الكواكب الفضائية الثقوب السوداء. أكبر ثقب أسود في الكون المعروف

إس ترانكوفسكي

من بين أهم المشاكل المثيرة للاهتمام في الفيزياء الحديثة والفيزياء الفلكية، ذكر الأكاديمي ف. إل. جينزبرج القضايا المتعلقة بالثقوب السوداء (انظر "العلم والحياة" رقم 11، 12، 1999). تم التنبؤ بوجود هذه الأجسام الغريبة منذ أكثر من مائتي عام، وتم حساب الظروف التي أدت إلى تكوينها بدقة في أواخر الثلاثينيات من القرن العشرين، وبدأ علماء الفيزياء الفلكية في دراستها بجدية منذ أقل من أربعين عامًا. واليوم، تنشر المجلات العلمية حول العالم سنويًا آلاف المقالات حول الثقوب السوداء.

يمكن أن يحدث تكوين الثقب الأسود بثلاث طرق.

هذه هي الطريقة المعتادة لتصوير العمليات التي تحدث بالقرب من الثقب الأسود المنهار. وبمرور الزمن (Y)، يتقلص الفضاء (X) حوله (المنطقة المظللة)، ويندفع نحو المتفردة.

يُحدث مجال جاذبية الثقب الأسود تشوهات شديدة في هندسة الفضاء.

الثقب الأسود، غير المرئي من خلال التلسكوب، يكشف عن نفسه فقط من خلال تأثير جاذبيته.

في مجال الجاذبية القوي للثقب الأسود، تولد أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة.

ولادة زوج من الجسيمات والجسيمات المضادة في المختبر.

كيف تنشأ؟

إن جسماً سماوياً مضيء كثافته تعادل كثافة الأرض، وقطره أكبر بمائتين وخمسين مرة من قطر الشمس بسبب قوة جاذبيته، لن يسمح لضوءه أن يصل إلينا. وبالتالي، فمن الممكن أن تظل أكبر الأجسام المضيئة في الكون غير مرئية على وجه التحديد بسبب حجمها.
بيير سيمون لابلاس.
معرض النظام العالمي. 1796

في عام 1783، أجرى عالم الرياضيات الإنجليزي جون ميتشل، وبعد ثلاثة عشر عامًا، بشكل مستقل عنه، عالم الفلك والرياضيات الفرنسي بيير سيمون لابلاس، دراسة غريبة جدًا. لقد نظروا إلى الظروف التي لن يتمكن فيها الضوء من الهروب من النجم.

وكان منطق العلماء بسيطا. بالنسبة لأي جسم فلكي (كوكب أو نجم)، من الممكن حساب ما يسمى بسرعة الإفلات، أو السرعة الكونية الثانية، والتي تسمح لأي جسم أو جسيم أن يغادره إلى الأبد. وفي فيزياء ذلك الوقت، سادت نظرية نيوتن، التي تقول إن الضوء هو تدفق من الجسيمات (نظرية الموجات الكهرومغناطيسية والكمات كانت لا تزال موجودة قبل مائة وخمسين عامًا تقريبًا). يمكن حساب سرعة هروب الجزيئات على أساس تساوي الطاقة الكامنة على سطح الكوكب والطاقة الحركية لجسم "هرب" إلى مسافة كبيرة بلا حدود. يتم تحديد هذه السرعة بالصيغة #1#

أين م- كتلة الجسم الفضائي، ر- نصف قطرها، ز- ثابت الجاذبية.

ومن هذا يمكننا بسهولة الحصول على نصف قطر جسم له كتلة معينة (سمي فيما بعد "نصف قطر الجاذبية" ص g")، حيث تكون سرعة الهروب تساوي سرعة الضوء:

وهذا يعني أن النجم مضغوط في كرة ذات نصف قطر صز< 2جي إم./ج 2 سيتوقف عن الانبعاث - لن يتمكن الضوء من تركه. سيظهر ثقب أسود في الكون.

ومن السهل حساب أن الشمس (كتلتها 2.1033 جم) ستتحول إلى ثقب أسود إذا انكمشت إلى نصف قطر يبلغ حوالي 3 كيلومترات. وتصل كثافة مادته إلى 1016 جم/سم3. سينخفض ​​نصف قطر الأرض، إذا تم ضغطه إلى ثقب أسود، إلى حوالي سنتيمتر واحد.

لقد بدا من غير المعقول أن تكون هناك قوى في الطبيعة قادرة على ضغط نجم إلى هذا الحجم الضئيل. ولذلك، فإن الاستنتاجات من أعمال ميتشل ولابلاس اعتبرت لأكثر من مائة عام بمثابة مفارقة رياضية ليس لها أي معنى مادي.

ولم يتم الحصول على دليل رياضي صارم على إمكانية وجود مثل هذا الجسم الغريب في الفضاء إلا في عام 1916. حصل عالم الفلك الألماني كارل شوارزشيلد، بعد تحليل معادلات النظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين، على نتيجة مثيرة للاهتمام. بعد أن درس حركة الجسيم في مجال الجاذبية لجسم ضخم، توصل إلى الاستنتاج: تفقد المعادلة معناها الفيزيائي (يتحول حلها إلى ما لا نهاية) عندما ص= 0 و ص = صز.

النقاط التي تصبح فيها خصائص المجال بلا معنى تسمى المفرد، أي خاص. يعكس التفرد عند نقطة الصفر الاتجاه النقطي، أو، وهو نفس الشيء، البنية المتماثلة مركزيًا للمجال (بعد كل شيء، يمكن تمثيل أي جسم كروي - نجم أو كوكب - كنقطة مادية). والنقاط التي تقع على سطح كروي نصف قطرها صز، يشكل السطح نفسه الذي تساوي سرعة الهروب منه سرعة الضوء. يطلق عليه في النظرية النسبية العامة اسم مجال شوارزشيلد المفرد أو أفق الحدث (سيتضح السبب لاحقًا).

وبالاستناد بالفعل إلى مثال الأجسام المألوفة لدينا - الأرض والشمس - فمن الواضح أن الثقوب السوداء هي أجسام غريبة للغاية. وحتى علماء الفلك الذين يتعاملون مع المادة عند قيم متطرفة من درجة الحرارة والكثافة والضغط يعتبرونها غريبة للغاية، وحتى وقت قريب لم يكن الجميع يؤمن بوجودها. ومع ذلك، فإن المؤشرات الأولى لإمكانية تكوين الثقوب السوداء كانت موجودة بالفعل في النظرية النسبية العامة لأينشتاين، والتي تم وضعها في عام 1915. اشتق عالم الفلك الإنجليزي آرثر إدينجتون، أحد أوائل المفسرين والمروجين للنظرية النسبية، في الثلاثينيات نظامًا من المعادلات يصف البنية الداخلية للنجوم. ويترتب على ذلك أن النجم في حالة توازن تحت تأثير قوى الجاذبية والضغط الداخلي ذات الاتجاه المعاكس الناتج عن حركة جزيئات البلازما الساخنة داخل النجم وضغط الإشعاع المتولد في أعماقه. وهذا يعني أن النجم عبارة عن كرة غازية، توجد في وسطها درجة حرارة عالية، تتناقص تدريجيًا باتجاه محيطها. ويترتب على المعادلات، على وجه الخصوص، أن درجة حرارة سطح الشمس تبلغ حوالي 5500 درجة (وهو ما يتوافق تمامًا مع بيانات القياسات الفلكية)، ويجب أن تكون في مركزها حوالي 10 ملايين درجة. سمح هذا لإدينجتون بالتوصل إلى نتيجة نبوية: عند درجة الحرارة هذه، "يشتعل" تفاعل نووي حراري، وهو ما يكفي لضمان توهج الشمس. لم يتفق علماء الفيزياء الذرية في ذلك الوقت مع هذا. بدا لهم أن الجو "بارد" جدًا في أعماق النجم: درجة الحرارة هناك لم تكن كافية "لبدء" التفاعل. وعلى هذا أجاب المنظر الغاضب: «ابحث عن مكان أكثر سخونة!»

وفي النهاية، تبين أنه كان على حق: يحدث تفاعل نووي حراري بالفعل في مركز النجم (الشيء الآخر هو أن ما يسمى بـ "النموذج الشمسي القياسي"، استنادًا إلى أفكار حول الاندماج النووي الحراري، قد تبين على ما يبدو أنه غير صحيح - انظر على سبيل المثال "العلم والحياة" عدد 2، 3، 2000). ولكن مع ذلك، يحدث رد فعل في مركز النجم، ويضيء النجم، والإشعاع الذي ينشأ يبقيه في حالة مستقرة. لكن "الوقود" النووي الموجود في النجم يحترق. يتوقف إطلاق الطاقة، وينطفئ الإشعاع، وتختفي القوة المقيدة لجاذبية الجاذبية. هناك حد لكتلة النجم، وبعدها يبدأ النجم في الانكماش بشكل لا رجعة فيه. تظهر الحسابات أن هذا يحدث إذا تجاوزت كتلة النجم كتلتين إلى ثلاث كتل شمسية.

انهيار الجاذبية

في البداية يكون معدل انكماش النجم صغيرا، لكن معدله يتزايد باستمرار، حيث أن قوة الجاذبية تتناسب عكسيا مع مربع المسافة. يصبح الضغط لا رجعة فيه؛ ولا توجد قوى قادرة على مواجهة الجاذبية الذاتية. وتسمى هذه العملية انهيار الجاذبية. وتزداد سرعة حركة قشرة النجم نحو مركزه، لتقترب من سرعة الضوء. وهنا تبدأ تأثيرات النظرية النسبية تلعب دورها.

تم حساب سرعة الإفلات بناءً على أفكار نيوتن حول طبيعة الضوء. من وجهة نظر النسبية العامة، تحدث الظواهر القريبة من النجم المنهار بشكل مختلف بعض الشيء. في مجال الجاذبية القوي، يحدث ما يسمى بالانزياح الأحمر الجاذبية. وهذا يعني أن تردد الإشعاع الصادر من جسم ضخم ينزاح نحو الترددات المنخفضة. وفي النهاية، عند حدود مجال شوارزشيلد، يصبح تردد الإشعاع صفرًا. أي أن المراقب الموجود خارجه لن يتمكن من معرفة أي شيء عما يحدث بالداخل. ولهذا السبب يُطلق على كرة شوارزشيلد اسم أفق الحدث.

لكن انخفاض التردد يساوي إبطاء الزمن، وعندما يصبح التردد صفرًا، يتوقف الزمن. وهذا يعني أن الراصد الخارجي سيرى صورة غريبة للغاية: قشرة النجم التي تسقط بتسارع متزايد تتوقف بدلاً من أن تصل إلى سرعة الضوء. ومن وجهة نظره فإن الضغط سيتوقف بمجرد اقتراب حجم النجم من الجاذبية
usu. لن يرى أبدًا جسيمًا واحدًا "يغوص" تحت كرة شوارزشيل. لكن بالنسبة لمراقب افتراضي يسقط في ثقب أسود، فإن كل شيء سينتهي في غضون لحظات على مراقبته. وبالتالي، فإن زمن انهيار الجاذبية لنجم بحجم الشمس سيكون 29 دقيقة، والنجم النيوتروني الأكثر كثافة والأكثر إحكاما سيستغرق 1/20000 من الثانية فقط. وهنا يواجه مشكلة مرتبطة بهندسة الزمكان بالقرب من الثقب الأسود.

يجد المراقب نفسه في مكان منحني. وبالقرب من نصف قطر الجاذبية، تصبح قوى الجاذبية كبيرة بلا حدود؛ يقومون بتمديد الصاروخ مع مراقب الفضاء إلى خيط رفيع لا نهائي بطول لا نهائي. لكنه هو نفسه لن يلاحظ هذا: كل تشوهاته سوف تتوافق مع تشوهات إحداثيات الزمكان. تشير هذه الاعتبارات، بطبيعة الحال، إلى حالة افتراضية مثالية. سيتم تمزيق أي جسم حقيقي بواسطة قوى المد والجزر قبل فترة طويلة من الاقتراب من مجال شوارزشيلد.

أبعاد الثقوب السوداء

حجم الثقب الأسود، أو بشكل أكثر دقة، نصف قطر كرة شفارتزشيلد، يتناسب مع كتلة النجم. وبما أن الفيزياء الفلكية لا تفرض أي قيود على حجم النجم، فمن الممكن أن يكون الثقب الأسود كبيرًا بشكل تعسفي. فإذا نشأ مثلاً أثناء انهيار نجم كتلته 108 كتلة شمسية (أو بسبب اندماج مئات الآلاف، أو حتى ملايين النجوم الصغيرة نسبياً)، فإن نصف قطره سيكون حوالي 300 مليون كيلومتر، ضعف مدار الأرض. ومتوسط ​​كثافة مادة مثل هذا العملاق قريبة من كثافة الماء.

على ما يبدو، هذا هو نوع الثقوب السوداء الموجودة في مراكز المجرات. على أية حال، يحصي علماء الفلك اليوم حوالي خمسين مجرة، في وسطها، وفقًا للأدلة غير المباشرة (الموضحة أدناه)، توجد ثقوب سوداء تبلغ كتلتها حوالي مليار (10 9) شمسيًا. من الواضح أيضًا أن مجرتنا تمتلك ثقبًا أسودًا خاصًا بها؛ تم تقدير كتلتها بدقة تامة - 2.4. 10 6 ±10% من كتلة الشمس.

