رحلة إلى الثقب الأسود

بلاك هول

الثقب الأسود هو جسمٌ مضغوط جدًا وبعبارةٍ أخرى، لديه كتلةٌ كبيرةٌ جدًا محصورةٌ في حجمٍ صغيرٍ للغاية، إن قوة جاذبية الثقب الأسود قويةٌ بما فيه الكفاية لمنع الضوء أو أي شيء آخر من الهروب منها.

اُقترح وجود الثقوب السوداء لأول مرةٍ في القرن الثامن عشر، استنادًا إلى قوانين الجاذبية المعروفة. فكلما زادت كتلة الجسم وكان حجمه أصغر، كلما زادت قوة الجاذبية على سطحه. العالمان جون ميشل وبيير سيمون لابلاس جادلا على حدٍ سواء أنه إذا كانت كتلة أي جسم كبيرةً للغاية وحجمه صغيرًا للغاية، قد لا يكون ممكنًا على الإطلاق الهروب من نطاق جاذبيته، وحتى الضوء يمكن أن يُحبس إلى الأبد.

تم اقتراح اسم “الثقب الأسود” من قبل العالم جون أرشيبالد ويلر في عام 1967. وأصبح تسمية متداولة، وهو مصطلح مشترك يشير لأي نوع من الحفر الغامضة في الكون. وقد وجد الفيزيائيون وعلماء الرياضيات أن المكان والزمان بالقرب من الثقوب السوداء لهما خصائص غير عادية. وبسبب هذا، أصبحت الثقوب السوداء الموضوع المفضل لكتاب الخيال العلمي. ومع ذلك، الثقوب السوداء ليست خيالية. لكن لا يمكننا أن نرى الثقوب السوداء أو نكشف عن المواد التي تكونها أو التي تجذبها. وبهذه الطريقة، حدد علماء الفلك وقاسوا كتلة العديد من الثقوب السوداء في الكون من خلال الملاحظات الدقيقة للسماء. ونحن نعلم الآن أن الكون لدينا مليء حرفيًا بملياراتٍ من الثقوب السوداء.

رحلة إلى الثقب الأسود

ما هي الأدوات التي يستخدمها علماء الفلك للعثور على الثقوب السوداء؟

عندما ننظر بأعيننا إلى السماء، فإننا نرى الضوء المرئي من النجوم وغيرها من الأشياء في الكون. قبل آلاف السنين الفلكيين في اليونان والثقافات القديمة الأخرى بنت مفاهيم مفصلة للسماء ليلًا. العديد من الأسماء والمفاهيم التي وضعت لا تزال قيد الاستخدام اليوم. ومع ذلك، فإن أعيننا البشرية ليست في الواقع حساسةً جدًا ويستخدم علماء الفلك الحديث تلسكوباتٍ متطورةً لدراسة الكون.

التلسكوبات المستخدمة من قبل علماء الفلك لا تدرس الضوء المرئي فقط. فالضوء المرئي هو نوع من “الإشعاع الكهرومغناطيسي” التي يمكن لعيوننا أن تراه، وهناك العديد من الأنواع الأخرى من هذه الإشعاع. وتتميز الأنواع المختلفة من الإشعاع بأطوال موجية مختلفة. وإذا كان طول الموجة أقصر بكثير من طول الضوء المرئي، فإننا نتحدث عن الأشعة السينية. نواجه الأشعة السينية في كثير من الأحيان في حياتنا اليومية، على سبيل المثال في المستشفى أو أثناء الفحص الأمني. وإذا كان طول الموجة أكبر بكثير من الضوء المرئي فإننا نتحدث عن موجات الراديو. نواجه موجات الراديو في كثير من الأحيان في حياتنا اليومية، على سبيل المثال في أجهزة الراديو والهواتف المحمولة.

