الكون في ثقب أسود. نظرية مذهلة للفيزيائيين: كوننا يقع في ثقب أسود ضخم

إن مفهوم الثقب الأسود معروف للجميع - من تلاميذ المدارس إلى كبار السن؛ ويستخدم في الأدب العلمي والخيالي وفي وسائل الإعلام الصفراء وفي المؤتمرات العلمية. لكن ما هي هذه الثقوب بالضبط غير معروفة للجميع.

من تاريخ الثقوب السوداء

1783تم طرح الفرضية الأولى لوجود ظاهرة مثل الثقب الأسود في عام 1783 من قبل العالم الإنجليزي جون ميشيل. في نظريته، قام بدمج اثنين من إبداعات نيوتن - البصريات والميكانيكا. كانت فكرة ميشيل كالتالي: إذا كان الضوء عبارة عن تيار من الجسيمات الدقيقة، فمثل جميع الأجسام الأخرى، يجب أن تتعرض الجسيمات لجاذبية مجال الجاذبية. وتبين أنه كلما كان النجم أكثر ضخامة، كلما كان من الصعب على الضوء مقاومة جاذبيته. وبعد 13 عامًا من ميشيل، طرح عالم الفلك والرياضيات الفرنسي لابلاس نظرية مماثلة (على الأرجح بشكل مستقل عن زميله البريطاني).

1915ومع ذلك، ظلت جميع أعمالهم غير مطالب بها حتى بداية القرن العشرين. في عام 1915، نشر ألبرت أينشتاين النظرية النسبية العامة وأظهر أن الجاذبية هي انحناء الزمكان الناجم عن المادة، وبعد بضعة أشهر استخدمها عالم الفلك والفيزياء النظرية الألماني كارل شوارزشيلد لحل مشكلة فلكية محددة. استكشف بنية الزمكان المنحني حول الشمس وأعاد اكتشاف ظاهرة الثقوب السوداء.

(صاغ جون ويلر مصطلح "الثقوب السوداء")

1967حدد الفيزيائي الأمريكي جون ويلر مساحة يمكن تفتيتها، مثل قطعة من الورق، إلى نقطة متناهية الصغر، وأطلق عليها مصطلح "الثقب الأسود".

1974أثبت الفيزيائي البريطاني ستيفن هوكينج أن الثقوب السوداء، على الرغم من أنها تمتص المادة دون عودة، إلا أنها يمكن أن تبعث إشعاعات وتتبخر في النهاية. وتسمى هذه الظاهرة "إشعاع هوكينج".

2013إن أحدث الأبحاث حول النجوم النابضة والكوازارات، بالإضافة إلى اكتشاف إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، قد مكنت أخيرًا من وصف مفهوم الثقوب السوداء. وفي عام 2013، اقتربت سحابة الغاز G2 بشدة من الثقب الأسود ومن المرجح أن يتم امتصاصها منه، ومراقبة عملية فريدة توفر فرصًا هائلة لاكتشافات جديدة لملامح الثقوب السوداء.

(الجسم الضخم القوس A*، كتلته أكبر من كتلة الشمس بـ 4 ملايين مرة، مما يعني ضمناً عنقودًا من النجوم وتكوين ثقب أسود)

2017. رصدت مجموعة من العلماء من مشروع Event Horizon Telescope التعاوني متعدد البلدان، الذين يربطون ثمانية تلسكوبات من نقاط مختلفة في قارات الأرض، ثقبًا أسود، وهو جسم فائق الكتلة يقع في مجرة ​​M87، كوكبة العذراء. تبلغ كتلة الجسم 6.5 مليار (!) كتلة شمسية، أي أكبر بمرات هائلة من الجسم الضخم القوس A*، للمقارنة، بقطر أقل بقليل من المسافة من الشمس إلى بلوتو.