وتشير النظرية إلى أنه إلى جانب هذه العمالقة الفائقة، يجب أن تنشأ أيضًا ثقوب صغيرة سوداء تبلغ كتلتها حوالي 1014 جم ونصف قطرها حوالي 10-12 سم (بحجم نواة الذرة). يمكن أن تظهر في اللحظات الأولى من وجود الكون كمظهر من مظاهر عدم التجانس القوي للغاية للزمكان مع كثافة طاقة هائلة. اليوم، يدرك الباحثون الظروف التي كانت موجودة في الكون في ذلك الوقت في المصادمات القوية (المسرعات التي تستخدم الحزم المتصادمة). أنتجت التجارب التي أجريت في CERN في وقت سابق من هذا العام بلازما كوارك غلوون، وهي مادة كانت موجودة قبل ظهور الجسيمات الأولية. ويستمر البحث في هذه الحالة من المادة في مركز بروكهافن الأمريكي للمسرعات. إنه قادر على تسريع الجسيمات إلى طاقات أعلى بمقدار واحد ونصف إلى درجتين من المسرع في
سيرن. أثارت التجربة القادمة قلقًا بالغًا: هل ستؤدي إلى إنشاء ثقب أسود صغير من شأنه أن يؤدي إلى ثني الفضاء الخاص بنا وتدمير الأرض؟

وقد ترددت أصداء هذا الخوف بقوة إلى الحد الذي اضطر حكومة الولايات المتحدة إلى تشكيل لجنة رسمية لدراسة هذا الاحتمال. وخلصت لجنة مكونة من باحثين بارزين إلى أن طاقة المسرع منخفضة جدًا بحيث لا يمكن أن ينشأ ثقب أسود (تم وصف هذه التجربة في مجلة Science and Life، العدد 3، 2000).

كيف ترى ما هو غير مرئي

لا تصدر الثقوب السوداء شيئًا، ولا حتى الضوء. ومع ذلك، تعلم علماء الفلك رؤيتهم، أو بالأحرى، العثور على "المرشحين" لهذا الدور. هناك ثلاث طرق للكشف عن الثقب الأسود.

1. من الضروري مراقبة دوران النجوم في مجموعات حول مركز ثقل معين. إذا اتضح أنه لا يوجد شيء في هذا المركز، ويبدو أن النجوم تدور حول مساحة فارغة، فيمكننا أن نقول بثقة تامة: في هذا "الفراغ" يوجد ثقب أسود. وعلى هذا الأساس تم افتراض وجود ثقب أسود في مركز مجرتنا وتم تقدير كتلته.

2. يمتص الثقب الأسود المادة إلى داخله من الفضاء المحيط به. يسقط الغبار والغاز والمواد بين النجوم من النجوم القريبة عليها في شكل حلزوني، مما يشكل ما يسمى بالقرص التراكمي، على غرار حلقة زحل. (هذه هي بالضبط الفزاعة في تجربة بروكهافن: سيبدأ ثقب أسود صغير ظهر في المسرع في امتصاص الأرض إلى داخلها، ولا يمكن إيقاف هذه العملية بأي قوة.) عند الاقتراب من مجال شوارزشيلد، تواجه الجسيمات تجربة التسارع والبدء في الانبعاث في نطاق الأشعة السينية. يمتلك هذا الإشعاع طيفًا مميزًا يشبه طيف الإشعاع المدروس جيدًا للجسيمات المتسارعة في السنكروترون. وإذا كان هذا الإشعاع يأتي من منطقة ما في الكون، فيمكننا القول بثقة أنه لا بد من وجود ثقب أسود هناك.

3. عندما يندمج ثقبان أسودان، يحدث إشعاع الجاذبية. وتشير الحسابات إلى أنه إذا كانت كتلة كل منهما حوالي عشرة أضعاف كتلة الشمس، فعند اندماجهما في غضون ساعات، سيتم إطلاق طاقة تعادل 1٪ من كتلتهما الإجمالية على شكل موجات جاذبية. وهذا يزيد بألف مرة عن الضوء والحرارة والطاقة الأخرى التي أطلقتها الشمس طوال فترة وجودها بالكامل - خمسة مليارات سنة. ويأملون في اكتشاف إشعاع الجاذبية بمساعدة مراصد موجات الجاذبية LIGO وغيرها، والتي يتم بناؤها الآن في أمريكا وأوروبا بمشاركة باحثين روس (انظر “العلم والحياة” رقم 5، 2000).

ومع ذلك، على الرغم من أن علماء الفلك ليس لديهم شك في وجود الثقوب السوداء، إلا أنه لا أحد يجرؤ على التأكيد بشكل قاطع أن واحدًا منها بالضبط يقع في نقطة معينة في الفضاء. تتطلب الأخلاقيات العلمية ونزاهة الباحث إجابة لا لبس فيها على السؤال المطروح، إجابة لا تتسامح مع التناقضات. لا يكفي تقدير كتلة الجسم غير المرئي، بل تحتاج إلى قياس نصف قطره وإظهار أنه لا يتجاوز نصف قطر شفارتزشيلد. وحتى داخل مجرتنا، هذه المشكلة ليست قابلة للحل بعد. ولهذا السبب يُظهر العلماء قدرًا معينًا من ضبط النفس في الإبلاغ عن اكتشافهم، وتمتلئ المجلات العلمية حرفيًا بتقارير العمل النظري وملاحظات التأثيرات التي يمكن أن تلقي الضوء على سرها.

ومع ذلك، فإن للثقوب السوداء خاصية أخرى، متوقعة نظريًا، والتي قد تجعل من الممكن رؤيتها. ولكن، بشرط واحد: يجب أن تكون كتلة الثقب الأسود أقل بكثير من كتلة الشمس.

الثقب الأسود يمكن أن يكون "أبيض" أيضًا

لفترة طويلة، اعتبرت الثقوب السوداء تجسيدا للظلام، وهي كائنات لا تنبعث منها أي شيء في الفراغ، في غياب امتصاص المادة. ومع ذلك، في عام 1974، أظهر المنظر الإنجليزي الشهير ستيفن هوكينج أنه يمكن تعيين درجة حرارة للثقوب السوداء، وبالتالي يجب أن تشع.

وفقا لمفاهيم ميكانيكا الكم، فإن الفراغ ليس فراغا، بل هو نوع من "رغوة الزمكان"، وهو مزيج من الجسيمات الافتراضية (غير القابلة للرصد في عالمنا). ومع ذلك، يمكن لتقلبات الطاقة الكمومية "إخراج" زوج من الجسيمات والجسيمات المضادة من الفراغ. على سبيل المثال، في اصطدام اثنين أو ثلاثة من كوانتا جاما، سيظهر الإلكترون والبوزيترون كما لو كانا من الهواء الرقيق. وقد لوحظت هذه الظواهر وما شابهها مرارا وتكرارا في المختبرات.

إن التقلبات الكمومية هي التي تحدد العمليات الإشعاعية للثقوب السوداء. إذا كان زوج من الجسيمات ذات الطاقات هو -E(إجمالي الطاقة للزوج صفر) يحدث بالقرب من مجال شوارزشيلد، وسيكون المصير الإضافي للجسيمات مختلفًا. يمكنهم الفناء على الفور تقريبًا أو الدخول تحت أفق الحدث معًا. وفي هذه الحالة لن تتغير حالة الثقب الأسود. ولكن إذا ذهب جسيم واحد فقط تحت الأفق، فسوف يسجل الراصد جسيمًا آخر، وسيبدو له أنه تم إنشاؤه بواسطة ثقب أسود. وفي الوقت نفسه، ثقب أسود يمتص جسيمًا بالطاقة -E، سوف يقلل من طاقتك، ومع الطاقة ه- سيزيد.

قام هوكينج بحساب المعدلات التي تحدث بها كل هذه العمليات وتوصل إلى الاستنتاج التالي: احتمال امتصاص الجسيمات ذات الطاقة السلبية أعلى. وهذا يعني أن الثقب الأسود يفقد الطاقة والكتلة ويتبخر. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يشع كجسم أسود بالكامل مع درجة حرارة ت = 6 . 10 -8 ممع / مكلفن، حيث مج - كتلة الشمس (2.10 ـ 33 جم)، م- كتلة الثقب الأسود . توضح هذه العلاقة البسيطة أن درجة حرارة الثقب الأسود الذي تبلغ كتلته ستة أضعاف كتلة الشمس تساوي جزءًا من مائة مليون من الدرجة. من الواضح أن مثل هذا الجسم البارد لا ينبعث منه أي شيء تقريبًا، ويظل كل المنطق المذكور أعلاه صالحًا. الثقوب الصغيرة هي مسألة أخرى. من السهل أن نرى أنه بكتلة 10 14 -10 30 جرامًا يتم تسخينها إلى عشرات الآلاف من الدرجات وتكون بيضاء اللون! ومع ذلك، تجدر الإشارة على الفور إلى أنه لا توجد تناقضات مع خصائص الثقوب السوداء: ينبعث هذا الإشعاع من طبقة فوق مجال شوارزشيلد، وليس تحتها.

لذا، فإن الثقب الأسود، الذي بدا وكأنه جسم متجمد إلى الأبد، يختفي عاجلاً أم آجلاً، ويتبخر. علاوة على ذلك، عندما "تفقد الوزن"، يزداد معدل التبخر، لكنه لا يزال يستغرق وقتًا طويلاً للغاية. تشير التقديرات إلى أن الثقوب الصغيرة التي تزن 10 14 جرامًا، والتي ظهرت مباشرة بعد الانفجار الكبير قبل 10-15 مليار سنة، يجب أن تتبخر تمامًا بحلول عصرنا. في المرحلة الأخيرة من الحياة، تصل درجة حرارتها إلى قيم هائلة، لذلك يجب أن تكون منتجات التبخر جزيئات ذات طاقة عالية للغاية. ولعلها هي التي تولد زخات هوائية واسعة النطاق في الغلاف الجوي للأرض – EAS. على أية حال، فإن أصل الجسيمات ذات الطاقة العالية بشكل غير طبيعي هو مشكلة أخرى مهمة ومثيرة للاهتمام يمكن أن ترتبط ارتباطًا وثيقًا بمسائل لا تقل إثارة في فيزياء الثقوب السوداء.

« يمكن أن يكون الخيال العلمي مفيدًا، فهو يحفز الخيال ويخفف الخوف من المستقبل. ومع ذلك، فإن الحقائق العلمية يمكن أن تكون أكثر إثارة للدهشة. لم يتخيل الخيال العلمي أبدًا وجود أشياء مثل الثقوب السوداء»
ستيفن هوكينج

في أعماق الكون أسرار وأسرار لا تعد ولا تحصى مخفية للإنسان. إحداها هي الثقوب السوداء، وهي أشياء لا تستطيع حتى أعظم العقول البشرية فهمها. ويحاول المئات من علماء الفيزياء الفلكية الكشف عن طبيعة الثقوب السوداء، لكننا في هذه المرحلة لم نثبت حتى وجودها عمليا.

يخصص مخرجو الأفلام أفلامهم لهم، وأصبحت الثقوب السوداء بين الناس العاديين ظاهرة عبادة لدرجة أنها تم تحديدها بنهاية العالم والموت الحتمي. إنهم مخيفون ومكروهون، ولكن في نفس الوقت يتم تعبدهم وعبادتهم من قبل المجهول الذي تخفيه هذه الأجزاء الغريبة من الكون داخل نفسها. أوافق على أن ابتلاع الثقب الأسود هو أمر رومانسي. بمساعدتهم، يكون ذلك ممكنًا، ويمكنهم أيضًا أن يصبحوا مرشدين لنا.

غالبًا ما تتكهن الصحافة الصفراء بشعبية الثقوب السوداء. إن العثور على عناوين رئيسية في الصحف تتعلق بنهاية العالم بسبب اصطدام آخر بثقب أسود هائل لا يمثل مشكلة. والأسوأ من ذلك بكثير هو أن الجزء الأمي من السكان يأخذ كل شيء على محمل الجد ويثير ذعرًا حقيقيًا. ولإضفاء بعض الوضوح، سنذهب في رحلة إلى أصول اكتشاف الثقوب السوداء ونحاول فهم ماهيتها وكيفية علاجها.

نجوم غير مرئية

لقد حدث أن وصف الفيزيائيون المعاصرون بنية كوننا باستخدام النظرية النسبية، التي قدمها أينشتاين بعناية للبشرية في بداية القرن العشرين. وتصبح الثقوب السوداء أكثر غموضا، حيث تتوقف في أفق الحدث جميع قوانين الفيزياء المعروفة لنا، بما في ذلك نظرية أينشتاين، عن التطبيق. أليس هذا رائعا؟ بالإضافة إلى ذلك، تم التعبير عن التخمين حول وجود الثقوب السوداء قبل وقت طويل من ولادة أينشتاين نفسه.

في عام 1783 كانت هناك زيادة كبيرة في النشاط العلمي في إنجلترا. في تلك الأيام، كان العلم يسير جنبًا إلى جنب مع الدين، وكانا ينسجمان معًا بشكل جيد، ولم يعد العلماء يعتبرون زنادقة. علاوة على ذلك، شارك الكهنة في البحث العلمي. كان أحد خدام الله هؤلاء هو القس الإنجليزي جون ميشيل، الذي تساءل ليس فقط عن أسئلة الوجود، ولكن أيضًا عن المشكلات العلمية تمامًا. كان ميشيل عالما عنوانا للغاية: في البداية كان مدرسا للرياضيات واللغويات القديمة في إحدى الكليات، وبعد ذلك تم قبوله في الجمعية الملكية في لندن لعدد من الاكتشافات.

درس جون ميشيل علم الزلازل، لكنه كان يحب في أوقات فراغه التفكير في الأبدية والكون. هذه هي الطريقة التي توصل بها إلى فكرة أنه في مكان ما في أعماق الكون يمكن أن تكون هناك أجسام فائقة الكتلة ذات جاذبية قوية لدرجة أنه من أجل التغلب على قوة الجاذبية لمثل هذا الجسم، من الضروري التحرك بسرعة مساوية أو أعلى. من سرعة الضوء. إذا قبلنا مثل هذه النظرية على أنها صحيحة، فلن يتمكن حتى الضوء من تطوير سرعة كونية ثانية (السرعة اللازمة للتغلب على جاذبية الجسم المغادر)، لذلك سيبقى مثل هذا الجسم غير مرئي للعين المجردة.