الثقوب السوداء في الكون لا تبعث أي نوعٍ من الضوء. ومع ذلك، لا يزال الفلكيون يجدونها ويتعلمون الكثير عنها. وهم يقومون بذلك عن طريق قياس الضوء المرئي والأشعة السينية والموجات الراديوية المنبعثة من المواد في البيئة المحيطة بالثقب الأسود. على سبيل المثال، عندما يدور نجم طبيعي حول ثقب أسود يمكننا قياس سرعة النجم من خلال دراسة الضوء المرئي الذي ينبعث منه. معرفة هذه السرعة يمكن أن يكون جنبًا إلى جنب مع قوانين الجاذبية طريقةً لإثبات أن النجم يدور حول ثقب أسود، بدلًا من شيء آخر. وعندما يدور الغاز حول ثقبٍ أسود فإن حرارته تبدأ بالارتفاع جدًا بسبب الاحتكاك. ثم يبدأ في إطلاق الأشعة السينية وموجات الراديو. لذلك يمكن أيضًا العثور على الثقوب السوداء ودراستها من خلال البحث عن مصادر مشرقة للأشعة السينية وموجات الراديو في السماء.

هل تنطبق قوانين الجاذبية على الثقوب السوداء؟

الثقوب السوداء تُطيع جميع قوانين الفيزياء، بما في ذلك قوانين الجاذبية. خصائصها الرائعة هي في الواقع نتيجةٌ مباشرة للجاذبية.

في عام 1687، أظهر إسحاق نيوتن أن جميع الأشياء في الكون تجذب بعضها البعض من خلال الجاذبية. الجاذبية هي في الواقع واحدة من أضعف القوى المعروفة للفيزياء. في حياتنا اليومية، قوى أخرى مثل الكهرباء والمغناطيسية أو الضغط غالبًا ما تمارس نفوذ أقوى. ومع ذلك، أظهر نيوتن أن قوانينه للجاذبية يمكن أن تفسر الحركات الملحوظة للأقمار والكواكب في النظام الشمسي.

ألبرت أينشتاين صقل معرفتنا حول الجاذبية من خلال نظريته النسبية العامة. وأظهر لأول مرة، استنادًا إلى حقيقة أن الضوء يتحرك بسرعة ثابتة (671 مليون ميل في الساعة)، يجب أن يكون متصلًا بالمكان والزمان. ثم في عام 1915، أظهر أن الأجسام الضخمة تشوه استمرارية الزمكان رباعي الأبعاد، وأن هذا التشويه الذي نتصوره كجاذبية. وقد تم الآن اختبار تنبؤات أينشتاين والتحقق منها من خلال العديد من التجارب المختلفة. أما بالنسبة لمجالات الجاذبية الضعيفة نسبيًا، مثل تلك الموجودة هنا على الأرض، فإن التنبؤات في نظريات أينشتاين ونيوتن متطابقة تقريباً. ولكن بالنسبة لمجالات الجاذبية القوية جدًا، مثل تلك التي توجد حول الثقوب السوداء، تتنبأ نظرية أينشتاين بالعديد من الظواهر الجديدة الرائعة.

كيف تولد الثقوب السوداء؟

الثقب الأسود يولد عندما يصبح الجرم غير قادرٍ على الصمود أمام قوة ضغط الجاذبية الخاصة به. العديد من الأشياء (بما في ذلك الأرض والشمس) لن تصبح ثقوبًا سوداء. فجاذبيتها ليست كافيةً للتغلب على القوى الذرية والنووية الداخلية والتي تقاوم الضغط. ولكن في الأجسام الأكثر ضخامة، الجاذبية تفوز في نهاية المطاف.

تولد الثقوب السوداء النجمية عندما ينفجر نجم ضخم جدًا (لا يقل عن 25 مرة أثقل من شمسنا). فبعد أن ينفجر ما يبقى هو ثقب أسود نجمي.

