رؤية الثقب الأسود

تصدر النجوم القزمية البيضاء من الضوء ما يكفي لكي يظهر شكلها على الصور التي يلتقطها المنظار. وقد لوحظ الكثير من هذه النجوم، ما يجعل وجودها امراً لا ينكره منكر. أما النجوم ذات النوترونات ، فنورها أضعف واخفت من أن يرى مباشرة بالعين المجردة ؛ بيد أن زمرة كبيرة منها تصدر موجات راديو ذات طابع خاص.

وماذا عن الثقوب السوداء؟ هل هناك من امل في إثبات وجودها عن طريق القيام بعمليات ملاحظة؟ أجل، هناك أمل. فمتى ظل الثقب الأسود غير معزول تماماً، أمكن ان يشي بوجوده محيطه القريب. يتعلق الأمر إذن بظهور يتخذ شكلاً غير مباشر.

أقراص التضخم 

إن النسبية العامة، متى تموضعت خارج أفق الأحداث ، هي نظرية لا تختلف إلا اختلافاً جد طفيف عن جاذبية نيوتن، بحيث يغدو من المشروع اعتماداً هذه الأخيرة كمقاربة اولى. هكذا، فباستعمال لغة نيوتن، يمكن القول إن الثقب الأسود يمارس قوة جذب على ما يحيط به من أشياء. إنها جاذبية مماثلة لتلك التي يحدثها نجم له كتلة الثقب الأسود نفسها. والمادة إذا وجدت على مقربة من الثقب خضعت لقوة جذبه، ولا يستبعد ان تنهي مسيرها في جوفه، وهو ما يؤدي إلى تزايد كتلة الثقب الإجمالية وتعاظم جاذبيته. لنذكر بأن شعاع الثقب الاسود (أي شعاع شوارزشيلد الخاص به) هو شعاع يتزايد بتزايد كتلته، ومن ثم فإن الثقب الأسود يصير أكبر وأضخم كلما تساقطت المادة في جوفه (وليس الأمر كذلك في الفرادة المركزية ، التي لا تحيد عن نقطتها وهيئتها مهما يحدث). إن هذه المعطيات تجنح بمخيلتنا إلى أن تصور لنا الثقوب السوداء وكأنها نجوم مهمة تفترس المادة افتراساً.

الملاحظ أنه عندما يبتلع ثقب اسود كمية من المادة، فإن هذه تهوى غلى داخل الثقب في حركة لولبية. وإذا كانت الكمية كبيرة، يتشكل حول الثقب غشاء من المادة يسمى قرص التضخم. وتعرف جزيئات المادة أثناء سقوطها سرعة فائقة كما يحدث بين بعضها بعضاً أحتكاكات قوية. يترتب عن ذلك ارتفاع كبير في درجة الحرارة داخل القرص، وهو ارتفاع ينجم عنه انبعاث للضوء في شكل أشعة سينية كثيفة يسهل ملاحظتها. أضف إلى ذلك أن أقراص التضخم غالباً ما تصاحبها دفعتان أثنتان من المادة المقذوفة واقعتان في جهتي الثقب بكيفية متعامدة مع القرص. وحري بنا ان نلاحظ ان المادة الملفوظة في الدفعتين لا تأتي من جوف الثقب (إذ لا شيء يمكنه ان يخرج منه)، بل من قرص التضخم.

النظام الثنائي

تشكل حالة النظام الثنائي المرصوص أبلغ الحالات وأشدها إقناعاً في باب انبعاث الأشعة السينية المنسوبة إلى الثقوب السوداء. لتمعن الآن النظر في هذه المسألة . غن الثلثين على الأقل من النجوم تولد وتتطور في أزواج مترابطة جاذبياً. لنتصور زوجاً مؤلفاً من نجمين لهما كتلتان متباينتان فالأكبر منهما سيتطور بوتيرة أسرع بكثير وسينشأ عنه  ظهور ثقب أسود، بينما سيستمر النجم الاصغر في صهر ما يحويه من هيدروجين بكل هدوء. ويلاحظ في النظام المرصوص أن النجمة الرفيقة تقع من الثقب الأسود على مسافة قريبة يتسنى له بها أن ينتزع منها الغاز عن طريق قوة الجذب. وسرعان ما يتشكل هذا الغاز قرص تضخم ينتج انبعاثات سينية بالغة الكثافة.