أطلق ميشيل على نظريته الجديدة اسم "النجوم المظلمة"، وفي الوقت نفسه حاول حساب كتلة هذه الأجسام. وأعرب عن أفكاره بشأن هذه المسألة في رسالة مفتوحة إلى الجمعية الملكية في لندن. لسوء الحظ، في تلك الأيام، لم تكن مثل هذه الأبحاث ذات قيمة خاصة للعلوم، لذلك تم إرسال رسالة ميشيل إلى الأرشيف. وبعد مائتي عام فقط، في النصف الثاني من القرن العشرين، تم اكتشافه من بين آلاف السجلات الأخرى المخزنة بعناية في المكتبة القديمة.

أول دليل علمي على وجود الثقوب السوداء

بعد نشر النظرية النسبية العامة لأينشتاين، بدأ علماء الرياضيات والفيزياء جديًا في حل المعادلات التي قدمها العالم الألماني، والتي كان من المفترض أن تخبرنا بالكثير من الأشياء الجديدة حول بنية الكون. قرر عالم الفلك والفيزيائي الألماني كارل شوارزشيلد أن يفعل الشيء نفسه في عام 1916.

توصل العالم باستخدام حساباته إلى استنتاج مفاده أن وجود الثقوب السوداء ممكن. كما كان أول من وصف ما سمي فيما بعد بالعبارة الرومانسية "أفق الحدث" - الحدود الخيالية للزمكان عند الثقب الأسود، وبعد عبورها توجد نقطة اللاعودة. لن يهرب أي شيء من أفق الحدث، ولا حتى الضوء. ما وراء أفق الحدث يحدث ما يسمى بـ "التفرد"، حيث تتوقف قوانين الفيزياء المعروفة لدينا عن التطبيق.

من خلال الاستمرار في تطوير نظريته وحل المعادلات، اكتشف شوارزشيلد أسرارًا جديدة للثقوب السوداء لنفسه وللعالم. وهكذا تمكن، على الورق فقط، من حساب المسافة من مركز الثقب الأسود، حيث تتركز كتلته، إلى أفق الحدث. أطلق شوارزشيلد على هذه المسافة اسم نصف قطر الجاذبية.

على الرغم من حقيقة أن حلول شوارزشيلد من الناحية الرياضية كانت صحيحة للغاية ولا يمكن دحضها، إلا أن المجتمع العلمي في أوائل القرن العشرين لم يتمكن من قبول مثل هذا الاكتشاف الصادم على الفور، وتم شطب وجود الثقوب السوداء باعتباره خيالًا ظهر كل يوم. بين الحين والآخر في النظرية النسبية. على مدى العقد ونصف العقد التاليين، كان استكشاف الفضاء لوجود الثقوب السوداء بطيئًا، ولم يشارك فيه سوى عدد قليل من أتباع نظرية الفيزيائي الألماني.

النجوم تلد الظلام

بعد أن تم فرز معادلات أينشتاين إلى أجزاء، حان الوقت لاستخدام الاستنتاجات المستخلصة لفهم بنية الكون. على وجه الخصوص، في نظرية التطور النجمي. ليس سرا أنه في عالمنا لا شيء يدوم إلى الأبد. حتى النجوم لها دورة حياتها الخاصة، وإن كانت أطول من دورة حياة الإنسان.

كان أحد العلماء الأوائل الذين أبدوا اهتمامًا جديًا بتطور النجوم هو عالم الفيزياء الفلكية الشاب سوبرامانيان شاندراسيخار، وهو مواطن هندي. وفي عام 1930، نشر عملاً علميًا وصف فيه البنية الداخلية المفترضة للنجوم، بالإضافة إلى دورات حياتها.

بالفعل في بداية القرن العشرين، خمن العلماء حول ظاهرة مثل ضغط الجاذبية (انهيار الجاذبية). في مرحلة معينة من حياته، يبدأ النجم بالانكماش بسرعة هائلة تحت تأثير قوى الجاذبية. كقاعدة عامة، يحدث هذا في لحظة وفاة النجم، ولكن أثناء انهيار الجاذبية هناك عدة طرق لاستمرار وجود كرة ساخنة.

افترض المستشار العلمي لشاندراسيخار، رالف فاولر، وهو فيزيائي نظري محترم في عصره، أنه أثناء انهيار الجاذبية يتحول أي نجم إلى نجم أصغر وأكثر سخونة - قزم أبيض. لكن تبين أن الطالب «أبطل» نظرية المعلم التي كان يتبناها معظم علماء الفيزياء في بداية القرن الماضي. وفقا لعمل شاب هندي، فإن زوال النجم يعتمد على كتلته الأولية. على سبيل المثال، فقط تلك النجوم التي لا تتجاوز كتلتها 1.44 مرة كتلة الشمس يمكن أن تصبح أقزامًا بيضاء. كان هذا الرقم يسمى حد شاندراسيخار. إذا تجاوزت كتلة النجم هذا الحد، فإنه يموت بطريقة مختلفة تماما. في ظل ظروف معينة، يمكن أن يولد مثل هذا النجم في لحظة الموت من جديد إلى نجم نيوتروني جديد - وهو لغز آخر للكون الحديث. تخبرنا النظرية النسبية بخيار آخر، وهو ضغط النجم إلى قيم صغيرة للغاية، وهنا تبدأ المتعة.

في عام 1932، ظهر مقال في إحدى المجلات العلمية، حيث اقترح الفيزيائي اللامع من اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ليف لانداو أنه أثناء الانهيار يتم ضغط نجم فائق الكتلة إلى نقطة ذات نصف قطر متناهية الصغر وكتلة لا نهائية. على الرغم من صعوبة تخيل مثل هذا الحدث من وجهة نظر شخص غير مستعد، إلا أن لانداو لم يكن بعيدًا عن الحقيقة. واقترح الفيزيائي أيضًا أنه وفقًا للنظرية النسبية، ستكون الجاذبية عند هذه النقطة كبيرة جدًا لدرجة أنها ستبدأ في تشويه الزمكان.

أحب علماء الفيزياء الفلكية نظرية لانداو، واستمروا في تطويرها. في عام 1939، في أمريكا، وبفضل جهود اثنين من الفيزيائيين - روبرت أوبنهايمر وهارتلاند سنايدر - ظهرت نظرية تصف بالتفصيل النجم الهائل وقت الانهيار. ونتيجة لهذا الحدث، كان من المفترض أن يظهر ثقب أسود حقيقي. وعلى الرغم من إقناع الحجج، استمر العلماء في إنكار إمكانية وجود مثل هذه الأجسام، وكذلك تحول النجوم إليها. حتى أينشتاين نأى بنفسه عن هذه الفكرة، معتقدًا أن النجم غير قادر على مثل هذه التحولات الهائلة. ولم يبخل فيزيائيون آخرون في تصريحاتهم، ووصفوا احتمال وقوع مثل هذه الأحداث بأنه أمر مثير للسخرية.
ومع ذلك، فإن العلم يصل دائمًا إلى الحقيقة، ما عليك سوى الانتظار قليلاً. وهكذا حدث.

ألمع الأجسام في الكون

عالمنا عبارة عن مجموعة من المفارقات. أحياناً تتعايش فيه أشياء، تعايشها يتحدى أي منطق. على سبيل المثال، لن يرتبط مصطلح "الثقب الأسود" من قبل شخص عادي بعبارة "مشرق بشكل لا يصدق"، ولكن الاكتشاف في أوائل الستينيات من القرن الماضي سمح للعلماء باعتبار هذا البيان غير صحيح.

وبمساعدة التلسكوبات، تمكن علماء الفيزياء الفلكية من اكتشاف أجسام غير معروفة حتى الآن في السماء المرصعة بالنجوم، والتي تتصرف بشكل غريب للغاية على الرغم من أنها تبدو وكأنها نجوم عادية. أثناء دراسة هذه النجوم الغريبة، لفت العالم الأمريكي مارتن شميدت الانتباه إلى تحليلها الطيفي، الذي أظهرت بياناته نتائج مختلفة عن مسح النجوم الأخرى. ببساطة، هؤلاء النجوم لم يكونوا مثل الآخرين الذين اعتدنا عليهم.

وفجأة بزغ فجر شميدت، ولاحظ تحولا في الطيف في النطاق الأحمر. اتضح أن هذه الأشياء أبعد بكثير عنا من النجوم التي اعتدنا على مراقبتها في السماء. على سبيل المثال، كان الجسم الذي لاحظه شميدت يقع على بعد مليارين ونصف مليار سنة ضوئية من كوكبنا، ولكنه كان يلمع بسطوع نجم يبعد عنا حوالي مائة سنة ضوئية. وتبين أن الضوء المنبعث من أحد هذه الأجسام يمكن مقارنته بسطوع مجرة ​​بأكملها. وكان هذا الاكتشاف طفرة حقيقية في الفيزياء الفلكية. أطلق العالم على هذه الأجسام اسم "شبه نجمي" أو ببساطة "كوازار".

واصل مارتن شميدت دراسة الأجسام الجديدة ووجد أن مثل هذا التوهج الساطع لا يمكن أن يحدث إلا لسبب واحد - وهو التراكم. التراكم هو عملية امتصاص المادة المحيطة بواسطة جسم فائق الكتلة باستخدام الجاذبية. توصل العالم إلى استنتاج مفاده أنه يوجد في مركز النجوم الزائفة ثقب أسود ضخم يجذب المادة المحيطة به إلى الفضاء بقوة لا تصدق. عندما يمتص الثقب المادة، تتسارع الجسيمات إلى سرعات هائلة وتبدأ في التوهج. يسمى نوع من القبة المضيئة حول الثقب الأسود بالقرص التراكمي. وقد تم توضيح تصوره جيدًا في فيلم "Interstellar" للمخرج كريستوفر نولان، والذي أثار العديد من الأسئلة: "كيف يمكن للثقب الأسود أن يتوهج؟"

حتى الآن، وجد العلماء بالفعل الآلاف من النجوم الزائفة في السماء المرصعة بالنجوم. تسمى هذه الأجسام الغريبة والمشرقة بشكل لا يصدق منارات الكون. إنها تسمح لنا بتخيل بنية الكون بشكل أفضل قليلاً والاقتراب من اللحظة التي بدأ منها كل شيء.

على الرغم من أن علماء الفيزياء الفلكية كانوا يتلقون أدلة غير مباشرة لسنوات عديدة على وجود أجسام غير مرئية فائقة الكتلة في الكون، إلا أن مصطلح "الثقب الأسود" لم يكن موجودًا حتى عام 1967. ولتجنب الأسماء المعقدة، اقترح الفيزيائي الأمريكي جون أرشيبالد ويلر تسمية مثل هذه الأجسام بـ "الثقوب السوداء". ولم لا؟ إلى حد ما هم أسود، لأننا لا نستطيع رؤيتهم. علاوة على ذلك، فهي تجذب كل شيء، ويمكنك الوقوع فيها، تمامًا كما هو الحال في حفرة حقيقية. ووفقا لقوانين الفيزياء الحديثة، فإن الخروج من هذا المكان أمر مستحيل بكل بساطة. ومع ذلك، يدعي ستيفن هوكينج أنه عند السفر عبر الثقب الأسود، يمكنك الوصول إلى كون آخر، عالم آخر، وهذا هو الأمل.

الخوف من اللانهاية

وبسبب الغموض المفرط وإضفاء الطابع الرومانسي على الثقوب السوداء، أصبحت هذه الأشياء قصة رعب حقيقية بين الناس. تحب الصحافة الشعبية التكهن بأمية السكان، وتنشر قصصًا مذهلة حول كيفية تحرك ثقب أسود ضخم نحو أرضنا، والذي سوف يلتهم النظام الشمسي في غضون ساعات، أو ببساطة ينبعث منه موجات من الغاز السام نحو كوكبنا .

يحظى موضوع تدمير الكوكب بمساعدة مصادم الهادرونات الكبير، الذي تم بناؤه في أوروبا عام 2006 على أراضي المجلس الأوروبي للأبحاث النووية (CERN)، بشعبية خاصة. بدأت موجة الذعر كنكتة غبية من شخص ما، لكنها نمت مثل كرة الثلج. أطلق أحدهم شائعة مفادها أنه يمكن أن يتشكل ثقب أسود في مسرع الجسيمات في المصادم، مما قد يبتلع كوكبنا بالكامل. بالطبع، بدأ الأشخاص الساخطون في المطالبة بحظر التجارب في LHC، خوفا من نتيجة الأحداث هذه. وبدأت المحكمة الأوروبية في تلقي دعاوى قضائية تطالب بإغلاق المصادم ومعاقبة العلماء الذين صنعوه إلى أقصى حد يسمح به القانون.

في الواقع، لا ينكر الفيزيائيون أنه عندما تصطدم الجسيمات في مصادم الهادرونات الكبير، يمكن أن تنشأ أجسام مشابهة في خصائصها للثقوب السوداء، لكن حجمها يكون على مستوى حجم الجسيمات الأولية، وتوجد مثل هذه "الثقوب" لمثل هذا وقت قصير لدرجة أننا لا نستطيع حتى تسجيل حدوثها.

أحد الخبراء الرئيسيين الذين يحاولون تبديد موجة الجهل أمام الناس هو ستيفن هوكينج، عالم الفيزياء النظرية الشهير، والذي يعتبر أيضًا "معلمًا" حقيقيًا فيما يتعلق بالثقوب السوداء. وأثبت هوكينج أن الثقوب السوداء لا تمتص دائمًا الضوء الذي يظهر في الأقراص التراكمية، كما أن بعضًا منه ينتشر في الفضاء. هذه الظاهرة كانت تسمى إشعاع هوكينج، أو تبخر الثقب الأسود. كما أنشأ هوكينج علاقة بين حجم الثقب الأسود ومعدل "تبخره" - فكلما كان أصغر، قل الوقت الذي يتواجد فيه. وهذا يعني أن جميع معارضي مصادم الهادرونات الكبير لا ينبغي أن يقلقوا: فالثقوب السوداء الموجودة فيه لن تكون قادرة على البقاء ولو لجزء من المليون من الثانية.