لكننا نعرف القليل عن ولادة الثقوب السوداء الهائلة، والتي هي أثقل بكثير من الثقوب السوداء النجمية وتوجد في مراكز المجرات. أحد الاحتمالات هو حدوث انفجارات لنجوم ضخمة في الكون في وقت مبكر شكلت الثقوب السوداء النجمية التي على مدى مليارات السنين، نمت لتصبح ضخمة. حيث يمكن للثقب الأسود النجمي الوحيد أن ينمو بسرعة من خلال استهلاك النجوم القريبة والغاز المحيط، وغالبًا ما تكون الإمدادات وفيرًة بالقرب من مركز المجرة. قد ينمو الثقب الأسود أيضًا من خلال عمليات الاندماج مع الثقوب السوداء الأخرى التي تنجرف إلى مركز المجرة خلال الاصطدام مع المجرات الأخرى. ويقوم علماء الفلك حاليًا بالتحقق من هذه السيناريوهات وغيرها من خلال عمليات المراقبة والمحاكاة الحاسوبية.

ما هو حجم الثقب الأسود؟

كل المواد الموجودة في الثقب الأسود محصورة في منطقة ذات حجم صغير بلا حدود، تسمى التفرد المركزي. ويسمى المجال حول الثقب الأسود الذي لا يمكن للأجسام الهروب من جاذبيته بأفق الحدث. فإذا وصلت إلى أفق الحدث، يصبح من المستحيل الهروب، سيتم سحبك بقوة جاذبية الثقب الأسود ثم تُسحق في التفرد المركزي.

حجم أفق الحدث (يسمى نصف قطر شوارزشيلد، باسم الفيزيائي الألماني الذي اكتشفه أثناء القتال في الحرب العالمية الأولى) يتناسب مع كتلة الثقب الأسود. وقد وجد علماء الفلك ثقوبًا سوداء مع آفاق حدث تتراوح من 6 أميال إلى حجم النظام الشمسي لدينا. ولكن من حيث المبدأ، يمكن أن يكون للثقوب السوداء آفاقٌ أصغر أو أكبر. على سبيل المقارنة، يجب ضغط كوكب الأرض ليصبح بحجم قطعة رخام حتى يتحول إلى ثقبٍ أسود. فالثقب الأسود لا يجب أن يكون ضخمًا جدًا، ولكنه يحتاج إلى أن يكون مضغوطًا جدًا.

بعض الثقوب السوداء تدور حول محور، ووضعها أكثر تعقيدًا. ثم يتم سحب الفضاء المحيط حولها وخلق دوامة كونية. وهناك منطقة تسمى إرغوسفير، يحدها حد ثابت حيث تضطر الأجسام لتدور حول الثقب الأسود على الرغم من أنها لا تزال قادرة على الهرب.

ما هي أنواع الثقوب السوداء؟

الثقوب السوداء غالبًا ما تبدو مختلفةً جدًا عن بعضها البعض. وهذا بسبب تنوع ما يحدث في محيطها. الثقوب السوداء كلها متطابقة، باستثناء ثلاث خصائص مميزة: كتلة الثقب الأسود (كم الأشياء التي يتكون منها)، الدوران (ما إذا كان يدور ومدى سرعة الدوران ومحور الدوران)، والشحنة الكهربائية، والثقوب السوداء تمحي تمامًا كل الخصائص المعقدة الأخرى للأجسام التي تبتلعها.

يمكن للعلماء الفلكيين قياس كتلة الثقوب السوداء من خلال دراسة المواد التي تدور حولها. حتى الآن، وجدنا نوعين من الثقوب السوداء: نجمية الكتلة (فقط بضع مرات أثقل من الشمس لدينا) أو ثقيلة (مثل المجرة الصغيرة). ولكن الثقوب السوداء قد توجد في نطاقات كتلة أخرى كذلك. على سبيل المثال، تشير الملاحظات الأخيرة إلى أنه قد يكون هناك ثقوب سوداء مع كتلٍ بين الثقوب السوداء النجمية والثقيلة.

الثقوب السوداء يمكن أن تدور حول محور، على الرغم من أن سرعة الدوران لا يمكنها أن تتجاوز حدًا معين. يعتقد علماء الفلك أن العديد من الثقوب السوداء في الكون ربما تدور، لأن الأجسام التي تشكل الثقوب السوداء (النجوم على سبيل المثال) تدور كذلك. وبدأت الملاحظات تسلط بعض الضوء على هذه المسألة، ولكن لم يتحقق أي توافق في الآراء حتى الآن. الثقوب السوداء يمكن أيضًا أن تكون مشحونةً كهربائيًا. ويعتقد علماء الفلك أن جميع الثقوب السوداء في الكون هي دون تغيير.

