الثقب الأسود: ماذا يوجد في الداخل؟ حقائق مثيرة للاهتمام والأبحاث. ما هو "الثقب الأسود"

24 يناير 2013

من بين جميع الأجسام الافتراضية في الكون التي تنبأت بها النظريات العلمية، فإن الثقوب السوداء هي التي تترك الانطباع الأكثر غرابة. وعلى الرغم من أن الاقتراحات حول وجودها بدأت قبل قرن ونصف تقريبًا من نشر أينشتاين للنظرية النسبية العامة، إلا أنه لم يتم الحصول على أدلة مقنعة على حقيقة وجودها إلا مؤخرًا.

لنبدأ بكيفية معالجة النسبية العامة لمسألة طبيعة الجاذبية. ينص قانون نيوتن للجذب العام على أن قوة الجذب المتبادل تؤثر بين أي جسمين ضخمين في الكون. وبسبب هذه الجاذبية، تدور الأرض حول الشمس. تجبرنا النسبية العامة على النظر إلى نظام الشمس والأرض بشكل مختلف. ووفقا لهذه النظرية، في وجود جرم سماوي ضخم مثل الشمس، يبدو أن الزمكان ينهار تحت ثقله، ويتعطل انتظام نسيجه. تخيل ترامبولين مرنًا عليه كرة ثقيلة (مثل كرة البولينج). ينحني القماش الممدود تحت ثقله، مما يخلق فراغًا حوله. وبنفس الطريقة، تدفع الشمس الزمكان حول نفسها.

وفقًا لهذه الصورة، تدور الأرض ببساطة حول القمع الناتج (باستثناء أن الكرة الصغيرة التي تتدحرج حول كرة ثقيلة على الترامبولين ستفقد سرعتها حتمًا وتقترب من الكرة الكبيرة). وما نعتبره عادة قوة الجاذبية في حياتنا اليومية ليس أكثر من مجرد تغيير في هندسة الزمكان، وليس قوة في الفهم النيوتوني. اليوم، لم يتم اختراع تفسير أكثر نجاحًا لطبيعة الجاذبية مما قدمته لنا النظرية النسبية العامة.

الآن تخيل ماذا سيحدث إذا قمنا، في إطار الصورة المقترحة، بزيادة وزيادة كتلة كرة ثقيلة دون زيادة أبعادها المادية؟ نظرًا لكونه مرنًا تمامًا، فسوف يتعمق القمع حتى تتقارب حوافه العلوية في مكان ما عاليًا فوق الكرة الثقيلة تمامًا، ثم سيتوقف ببساطة عن الوجود عند النظر إليه من السطح. في الكون الحقيقي، بعد أن تراكم كتلة وكثافة كافية من المادة، يصطدم الجسم بفخ الزمكان حول نفسه، وينغلق نسيج الزمكان، ويفقد الاتصال ببقية الكون، ويصبح غير مرئي بالنسبة له. هكذا يظهر الثقب الأسود.

يعتقد شوارزشيلد ومعاصروه أن مثل هذه الأجسام الفضائية الغريبة لا وجود لها في الطبيعة. ولم يلتزم أينشتاين نفسه بوجهة النظر هذه فحسب، بل اعتقد خطأً أيضًا أنه نجح في إثبات رأيه رياضيًا.

وفي ثلاثينيات القرن العشرين، أثبت عالم الفيزياء الفلكية الهندي الشاب شاندراسيخار أن النجم الذي يستهلك وقوده النووي يتخلص من قشرته ويتحول إلى قزم أبيض يبرد ببطء فقط إذا كانت كتلته أقل من 1.4 كتلة شمسية. وسرعان ما أدرك الأمريكي فريتز زويكي أن انفجارات المستعرات الأعظم تنتج أجسامًا كثيفة للغاية من مادة النيوترونات. وفي وقت لاحق، توصل ليف لانداو إلى نفس النتيجة. بعد عمل شاندراسيخار، كان من الواضح أن النجوم التي تزيد كتلتها عن 1.4 كتلة شمسية هي وحدها القادرة على الخضوع لمثل هذا التطور. لذا نشأ سؤال طبيعي: هل هناك حد أعلى لكتلة المستعرات الأعظم التي تتركها النجوم النيوترونية؟

