والحياة الميكروبية. ونتيجة لذلك، على الرغم من أن الثقوب السوداء تعمل كآلات زمنية طبيعية، إلا أن فكرة السفر عبر الزمن عبر الثقب الأسود غير عملية.
الصورة الأولى للثقب الأسود
شهد علم الفلك عامًا بالغ الأهمية في عام 2019، حيث التقط تلسكوب أفق الحدث (EHT) أول صورة مباشرة لثقب أسود خلال هذا العام. ويقع هذا الثقب الأسود في قلب مجرة M87، على بعد 55 مليون سنة ضوئية من الأرض.
تُظهر هذه الصورة حلقة مضيئة تحيط بظلام مركزي، وهو ظل ثقب أسود. لكن كيف تمكن العلماء من تصوير ثقب أسود من هذه المسافة؟ إن أعجوبة التلسكوب تحمل المفتاح لفهم هذه الصورة. في الواقع، يشكل تلسكوب أفق الحدث شبكة عالمية من التلسكوبات.
تمت مواجهة تحديات مختلفة في التصوير الفوتوغرافي للثقوب السوداء. أولًا، الثقوب السوداء هي كيانات مظلمة لا ينبعث منها ضوء مرئي، مما يجعل من المستحيل مراقبتها بشكل مباشر. ومع ذلك، فهذه ليست المشكلة الأساسية الوحيدة المتعلقة بالثقوب السوداء.
من الصعب رؤية الأشياء ذات الأحجام الزاويّة الصغيرة. إذًا، كيف يمكن رؤية الثقب الأسود في سماء الليل؟ يتم تحديد الدقة الزاوية للتلسكوب بعاملين: حجم الفتحة والطول الموجي للضوء.
توفر الأطوال الموجية الأقصر (مثل الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة السينية) دقة رائعة؛ ومع ذلك، تم استخدام طول موجي يبلغ ملليمترًا من الضوء لتصوير ثقب أسود. بالمقارنة مع الضوء المرئي، هذا الطول الموجي طويل بشكل استثنائي، حيث يبلغ الطول الموجي للضوء المرئي 500 نانومتر.
وبالتالي، فإن الطريقة الوحيدة لحل مشكلة الانكسار هي استخدام تلسكوب أكبر. أدى هذا إلى اختيار EHT لالتقاط هذه الصورة. الحجم المطلوب للتلسكوب الأرضي لا يمكن تحقيقه عمليا. ومع ذلك، يمكن دمج البيانات من العديد من التلسكوبات الراديوية المنتشرة عبر أجزاء مختلفة من الكوكب في تلسكوب أكبر مثل EHT لتحقيق النتائج. وبطبيعة الحال، هناك عيوب لهذا النهج. لتوفير الصورة الأكثر دقة من البيانات المكتسبة، استخدمت مجموعة EHT منهجيات تحليلية.
ومن ناحية أخرى، تم التقاط صورة الثقب الأسود باستخدام موجات الراديو بدلا من الضوء المرئي. يمثل كل بكسل جزءًا من الطول الموجي للراديو.
عندما تنظر إلى المناطق البرتقالية في الصورة، يمكنك إدراك تمثيل لوني زائف للطول الموجي. ولذلك، فإن الصورة التي تم الحصول عليها من الثقب الأسود الأخير ليست صورة تقليدية يمكن الوصول إليها عبر التلسكوبات التقليدية. ومع ذلك، فإنها تظل خطوة رائعة إلى الأمام في علم الفلك.
توضح هذه الصورة نظرية النسبية العامة لأينشتاين، والتي تفترض أن الجاذبية تنتج عن انحناء الزمكان. قد تساعد الصور المستقبلية في فهم كيفية عمل الثقوب السوداء وأهمية الثقوب السوداء فائقة الكتلة، مثل الثقب الأسود M87، في تطور المجرات المضيفة لها.
لكن هذا لا يعني اختتام المشروع. وفقًا لمدير EHT شيبرد ديلمان من مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية، يمكن للطرق الحالية تحسين دقة الصور الموجودة. ومن الممكن في نهاية المطاف دمج الذكاء الاصطناعي في هذا المجال.
ختاماً
لا تزال آلية العمل الداخلية في الثقوب السوداء لغزًا. في قلب الثقب الأسود تقع منطقة التفرد - وهي منطقة ذات كثافة لا نهائية وانحناء للزمكان - حيث ينهار فهمنا الحالي للفيزياء. ويحيط بالتفرد أفق الحدث، الذي لا يمكن لأي شيء بعده الهروب من جاذبية الثقب الأسود.
ولا تزال الطبيعة الدقيقة لما يكمن داخل الثقب الأسود غير معروفة. غالبًا ما يُنظر إلى التفرد على أنه نقطة ذات كثافة لا نهائية، بينما تشير نظريات أخرى إلى إمكانية حدوث تأثيرات كمومية أو أشكال غريبة من المادة داخل الثقوب السوداء. ومع ذلك، تظل هذه الأفكار تخمينية، وهناك حاجة إلى مزيد من البحث والتقدم في الفيزياء النظرية لكشف النقاب عن الطبيعة الحقيقية لداخل الثقب الأسود.
تستمر الثقوب السوداء في جذب انتباه العلماء وإلهام الأبحاث المستمرة. توفر الدراسات الرصدية والنظرية للثقوب السوداء رؤى قيمة حول القوانين الأساسية للكون، والجاذبية، وأسرار الزمكان. ومع تطور فهمنا، نأمل في الحصول على فهم أعمق لهذه الألغاز الكونية والأسرار التي تحملها.