هل أستطيع أن أدور بأمان حول ثقب أسود؟

من الممكن أن تكون بالقرب من الثقب الأسود دون الوقوع فيه، شريطة أن تتحرك بسرعة. هذا يشبه ما يحدث في النظام الشمسي: الأرض لا تنجذب إلى الشمس لأنها تتحرك حول الشمس بسرعة تبلغ حوالي 67 ألف ميل في الساعة. ولكن المدارات القريبة من الثقب الأسود يمكن أن يكون لها أشكالٌ مختلفة مثيرة للاهتمام، في حين أن تلك الموجودة في النظام الشمسي هي دائما بيضاوية الشكل (وتقريبًا دائرية).

لنفترض أنك بالقرب من ثقبٍ أسود وتريد إطلاق سفينة فضاء لدراسته عن قرب. إذا كانت الحركة في البداية بطيئة، فسوف تقع في دوامة الثقب الأسود. وإذا بدأت بسرعةٍ كبيرة، فإنك سوف ترمى بعيدًا جدًا. لكن في السرعات المتوسطة فإنك سوف تدور حول الثقب الأسود في نمطٍ معقد. هناك بالضبط سرعة إطلاق محددة من شأنها أن تضعك في مدار دائري. وهذا يوفر نقطة نظر مستقرة إذا كنت بعيدًا عن الثقب الأسود، ولكن هذا خطير للغاية، فإذا كنت قريبًا جدًا من الثقب الأسود. في هذه الحالة، أصغر حركة على سفينتك سوف تغير مدارك جذريًا. قد تدفع بعيدًا عن الثقب الأسود، ولكن إذا كنت غير محظوظ فسوف تقع داخل الدوامة.

هل يستطيع الثقب الأسود أن يحني أشعة الضوء؟

أشعة الضوء التي تمر بالقرب من الثقب الأسود تنجذب إليه ولا يمكنها الهروب. لذلك، فإن المنطقة حول الثقب الأسود هي قرصٌ مظلم. أشعة الضوء التي تمر أبعد قليلًا لا تنجذب للداخل لكنها تنحني.

ماذا يحدث عندما تتصادم الثقوب السوداء؟

تصادم ثقبين أسودين

من الممكن لاثنين من الثقوب السوداء أن يصطدما. فبمجرد أن يكونا قريبين جدًا بحيث لا يمكن الهروب من جاذبية بعضها البعض، والنتيجة هي اندماج الثقبين لتشكيل ثقبٍ أكبر. وسيكون هذا الحدث عنيفًا للغاية. حتى عند محاكاة هذا الحدث على أجهزة كمبيوتر قوية، لا يمكننا أن نفهم ذلك تمامًا. ومع ذلك، فإننا نعلم أن اندماج الثقب الأسود من شأنه أن ينتج طاقة هائلة ويرسل تموجات هائلة خلال النسيج الزماني للكون. وتسمى هذه التموجات موجات الجاذبية.

لم نشهد تصادم الثقوب السوداء بعد. ومع ذلك، هناك العديد من الثقوب السوداء في الكون وليس من غير المعقول أن نفترض أنها لا تصطدم. في الواقع، نحن نعلم أن اثنين من الثقوب السوداء الهائلة تتحرك بشكل خطير قريبةً من بعضها البعض. وتتنبأ النماذج النظرية أن هذه الثقوب السوداء سوف تدور في دوامة نحو بعضها البعض حتى تصطدم في نهاية المطاف.

لم تُلاحظ أبدًا موجات الجاذبية مباشرةً. ومع ذلك، فهي تنبؤ أساسي لنظرية أينشتاين النسبية العامة. ومن شأن الكشف عنها أن يوفر اختبارًا هامًا لفهمنا للجاذبية. وسوف توفر أيضًا رؤى جديدة هامة في الفيزياء عن الثقوب السوداء. وقد بنيت في السنوات الأخيرة أدواتٌ كبيرةٌ قادرةٌ على كشف موجات الجاذبية من الفضاء الخارجي. حتى أن هناك أدواتًا أكثر قوة قيد الإنشاء.