في نهاية الثلاثينيات، أثبت الأب المستقبلي للقنبلة الذرية الأمريكية، روبرت أوبنهايمر، أن هذا الحد موجود بالفعل ولا يتجاوز عدة كتل شمسية. ولم يكن من الممكن حينها إعطاء تقييم أكثر دقة؛ ومن المعروف الآن أن كتل النجوم النيوترونية يجب أن تكون في حدود 1.5-3 مللي ثانية. ولكن حتى من الحسابات التقريبية التي أجراها أوبنهايمر وطالب الدراسات العليا جورج فولكو، فقد نتج عن ذلك أن أحفاد المستعرات العظمى الأكثر ضخامة لا يصبحون نجومًا نيوترونية، بل يتحولون إلى حالة أخرى. في عام 1939، استخدم أوبنهايمر وهارتلاند سنايدر نموذجًا مثاليًا لإثبات أن النجم الضخم المنهار ينكمش مع نصف قطر جاذبيته. ويترتب على صيغهم في الواقع أن النجم لا يتوقف عند هذا الحد، لكن المؤلفين المشاركين امتنعوا عن مثل هذا الاستنتاج الجذري.

09.07.1911 - 13.04.2008

تم العثور على الإجابة النهائية في النصف الثاني من القرن العشرين من خلال جهود مجموعة كاملة من علماء الفيزياء النظرية اللامعين، بما في ذلك السوفييت. اتضح أن مثل هذا الانهيار يضغط دائما على النجم "على طول الطريق"، ويدمر مادته تماما. ونتيجة لذلك، ينشأ التفرد، "التركيز الفائق" لمجال الجاذبية، مغلقًا في حجم متناهٍ في الصغر. بالنسبة للثقب الثابت، فهذه نقطة، وبالنسبة للثقب الدوار فهي حلقة. إن انحناء الزمكان، وبالتالي قوة الجاذبية بالقرب من نقطة التفرد، تميل إلى اللانهاية. في نهاية عام 1967، كان الفيزيائي الأمريكي جون أرشيبالد ويلر أول من أطلق على مثل هذا الانهيار النجمي الأخير اسم الثقب الأسود. كان المصطلح الجديد محبوبًا من قبل الفيزيائيين والصحفيين المسرورين، الذين نشروه في جميع أنحاء العالم (على الرغم من أن الفرنسيين لم يعجبهم في البداية، لأن التعبير "ترو نوير" يشير إلى ارتباطات مشكوك فيها).

أهم خاصية للثقب الأسود هي أن كل ما يقع فيه لن يعود. وينطبق هذا أيضًا على الضوء، ولهذا السبب حصلت الثقوب السوداء على اسمها: الجسم الذي يمتص كل الضوء الساقط عليه ولا ينبعث منه أي ضوء يبدو أسودًا تمامًا. وفقًا للنظرية النسبية العامة، إذا اقترب جسم ما من مركز الثقب الأسود على مسافة حرجة - تسمى هذه المسافة بنصف قطر شفارتزشيلد - فلا يمكنه العودة أبدًا. (عالم الفلك الألماني كارل شوارزشيلد (1873-1916) في السنوات الأخيرة من حياته، باستخدام معادلات النظرية النسبية العامة لأينشتاين، قام بحساب مجال الجاذبية حول كتلة حجمها صفر). بالنسبة لكتلة الشمس، نصف قطر شوارزشيلد هو 3 كم، أي لتحويل شمسنا إلى ثقب أسود، تحتاج إلى ضغط كتلتها بأكملها إلى حجم مدينة صغيرة!

داخل نصف قطر شوارزشيلد، تتنبأ النظرية بظواهر أكثر غرابة: كل المادة الموجودة في الثقب الأسود تتجمع في نقطة متناهية الصغر ذات كثافة لا نهائية في مركزها، ويطلق علماء الرياضيات على مثل هذا الجسم اسم الاضطراب المفرد. في حالة الكثافة اللانهائية، فإن أي كتلة محدودة من المادة، من الناحية الرياضية، تشغل حجمًا مكانيًا صفرًا. وبطبيعة الحال، لا يمكننا التحقق تجريبيا ما إذا كانت هذه الظاهرة تحدث فعلا داخل الثقب الأسود، لأن كل ما يقع داخل نصف قطر شفارتزشيلد لا يعود إلى الوراء.

وهكذا، دون أن نكون قادرين على "النظر إلى" ثقب أسود بالمعنى التقليدي لكلمة "نظرة"، يمكننا مع ذلك اكتشاف وجوده من خلال إشارات غير مباشرة لتأثير مجال جاذبيته الفائق القوة وغير المعتاد تمامًا على المادة المحيطة به. هو - هي.