ومن منظور الملاحظ البعيد (اي عالم الفيزياء الفلكية) الذي ليس بمقدوره ان يرى النجمة الرفيقة، يبقى هناك شك يحوم حول طبيعة الشيء الذي تشكل حوله قرص التضخم. ولا غرابة، فمن شأن النجم ذي النوترونات مبدئياً أن يكون هو المقصود مثله مثل الثقب الأسود. إن الفائدة الكبرى التي تقدمها النظم الثنائية تكمن في كونها تتيح قياس كتلة الشيء غير المرئي عن طريق ملاحظة الحركة الدورية المنتظمة التي يتبعها عن طريق ملاحظة الحركة الدورية المنتظمة التي يتبعها رفيقه النجمي.

بعد ذلك يمكن عقد مقارنة بين الكتلة المقيسة وبين الكتلة النظرية القصوى التي يشتمل عليها نجم ذو نوترونات، والجزم آنئذ بوجود الثقب الأسود أو بعدم وجوده. ففيما يتصل بالنظام الثنائي "سينيوس س-1" 1- Cygnyus X استطاع الدارسون ان يبينوا كيف ان كتلة الشيء غير المرئي تفوق ثلاث كتل شمسية. ويترتب عن ذلك ان الرفيق لن يكون شيئاً آخر غير ثقب أسود.

نوى المجرة النشيطة والثقوب السوداء ذات الكتلة الهائلة

لقد تم أيضاً رصد عمليات انبعاث سينية كثيفة آتية من مركز بعض المجرات وهو مركز اصطلح عليه بعبارة : نواة المجرة النشيطة. وتتغير عمليات الانبعاث هذه على مدى فترات هي من القصر بحيث يصير لزاماً ان تكون المناطق التي تأتي منها صغيرة الحجم جداً. لكن كيف تأتى التيقن من ذلك؟ الواقع أنه لو نشأت الأشعة السينية في منطقة مترامية الأطراف لوجب أن يستغرق كل تغير يحدث في نقطة من هذه المنطقة مدة زمنية معينة كي يصل إلى النقاط الأخرى، وان يحدث هذا في سياق انبعاث شامل تفوق مدته تلك المدة التي تم رصدها. تصوروا فرقة موسيقية يوجد عازفوها جد متباعدين فيما بينهم: يشرع عازفو الكمان في العزف، لكن حين يتناهى لحنهم على سمع أصحاب الآلات النافخة، يكون لدى هؤلاء تأخر في الإيقاع لا محالة: إنها الفوضى !  هكذا فإذا كان الموسيقيون يعزفون معاً بكيفية متزامنة، فإنما ذلك لانهم يوجدون جنباً إلى جنب.

وحري بنا ان نشير من جانب آخر إلى أن كتلة المنطقة المصدرة للانبعاثات ــ وهي تتراوح بين الملايين والمليارات من الكتل الشمسية ــ هي كتلة هائلة قياساً إلى حجمها، الأمر الذي يعضد فكرة وجود ثقب أسود. وتوسم هذه الثقوب، بالنظر إلى هيئتها العملاقة، بعبارة "ذات الكتلة الهائلة" "supermassifs" أو بصفة "المجرية" "galactiques" .

وهي تقترن في بعض الحالات بدفعات من المادة الملفوظة كما هو حال الثقوب السوداء التي تتكون أثر اندثار النجوم الضخمة، والتي يصطلح عليها من باب التشبيه بعبارة "الثقوب السوداء النجمية". صفوة القول إن السيرورات التي تجري على مشارف الثقب الأسود المركزي هي سيرورات تقدم تفسيراً مقنعاً لما يلاحظ داخل "نوى المجرات النشيطة" من فيض للطاقة لا يخطر ببال.