نظرية لم تثبت في الممارسة العملية

ولسوء الحظ، فإن التكنولوجيا البشرية في هذه المرحلة من التطور لا تسمح لنا باختبار معظم النظريات التي طورها علماء الفيزياء الفلكية وغيرهم من العلماء. فمن ناحية، تم إثبات وجود الثقوب السوداء بشكل مقنع تمامًا على الورق، وتم استخلاصه باستخدام صيغ يتناسب فيها كل شيء مع كل متغير. من ناحية أخرى، من الناحية العملية، لم نتمكن بعد من رؤية ثقب أسود حقيقي بأعيننا.

ورغم كل الخلافات، يقترح الفيزيائيون أنه يوجد في وسط كل مجرة ​​ثقب أسود هائل، يجمع النجوم في مجموعات بجاذبيتها ويجبرها على السفر حول الكون في صحبة كبيرة وودية. يوجد في مجرتنا درب التبانة، وفقًا لتقديرات مختلفة، ما بين 200 إلى 400 مليار نجم. تدور كل هذه النجوم حول شيء له كتلة هائلة، وهو شيء لا يمكننا رؤيته بالتلسكوب. وهو على الأرجح ثقب أسود. هل يجب أن نخاف منها؟ - لا، على الأقل ليس في المليارات القليلة القادمة من السنين، ولكن يمكننا أن نصنع فيلمًا آخر مثيرًا للاهتمام حول هذا الموضوع.

نظرا للنمو الحديث نسبيا في الاهتمام بإنشاء أفلام علمية شعبية حول موضوع استكشاف الفضاء، فقد سمع المشاهدون الحديثون الكثير عن ظواهر مثل التفرد أو الثقب الأسود. ومع ذلك، من الواضح أن الأفلام لا تكشف الطبيعة الكاملة لهذه الظواهر، بل إنها في بعض الأحيان تشوه النظريات العلمية المبنية لتحقيق تأثير أكبر. لهذا السبب، فإن فهم العديد من الأشخاص المعاصرين حول هذه الظواهر إما سطحي تمامًا أو خاطئ تمامًا. أحد الحلول للمشكلة التي نشأت هو هذا المقال الذي سنحاول فيه فهم نتائج الأبحاث الحالية والإجابة على السؤال - ما هو الثقب الأسود؟

في عام 1784، ذكر الكاهن الإنجليزي وعالم الطبيعة جون ميشيل لأول مرة في رسالة إلى الجمعية الملكية جسمًا افتراضيًا ضخمًا يتمتع بجاذبية قوية لدرجة أن سرعة الهروب الثانية ستتجاوز سرعة الضوء. سرعة الهروب الثانية هي السرعة التي سيحتاجها جسم صغير نسبيًا للتغلب على جاذبية جسم سماوي وتجاوز المدار المغلق حول هذا الجسم. ووفقا لحساباته، فإن الجسم الذي تبلغ كثافته كثافة الشمس ونصف قطره 500 نصف قطر شمسي، ستكون له سرعة كونية ثانية على سطحه تساوي سرعة الضوء. في هذه الحالة، حتى الضوء لن يترك سطح مثل هذا الجسم، وبالتالي فإن هذا الجسم سوف يمتص الضوء الوارد فقط وسيبقى غير مرئي للمراقب - نوع من البقعة السوداء على خلفية الفضاء المظلم.

ومع ذلك، فإن مفهوم ميشيل عن الجسم فائق الكتلة لم يجذب الكثير من الاهتمام حتى ظهور عمل أينشتاين. لنتذكر أن الأخير حدد سرعة الضوء بأنها السرعة القصوى لنقل المعلومات. بالإضافة إلى ذلك، وسع أينشتاين نظرية الجاذبية إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء (). ونتيجة لذلك، لم يعد من المناسب تطبيق نظرية نيوتن على الثقوب السوداء.

معادلة أينشتاين

نتيجة لتطبيق النسبية العامة على الثقوب السوداء وحل معادلات أينشتاين، تم تحديد المعالم الرئيسية للثقب الأسود، والتي لا يوجد منها سوى ثلاثة: الكتلة والشحنة الكهربائية والزخم الزاوي. ومن الجدير بالذكر المساهمة الكبيرة التي قدمها عالم الفيزياء الفلكية الهندي سوبرامانيان شاندراسيخار، الذي أنشأ الدراسة الأساسية: "النظرية الرياضية للثقوب السوداء".

وهكذا، فإن حل معادلات أينشتاين معروض في أربعة خيارات لأربعة أنواع محتملة من الثقوب السوداء:

• BH بدون دوران وبدون شحن – حل شوارزشيلد. أحد الأوصاف الأولى للثقب الأسود (1916) باستخدام معادلات أينشتاين، ولكن دون الأخذ في الاعتبار اثنين من معلمات الجسم الثلاثة. يسمح حل الفيزيائي الألماني كارل شوارزشيلد بحساب مجال الجاذبية الخارجية لجسم كروي ضخم. خصوصية مفهوم الثقوب السوداء للعالم الألماني هو وجود أفق الحدث والاختباء خلفه. كان شوارزشيلد أيضًا أول من قام بحساب نصف قطر الجاذبية، والذي حصل على اسمه، والذي يحدد نصف قطر الكرة التي يقع عليها أفق الحدث لجسم له كتلة معينة.
• BH بدون دوران مع الشحن – محلول رايزنر-نوردستروم. تم طرح حل في 1916-1918، مع الأخذ بعين الاعتبار الشحنة الكهربائية المحتملة للثقب الأسود. لا يمكن أن تكون هذه الشحنة كبيرة بشكل تعسفي وتكون محدودة بسبب التنافر الكهربائي الناتج. يجب تعويض هذا الأخير عن طريق الجاذبية.
• BH مع دوران وبدون شحن – حل كير (1963). يختلف ثقب كير الأسود الدوار عن الثقب الساكن بوجود ما يسمى بالإرغوسفير (اقرأ المزيد عن هذا وعن المكونات الأخرى للثقب الأسود).
• BH مع الدوران والشحن - حل كير-نيومان. تم حساب هذا الحل في عام 1965 وهو حاليًا الأكثر اكتمالًا، لأنه يأخذ في الاعتبار جميع المعلمات الثلاثة للثقب الأسود. ومع ذلك، لا يزال من المفترض أن الثقوب السوداء لها شحنة ضئيلة في الطبيعة.

تشكيل الثقب الأسود

هناك عدة نظريات حول كيفية تشكل الثقب الأسود وظهوره، أشهرها أنه ينشأ نتيجة انهيار جاذبية نجم له كتلة كافية. مثل هذا الضغط يمكن أن ينهي تطور النجوم التي تزيد كتلتها عن ثلاث كتل شمسية. عند الانتهاء من التفاعلات النووية الحرارية داخل هذه النجوم، فإنها تبدأ في الضغط بسرعة لتشكل نجومًا فائقة الكثافة. إذا كان ضغط الغاز للنجم النيوتروني لا يستطيع تعويض قوى الجاذبية، أي أن كتلة النجم تتغلب على ما يسمى. أوبنهايمر-فولكوف، ثم يستمر الانهيار، مما يؤدي إلى ضغط المادة في ثقب أسود.

السيناريو الثاني الذي يصف ولادة الثقب الأسود هو ضغط الغاز البدائي المجري، أي الغاز بين النجوم في مرحلة التحول إلى مجرة ​​أو نوع من العنقود. إذا لم يكن هناك ضغط داخلي كاف للتعويض عن نفس قوى الجاذبية، فقد ينشأ ثقب أسود.

هناك سيناريوهان آخران لا يزالان افتراضيين:

• حدوث ثقب أسود نتيجة لما يسمى الثقوب السوداء البدائية.
• تحدث نتيجة للتفاعلات النووية التي تحدث عند طاقات عالية. مثال على مثل هذه التفاعلات هو التجارب في المصادمات.

هيكل وفيزياء الثقوب السوداء

تشتمل بنية الثقب الأسود وفقًا لشوارزشيلد على عنصرين فقط تم ذكرهما سابقًا: التفرد وأفق الحدث للثقب الأسود. وبالحديث باختصار عن المتفردة، يمكن ملاحظة أنه من المستحيل رسم خط مستقيم من خلالها، وأيضاً أن معظم النظريات الفيزيائية الموجودة لا تعمل بداخلها. وهكذا تظل فيزياء التفرد لغزًا غامضًا للعلماء اليوم. الثقب الأسود هو حد معين، يفقد الجسم المادي عند عبوره فرصة العودة إلى ما هو أبعد من حدوده وسوف "يقع" بالتأكيد في تفرد الثقب الأسود.

تصبح بنية الثقب الأسود أكثر تعقيدًا إلى حد ما في حالة حل كير، أي في وجود دوران الثقب الأسود. يفترض حل كير أن الثقب له غلاف إرغوسفيري. إن الإرغوسفير هي منطقة معينة تقع خارج أفق الحدث، حيث تتحرك جميع الأجسام بداخلها في اتجاه دوران الثقب الأسود. هذه المنطقة ليست مثيرة بعد، ومن الممكن تركها، على عكس أفق الحدث. من المحتمل أن يكون الإرغوسفير نوعًا من التناظرية للقرص التراكمي، الذي يمثل المادة الدوارة حول الأجسام الضخمة. إذا تم تمثيل ثقب شوارزشيلد الأسود الثابت على شكل كرة سوداء، فإن ثقب كيري الأسود، بسبب وجود الغلاف الإرجوسي، له شكل إهليلجي مفلطح، والذي غالبًا ما رأينا في شكله ثقوبًا سوداء في الرسومات، في العصور القديمة الأفلام أو ألعاب الفيديو.

• كم يبلغ وزن الثقب الأسود؟ - أكثر المواد النظرية حول نشوء الثقب الأسود متوفرة لسيناريو ظهوره نتيجة انهيار نجم. في هذه الحالة، يتم تحديد الكتلة القصوى للنجم النيوتروني والحد الأدنى لكتلة الثقب الأسود بواسطة حد أوبنهايمر - فولكوف، والذي بموجبه يكون الحد الأدنى لكتلة الثقب الأسود 2.5 - 3 كتلة شمسية. أثقل ثقب أسود تم اكتشافه (في المجرة NGC 4889) تبلغ كتلته 21 مليار كتلة شمسية. ومع ذلك، لا ينبغي لنا أن ننسى الثقوب السوداء التي تنشأ افتراضيًا نتيجة للتفاعلات النووية ذات الطاقات العالية، مثل تلك الموجودة في المصادمات. كتلة هذه الثقوب السوداء الكمومية، أو بعبارة أخرى "ثقوب بلانك السوداء"، هي في حدود 2.10−5 جم.
• حجم الثقب الأسود. يمكن حساب الحد الأدنى لنصف قطر الثقب الأسود من الحد الأدنى للكتلة (2.5 - 3 كتلة شمسية). إذا كان نصف قطر جاذبية الشمس، أي المنطقة التي يقع فيها أفق الحدث، حوالي 2.95 كيلومترًا، فإن الحد الأدنى لنصف قطر الثقب الأسود الذي تبلغ كتلته 3 كتل شمسية سيكون حوالي تسعة كيلومترات. يصعب فهم هذه الأحجام الصغيرة نسبيًا عندما نتحدث عن أجسام ضخمة تجذب كل شيء من حولها. ومع ذلك، بالنسبة للثقوب السوداء الكمومية، يبلغ نصف القطر 10 −35 مترًا.
• يعتمد متوسط ​​كثافة الثقب الأسود على عاملين: الكتلة ونصف القطر. وتبلغ كثافة الثقب الأسود الذي تبلغ كتلته نحو ثلاثة أضعاف كتلة الشمس حوالي 61026 كجم/م3، بينما تبلغ كثافة الماء 1000 كجم/م3. ومع ذلك، لم يتم العثور على مثل هذه الثقوب السوداء الصغيرة من قبل العلماء. تمتلك معظم الثقوب السوداء المكتشفة كتلة أكبر من 105 كتلة شمسية. هناك نمط مثير للاهتمام مفاده أنه كلما زاد حجم الثقب الأسود، انخفضت كثافته. في هذه الحالة، فإن التغير في الكتلة بمقدار 11 مرة من حيث الحجم يستلزم تغيرًا في الكثافة بمقدار 22 مرة من حيث الحجم. وبالتالي، فإن الثقب الأسود الذي تبلغ كتلته 1·10 9 كتلة شمسية تبلغ كثافته 18.5 كجم/م³، وهو أقل بواحدة من كثافة الذهب. والثقوب السوداء التي تزيد كتلتها عن 1010 كتلة شمسية يمكن أن يكون متوسط ​​كثافتها أقل من كثافة الهواء. وبناء على هذه الحسابات، فمن المنطقي أن نفترض أن تكوين الثقب الأسود لا يحدث بسبب ضغط المادة، ولكن نتيجة لتراكم كمية كبيرة من المادة في حجم معين. في حالة الثقوب السوداء الكمومية، يمكن أن تبلغ كثافتها حوالي 1094 كجم/م3.
• وتعتمد درجة حرارة الثقب الأسود أيضًا بشكل عكسي على كتلته. ترتبط درجة الحرارة هذه ارتباطًا مباشرًا بـ. يتزامن طيف هذا الإشعاع مع طيف الجسم الأسود تماما، أي الجسم الذي يمتص كل الإشعاع الساقط. ويعتمد الطيف الإشعاعي لجسم أسود تمامًا على درجة حرارته فقط، ومن ثم يمكن تحديد درجة حرارة الثقب الأسود من خلال طيف إشعاع هوكينج. وكما ذكرنا أعلاه فإن هذا الإشعاع يكون أقوى كلما صغر حجم الثقب الأسود. وفي الوقت نفسه، يظل إشعاع هوكينج افتراضيًا، حيث لم يتم ملاحظته بعد من قبل علماء الفلك. ويترتب على ذلك أنه في حالة وجود إشعاع هوكينج، فإن درجة حرارة الثقوب السوداء المرصودة منخفضة للغاية بحيث لا تسمح باكتشاف هذا الإشعاع. وفقًا للحسابات، حتى درجة حرارة الثقب الذي تعادل كتلته كتلة الشمس تكون صغيرة بشكل لا يذكر (1·10 -7 كلفن أو -272 درجة مئوية). يمكن أن تصل درجة حرارة الثقوب السوداء الكمومية إلى حوالي 10 12 كلفن، ومع تبخرها السريع (حوالي 1.5 دقيقة)، يمكن لمثل هذه الثقوب السوداء أن تبعث طاقة حوالي عشرة ملايين قنبلة ذرية. لكن لحسن الحظ، فإن إنشاء مثل هذه الأجسام الافتراضية سيتطلب طاقة أكبر بـ 10 14 مرة من تلك التي يتم تحقيقها اليوم في مصادم الهادرونات الكبير. بالإضافة إلى ذلك، لم يتم ملاحظة مثل هذه الظواهر من قبل علماء الفلك.