الثقوب السوداء الهائلة

في مركز مجرتنا درب التبانة والمجرات الأخرى يوجد ثقب أسود ضخم بشكل لا يصدق أثقل من الشمس بملايين المرات. وتم اكتشاف هذه الثقوب السوداء فائقة الكتلة (كما سميت) من خلال عمليات رصد طبيعة حركة الغاز بين النجوم بالقرب من مراكز المجرات. الغازات، وفقًا للملاحظات، تدور على مسافة قريبة من الجسم فائق الكتلة، وتُظهر الحسابات البسيطة باستخدام قوانين نيوتن للميكانيكا أن الجسم الذي يجذبها، بقطر صغير، له كتلة هائلة. فقط الثقب الأسود يمكنه أن يحرك الغاز بين النجوم في مركز المجرة بهذه الطريقة. وفي الواقع، اكتشف علماء الفيزياء الفلكية بالفعل العشرات من هذه الثقوب السوداء الضخمة في مراكز المجرات المجاورة لنا، ويشتبهون بشدة في أن مركز أي مجرة ​​هو ثقب أسود.

الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية

وفقا لفهمنا الحالي لتطور النجوم، فعندما يموت نجم تزيد كتلته عن 30 كتلة شمسية تقريبا في انفجار سوبر نوفا، تتناثر قشرته الخارجية، وتنهار الطبقات الداخلية بسرعة باتجاه المركز وتشكل ثقبا أسود في مكان النجم. النجم الذي استنفد احتياطياته من الوقود. يكاد يكون من المستحيل اكتشاف ثقب أسود من هذا الأصل معزول في الفضاء بين النجوم، لأنه يقع في فراغ مخلخل ولا يظهر نفسه بأي شكل من الأشكال من حيث تفاعلات الجاذبية. ومع ذلك، إذا كان مثل هذا الثقب جزءًا من نظام نجمي ثنائي (نجمان حاران يدوران حول مركز كتلتهما)، فسيظل الثقب الأسود يمارس تأثير الجاذبية على نجمه المزدوج. لدى علماء الفلك اليوم أكثر من اثني عشر مرشحًا لدور الأنظمة النجمية من هذا النوع، على الرغم من عدم الحصول على أدلة دامغة لأي منها.

في النظام الثنائي الذي يحتوي في تركيبته على ثقب أسود، فإن مادة النجم "الحي" سوف "تتدفق" حتما في اتجاه الثقب الأسود. والمادة التي يمتصها الثقب الأسود سوف تدور بشكل حلزوني عند سقوطها في الثقب الأسود، وتختفي عند عبور نصف قطر شفارتزشيلد. لكن عند الاقتراب من الحد القاتل، فإن المادة التي تم امتصاصها في قمع الثقب الأسود ستصبح حتما أكثر كثافة وسخونة بسبب زيادة تواتر الاصطدامات بين الجزيئات التي يمتصها الثقب، حتى تسخن إلى طاقات انبعاث موجات في الفضاء. نطاق الأشعة السينية لطيف الإشعاع الكهرومغناطيسي. ويمكن لعلماء الفلك قياس دورية التغيرات في شدة إشعاع الأشعة السينية من هذا النوع وحساب الكتلة التقريبية للجسم الذي "يسحب" المادة نحو نفسه، من خلال مقارنتها بالبيانات الأخرى المتاحة. إذا تجاوزت كتلة الجسم حد شاندراسيخار (1.4 كتلة شمسية)، فلا يمكن أن يكون هذا الكائن قزمًا أبيض، حيث من المقرر أن يتدهور نجمنا إليه. في معظم عمليات الرصد التي تم تحديدها لهذه النجوم الثنائية ذات الأشعة السينية، يكون الجسم الضخم عبارة عن نجم نيوتروني. ومع ذلك، كانت هناك بالفعل أكثر من اثنتي عشرة حالة حيث كان التفسير المعقول الوحيد هو وجود ثقب أسود في نظام نجمي ثنائي.