لكن كيف يتأتى أن يظهر ثقب أسود تبلغ كتلته مليوناً من الكتب الشمسية؟

أحد التفسيرات الممكنة هو أن قلب المجرات يتسم بوجود النجوم بكثافة كبيرة تعدادها نحو مليون ضعف مقارنة مع كثافتها قرب الشمس. وتتميز أكبر هذه النجوم وأضخمها كتلة بكونها تتطور بسرعة أكبر وتقضي إلى ولادة ثقوب سوداء .

وإذا بهذه الثقوب تستغل المادة الغزيرة الموجودة في محيطها (من نجوم وغاز وغبار وغيرها) فتنمو وتتضخم بسرعة، ثم تنصهر فيما بينها لتولد ثقوباً سوداء أكبر فاكبر ، تنمو بوتيرة لا تزيد إلا تسارعاً، وهكذا دواليك.

"ثقبنا" الأسود المجري

هناك اعتقاد بأن المجرات النشيطة ليست هي وحدها التي تحوي في مركزها ثقباً أسود ذا كتلة هائلة. فأغلب الظن ان ثمة مجرات اشتهرت بكونها هادئة، مثل مجرتنا، لكنها تشتمل مع ذلك على هذه "الغيلان". وقد انجزت خلال العقد الأخير ملاحظات رائعة أتاحت قياس حركة النجوم حول مركز مجرتنا قياساً دقيقاً. واتضح ان هذه النجوم ترسم مسارات إهلليجية حول شيء غير مرئي أطلق عليه اسم "ساجيتاريوس أ×" Sagittarius A× ، تقدر كتلته بـ 3,7 مليون كتلة شمسية ، بينما لا تعدى حجمه عشرة أضعاف المسافة القائمة بين الأرض والشمس، أي 1500 مليون كيلومتر. وهناك يقين شبه تام بأن الأمر يتعلق بثقب أسود ذي كتلة هائلة. وعلى الرغم من كتلته الضخمة، إلا أنه يبقى شيئاً صغيراً غذ إن حجم أفق احداثه يقدر بحوالي خمسين جزءاً من المسافة الفاصلة بين الأرض والشمس، أي ثلاثة ملايين كيلومتر.

هل يشكل "ساجيتاريوس أ×" إذن تهديداً للأرض ؟ إذا علمنا ان المنظومة الشمسية تقع على مسافة تناهز 25000 سنة ضوئية (أي 250000 بلون كلم) من مركز المجرة، فإنه يجوز لنا ان نتيقن من أن "ساجيتاريوس أ×" لا يشكل اي خطر مباشر علينا! قد تكون هناك ثقوب سوداء ذات حجم نجمي في الضاحية القريبة من المنظومة الشمسية، غير أنها تبقى بعيدة مسافات، لا يستهان بها، سيما وأن أقرب نجم من الشمس، وهو بروكسيما السنتور أو النجمة الدنيا Proxima du Centaure، يبعد عنها بأربع سنوات ضوئية (اي بـ 40 بليون كلم).

وفضلاً عن ذلك، فقوة الجذب التي يمارسها ثقب أسود نجمي تماثل تلك التي يمارسها النجم الأولي، مما يعني أنها لا تحمل أي خطر. ومع أن الثقوب السوداء تتسم بجانب يجعل منها ما يشبه "السفاطة كونية"، غلا أنه ليس ثمة ما يدعو إلى التوجس والخشية من اختفاء كوكبنا في الغد القريب داخل جوف احد هذه الغيلان.

موجات الجاذبية أو اهتزازات الزمكان

تنص جاذبية نيوتن على ان القوة التي تمارسها كتلة ما تؤثر تأثيراً فورياً في الكتل الأخرى أيا كانت المسافة التي تفصل بينها. فلو حدث مثلاً أن اختفت الشمس فجأة ، فإن الأرض ستغادر على الو مدارها الإهلليجي !