مما يتكون الثقب الأسود؟

سؤال آخر يقلق العلماء والمهتمين ببساطة بالفيزياء الفلكية - مما يتكون الثقب الأسود؟ لا توجد إجابة واضحة على هذا السؤال، إذ لا يمكن النظر إلى ما هو أبعد من أفق الحدث المحيط بأي ثقب أسود. بالإضافة إلى ذلك، كما ذكرنا سابقًا، توفر النماذج النظرية للثقب الأسود ثلاثة فقط من مكوناته: الإرغوسفير، وأفق الحدث، والتفرد. من المنطقي أن نفترض أنه لا يوجد في الغلاف الجوي سوى تلك الأشياء التي انجذبت إلى الثقب الأسود والتي تدور حوله الآن - أنواع مختلفة من الأجسام الكونية والغازات الكونية. إن أفق الحدث ليس سوى حدود ضمنية رفيعة، تنجذب بعدها نفس الأجسام الكونية بشكل لا رجعة فيه نحو العنصر الرئيسي الأخير في الثقب الأسود - المتفردة. لم تتم دراسة طبيعة التفرد اليوم ومن السابق لأوانه الحديث عن تكوينه.

ووفقا لبعض الافتراضات، قد يتكون الثقب الأسود من النيوترونات. إذا اتبعنا سيناريو حدوث ثقب أسود نتيجة انضغاط نجم إلى نجم نيوتروني مع انضغاطه اللاحق، فمن المحتمل أن الجزء الرئيسي من الثقب الأسود يتكون من نيوترونات، منها النجم النيوتروني نفسه. مكون. بعبارات بسيطة: عندما ينهار نجم، يتم ضغط ذراته بطريقة تتحد فيها الإلكترونات مع البروتونات، وبالتالي تشكل النيوترونات. يحدث تفاعل مماثل بالفعل في الطبيعة، ومع تكوين النيوترون، يحدث إشعاع النيوترينو. ومع ذلك، هذه مجرد افتراضات.

ماذا يحدث لو سقطت في الثقب الأسود؟

يؤدي السقوط في ثقب أسود فيزيائي فلكي إلى تمدد الجسم. خذ على سبيل المثال رائد فضاء انتحاري افتراضي يتجه نحو ثقب أسود مرتديًا بدلة فضائية فقط، وقدميه أولاً. عند عبور أفق الحدث، لن يلاحظ رائد الفضاء أي تغييرات، على الرغم من أنه لم تعد لديه الفرصة للعودة. في مرحلة ما، سيصل رائد الفضاء إلى نقطة (خلف أفق الحدث قليلاً) يبدأ عندها حدوث تشوه في جسمه. نظرًا لأن مجال جاذبية الثقب الأسود غير منتظم ويتم تمثيله بتدرج قوة متزايد نحو المركز، فإن ساقي رائد الفضاء ستخضعان لتأثير جاذبية أكبر بشكل ملحوظ من الرأس على سبيل المثال. بعد ذلك، بسبب الجاذبية، أو بالأحرى قوى المد والجزر، سوف "تسقط" الأرجل بشكل أسرع. وهكذا يبدأ الجسم بالاستطالة تدريجياً في الطول. لوصف هذه الظاهرة، توصل علماء الفيزياء الفلكية إلى مصطلح مبتكر إلى حد ما - السباغيتي. من المحتمل أن يؤدي المزيد من تمدد الجسم إلى تحلله إلى ذرات، والتي ستصل عاجلاً أم آجلاً إلى التفرد. لا يسع المرء إلا أن يخمن كيف سيشعر الشخص في هذه الحالة. ومن الجدير بالذكر أن تأثير تمدد الجسم يتناسب عكسيا مع كتلة الثقب الأسود. أي أنه إذا قام ثقب أسود بكتلة ثلاثة شموس بتمديد/تمزيق الجسم على الفور، فإن الثقب الأسود الهائل سيكون له قوى مد وجزر أقل، وهناك اقتراحات بأن بعض المواد الفيزيائية يمكن أن "تتحمل" مثل هذا التشوه دون أن تفقد بنيتها.

كما تعلم، فإن الوقت يتدفق بشكل أبطأ بالقرب من الأجسام الضخمة، مما يعني أن الوقت بالنسبة لرائد الفضاء الانتحاري سوف يتدفق بشكل أبطأ بكثير من الوقت بالنسبة لأبناء الأرض. في هذه الحالة، ربما سيعيش ليس فقط أصدقائه، ولكن أيضا الأرض نفسها. لتحديد مقدار الوقت الذي سيتباطأ فيه رائد الفضاء، ستكون هناك حاجة إلى حسابات، ولكن مما سبق يمكن الافتراض أن رائد الفضاء سوف يسقط في الثقب الأسود ببطء شديد، وربما لن يعيش ببساطة ليرى اللحظة التي سيسقط فيها. يبدأ الجسم بالتشوه.

يشار إلى أنه بالنسبة للمراقب من الخارج، فإن جميع الأجسام التي تطير إلى أفق الحدث ستبقى على حافة هذا الأفق حتى تختفي صورتها. والسبب في هذه الظاهرة هو الانزياح الأحمر الجاذبية. وبطريقة تبسيطية إلى حد ما، يمكننا القول إن الضوء الساقط على جسد رائد الفضاء المنتحر «المتجمد» في أفق الحدث سيغير تردده بسبب تباطؤ زمنه. ومع مرور الوقت بشكل أبطأ، سيقل تردد الضوء ويزداد الطول الموجي. نتيجة لهذه الظاهرة، عند الإخراج، أي بالنسبة لمراقب خارجي، سيتحول الضوء تدريجيا نحو التردد المنخفض - الأحمر. سيحدث تحول في الضوء على طول الطيف، حيث يتحرك رائد الفضاء الانتحاري بعيدًا عن المراقب، على الرغم من أنه غير محسوس تقريبًا، ويتدفق وقته ببطء أكثر فأكثر. وهكذا، فإن الضوء المنعكس عن جسمه سوف يتجاوز قريبًا الطيف المرئي (ستختفي الصورة)، وفي المستقبل يمكن اكتشاف جسم رائد الفضاء فقط في منطقة الأشعة تحت الحمراء، ولاحقًا في تردد الراديو، ونتيجة لذلك الإشعاع سيكون بعيد المنال تماما.

على الرغم مما سبق، من المفترض أنه في الثقوب السوداء فائقة الكتلة، لا تتغير قوى المد والجزر كثيرًا مع المسافة، وتتصرف بشكل موحد تقريبًا على الجسم الساقط. وفي هذه الحالة، ستحتفظ المركبة الفضائية المتساقطة ببنيتها. يطرح سؤال معقول: إلى أين يؤدي الثقب الأسود؟ يمكن الإجابة على هذا السؤال من خلال عمل بعض العلماء، حيث يربط بين ظاهرتين مثل الثقوب الدودية والثقوب السوداء.

في عام 1935، طرح ألبرت أينشتاين وناثان روزين فرضية حول وجود ما يسمى بالثقوب الدودية، التي تربط نقطتين من الزمكان عبر أماكن ذات انحناء كبير للأخير - جسر أينشتاين-روزن أو الثقب الدودي. لمثل هذا الانحناء القوي للفضاء، ستكون هناك حاجة إلى أجسام ذات كتلة هائلة، والتي ستؤدي الثقوب السوداء دورها بشكل مثالي.

يعتبر جسر أينشتاين-روزن بمثابة ثقب دودي غير قابل للعبور لأنه صغير الحجم وغير مستقر.

من الممكن وجود ثقب دودي يمكن عبوره في إطار نظرية الثقوب السوداء والبيضاء. حيث أن الثقب الأبيض هو مخرج المعلومات المحتبسة في الثقب الأسود. ويوصف الثقب الأبيض في إطار النسبية العامة، لكنه يظل اليوم افتراضيا ولم يتم اكتشافه. تم اقتراح نموذج آخر للثقب الدودي من قبل العلماء الأمريكيين كيب ثورن وطالب الدراسات العليا مايك موريس، والذي يمكن قبوله. ومع ذلك، سواء في حالة ثقب موريس-ثورن الدودي أو في حالة الثقوب السوداء والبيضاء، فإن إمكانية السفر تتطلب وجود ما يسمى بالمادة الغريبة، والتي لها طاقة سلبية وتبقى افتراضية أيضًا.

الثقوب السوداء في الكون

تم تأكيد وجود الثقوب السوداء مؤخرًا نسبيًا (سبتمبر 2015)، ولكن قبل ذلك الوقت كان هناك بالفعل الكثير من المواد النظرية حول طبيعة الثقوب السوداء، بالإضافة إلى العديد من الأشياء المرشحة لدور الثقب الأسود. بادئ ذي بدء، يجب أن تأخذ في الاعتبار حجم الثقب الأسود، لأن طبيعة الظاهرة تعتمد عليها:

• ثقب أسود ذو كتلة نجمية. تتشكل مثل هذه الأجسام نتيجة لانهيار النجم. وكما ذكرنا سابقًا، فإن الحد الأدنى لكتلة الجسم القادر على تكوين مثل هذا الثقب الأسود هو 2.5 - 3 كتلة شمسية.
• الثقوب السوداء متوسطة الكتلة. نوع متوسط ​​مشروط من الثقب الأسود الذي نما بسبب امتصاص الأجسام القريبة، مثل مجموعة من الغازات ونجم مجاور (في أنظمة نجمتين) وغيرها من الأجسام الكونية.
• ثقب أسود عملاق. الأجسام المدمجة ذات 10 5 -10 10 كتلة شمسية. الخصائص المميزة لمثل هذه الثقوب السوداء هي كثافتها المنخفضة بشكل متناقض، بالإضافة إلى قوى المد والجزر الضعيفة، والتي تم ذكرها سابقًا. هذا هو بالضبط الثقب الأسود الهائل الموجود في مركز مجرتنا درب التبانة (Sagittarius A*, Sgr A*)، بالإضافة إلى معظم المجرات الأخرى.

المرشحين ل ChD

أقرب ثقب أسود، أو بالأحرى مرشح لدور ثقب أسود، هو جسم (V616 Monoceros)، الذي يقع على مسافة 3000 سنة ضوئية من الشمس (في مجرتنا). ويتكون من عنصرين: نجم كتلته نصف كتلة الشمس، بالإضافة إلى جسم صغير غير مرئي تبلغ كتلته 3-5 كتلة شمسية. إذا تبين أن هذا الكائن عبارة عن ثقب أسود صغير ذو كتلة نجمية، فسيصبح بحق أقرب ثقب أسود.

ويأتي بعد هذا الجسم ثاني أقرب ثقب أسود، وهو جسم Cygnus X-1 (Cyg X-1)، والذي كان المرشح الأول لدور ثقب أسود. وتبلغ المسافة إليه حوالي 6070 سنة ضوئية. تمت دراسته جيدًا: تبلغ كتلته 14.8 كتلة شمسية ونصف قطر أفق الحدث يبلغ حوالي 26 كم.

ووفقا لبعض المصادر، فإن أقرب مرشح آخر لدور الثقب الأسود قد يكون جسما في النظام النجمي V4641 Sagittarii (V4641 Sgr)، والذي، وفقا لتقديرات عام 1999، كان يقع على مسافة 1600 سنة ضوئية. ومع ذلك، فقد زادت الدراسات اللاحقة هذه المسافة بما لا يقل عن 15 مرة.

كم عدد الثقوب السوداء الموجودة في مجرتنا؟

لا توجد إجابة دقيقة على هذا السؤال، حيث أن مراقبتها صعبة للغاية، وطوال فترة دراسة السماء بأكملها، تمكن العلماء من اكتشاف حوالي عشرة ثقوب سوداء داخل مجرة ​​درب التبانة. وبدون الانغماس في الحسابات، نلاحظ أن هناك حوالي 100-400 مليار نجم في مجرتنا، وأن كل نجم في الألف تقريبًا لديه كتلة كافية لتشكيل ثقب أسود. ومن المحتمل أن ملايين الثقوب السوداء قد تكونت أثناء وجود مجرة ​​درب التبانة. وبما أنه من الأسهل اكتشاف الثقوب السوداء ذات الحجم الهائل، فمن المنطقي أن نفترض أن غالبية الثقوب السوداء في مجرتنا ليست فائقة الكتلة. يشار إلى أن أبحاث وكالة ناسا عام 2005 تشير إلى وجود سرب كامل من الثقوب السوداء (10-20 ألف) يدور حول مركز المجرة. بالإضافة إلى ذلك، في عام 2016، اكتشف علماء الفيزياء الفلكية اليابانيون قمرًا صناعيًا ضخمًا بالقرب من الجسم * - ثقب أسود، قلب مجرة ​​درب التبانة. ونظرًا لصغر نصف قطر هذا الجسم (0.15 سنة ضوئية)، فضلاً عن كتلته الهائلة (100000 كتلة شمسية)، يفترض العلماء أن هذا الجسم هو أيضًا ثقب أسود فائق الكتلة.