وتمت عمليات الرصد على عدة مراحل، بدءاً من ربيع عام 2017 وطوال فترات عام 2018. بلغ حجم المعلومات بيتابايت، والتي كان لا بد بعد ذلك من فك تشفيرها والحصول على صورة حقيقية لجسم بعيد جدًا. لذلك، استغرق الأمر عامين كاملين آخرين لمعالجة جميع البيانات بدقة ودمجها في وحدة واحدة.

2019تم فك تشفير البيانات وعرضها بنجاح، مما أدى إلى إنتاج أول صورة على الإطلاق لثقب أسود.

(أول صورة على الإطلاق لثقب أسود في مجرة ​​M87 في كوكبة العذراء)

تتيح لك دقة الصورة رؤية ظل نقطة اللاعودة في وسط الكائن. تم الحصول على الصورة نتيجة لملاحظات قياس التداخل الأساسية الطويلة جدًا. هذه ما يسمى بالملاحظات المتزامنة لجسم واحد من عدة تلسكوبات راديوية مترابطة بواسطة شبكة وتقع في أجزاء مختلفة من الكرة الأرضية، موجهة في نفس الاتجاه.

ما هي الثقوب السوداء في الواقع

التفسير المقتضب لهذه الظاهرة يذهب على هذا النحو.

الثقب الأسود هو منطقة زمانية تكون جاذبيتها قوية جدًا لدرجة أنه لا يمكن لأي جسم، بما في ذلك الكمات الضوئية، أن يتركها.

كان الثقب الأسود ذات يوم نجمًا ضخمًا. وطالما أن التفاعلات النووية الحرارية تحافظ على الضغط العالي في أعماقها، فإن كل شيء يبقى طبيعيا. ولكن مع مرور الوقت، يتم استنفاد إمدادات الطاقة ويبدأ الجسم السماوي في الانكماش تحت تأثير جاذبيته. المرحلة الأخيرة من هذه العملية هي انهيار قلب النجم وتشكيل ثقب أسود.

• 1. يقوم الثقب الأسود بإخراج نفاثات بسرعة عالية


• 2. ينمو قرص المادة إلى ثقب أسود


• 3. الثقب الأسود


• 4. رسم تخطيطي تفصيلي لمنطقة الثقب الأسود


• 5. تم العثور على حجم الملاحظات الجديدة

النظرية الأكثر شيوعًا هي أن ظواهر مماثلة موجودة في كل مجرة، بما في ذلك مركز مجرتنا درب التبانة. إن قوة الجاذبية الهائلة للثقب قادرة على احتجاز عدة مجرات حوله، مما يمنعها من الابتعاد عن بعضها البعض. "مساحة التغطية" يمكن أن تكون مختلفة، كل هذا يتوقف على كتلة النجم الذي تحول إلى ثقب أسود، ويمكن أن تكون آلاف السنين الضوئية.

نصف قطر شوارزشيلد

الخاصية الرئيسية للثقب الأسود هي أن أي مادة تسقط فيه لا يمكن أن تعود أبدًا. وينطبق الشيء نفسه على الضوء. الثقوب في جوهرها عبارة عن أجسام تمتص كل الضوء الساقط عليها تمامًا ولا ينبعث منها أي ضوء. قد تظهر مثل هذه الأشياء بصريًا على شكل جلطات من الظلام المطلق.

• 1. تحريك المادة بسرعة نصف سرعة الضوء


• 2. حلقة الفوتون


• 3. حلقة الفوتون الداخلية


• 4. أفق الحدث في الثقب الأسود

واستنادًا إلى النظرية النسبية العامة لأينشتاين، إذا اقترب الجسم مسافة حرجة من مركز الثقب، فلن يتمكن من العودة مرة أخرى. وتسمى هذه المسافة نصف قطر شوارزشيلد. ما يحدث بالضبط داخل هذا نصف القطر غير معروف على وجه اليقين، ولكن هناك النظرية الأكثر شيوعًا. يُعتقد أن كل مادة الثقب الأسود تتركز في نقطة متناهية الصغر، ويوجد في مركزها جسم ذو كثافة لا نهائية، وهو ما يسميه العلماء بالاضطراب المفرد.

