نظرة الفيزياء للثقب الأسود

ما هو الثقب الأسود ؟

يعرف بأنه جسم كوني شديد الجاذبية لا يستطيع أي شيء الهروب منه، ولا حتى الضوء، ويمكن أن يتشكل الثقب الأسود بموت نجم ضخم، وعندما يكون مثل هذا النجم قد استنفد الوقود النووي الحراري الداخلي في نواته في نهاية حياته، يصبح اللب غير مستقر وينهار جاذبيًا داخليًا على نفسه، وتتطاير الطبقات الخارجية للنجم بعيدًا، حيث يضغط الوزن الساحق للمادة المكونة المتساقطة من جميع الجوانب على النجم المحتضر إلى نقطة حجمها صفر وكثافة لا نهائية تسمى التفرد.

بنية الثقب الأسود:

تم حساب تفاصيل بنية الثقب الأسود من نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين، ويشكل التفرد مركز الثقب الأسود ويتم إخفاؤه بواسطة سطح الكائن، داخل أفق الحدث، تتجاوز سرعة الهروب (أي السرعة المطلوبة للهروب من مجال الجاذبية لجسم كوني) سرعة الضوء، بحيث لا يمكن حتى لأشعة الضوء الهروب إلى الفضاء، ويُطلق على نصف قطر أفق الحدث اسم Schwarzschild radius، نسبة إلى عالم الفلك الألماني كارل شوارزشيلد، الذي تنبأ عام 1916 بوجود أجسام نجمية منهارة لا تصدر أي إشعاعات، ويتناسب حجم نصف قطر Schwarzschild مع كتلة النجم المنهار، وبالنسبة لثقب أسود كتلته أكبر بعشرة أضعاف كتلة الشمس، سيكون نصف القطر 30 كم (18.6 ميلاً).

فقط النجوم الأكثر ضخامة – تلك التي تزيد كتلتها عن ثلاث كتل شمسية – تصبح ثقوبًا سوداء في نهاية حياتها، والنجوم ذات الكتلة الأقل تتطور إلى أجسام أقل ضغطًا، إما أقزام بيضاء أو نجوم نيوترونية.

لا يمكن عادة ملاحظة الثقوب السوداء بشكل مباشر بسبب صغر حجمها وحقيقة أنها لا تصدر أي ضوء، ومع ذلك يمكن ملاحظتها من خلال تأثيرات حقول الجاذبية الهائلة على المادة القريبة، وعلى سبيل المثال إذا كان الثقب الأسود عضوًا في نظام نجمي ثنائي، فإن المادة المتدفقة إليه من رفيقه تصبح شديدة الحرارة ثم تشع الأشعة السينية بكثرة قبل دخول أفق الحدث للثقب الأسود وتختفي إلى الأبد، وأحد النجوم المكونة لنظام الأشعة السينية الثنائي Cygnus X-1 هو الثقب الأسود، حيث تم اكتشاف هذا الثنائي في عام 1971 في كوكبة الدجاجة، ويتكون هذا الثنائي من عملاق أزرق ورفيق غير مرئي 14.8 ضعف كتلة الشمس التي تدور حول بعضها البعض في فترة 5.6 أيام.

يبدو أن بعض الثقوب السوداء لها أصول غير نجمية، تكمن العديد من علماء الفلك بأن كميات كبيرة من الغاز بين النجمي تتجمع وتنهار في ثقوب سوداء فائقة الكتلة في مراكز الكوازارات والمجرات، حيث يُقدَّر أن كتلة الغاز التي تسقط بسرعة في الثقب الأسود تنتج أكثر من 100 مرة من الطاقة التي تطلقها نفس الكمية من الكتلة من خلال الاندماج النووي، وبناءً على ذلك، فإن انهيار ملايين أو مليارات الكتل الشمسية من الغاز بين النجمي تحت تأثير قوة الجاذبية في ثقب أسود كبير من شأنه أن يفسر الطاقة الهائلة الناتجة عن الكوازارات وأنظمة مجرية معينة.

قرص الغبار حول الثقب الأسود:

أحد هذه الثقوب السوداء الهائلة القوس A *، موجود في مركز مجرة ​​درب التبانة، وتوضح ملاحظات النجوم التي تدور حول موقع القوس A * وجود ثقب أسود بكتلة تعادل أكثر من 4،000،000 شمس، (بالنسبة لهذه الملاحظات، مُنح الفلكي الأمريكي أندريا جيز وعالم الفلك الألماني راينهارد جينزل جائزة نوبل للفيزياء لعام 2020)، وتم اكتشاف الثقوب السوداء الهائلة في المجرات الأخرى أيضًا، وفي عام 2017، حصل Event Horizon Telescope على صورة للثقب الأسود الهائل في مركز مجرة ​​M87.