قلب مجرتنا، الثقب الأسود في مجرة ​​درب التبانة (القوس A*، القوس A* أو القوس A*) فائق الكتلة وتبلغ كتلته 4.31 10 6 كتلة شمسية، ونصف قطر يبلغ 0.00071 سنة ضوئية (6.25 ساعة ضوئية). أو 6.75 مليار كم). تبلغ درجة حرارة برج القوس A*، بالإضافة إلى المجموعة المحيطة به، حوالي 1·10 7 كلفن.

أكبر ثقب أسود

أكبر ثقب أسود اكتشفه العلماء في الكون هو ثقب أسود هائل، FSRQ blazer، يقع في وسط المجرة S5 0014+81، على مسافة 1.21010 سنة ضوئية من الأرض. ووفقا لنتائج الرصد الأولية باستخدام مرصد سويفت الفضائي، بلغت كتلة الثقب الأسود 40 مليار (40·10 9) كتلة شمسية، وكان نصف قطر شفارتزشيلد لمثل هذا الثقب 118.35 مليار كيلومتر (0.013 سنة ضوئية). بالإضافة إلى ذلك، وفقا للحسابات، فقد نشأت قبل 12.1 مليار سنة (1.6 مليار سنة بعد الانفجار الكبير). وإذا لم يمتص هذا الثقب الأسود العملاق المادة المحيطة به، فإنه سيعيش إلى عصر الثقوب السوداء، وهو أحد عصور تطور الكون، التي ستسيطر خلاله الثقوب السوداء فيه. إذا استمر قلب المجرة S5 0014+81 في النمو، فسوف يصبح أحد الثقوب السوداء الأخيرة التي ستوجد في الكون.

والثقبان الأسودان الآخران المعروفان، رغم أنهما لا يحملان أسماء خاصة بهما، لهما أهمية كبرى لدراسة الثقوب السوداء، حيث أكدا وجودهما تجريبيا، كما قدما نتائج مهمة لدراسة الجاذبية. نحن نتحدث عن الحدث GW150914، وهو اصطدام ثقبين أسودين في ثقب واحد. هذا الحدث جعل من الممكن التسجيل.

الكشف عن الثقوب السوداء

قبل أن نفكر في طرق الكشف عن الثقوب السوداء، علينا أن نجيب على السؤال: لماذا يكون الثقب الأسود أسود؟ – الإجابة على هذا لا تتطلب معرفة عميقة بالفيزياء الفلكية وعلم الكونيات. الحقيقة هي أن الثقب الأسود يمتص كل الإشعاعات الساقطة عليه ولا ينبعث منها على الإطلاق، إذا لم تأخذ في الاعتبار الافتراض. إذا نظرنا إلى هذه الظاهرة بمزيد من التفصيل، يمكننا أن نفترض أن العمليات المؤدية إلى إطلاق الطاقة على شكل إشعاع كهرومغناطيسي لا تحدث داخل الثقوب السوداء. ومن ثم، إذا بعث ثقب أسود، فإنه يفعل ذلك في طيف هوكينج (الذي يتزامن مع طيف جسم ساخن أسود تمامًا). لكن كما ذكرنا سابقًا، لم يتم اكتشاف هذا الإشعاع، مما يشير إلى أن درجة حرارة الثقوب السوداء منخفضة تمامًا.

تقول نظرية أخرى مقبولة بشكل عام أن الإشعاع الكهرومغناطيسي غير قادر على الإطلاق على مغادرة أفق الحدث. من المرجح أن الفوتونات (جسيمات الضوء) لا تنجذب إلى الأجسام الضخمة، لأنها، وفقًا للنظرية، ليس لها كتلة. ومع ذلك، لا يزال الثقب الأسود "يجذب" فوتونات الضوء من خلال تشويه الزمكان. إذا تخيلنا ثقبًا أسودًا في الفضاء كنوع من الاكتئاب على السطح الأملس للزمكان، فهناك مسافة معينة من مركز الثقب الأسود، يقترب منها الضوء ولن يتمكن من الابتعاد عنه. وهذا يعني، تقريبًا، أن الضوء يبدأ في "السقوط" في "الحفرة" التي لا تحتوي حتى على "قاع".

بالإضافة إلى ذلك، إذا أخذنا في الاعتبار تأثير الانزياح الأحمر الثقالي، فمن الممكن أن يفقد الضوء الموجود في الثقب الأسود تردده، ويتحول على طول الطيف إلى منطقة الإشعاع طويل الموجة منخفض التردد حتى يفقد الطاقة تمامًا.

لذا فإن الثقب الأسود أسود اللون، وبالتالي يصعب اكتشافه في الفضاء.

طرق الكشف

دعونا نلقي نظرة على الطرق التي يستخدمها علماء الفلك للكشف عن الثقب الأسود:

بالإضافة إلى الأساليب المذكورة أعلاه، غالبًا ما يربط العلماء بين أشياء مثل الثقوب السوداء والثقوب السوداء. الكوازارات هي مجموعات معينة من الأجسام الكونية والغاز، والتي تعد من بين ألمع الأجسام الفلكية في الكون. وبما أنها تتمتع بكثافة تألق عالية عند أحجام صغيرة نسبيًا، فهناك سبب لافتراض أن مركز هذه الأجسام عبارة عن ثقب أسود فائق الكتلة، يجذب المادة المحيطة. وبسبب هذا الجذب الثقالي القوي، فإن المادة المنجذبة تسخن لدرجة أنها تشع بشكل مكثف. عادة ما تتم مقارنة اكتشاف مثل هذه الأجسام باكتشاف ثقب أسود. في بعض الأحيان، يمكن للكوازارات أن تطلق نفاثات من البلازما الساخنة في اتجاهين - نفاثات نسبية. أسباب ظهور مثل هذه النفاثات ليست واضحة تمامًا، لكنها على الأرجح ناتجة عن تفاعل المجالات المغناطيسية للثقب الأسود والقرص التراكمي، ولا تنبعث من الثقب الأسود المباشر.

طائرة نفاثة في المجرة M87 تنطلق من مركز الثقب الأسود

لتلخيص ما سبق، يمكن للمرء أن يتخيل عن قرب: هذا جسم كروي أسود تدور حوله مادة شديدة الحرارة، وتشكل قرصًا متناميًا مضيء.

عمليات اندماج وتصادم الثقوب السوداء

واحدة من أكثر الظواهر إثارة للاهتمام في الفيزياء الفلكية هي اصطدام الثقوب السوداء، مما يجعل من الممكن أيضًا اكتشاف مثل هذه الأجسام الفلكية الضخمة. مثل هذه العمليات لا تهم علماء الفيزياء الفلكية فحسب، لأنها تؤدي إلى ظواهر لم تتم دراستها بشكل جيد من قبل الفيزيائيين. المثال الأكثر وضوحا هو الحدث المذكور سابقا المسمى GW150914، عندما اقترب ثقبان أسودان بشدة لدرجة أنه نتيجة لجاذبية الجاذبية المتبادلة بينهما، اندمجا في ثقب واحد. وكانت النتيجة المهمة لهذا الاصطدام هي ظهور موجات الجاذبية.

ووفقا للتعريف، فإن موجات الجاذبية هي تغيرات في مجال الجاذبية تنتشر بطريقة تشبه الموجة من الأجسام المتحركة الضخمة. عندما يقترب جسمان من هذا القبيل، يبدأان في الدوران حول مركز ثقل مشترك. ومع اقترابهما، يزداد دورانهما حول محورهما. يمكن لمثل هذه التقلبات المتناوبة في مجال الجاذبية في وقت ما أن تشكل موجة جاذبية قوية يمكن أن تنتشر عبر الفضاء لملايين السنين الضوئية. وهكذا، وعلى مسافة 1.3 مليار سنة ضوئية، اصطدم ثقبان أسودان، مما أدى إلى توليد موجة جاذبية قوية وصلت إلى الأرض في 14 سبتمبر 2015، وتم تسجيلها بواسطة كاشفي LIGO وVIRGO.

كيف تموت الثقوب السوداء؟

من الواضح أنه لكي يتوقف الثقب الأسود عن الوجود، فإنه يحتاج إلى فقدان كل كتلته. ومع ذلك، وبحسب تعريفه، لا يمكن لأي شيء أن يغادر الثقب الأسود إذا عبر أفق الحدث. ومن المعروف أن إمكانية انبعاث جسيمات من الثقب الأسود كانت أول من ذكرها عالم الفيزياء النظرية السوفييتي فلاديمير غريبوف، في مناقشته مع عالم سوفيتي آخر ياكوف زيلدوفيتش. وقال إنه من وجهة نظر ميكانيكا الكم، فإن الثقب الأسود قادر على إصدار جسيمات من خلال تأثير النفق. في وقت لاحق، باستخدام ميكانيكا الكم، بنى الفيزيائي النظري الإنجليزي ستيفن هوكينج نظريته المختلفة قليلاً. يمكنك قراءة المزيد عن هذه الظاهرة. باختصار، يوجد في الفراغ ما يسمى بالجسيمات الافتراضية، التي تولد باستمرار في أزواج ويفني بعضها بعضًا، دون التفاعل مع العالم الخارجي. لكن إذا ظهرت مثل هذه الأزواج في أفق الحدث لثقب أسود، فإن الجاذبية القوية قادرة نظريا على الفصل بينهما، حيث يسقط جسيم واحد في الثقب الأسود ويتحرك الآخر بعيدا عن الثقب الأسود. وبما أنه يمكن ملاحظة الجسيم الذي يطير بعيدًا عن الحفرة، وبالتالي لديه طاقة إيجابية، فإن الجسيم الذي يسقط في الحفرة لا بد أن يكون له طاقة سلبية. وبذلك يفقد الثقب الأسود طاقته ويحدث تأثير يسمى تبخر الثقب الأسود.

ووفقا للنماذج الموجودة للثقب الأسود، كما ذكرنا سابقا، كلما انخفضت كتلته، أصبح إشعاعه أكثر كثافة. ومن ثم، في المرحلة الأخيرة من وجود الثقب الأسود، عندما قد يتقلص إلى حجم الثقب الأسود الكمي، فإنه سيطلق كمية هائلة من الطاقة على شكل إشعاع، والتي يمكن أن تعادل آلاف أو حتى ملايين الطاقة الذرية. القنابل. وهذا الحدث يذكرنا إلى حد ما بانفجار ثقب أسود، مثل نفس القنبلة. وفقًا للحسابات، من الممكن أن تكون الثقوب السوداء البدائية قد ولدت نتيجة للانفجار الكبير، وتلك التي تبلغ كتلتها حوالي 10 12 كجم قد تبخرت وانفجرت في وقتنا هذا تقريبًا. ومهما يكن الأمر، فإن مثل هذه الانفجارات لم يلاحظها علماء الفلك من قبل.

على الرغم من آلية هوكينج المقترحة لتدمير الثقوب السوداء، فإن خصائص إشعاع هوكينج تسبب مفارقة في إطار ميكانيكا الكم. إذا امتص الثقب الأسود جسمًا معينًا، ثم فقد الكتلة الناتجة عن امتصاص هذا الجسم، فبغض النظر عن طبيعة الجسم، فإن الثقب الأسود لن يختلف عما كان عليه قبل امتصاص الجسم. في هذه الحالة، يتم فقدان المعلومات حول الجسم إلى الأبد. من وجهة نظر الحسابات النظرية، فإن تحول الحالة النقية الأولية إلى الحالة المختلطة ("الحرارية") الناتجة لا يتوافق مع النظرية الحالية لميكانيكا الكم. تُسمى هذه المفارقة أحيانًا باختفاء المعلومات في الثقب الأسود. ولم يتم العثور على حل نهائي لهذه المفارقة. الحلول المعروفة للمفارقة:

• بطلان نظرية هوكينج. وهذا يستلزم استحالة تدمير الثقب الأسود ونموه المستمر.
• وجود الثقوب البيضاء. في هذه الحالة، لا تختفي المعلومات الممتصة، ولكن يتم إلقاؤها ببساطة في كون آخر.
• تناقض النظرية المقبولة عمومًا لميكانيكا الكم.

مشكلة غير محلولة في فيزياء الثقب الأسود

إذا حكمنا من خلال كل ما تم وصفه سابقًا، فإن الثقوب السوداء، على الرغم من دراستها لفترة طويلة نسبيًا، لا تزال تتمتع بالعديد من الميزات، والتي لا تزال آلياتها غير معروفة للعلماء.

• في عام 1970، صاغ عالم إنجليزي ما يسمى. "مبدأ الرقابة الكونية" - "الطبيعة تمقت التفرد العاري". وهذا يعني أن المتفردات تتشكل فقط في أماكن مخفية، مثل مركز الثقب الأسود. ومع ذلك، لم يتم إثبات هذا المبدأ بعد. هناك أيضًا حسابات نظرية يمكن أن تنشأ بموجبها تفرد "عاري".
• كما لم يتم إثبات "نظرية عدم وجود شعر"، والتي بموجبها تحتوي الثقوب السوداء على ثلاثة معاملات فقط.
• لم يتم تطوير نظرية كاملة للغلاف المغناطيسي للثقب الأسود.
• لم تتم دراسة طبيعة وفيزياء التفرد الجاذبية.
• ومن غير المعروف على وجه اليقين ما يحدث في المرحلة الأخيرة من وجود الثقب الأسود، وما الذي يبقى بعد اضمحلاله الكمي.