كيف يحدث السقوط في الثقب الأسود؟

(في الصورة، يبدو الثقب الأسود Sagittarius A* وكأنه عنقود ضوئي شديد السطوع)

منذ وقت ليس ببعيد، في عام 2011، اكتشف العلماء سحابة غازية، وأعطوها الاسم البسيط G2، والتي تنبعث منها ضوء غير عادي. وقد يكون هذا التوهج ناتجًا عن احتكاك الغاز والغبار الناتج عن الثقب الأسود Sagittarius A*، الذي يدور حوله كقرص تراكمي. وهكذا نصبح مراقبين لظاهرة امتصاص سحابة غازية مذهلة بواسطة ثقب أسود فائق الكتلة.

ووفقا للدراسات الحديثة، فإن أقرب اقتراب من الثقب الأسود سيحدث في مارس 2014. يمكننا إعادة تكوين صورة لكيفية حدوث هذا المشهد المثير.

• 1. عند ظهور سحابة الغاز لأول مرة في البيانات، فإنها تشبه كرة ضخمة من الغاز والغبار.


• 2. الآن، اعتبارًا من يونيو 2013، كانت السحابة على بعد عشرات المليارات من الكيلومترات من الثقب الأسود. ويسقط فيها بسرعة 2500 كم/ث.


• 3. من المتوقع أن تمر السحابة بجوار الثقب الأسود، لكن قوى المد والجزر الناتجة عن اختلاف الجاذبية المؤثرة على الحواف الأمامية والخلفية للسحابة ستجعلها تأخذ شكلًا متطاولًا بشكل متزايد.


• 4. بعد تمزق السحابة، من المرجح أن يتدفق معظمها إلى القرص التراكمي حول القوس A*، مما يولد موجات صادمة فيه. سوف تقفز درجة الحرارة إلى عدة ملايين من الدرجات.


• 5. سوف يسقط جزء من السحابة مباشرة في الثقب الأسود. لا أحد يعرف بالضبط ما الذي سيحدث لهذه المادة بعد ذلك، ولكن من المتوقع أنه عند سقوطها سوف تنبعث منها تيارات قوية من الأشعة السينية ولن يتم رؤيتها مرة أخرى أبدًا.

بالفيديو: ثقب أسود يبتلع سحابة غازية

(محاكاة حاسوبية لمقدار سحابة الغاز G2 التي سيتم تدميرها واستهلاكها بواسطة الثقب الأسود القوس A*)

ماذا يوجد داخل الثقب الأسود

هناك نظرية تنص على أن الثقب الأسود فارغ تقريبًا من الداخل، وكل كتلته تتركز في نقطة صغيرة بشكل لا يصدق تقع في مركزه - نقطة التفرد.

وبحسب نظرية أخرى موجودة منذ نصف قرن، فإن كل ما يسقط في الثقب الأسود يمر إلى كون آخر يقع في الثقب الأسود نفسه. الآن هذه النظرية ليست هي النظرية الرئيسية.

وهناك نظرية ثالثة وهي الأكثر حداثة وصلابة، مفادها أن كل ما يسقط في الثقب الأسود يذوب في اهتزازات الأوتار الموجودة على سطحه، وهو ما يسمى بأفق الحدث.

إذن ما هو أفق الحدث؟ من المستحيل النظر داخل الثقب الأسود حتى باستخدام تلسكوب فائق القوة، لأنه حتى الضوء الذي يدخل القمع الكوني العملاق ليس لديه فرصة للعودة مرة أخرى. كل ما يمكن اعتباره بطريقة ما على الأقل يقع في المنطقة المجاورة مباشرة له.