على النقيض من ذلك، تقضي النسبية العامة بأن الجاذبية تنتشر بسرعة الضوء. هكذا فالأرض لن تغادر مدارها إلا بعد مضي ثماني دقائق على اختفاء الشمس لأن الضوء المنبعث من سطح الشمس يلزمه ثماني دقائق كي يصل إلى الأرض. ومن منظور أعم، حين يحدث تغير في توزع الكتلة، فإن هندسة الزمكان لا تلبث ان تجاري هذا التغير وتتلاءم معه.

ويطلق على هذا التلاؤم الذي ينتشر بسرعة الضوء اسم موجات الجاذبية.

إنها موجات لم يتم بعد الكشف عنها على نحو مباشر، لكن وجودها أمر قد تمت إقامة الدليل عليه بكيفية غير مباشرة من قتل الباحثين جوزيف طايلور Joseph Taylor وراسل أ. هولس Russell A.Hulse، اللذين حازا على جائرزة نوبل عام 1993 بفضل هذا الإنجاز⁽¹⁾.

ومتى توافرت لدينا أجهزة كاشفة لهذه المؤجات، أضحى بوسعنا أن نلاحظ بعض الأحداث التي لا تخلو من طابع كارثي مثل ابتلاع نجم ذي نوترونات من قبل ثقب أسود، أو انصهار ثقبين أسودين. إن صناعة مثل هذه الكواشف هي مهمة في طور الإنهاء بأوروبا (من خلال مشروع فيرغو Virgo) والولايات المتحدة (من خلال مشروع ليغو Ligo). ويتبين أن مرور موجة جاذبية هو أمر يؤدي مبدئياً إلى تمديد الفضاء في اتجاه معين وإلى تقليصه في الاتجاه المتعامد معه. ومن ثم، فإن كواشف موجات الجاذبية تتكون من ذراعين متعامدين يقاس طولهما بصرياً بدقة خيالية. لعلكم ستتصورون صعوبة هذه المأمورية ــ أو لا تتصورونها ــ إذا قلت لككم إن ما يسببه انصهار الثقبين الاسودين من تغير نسبي في طول الذراعين لا يتعدى قيمة زهيدة هي % 10¹⁹.

وباستعمال كاشف واحد سيكون من الصعب تحديد الوجهة التي تأتي منها الموجة المكتشفة (يتضح من هذه الزاوية ان كشف موجات الجاذبية هي عملية أقرب إلى السمع منها إلى البصر)؛ لكن الجمع والتوليف بين الإشارات المسجلة من قبل كواشف عدة (فريغو وليغو مثلاً) قد يمكن عن طريق التثليث من تقدير الموقع الذي تصدر منه الموجة في السماء. إن هذه الأدوات لكفيلة، إن هي وقت بما تعد به، بان تيسر لنا ان نفتح عما قريب نافذة على الكون لم يكن لنا بعا عهد من قبل، مع ما ينطوي عليه ذلك من اكتشافات مثيرة.

______________________________

(1) جوزيف طايلور (1941) عالم أمريكي تخصص في الفيزياء الفلكية.

ــ راسل أ. هولس (1950) فيزيائي أمريكي معاصر متخصص في موجات الجاذبية. وقد حاز الاثنان هذه الجائزة تحديداً بفضل "اكتشافهما نوعاً جديداً من البولسار (وهو نبع إشعاعي راديو فلكي)، وهذا الاكتشاف يفسخ السبيل أمام آفاق جديدة في دراسة الجاذبية.

مواضيع ذات صلة

الثقوب السوداء

الطبيعة المتفردة للجاذبية

يمكن كشف التموجات الناتجة عن تصادم الثقوب السوداء في الفضاء

لماذا ندرس الثقوب السوداء؟

ماذا يحدث عند سقوط ثقب أسود في ثقب أسود؟

إطلاق النفثات

جمال التناظر

أشباه النجوم الميكروية

الثقوب السوداء لا تمتص فقط

كيف يمكن قياس سرعة دوران الثقب الأسود؟

ما خصائص الأقراص التراكمية وما مدى سخونتها؟

مادة دوامية الحركة