حقائق مثيرة للاهتمام حول الثقوب السوداء

بتلخيص ما سبق، يمكننا تسليط الضوء على العديد من الميزات المثيرة للاهتمام وغير العادية لطبيعة الثقوب السوداء:

• تحتوي BHs على ثلاث عوامل فقط: الكتلة والشحنة الكهربائية والزخم الزاوي. ونتيجة لهذا العدد القليل من خصائص هذا الجسم، فإن النظرية التي تنص على ذلك تسمى "نظرية اللاشعر". ومن هنا أيضًا جاءت عبارة "الثقب الأسود ليس له شعر"، مما يعني أن ثقبين أسودين متطابقان تمامًا، ومعاييرهما الثلاثة المذكورة هي نفسها.
• ومن الممكن أن تكون كثافة الثقب الأسود أقل من كثافة الهواء، وتكون درجة حرارته قريبة من الصفر المطلق. ومن هذا يمكننا أن نفترض أن تشكل الثقب الأسود لا يحدث نتيجة لضغط المادة، بل نتيجة تراكم كمية كبيرة من المادة في حجم معين.
• يمر الوقت بشكل أبطأ بكثير بالنسبة للأجسام التي يمتصها الثقب الأسود منه بالنسبة للمراقب الخارجي. بالإضافة إلى ذلك، فإن الأجسام الممتصة تتمدد بشكل كبير داخل الثقب الأسود، وهو ما يسميه العلماء عملية السباغيتي.
• قد يكون هناك حوالي مليون ثقب أسود في مجرتنا.
• من المحتمل أن يكون هناك ثقب أسود هائل في مركز كل مجرة.
• وفي المستقبل، وبحسب النموذج النظري، سيصل الكون إلى ما يسمى بعصر الثقوب السوداء، حيث ستصبح الثقوب السوداء هي الأجسام المهيمنة في الكون.

من بين جميع الأشياء المعروفة للبشرية الموجودة في الفضاء الخارجي، تنتج الثقوب السوداء الانطباع الأكثر غرابة وغير المفهوم. وهذا الشعور ينتاب كل شخص تقريبًا عند ذكر الثقوب السوداء، على الرغم من أن البشرية تعرف عنها منذ أكثر من قرن ونصف. تم الحصول على المعرفة الأولى حول هذه الظواهر قبل فترة طويلة من منشورات أينشتاين حول النظرية النسبية. ولكن تم تلقي تأكيد حقيقي لوجود هذه الأشياء منذ وقت ليس ببعيد.

بالطبع، تشتهر الثقوب السوداء بخصائصها الفيزيائية الغريبة، والتي تؤدي إلى المزيد من الألغاز في الكون. إنهم يتحدون بسهولة جميع قوانين الفيزياء والميكانيكا الكونية. لكي نفهم كل تفاصيل ومبادئ وجود ظاهرة مثل الثقب الكوني، نحتاج إلى التعرف على الإنجازات الحديثة في علم الفلك واستخدام خيالنا، بالإضافة إلى ذلك، سيتعين علينا تجاوز المفاهيم القياسية. لتسهيل فهم الثقوب الكونية والتعرف عليها، أعد موقع البوابة الكثير من المعلومات المثيرة للاهتمام فيما يتعلق بهذه الظواهر في الكون.

مميزات الثقوب السوداء من موقع البوابة

بداية، تجدر الإشارة إلى أن الثقوب السوداء لا تأتي من العدم، بل تتشكل من نجوم ضخمة الحجم والكتلة. علاوة على ذلك، فإن أكبر ميزة وتفرد لكل ثقب أسود هو أنه يتمتع بجاذبية قوية جدًا. قوة جذب الأجسام للثقب الأسود تتجاوز سرعة الهروب الثانية. وتشير مؤشرات الجاذبية هذه إلى أنه حتى أشعة الضوء لا يمكنها الهروب من مجال عمل الثقب الأسود، لأن سرعتها أقل بكثير.

خصوصية الجذب هي أنه يجذب كل الأشياء القريبة. كلما زاد حجم الجسم الذي يمر في محيط الثقب الأسود، كلما زاد تأثيره وجاذبيته. وبناء على ذلك، يمكننا أن نستنتج أنه كلما كان الجسم أكبر، كلما كان جذب الثقب الأسود أقوى، ومن أجل تجنب مثل هذا التأثير، يجب أن يتمتع الجسم الكوني بسرعات حركة عالية جدًا.

ومن الآمن أيضًا أن نلاحظ أنه في الكون بأكمله لا يوجد جسم يمكنه تجنب جاذبية الثقب الأسود إذا وجد نفسه على مقربة منه، لأنه حتى أسرع تيار ضوئي لا يمكنه الهروب من هذا التأثير. تعتبر النظرية النسبية، التي طورها أينشتاين، ممتازة لفهم خصائص الثقوب السوداء. ووفقا لهذه النظرية، يمكن للجاذبية أن تؤثر على الزمن وتشوه المكان. وينص أيضًا على أنه كلما كان الجسم الموجود في الفضاء الخارجي أكبر حجمًا، كلما أبطأ الزمن. وفي محيط الثقب الأسود نفسه، يبدو أن الزمن يتوقف تمامًا. إذا دخلت مركبة فضائية إلى مجال عمل ثقب فضائي، فيمكن للمرء أن يلاحظ كيف ستتباطأ سرعتها مع اقترابها، ثم تختفي تمامًا في النهاية.

لا ينبغي أن تخاف كثيرًا من ظواهر مثل الثقوب السوداء وتصدق كل المعلومات غير العلمية التي قد تكون موجودة في الوقت الحالي. أولًا، نحتاج إلى تبديد الأسطورة الأكثر شيوعًا والتي تقول إن الثقوب السوداء يمكنها امتصاص كل المادة والأشياء المحيطة بها، وعندما تفعل ذلك، فإنها تنمو بشكل أكبر وتمتص المزيد والمزيد. لا شيء من هذا صحيح تماما. نعم، في الواقع، يمكنهم امتصاص الأجسام والمادة الكونية، ولكن فقط تلك الموجودة على مسافة معينة من الثقب نفسه. وبصرف النظر عن جاذبيتها القوية، فهي لا تختلف كثيرًا عن النجوم العادية ذات الكتلة العملاقة. وحتى عندما تتحول شمسنا إلى ثقب أسود، فلن تتمكن إلا من امتصاص الأجسام الموجودة على مسافة قصيرة، وستظل جميع الكواكب تدور في مداراتها المعتادة.

بالانتقال إلى النظرية النسبية، يمكننا أن نستنتج أن جميع الأجسام ذات الجاذبية القوية يمكن أن تؤثر على انحناء الزمان والمكان. بالإضافة إلى ذلك، كلما زادت كتلة الجسم، كلما كان التشويه أقوى. لذلك، في الآونة الأخيرة، تمكن العلماء من رؤية هذا في الممارسة العملية، عندما تمكنوا من التفكير في أشياء أخرى كان من المفترض أن يتعذر الوصول إليها بأعيننا بسبب الأجسام الكونية الضخمة مثل المجرات أو الثقوب السوداء. كل هذا ممكن بسبب حقيقة أن أشعة الضوء التي تمر بالقرب من ثقب أسود أو أي جسم آخر تنحني بشدة تحت تأثير جاذبيتها. يسمح هذا النوع من التشويه للعلماء بالنظر إلى مسافة أبعد في الفضاء الخارجي. لكن مع مثل هذه الدراسات يكون من الصعب للغاية تحديد الموقع الحقيقي للجسم قيد الدراسة.

لا تظهر الثقوب السوداء من العدم، بل تتشكل نتيجة انفجار النجوم فائقة الكتلة. علاوة على ذلك، لكي يتشكل ثقب أسود، يجب أن تكون كتلة النجم المنفجر أكبر بعشر مرات على الأقل من كتلة الشمس. كل نجم موجود بسبب التفاعلات النووية الحرارية التي تحدث داخل النجم. وفي هذه الحالة، يتم إطلاق سبيكة هيدروجين أثناء عملية الاندماج، لكنها لا تستطيع مغادرة منطقة تأثير النجم، لأن جاذبيتها تجذب الهيدروجين مرة أخرى. هذه العملية برمتها تسمح للنجوم بالوجود. يعتبر تخليق الهيدروجين والجاذبية النجمية من الآليات التي تعمل بشكل جيد إلى حد ما، ولكن اختلال هذا التوازن يمكن أن يؤدي إلى انفجار نجمي. وفي معظم الحالات، يكون سببها استنفاد الوقود النووي.

اعتمادا على كتلة النجم، هناك عدة سيناريوهات ممكنة لتطورها بعد الانفجار. وهكذا تشكل النجوم الضخمة مجال انفجار المستعر الأعظم، ويبقى معظمها خلف نواة النجم السابق؛ ويطلق رواد الفضاء على مثل هذه الأجسام اسم الأقزام البيضاء. وفي معظم الحالات، تتشكل سحابة غازية حول هذه الأجسام، والتي تثبت في مكانها بفعل جاذبية القزم. ومن الممكن أيضًا وجود طريق آخر لتطور النجوم فائقة الكتلة، حيث سيجذب الثقب الأسود الناتج بقوة شديدة كل مادة النجم إلى مركزه، مما سيؤدي إلى ضغطه القوي.

تسمى هذه الأجسام المضغوطة بالنجوم النيوترونية. وفي الحالات النادرة، بعد انفجار نجم، من الممكن تكوين ثقب أسود في فهمنا المقبول لهذه الظاهرة. ولكن لكي يتم إنشاء الثقب، يجب أن تكون كتلة النجم ضخمة جدًا. في هذه الحالة، عندما ينتهك توازن التفاعلات النووية، فإن جاذبية النجم تصبح مجنونة. في الوقت نفسه، يبدأ في الانهيار بنشاط، وبعد ذلك يصبح مجرد نقطة في الفضاء. بمعنى آخر، يمكننا القول أن النجم كجسم مادي لم يعد له وجود. وعلى الرغم من اختفائه، إلا أن ثقبًا أسودًا له نفس الجاذبية والكتلة يتشكل خلفه.

إن انهيار النجوم هو الذي يؤدي إلى اختفائها تمامًا، ويتشكل مكانها ثقب أسود له نفس الخصائص الفيزيائية للنجم المختفي. والفرق الوحيد هو أن درجة ضغط الثقب أكبر من حجم النجم. الميزة الأهم لجميع الثقوب السوداء هي تفردها، وهو ما يحدد مركزها. تتحدى هذه المنطقة جميع قوانين الفيزياء والمادة والفضاء التي لم تعد موجودة. لفهم مفهوم التفرد، يمكننا القول أن هذا هو الحاجز الذي يسمى أفق الحدث الكوني. وهو أيضًا الحد الخارجي للثقب الأسود. يمكن تسمية التفرد بنقطة اللاعودة، حيث أن قوة الجاذبية الهائلة للثقب تبدأ في التصرف. حتى الضوء الذي يعبر هذا الحاجز غير قادر على الهروب.

لأفق الحدث تأثير جذاب يجذب جميع الأجسام بسرعة الضوء؛ فكلما اقتربت من الثقب الأسود نفسه، زادت مؤشرات السرعة أكثر. وهذا هو السبب في أن جميع الأشياء التي تقع ضمن منطقة عمل هذه القوة محكوم عليها بالامتصاص في الحفرة. تجدر الإشارة إلى أن مثل هذه القوى قادرة على تعديل الجسم الذي تم التقاطه بفعل هذا الجذب، وبعد ذلك تمتد إلى خيط رفيع، ثم تتوقف تمامًا عن الوجود في الفضاء.

يمكن أن تختلف المسافة بين أفق الحدث والمتفرد؛ ويسمى هذا الفضاء بنصف قطر شوارزشيلد. ولهذا السبب، كلما زاد حجم الثقب الأسود، زاد نطاق الحركة. على سبيل المثال، يمكننا القول أن الثقب الأسود الذي يبلغ حجمه كتلة شمسنا سيكون نصف قطره شوارزشيلد ثلاثة كيلومترات. وبناء على ذلك، فإن الثقوب السوداء الكبيرة لها نطاق أكبر.

يعد العثور على الثقوب السوداء عملية صعبة إلى حد ما، حيث لا يمكن للضوء الهروب منها. ولذلك فإن البحث والتعريف لا يعتمدان إلا على أدلة غير مباشرة على وجودها. إن أبسط طريقة يستخدمها العلماء للعثور عليها هي البحث عنها من خلال إيجاد أماكن في الفضاء المظلم إذا كانت ذات كتلة كبيرة. وفي معظم الحالات، يتمكن علماء الفلك من العثور على ثقوب سوداء في أنظمة النجوم الثنائية أو في مراكز المجرات.

ويميل معظم علماء الفلك إلى الاعتقاد بوجود ثقب أسود فائق القوة أيضًا في مركز مجرتنا. ويطرح هذا التصريح التساؤل، هل سيتمكن هذا الثقب من ابتلاع كل شيء في مجرتنا؟ وفي الواقع هذا مستحيل، لأن الثقب نفسه له نفس كتلة النجوم، لأنه مخلوق من النجم. علاوة على ذلك، فإن جميع حسابات العلماء لا تنبئ بأي أحداث عالمية تتعلق بهذا الجسم. علاوة على ذلك، لمليارات السنين الأخرى، ستدور الأجسام الكونية لمجرتنا بهدوء حول هذا الثقب الأسود دون أي تغييرات. والدليل على وجود ثقب في وسط مجرة ​​درب التبانة يمكن أن يأتي من موجات الأشعة السينية التي سجلها العلماء. ويميل معظم علماء الفلك إلى الاعتقاد بأن الثقوب السوداء تنبعث منها بكميات هائلة.

في كثير من الأحيان توجد في مجرتنا أنظمة نجمية تتكون من نجمين، وغالبًا ما يمكن أن يصبح أحدهما ثقبًا أسود. في هذه النسخة، يمتص الثقب الأسود جميع الأجسام الموجودة في طريقه، بينما تبدأ المادة بالدوران حوله، فيتكون ما يسمى بقرص التسارع. ميزة خاصة هي أنه يزيد من سرعة الدوران ويقترب من المركز. وهي المادة التي تسقط في وسط الثقب الأسود والتي تبعث الأشعة السينية، فتتدمر المادة نفسها.