ماذا يوجد داخل الثقب الأسود؟

لا يمكننا أن نتوقع ما الذي يوجد داخل أفق الحدث في الثقب الأسود لأن الضوء أو المواد هناك لا يمكن أن تصل إلينا. حتى لو أرسلنا مستكشف إلى داخل الثقب الأسود، فإن المركبة لا تستطيع أبدًا الاتصال بنا.

تتوقع النظريات الحالية أن كل المواد المكونة والداخلة إلى الثقب الأسود تتراكم في نقطة واحدة في المركز، ولكننا لا نفهم كيف يعمل هذا التفرد المركزي. لفهم مركز الثقب الأسود بشكلٍ صحيح نحتاج إلى دمج نظرية الجاذبية مع النظرية التي تصف سلوك المادة في أصغر المقاييس، وهذا هو واحد من أهم المشكلات التي لم تُحل في الفيزياء.

نظرية أينشتاين النسبية العامة تتحدث عن خصائص غير عادية للثقوب السوداء. على سبيل المثال، يمكن أن يشكل التفرد المركزي جسرًا لكونٍ آخر. هذا يشبه ما يسمى الحفرة، الجسور والحفر قد تسمح بالسفر إلى الأكوان الأخرى أو حتى السفر عبر الزمن. ولكن من دون البيانات الرصدية والتجريبية فإن هذا في الغالب مجرد تكهنات. نحن لا نعرف ما إذا كانت الجسور أو الحفر موجودة في الكون، أو حتى قد شكلت من حيث المبدأ. وعلى النقيض من ذلك، لوحظ وجود ثقوبٍ سوداء ونحن نفهم كيف تشكلت.

ماذا يحدث عندما أسقط ساعة في ثقبٍ أسود؟

وفقًا لنظرية أينشتاين النسبية العامة، فإن الأجسام الضخمة تخلق تشوهات في المكان والزمان. بالقرب من ثقب أسود، تصبح هذه التشوهات قوية بحيث يتصرف الوقت بطرقٍ غير متوقعة.

تخيل أننا على سفينة فضاء بالقرب من ثقب أسود. ونقوم بإسقاط ساعة في الثقب الأسود ومقارنة وقتها مع الوقت على متن الطائرة. الساعة التي تسقط ستدور تدريجيًا بشكلٍ أبطأ.

وعلى النقيض من ذلك، إذا كنا نحن نسقط مع هذه الساعة، سيبدو أن الوقت يتصرف بشكلٍ طبيعيٍ تمامًا. ولن نرى أي تباطؤ عندما نقترب من أفق الحدث. ونحن سوف نعبر الأفق دون أي تغيير ملموس. هذا هو مبدأ النسبية: الأمور يمكن أن تظهر مختلفةً اعتمادًا على ما إذا كنت تتحرك أو لا تزال واقفًا.

ماذا يحدث عندما أسقط في الثقب الأسود؟

دعونا نفترض أن تنطلق من خارج أفق الحدث إلى الثقب الأسود. إذا نظرت نحو الثقب، سترى دائرةً من الظلام حول الثقب الأسود، وترى النجوم المألوفة في السماء ليلًا. ولكن نمطها مشوه بشكل غريب، حيث أن الضوء من النجوم البعيدة يدخل إلى الثقب الأسود.

ومع الاستمرار في السقوط داخل الثقب الأسود، ستتحرك بشكلٍ أسرع وأسرع تدريجيًا. ستشعر أن قدميك تسحب بشكلٍ أقوى من رأسك، لأنها أقرب إلى الثقب الأسود. ونتيجة لذلك، سوف يتمدد جسمك بعيدًا. في الثقوب السوداء الصغيرة، يكون هذا التمدد قويًا لدرجة أن جسدك سيتمزق تمامًا قبل أن تصل إلى أفق الحدث.