كتلة هذا الثقب الأسود تساوي ستة مليارات ونصف المليار شمس، لكن قطره لا يتجاوز 38 مليار كيلومتر (24 مليار ميل)، وكان أول ثقب أسود يتم تصويره مباشرة، حيث يمكن الاستدلال على وجود ثقوب سوداء أكبر، إذ يبلغ حجم كل منها 10 مليار شمس، من التأثيرات النشطة للغاز الذي يحوم بسرعات عالية للغاية حول مركز مجرتَي NGC 3842 و NGC 4889 بالقرب من مجرة ​​درب التبانة.

اقترح عالم الفيزياء الفلكية البريطاني ستيفن هوكينج وجود نوع آخر من الثقوب السوداء غير النجمية، ووفقًا لنظرية هوكينج، فإن العديد من الثقوب السوداء البدائية الصغيرة، التي ربما تكون كتلتها تساوي أو تقل عن كتلة كويكب، ربما تكون قد نشأت خلال الانفجار العظيم، وهي حالة من درجات الحرارة العالية للغاية والكثافة التي نشأ فيها الكون خلال 13.8 مليار سنة.

هذه الثقوب السوداء الصغيرة المزعومة، مثل الأنواع الأكثر ضخامة، تفقد كتلتها بمرور الوقت من خلال إشعاع هوكينغ وتختفي، وإذا كانت بعض نظريات الكون التي تتطلب أبعادًا إضافية صحيحة، فقد ينتج عن مصادم الهادرونات الكبير عددًا كبيرًا من الثقوب السوداء الصغيرة.

إذا تجاوزت بقايا المستعر الأعظم ما يقرب من كتلتين شمسيتين، فإنها تستمر في الانكماش، ومن المتوقع أن يكون مجال الجاذبية للنجم المنهار قويًا جدًا بحيث لا يمكن للمادة ولا الضوء الهروب منه، وتنهار البقايا بعد ذلك إلى ثقب أسود – تفرد، أو نقطة ذات حجم صفري وكثافة لانهائية يخفيها أفق الحدث على مسافة تسمى نصف قطر شوارزشيلد، أو نصف قطر الجاذبية، وستختفي الأجسام التي تعبر أفق الحدث، أو شعاع من الضوء الموجه نحو شيء كأنها تسحب إلى حفرة لا قاع لها.

إن وجود الثقوب السوداء أمر راسخ سواء على المستوى النجمي، كما هو الحال في النظام الثنائي Cygnus X-1، وعلى مقياس من ملايين أو بلايين الكتل الشمسية في مركز بعض المجرات، مثل M87.

في عام 1916، استخدم عالم الفلك الألماني كارل شوارزشيلد معادلات المجال لحساب تأثير الجاذبية لجسم كروي واحد مثل النجم، وإذا لم تكن الكتلة كبيرة جدًا ولا عالية التركيز، فسيكون الحساب الناتج هو نفسه الذي قدمته نظرية الجاذبية لنيوتن وبالتالي، فإن نظرية نيوتن ليست خاطئة بدلا من ذلك، فإنه يشكل تقريب صحيح للنسبية العامة في ظل ظروف معينة.

وصف شوارزشيلد أيضًا تأثيرًا جديدًا، إذا تم تركيز الكتلة في حجم صغير متلاشي تفرد ستصبح الجاذبية قوية جدًا بحيث لا يمكن لأي شيء يتم سحبه في المنطقة المحيطة أن يتركه، وحتى الضوء لا يستطيع الهروب، وفي تشبيه الصفيحة المطاطية، يبدو الأمر كما لو أن جسمًا هائلًا صغيرًا يخلق انخفاضًا شديد الانحدار بحيث لا يستطيع أي شيء الهروب منه، واعترافًا بأن هذا التشوه الشديد في الزمكان سيكون غير مرئي – لأنه سيمتص الضوء ولن ينبعث منه أبدًا – أطلق عليه اسم الثقب الأسود.

من الناحية الكمية، تحدد نتيجة Schwarzschild الكرة التي تتمحور حول التفرد والتي يعتمد نصف قطرها على كثافة الكتلة المغلقة، والأحداث داخل الكرة معزولة إلى الأبد عن بقية الكون؛ لهذا السبب، يسمى نصف قطر شفارتزشيلد بأفق الحدث.