أنظمة النجوم الثنائية هي أول المرشحين لحالة الثقب الأسود. في مثل هذه الأنظمة، يكون من السهل العثور على ثقب أسود، نظرًا لحجم النجم المرئي، ومن الممكن حساب مؤشرات أخيه غير المرئي. حاليًا، قد يكون المرشح الأول لحالة الثقب الأسود هو نجم من كوكبة الدجاجة، التي تنبعث منها الأشعة السينية بشكل نشط.

وخلاصة مما سبق عن الثقوب السوداء، يمكننا القول إنها ليست ظواهر خطيرة؛ بالطبع، في حالة القرب الشديد، فهي أقوى الأجسام الموجودة في الفضاء الخارجي بسبب قوة الجاذبية. لذلك، يمكننا القول أنها لا تختلف بشكل خاص عن الهيئات الأخرى؛ السمة الرئيسية لها هي مجال الجاذبية القوي.

لقد تم اقتراح عدد كبير من النظريات فيما يتعلق بالغرض من الثقوب السوداء، وكان بعضها سخيفًا. وهكذا، وفقا لأحدهم، يعتقد العلماء أن الثقوب السوداء يمكن أن تلد مجرات جديدة. وترتكز هذه النظرية على حقيقة أن عالمنا هو مكان مناسب إلى حد ما لأصل الحياة، ولكن إذا تغير أحد العوامل، فإن الحياة ستكون مستحيلة. ولهذا السبب، فإن تفرد وخصائص التغيرات في الخصائص الفيزيائية للثقوب السوداء يمكن أن تؤدي إلى ظهور كون جديد تمامًا، والذي سيكون مختلفًا بشكل كبير عن كوننا. لكن هذه مجرد نظرية وهي نظرية ضعيفة إلى حد ما لأنه لا يوجد دليل على مثل هذا التأثير للثقوب السوداء.

أما بالنسبة للثقوب السوداء، فهي لا تستطيع امتصاص المادة فحسب، بل يمكنها أيضًا أن تتبخر. وقد ثبتت ظاهرة مماثلة منذ عدة عقود. وهذا التبخر يمكن أن يتسبب في فقدان الثقب الأسود لكل كتلته، ثم يختفي تمامًا.

كل هذا هو أصغر جزء من المعلومات حول الثقوب السوداء التي يمكنك التعرف عليها على موقع البوابة الإلكترونية. لدينا أيضًا كمية هائلة من المعلومات المثيرة للاهتمام حول الظواهر الكونية الأخرى.

ربما تكون الثقوب السوداء هي أكثر الأجسام الفلكية غموضًا وإبهامًا في عالمنا؛ فقد جذبت منذ اكتشافها انتباه العلماء وأثارت مخيلة كتاب الخيال العلمي. ما هي الثقوب السوداء وماذا تمثل؟ الثقوب السوداء هي نجوم منقرضة، نظرًا لخصائصها الفيزيائية، فهي تتمتع بكثافة عالية وجاذبية قوية لدرجة أنه حتى الضوء لا يمكنه الهروب منها.

تاريخ اكتشاف الثقوب السوداء

لأول مرة، تم اقتراح الوجود النظري للثقوب السوداء، قبل وقت طويل من اكتشافها الفعلي، من قبل د. ميشيل (كاهن إنجليزي من يوركشاير، مهتم بعلم الفلك في أوقات فراغه) في عام 1783. وفقًا لحساباته، إذا أخذنا قوتنا وقمنا بضغطها (في لغة الكمبيوتر الحديثة، أرشفتها) إلى نصف قطر يبلغ 3 كيلومترات، فسوف تتشكل قوة جاذبية كبيرة (هائلة ببساطة) بحيث لن يتمكن حتى الضوء من تركها . هكذا ظهر مفهوم "الثقب الأسود"، رغم أنه في الحقيقة ليس أسود على الإطلاق؛ في رأينا، سيكون مصطلح "الثقب المظلم" أكثر ملاءمة، لأن غياب الضوء هو الذي يحدث على وجه التحديد؛

لاحقًا، في عام 1918، كتب العالم الكبير ألبرت أينشتاين عن مسألة الثقوب السوداء في سياق النظرية النسبية. ولكن فقط في عام 1967، ومن خلال جهود عالم الفيزياء الفلكية الأمريكي جون ويلر، حصل مفهوم الثقوب السوداء أخيرًا على مكان في الأوساط الأكاديمية.

مهما كان الأمر، فإن د. ميشيل وألبرت أينشتاين وجون ويلر في أعمالهم افترضوا فقط الوجود النظري لهذه الأجرام السماوية الغامضة في الفضاء الخارجي، لكن الاكتشاف الحقيقي للثقوب السوداء حدث في عام 1971، وفي ذلك الوقت اكتشفوا تم ملاحظتها لأول مرة في التلسكوب.

هذا ما يبدو عليه الثقب الأسود.

كيف تتشكل الثقوب السوداء في الفضاء

كما نعلم من الفيزياء الفلكية، فإن جميع النجوم (بما في ذلك شمسنا) لديها كمية محدودة من الوقود. وعلى الرغم من أن حياة النجم يمكن أن تستمر مليارات السنين الضوئية، إلا أن هذا الإمداد المشروط بالوقود عاجلاً أم آجلاً ينتهي، و"ينطفئ" النجم. وتترافق عملية "تلاشي" النجم مع تفاعلات مكثفة، يمر خلالها النجم بتحول كبير، ويمكن أن يتحول، حسب حجمه، إلى قزم أبيض أو نجم نيوتروني أو ثقب أسود. علاوة على ذلك، فإن أكبر النجوم ذات أحجام مثيرة للإعجاب بشكل لا يصدق، عادة ما تتحول إلى ثقب أسود - بسبب ضغط هذه الأحجام الأكثر روعة، هناك زيادة متعددة في الكتلة وقوة الجاذبية للثقب الأسود المتشكل حديثًا، والذي يتحول إلى ثقب أسود. نوع من المكنسة الكهربائية المجرية - تمتص كل شيء وكل من حولها.

ثقب أسود يبتلع نجماً.

ملاحظة صغيرة - شمسنا، وفقا لمعايير المجرة، ليست نجما كبيرا على الإطلاق وبعد انقراضها، والذي سيحدث في حوالي بضعة مليارات من السنين، على الأرجح لن يتحول إلى ثقب أسود.

لكن دعونا نكون صادقين معك - اليوم، لا يعرف العلماء بعد كل تعقيدات تكوين الثقب الأسود؛ مما لا شك فيه أن هذه عملية فيزيائية فلكية معقدة للغاية، والتي في حد ذاتها يمكن أن تستمر ملايين السنين الضوئية. ورغم أنه من الممكن التقدم في هذا الاتجاه، فيمكن اكتشاف ما يسمى بالثقوب السوداء المتوسطة ودراستها لاحقا، أي النجوم في حالة الانقراض، والتي تجري فيها العملية النشطة لتكوين الثقب الأسود. وبالمناسبة، اكتشف علماء الفلك نجما مماثلا عام 2014 في ذراع مجرة ​​حلزونية.

كم عدد الثقوب السوداء الموجودة في الكون؟

وفقا لنظريات العلماء المعاصرين، قد يكون هناك ما يصل إلى مئات الملايين من الثقوب السوداء في مجرتنا درب التبانة. قد لا يكون هناك أقل منهم في مجرتنا المجاورة، والتي لا يوجد شيء يطير إليه من درب التبانة - 2.5 مليون سنة ضوئية.

نظرية الثقب الأسود

وعلى الرغم من كتلتها الهائلة (التي تزيد كتلة شمسنا بمئات الآلاف من المرات) وقوة الجاذبية المذهلة، إلا أنه لم يكن من السهل رؤية الثقوب السوداء من خلال التلسكوب، لأنها لا ينبعث منها ضوء على الإطلاق. تمكن العلماء من ملاحظة الثقب الأسود فقط في لحظة "وجبته" - امتصاص نجم آخر، في هذه اللحظة يظهر إشعاع مميز يمكن ملاحظته بالفعل. وهكذا وجدت نظرية الثقب الأسود تأكيدًا فعليًا.

خصائص الثقوب السوداء

الخاصية الرئيسية للثقب الأسود هي مجالات الجاذبية المذهلة التي لا تسمح للفضاء والوقت المحيطين به بالبقاء في حالتهما المعتادة. نعم، لقد سمعت بشكل صحيح، فالوقت داخل الثقب الأسود يمر أبطأ عدة مرات من المعتاد، وإذا كنت هناك، فعند عودتك (إذا كنت محظوظًا جدًا بالطبع)، ستتفاجأ عندما تلاحظ أن القرون قد مرت على الأرض، ولم تكبر حتى في الوقت المناسب. على الرغم من أننا لنكن صادقين، إذا كنت داخل ثقب أسود، فمن الصعب عليك البقاء على قيد الحياة، لأن قوة الجاذبية هناك تجعل أي جسم مادي سوف يتمزق ببساطة، ولا حتى إلى أجزاء، إلى ذرات.

ولكن إذا كنت قريبًا من ثقب أسود، ضمن تأثير مجال جاذبيته، فستواجه صعوبة أيضًا، لأنه كلما زادت مقاومة جاذبيته، محاولًا الطيران بعيدًا، كلما سقطت فيه بشكل أسرع. السبب وراء هذا التناقض الظاهري هو مجال دوامة الجاذبية الذي تمتلكه جميع الثقوب السوداء.

ماذا لو وقع الإنسان في الثقب الأسود؟

تبخر الثقوب السوداء

اكتشف عالم الفلك الإنجليزي س. هوكينج حقيقة مثيرة للاهتمام: يبدو أن الثقوب السوداء تصدر أيضًا تبخرًا. صحيح أن هذا ينطبق فقط على الثقوب ذات الكتلة الصغيرة نسبيًا. وتولد الجاذبية القوية المحيطة بها أزواجًا من الجسيمات والجسيمات المضادة، حيث يتم سحب أحد الزوجين إلى داخل الثقب، ويتم طرد الثاني إلى الخارج. وهكذا، فإن الثقب الأسود يصدر جسيمات مضادة صلبة وأشعة غاما. وقد سمي هذا التبخر أو الإشعاع الصادر من الثقب الأسود على اسم العالم الذي اكتشفه - "إشعاع هوكينج".

أكبر ثقب أسود

وفقًا لنظرية الثقب الأسود، يوجد في مركز جميع المجرات تقريبًا ثقوب سوداء ضخمة تتراوح كتلتها بين عدة ملايين إلى عدة مليارات من كتلة الشمس. ومؤخرًا نسبيًا، اكتشف العلماء أكبر ثقبين أسودين معروفين حتى الآن، ويقعان في مجرتين قريبتين: NGC 3842 وNGC 4849؛

NGC 3842 هي المجرة الأكثر سطوعا في كوكبة الأسد، وتقع على بعد 320 مليون سنة ضوئية منا. ويوجد في مركزها ثقب أسود ضخم يزن 9.7 مليار كتلة شمسية.

تتميز NGC 4849، وهي مجرة ​​تقع في عنقود كوما، على بعد 335 مليون سنة ضوئية، بوجود ثقب أسود مثير للإعجاب بنفس القدر.

إن مجال الجاذبية لهذه الثقوب السوداء العملاقة، أو من الناحية الأكاديمية، أفق الحدث الخاص بها، يبلغ حوالي 5 أضعاف المسافة من الشمس إلى! مثل هذا الثقب الأسود سوف يأكل نظامنا الشمسي ولن يختنق.

أصغر ثقب أسود

ولكن في عائلة الثقوب السوداء الواسعة، هناك أيضًا ممثلون صغار جدًا. وبالتالي، فإن الثقب الأسود الأقزم الذي اكتشفه العلماء حتى الآن تبلغ كتلته 3 أضعاف كتلة شمسنا فقط. وفي الواقع، هذا هو الحد الأدنى النظري اللازم لتكوين ثقب أسود؛ فلو كان ذلك النجم أصغر قليلاً، لما تشكل الثقب.

الثقوب السوداء هي أكلة لحوم البشر

نعم هناك مثل هذه الظاهرة، فكما كتبنا أعلاه، الثقوب السوداء هي نوع من "المكانس الكهربائية المجرية" التي تمتص كل ما حولها، بما في ذلك... الثقوب السوداء الأخرى. اكتشف علماء الفلك مؤخرًا أن ثقبًا أسودًا من إحدى المجرات كان يتم التهامه بواسطة شره أسود أكبر من مجرة ​​أخرى.

• وفقا لفرضيات بعض العلماء، فإن الثقوب السوداء ليست فقط المكانس الكهربائية المجرية التي تمتص كل شيء في حد ذاتها، ولكن في ظل ظروف معينة يمكنها أن تلد أكوان جديدة.
• يمكن أن تتبخر الثقوب السوداء مع مرور الوقت. كتبنا أعلاه أن العالم الإنجليزي ستيفن هوكينج اكتشف أن الثقوب السوداء لها خاصية الإشعاع وبعد فترة زمنية طويلة جدًا، عندما لا يتبقى شيء يمتصه، سيبدأ الثقب الأسود في التبخر أكثر، حتى مع مرور الوقت يعطي يصل بكل كتلته إلى الفضاء المحيط. على الرغم من أن هذا مجرد افتراض، فرضية.
• تعمل الثقوب السوداء على إبطاء الزمن وثني الفضاء. لقد كتبنا بالفعل عن تمدد الزمن، لكن الفضاء في ظل ظروف الثقب الأسود سيكون أيضًا منحنيًا تمامًا.
• الثقوب السوداء تحد من عدد النجوم في الكون. وهي أن مجالات الجاذبية الخاصة بها تمنع تبريد سحب الغاز في الفضاء، والتي منها، كما هو معروف، تولد نجوم جديدة.

الثقوب السوداء على قناة ديسكفري، فيديو

وفي الختام نقدم لكم فيلم وثائقي علمي شيق عن الثقوب السوداء من قناة ديسكفري