أفق الحدث هو خط سطحي تقليدي لا يمكن لأي شيء أن يهرب من تحته (لا الغاز، ولا الغبار، ولا النجوم، ولا الضوء). وهذه هي نقطة اللاعودة الغامضة جدًا في الثقوب السوداء في الكون.

العالم لا يدين لك بأي شيء، لقد كان هنا قبلك.
- مارك توين

لماذا لم ينهار الكون إلى ثقب أسود بعد الانفجار الكبير مباشرة؟

الكون مليء بكل شيء هذه الأيام. مجرتنا عبارة عن فوضى باردة من النجوم والكواكب والغاز والغبار والكثير من المادة المظلمة، وتحتوي على 200 إلى 400 مليار نجم، وتزن تريليون مرة أكثر من نظامنا الشمسي بأكمله. لكن مجرتنا هي مجرد واحدة من تريليونات المجرات ذات الحجم المماثل والمنتشرة في جميع أنحاء الكون.

ولكن مهما كانت ضخامة الكون، فإن هذه الكتلة موزعة على مساحة شاسعة. ويبلغ قطر الجزء المرئي من الكون حوالي 92 مليار سنة ضوئية، وهو أمر يصعب تخيله مقارنة بحدود نظامنا الشمسي. مدار بلوتو والأجسام الأخرى في حزام كويبر هو 0.06% من السنة الضوئية. لذلك، لدينا كتلة ضخمة موزعة على حجم ضخم. وأود أن أتخيل كيفية ارتباطهم ببعضهم البعض.

حسنًا، شمسنا تزن 2*10^30 كجم. وهذا يعني أنه يحتوي على 10^57 بروتونًا ونيوترونًا. إذا اعتبرنا أن الكون يحتوي على 10^24 كتلة شمسية من المادة العادية، يتبين أن الكرة التي يبلغ نصف قطرها 46 مليار كيلومتر تحتوي على 10^81 نيوكليون. إذا حسبنا متوسط ​​كثافة الكون، فسيتبين لنا أنها تعادل بروتونين تقريبًا لكل متر مكعب. وهذا بسيط!

لذلك، إذا بدأت بالتفكير في المرحلة المبكرة من تطور كوننا، عندما تم جمع كل المادة والطاقة في مساحة صغيرة جدًا، والتي كانت أصغر بكثير حتى من نظامنا الشمسي، علينا أن نفكر في مسألة القارئ لدينا.

عندما كان عمر الكون بيكو ثانية واحدة بعد الانفجار الكبير، كانت كل هذه المادة الموجودة الآن في النجوم والمجرات والمجموعات والعناقيد الفائقة في الكون في حجم أصغر من كرة نصف قطرها يساوي نصف القطر الحالي لمدار الأرض.

ودون الانتقاص من النظرية القائلة بأن الكون بأكمله يتناسب مع مثل هذا الحجم الصغير، دعنا نقول أننا نعرف الثقوب السوداء الموجودة بالفعل، والتي كتلتها أقل بكثير من كتلة الكون، وحجمها أكبر بكثير من كتلة الكون. الحجم المذكور!

أمامكم المجرة الإهليلجية العملاقة مسييه 87، أكبر مجرة ​​تبعد عنا 50 مليون سنة ضوئية، أي ما يعادل 0.1% من نصف قطر الكون المرئي. ويوجد في مركزها ثقب أسود هائل تبلغ كتلته 3.5 مليار كتلة شمسية. وهذا يعني أن لها نصف قطر شفارتزشيلد - أو نصف القطر الذي لا يمكن للضوء الهروب منه. وتبلغ حوالي 10 مليار كيلومتر، أي 70 مرة المسافة من الأرض إلى الشمس.