لكن إذا وقعت في ثقب أسود هائل، سيبقى جسمك سليمًا، حتى أثناء عبور أفق الحدث. ولكن بعد ذلك بوقت قصير ستصل إلى التفرد المركزي، حيث أنك سوف تسحق في نقطةٍ واحدةٍ من كثافةٍ لانهائية. لقد أصبحت الأن جزءًا من الثقب الأسود. للأسف، أنت غير قادر على العودة للمنزل من هذه التجربة.

هل الثقوب السوداء تعيش إلى الأبد؟

بما أنه لا شيء يمكن أن يفلت من قوة جاذبية الثقب الأسود، كان يعتقد منذ فترةٍ طويلة أن تدمير الثقوب السوداء هو أمرٌ مستحيل. لكننا نعلم الآن أن الثقوب السوداء تتبخر، وتعود طاقتها ببطء إلى الكون. أثبت الفيزيائي الشهير والمؤلف ستيفن هوكينج هذا في عام 1974 باستخدام قوانين ميكانيكا الكم لدراسة المنطقة القريبة من أفق الثقب الأسود.

نظرية الكم تصف سلوك المادة في أصغر المقاييس. ويتوقع أن الجسيمات الصغيرة والضوء يتم إنشاؤها باستمرار وتدميرها على جداول دون الذرية. بعض الضوء الذي تم إنشاؤه في الواقع لديه فرصة صغيرة جدا للهروب قبل أن يتم تدميره. إلى الخارج، كما لو أن أفق الحدث يضيء. الطاقة التي ينزلها الوهج تقلل كتلة الثقب الأسود حتى تختفي تمامًا.

أظهرت هذه الرؤية الجديدة المدهشة أنه لا يزال هناك الكثير لمعرفته عن الثقوب السوداء. ومع ذلك، توهج هوكينج غير ذي صلة تمامًا لأي من الثقوب السوداء المعروفة التي توجد في الكون. بالنسبة لها، درجة حرارة الوهج تصل إلى ما يقرب من الصفر وفقدان الطاقة لا يكاد يذكر. فالوقت اللازم لفقدان الثقوب السوداء الكثير من كتلتها هو طويل جدًا ولا يمكن تصوره. ومع ذلك، إذا كانت هناك ثقوب سوداء موجودة في الكون أصغر بكثير من أي وقت مضى، فإن نتائج هوكينج ستكون ظاهرة. وسوف يختفي ثقبٌ أسود ضخم في أقل من ثانية.

كم عدد الثقوب السوداء الموجودة في الكون؟

هناك الكثير من الثقوب السوداء في الكون ومن المستحيل إحصاء عددها. فهذا كمن يسأل عن عدد حبات الرمل على الشاطئ. لحسن الحظ، الكون هائل ولا أحد من ثقوبه السوداء المعروفة قريبًا بما فيه الكفاية ليشكل أي خطر على الأرض.

تتشكل الثقوب السوداء النجمية من النجوم الأكثر ضخامة عندما تنتهي حياتها بانفجارات. مجرة درب التبانة تحتوي على 100 مليار نجم. تقريبًا واحد من كل ألف نجم كبير بما فيه الكفاية ليصبح ثقبًا أسود. لذلك، يجب أن تحتوي مجرتنا على نحو 100 مليون ثقب أسود. ومعظمها غير مرئي لنا، ولم يتم التعرف إلا على اثني عشر منها.

وفي الكون، قد تكون هناك 100 مليار مجرة. كل واحدة فيها حوالي 100 مليون ثقب أسود نجمي. والأن وفي مكان ما في الكون، يولد ثقبٌ أسود جديد كل ثانية.

الثقوب السوداء الهائلة هي أكبر بمليون إلى مليار مرة من الشمس، وهي توجد في مراكز معظم المجرات، وربما كلها، تؤوي مثل هذا الثقب الأسود. وفي منطقتنا من الكون، هناك ما يقرب من 100 مليار ثقبٍ أسود هائل.

قد يعجبك ايضا