لذا، إذا كانت مثل هذه الكتلة في مثل هذا الحجم الصغير تؤدي إلى ظهور ثقب أسود، فلماذا لم تؤدي كتلة أكبر بـ 10^14 مرة، في حجم أصغر، إلى ظهور ثقب أسود، ولكن، من الواضح، أدى إلى ظهور الكون لدينا؟

لذلك لم تحضره تقريبًا. يتوسع الكون بمرور الوقت، ويتناقص معدل تمدده مع انتقالنا إلى المستقبل. في الماضي البعيد، في البيكو ثانية الأولى من عمر الكون، كان معدل توسعه أكبر بكثير مما هو عليه الآن. كم تريد مزيدا؟

اليوم، يتوسع الكون بمعدل حوالي 67 كم/ثانية/ميغابارسيك، مما يعني أنه مقابل كل ميغا فرسخ فلكي (حوالي 3.26 مليون سنة ضوئية) يكون هناك شيء ما بعيدًا عنا، فإن المسافة بيننا وبين ذلك الجسم تتوسع بمعدل 67 كيلومترا في الثانية. وعندما كان عمر الكون بيكو ثانية، كانت هذه السرعة أقرب إلى 10^46 كيلومتر/ثانية/ميجابكسل. ولوضع ذلك في الاعتبار، فإن معدل التوسع هذا اليوم سيؤدي إلى ابتعاد كل ذرة مادة على الأرض عن نظيراتها الأخرى بسرعة كبيرة بحيث تزيد المسافة بينهما بمقدار سنة ضوئية في كل ثانية!

يصف هذا التمديد المعادلة أعلاه. على أحد جانبيه يوجد H، معدل توسع هابل للكون، وعلى الجانب الآخر هناك الكثير من الأشياء. ولكن الشيء الأكثر أهمية هو المتغير ρ، الذي يدل على كثافة الطاقة في الكون. إذا كان H و ρ متوازنين تمامًا، فيمكن للكون البقاء على قيد الحياة لفترة طويلة جدًا. ولكن حتى الخلل الطفيف في التوازن سيؤدي إلى واحدة من نتيجتين غير سارة للغاية.

إذا كان معدل توسع الكون أقل قليلاً، بالنسبة لكمية كتلته وطاقته، فإن كوننا سيواجه انهيارًا فوريًا تقريبًا. سيحدث التحول إلى ثقب أسود أو Big Crunch بسرعة كبيرة. وإذا كان معدل التوسع أعلى قليلاً، فلن تتصل الذرات ببعضها البعض على الإطلاق. كل شيء سوف يتوسع بسرعة كبيرة لدرجة أن كل جسيم دون ذري سيتواجد في عالمه الخاص، دون أن يتفاعل مع أي شيء.

ما مدى اختلاف معدلات التوسع للحصول على مثل هذه النتائج المختلفة؟ على 10%؟ بنسبة 1%؟ بنسبة 0.1%؟

خذها أعلى. سيستغرق الأمر فرقًا أقل من 1/10 ^ 24 لإعطاء الكون وقتًا ليستمر لمدة 10 مليارات سنة. أي أنه حتى وجود اختلاف بنسبة 0.00000001% عن معدل التوسع الذي حدث سيكون كافيًا لينهار الكون مجددًا في أقل من ثانية إذا كان التوسع بطيئًا للغاية. أو لمنع تكوين ذرة هيليوم واحدة إذا كان التمدد كبيرًا جدًا.

لكن ليس لدينا أي من هذا: لدينا كون يمثل مثالًا على التوازن المثالي تقريبًا بين توسع وكثافة المادة والإشعاع، ولا تختلف الحالة الحالية عن التوازن المثالي إلا بثابت كوني صغير جدًا غير صفر. لا يمكننا تفسير سبب وجوده بعد، ولكن ربما ستستمتع بدراسة ما لا يفسره!

وفي تحليل لحركة الجسيمات الداخلة إلى ثقب أسود، نشره نيكوديم بوبلافسكي من جامعة إنديانا في بلومنجتون، في مارس الماضي، تم إثبات إمكانية وجود كون مختلف داخل كل ثقب أسود. يقول بوبلافسكي: "ربما تكون الثقوب السوداء الضخمة الموجودة في مركز مجرة ​​درب التبانة والمجرات الأخرى بمثابة "جسور" بين أكوان مختلفة". إذا كان هذا صحيحًا، وهو احتمال كبير، فلا شيء يستبعد احتمالية وجود كوننا أيضًا داخل ثقب أسود.

في نظرية النسبية العامة لأينشتاين (GTR)، فإن المناطق الداخلية للثقوب السوداء هي مناطق تصل فيها كثافة المادة إلى ما لا نهاية. سواء كانت نقطة التفرد نقطة فعلية ذات كثافة لا نهائية أو مجرد غموض رياضي في النسبية العامة، فإن معادلات أينشتاين "تنهار" داخل الثقب الأسود. على أية حال، فإن النسخة المعدلة من معادلات أينشتاين التي استخدمها بوبلافسكي تلغي التفرد تمامًا.

ومن أجل تحليله، لجأ بوبلافسكي إلى نسخة من نظرية الجاذبية التي وضعها أينشتاين كارتان كيبل شيام (KKS). على عكس معادلات أينشتاين، تأخذ نظرية QCS للجاذبية في الاعتبار الدوران أو الزخم الزاوي للجسيمات الأولية. ومن خلال أخذ الدوران بعين الاعتبار، يصبح من الممكن حساب هندسة الزمكان للثقب الأسود.

عندما تصل كثافة المادة إلى أبعاد هائلة (أكثر من 1050 كيلوجرامًا لكل متر مكعب) داخل الثقب الأسود، يتجلى الالتواء كقوة مكافئة للجاذبية. وهذا يمنع الأسئلة حول أوقات الضغط غير المحددة لتحقيق كثافة لا نهائية. وبدلاً من ذلك، يقول بوبلافسكي، إن المادة تعيد تنظيم نفسها وتبدأ في التوسع مرة أخرى.

طبق بوبلافسكي هذه الأفكار على نموذج لسلوك الزمكان داخل الثقب الأسود. يشبه السيناريو ما يحدث عند ضغط الزنبرك: حسب بوبلافسكي أن الجاذبية تتغلب في البداية على قوى التنافر والالتواء وتبقي المادة مضغوطة، ولكن في النهاية تصبح قوة التنافر قوية جدًا بحيث تتوقف المادة عن الضغط وتعيد تنظيم نفسها. تظهر حسابات بوبلافسكي أن الزمكان داخل الثقب الأسود يتوسع إلى حوالي 1.4 مرة أصغر حجم له خلال 10 إلى 46 ثانية فقط.

يقول بوبلافسكي إن هذا الارتداد السريع المذهل قد يكون هو ما أدى إلى توسع الكون الذي نراه اليوم.

كيف نعرف أننا نعيش داخل ثقب أسود؟ حسنًا، من شأن الثقب الأسود الدوار أن يعطي بعض الدوران للزمكان الموجود بداخله، وسيظهر ذلك على أنه "الاتجاه المفضل" في كوننا، كما يقول بوبلافسكي. هذا الاتجاه المفضل من شأنه أن ينتهك خاصية الزمكان التي تسمى تناظر لورنتز، والتي تربط المكان والزمان. وقد اقترح أن مثل هذه الاضطرابات قد تكون ناجمة عن التذبذبات المرصودة للنيوترينوات من نوع إلى آخر.

لسوء الحظ، ليس من المنطقي بالنسبة لنا أن نبحث عن عوالم أخرى داخل الثقوب السوداء. كلما اقتربت من الثقب الأسود، فإن زيادة مجال الجاذبية تجعل الزمن أبطأ فأبطأ. وهكذا، بالنسبة للمراقب الخارجي، فإن أي كون جديد في الداخل لن يظهر إلا بعد مرور فترة لا حصر لها من الوقت.

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 ذاته 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 الانهيار الجاذبي لنجم بحجم الشمس سيكون 29 دقيقة، والنجم النيوتروني الأكثر كثافة والأكثر إحكاما سيستغرق 1/20.000 من الثانية فقط. وهنا يواجه مشكلة مرتبطة بهندسة الزمكان بالقرب من الثقب الأسود.

يجد المراقب نفسه في مساحة منحنية. 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 وقت طويل 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) شمسًا. 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 تظهر أيضًا ثقوب صغيرة سوداء تبلغ كتلتها حوالي 1014 جرامًا ونصف قطرها حوالي 10-12 سم (بحجم نواة الذرة). يمكن أن تظهر في اللحظات الأولى من وجود الكون كمظهر من مظاهر عدم التجانس القوي جدًا للزمكان مع كثافة الطاقة الهائلة. 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 هوكينغ 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 ساخنة! 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.

على الرغم من أن الثقوب السوداء تعتبر واحدة من أكثر القوى تدميرا في الفضاء، إلا أنها يمكن أن تؤوي أيضا حضارات متقدمة مماثلة لحضارتنا، كما يقول الباحثون. بناءً على هذه النظرية الجذرية، يمكننا أن نستنتج أننا أيضًا نستطيع العيش في ثقبنا الأسود. وتشير النظرية نفسها إلى أنه إذا سقطنا في الثقب الأسود في مركز درب التبانة، فقد ينتهي الأمر بجسيماتنا متناثرة في جميع أنحاء كون آخر.

وقد قام عدد من علماء الفيزياء النظرية باستكشاف هذا المفهوم خلال السنوات القليلة الماضية، وأبرزهم نيكوديم بوبلافسكي من جامعة نيو هيفن. وتنبأ أينشتاين بأن مركز الثقب الأسود كثيف وصغير بشكل لا نهائي، لكن مجموعة من العلماء الشباب يجادلون بأن اللانهاية لا توجد عادة في الطبيعة. إنهم يعتقدون أنه بدلاً من ذلك قد يكون هناك شيء صغير ولكن محدود في مركزه.

وفقا لنظرية الدكتور بوبلافسكي، في مركز الانفجار الكبير كانت هناك "بذرة" تشكلت داخل ثقب أسود. ويعتقد أن البذرة أصغر بتريليونات المرات من أي جسيم اكتشفه البشر حتى الآن، وفقا لتقرير بقلم مايكل فينكل نشرته ناشيونال جيوغرافيك.

كان هذا الجسيم الصغير قويًا بما يكفي للتسبب في إنتاج كل الجسيمات الأخرى التي تشكل حاليًا المجرات والأنظمة الشمسية والكواكب والبشر. يقترح الدكتور بوبلافسكي أن هذه البذرة ظهرت من الثقوب السوداء - "أفران" الكون فائقة القوة.

ويقول العالم إن الثقب الأسود قد يكون "بابا" بين كونين، يؤدي إلى اتجاه واحد فقط. ويجادل بأنه إذا سقط شيء ما في الثقب الأسود في مركز درب التبانة، فسينتهي به الأمر في عالم موازٍ. إذا كان كوننا قد تم إنشاؤه من "بذرة" فائقة الكثافة، فإن النظرية تشير إلى أننا ربما نعيش أيضًا في أحد هذه الثقوب السوداء.

يقول عالم الكونيات الروسي فياتشيسلاف دوكوتشيف أنه إذا كان من الممكن وجود الحياة داخل الثقوب السوداء الهائلة، فهذا هو المكان الذي كانت ستتطور فيه الحضارات الأكثر تقدمًا في العالم. وفي عام 2011، قال البروفيسور دوكوتشيف من معهد موسكو للأبحاث النووية التابع لأكاديمية العلوم الروسية إن البيانات السابقة، جنبًا إلى جنب مع الأبحاث الجديدة، أثارت احتمالات مثيرة للاهتمام لأنواع معينة من الثقوب السوداء.