جميع الأنواع الأخرى من الثقوب السوداء هي أكثر تخمينًا وتعتمد فقط على البحث النظري، ولا يوجد دليل تجريبي على وجودها على الإطلاق. أولاً، هذه ثقوب سوداء صغيرة كتلتها تعادل كتلة جبل ومضغوطة بنصف قطر البروتون. فكرة أصلهم في المرحلة الأولى من تكوين الكون مباشرة بعد الانفجار الكبير عبر عنها عالم الكونيات الإنجليزي ستيفن هوكينج (انظر المبدأ الخفي لعدم رجعة الزمن). اقترح هوكينج أن انفجارات الثقوب الصغيرة يمكن أن تفسر الظاهرة الغامضة حقًا المتمثلة في انفجارات أشعة جاما الدقيقة في الكون. ثانياً، تتنبأ بعض نظريات الجسيمات الأولية بوجود غربال حقيقي في الكون - على المستوى الجزئي - من الثقوب السوداء، وهي عبارة عن نوع من الرغوة الناتجة عن قمامة الكون. من المفترض أن يبلغ قطر هذه الثقوب الدقيقة حوالي 10-33 سم، وهي أصغر بمليارات المرات من البروتون. في الوقت الحالي، ليس لدينا أي أمل في التحقق تجريبيًا حتى من حقيقة وجود مثل هذه الجسيمات في الثقب الأسود، ناهيك عن استكشاف خصائصها بطريقة أو بأخرى.

وماذا سيحدث للراصد إذا وجد نفسه فجأة على الجانب الآخر من نصف قطر الجاذبية، أو ما يسمى بأفق الحدث. هذا هو المكان الذي تبدأ فيه الخاصية المدهشة للثقوب السوداء. ليس من قبيل الصدفة أننا عندما نتحدث عن الثقوب السوداء، نذكر دائمًا الزمن، أو بشكل أدق الزمكان. وفقاً للنظرية النسبية لأينشتاين، كلما تحرك الجسم بشكل أسرع، زادت كتلته، ولكن كلما بدأ الوقت بالمرور بشكل أبطأ! عند السرعات المنخفضة في الظروف العادية يكون هذا التأثير غير ملحوظ، أما إذا تحرك جسم (سفينة فضائية) بسرعة قريبة من سرعة الضوء فإن كتلته تزداد ويتباطأ الزمن! عندما تتساوى سرعة الجسم مع سرعة الضوء، تصل كتلته إلى ما لا نهاية، ويتوقف الزمن! الصيغ الرياضية الصارمة تتحدث عن هذا. دعونا نعود إلى الثقب الأسود. دعونا نتخيل موقفًا رائعًا عندما تقترب مركبة فضائية على متنها رواد فضاء من نصف قطر الجاذبية أو أفق الحدث. من الواضح أن أفق الحدث سمي بهذا الاسم لأنه لا يمكننا مراقبة أي أحداث (ملاحظة أي شيء على الإطلاق) إلا حتى هذه الحدود. أننا لا نستطيع أن نلاحظ خارج هذه الحدود. ومع ذلك، أثناء وجودهم داخل سفينة تقترب من ثقب أسود، سيشعر رواد الفضاء بنفس الشعور الذي كان لديهم من قبل، لأن... وبحسب ساعتهم، سيسير الوقت "بشكل طبيعي". سوف تعبر المركبة الفضائية أفق الحدث بهدوء وتمضي قدمًا. لكن بما أن سرعتها ستكون قريبة من سرعة الضوء، فإن المركبة الفضائية ستصل إلى مركز الثقب الأسود في لحظة واحدة حرفيا.

وبالنسبة للمراقب الخارجي، ستتوقف المركبة الفضائية ببساطة عند أفق الحدث، وستبقى هناك إلى الأبد تقريبًا! هذه هي مفارقة الجاذبية الهائلة للثقوب السوداء. السؤال الطبيعي هو ما إذا كان رواد الفضاء الذين يذهبون إلى اللانهاية وفقًا لساعة مراقب خارجي سيبقون على قيد الحياة. لا. والنقطة ليست على الإطلاق في الجاذبية الهائلة، ولكن في قوى المد والجزر، والتي تتغير بشكل كبير لمثل هذا الجسم الصغير والضخم على مسافات قصيرة. مع ارتفاع رائد الفضاء الذي يبلغ 1 م 70 سم، ستكون قوى المد والجزر عند رأسه أقل بكثير منها عند قدميه وسوف يتمزق ببساطة بالفعل في أفق الحدث. لذلك، اكتشفنا بشكل عام ما هي الثقوب السوداء، ولكن حتى الآن كنا نتحدث عن الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية. اكتشف علماء الفلك حاليًا ثقوبًا سوداء هائلة الكتلة قد تصل كتلتها إلى مليار شمس! لا تختلف الثقوب السوداء الهائلة في خصائصها عن نظيراتها الأصغر. إنها أكثر ضخامة بكثير، كقاعدة عامة، تقع في مراكز المجرات - الجزر النجمية للكون. يوجد في مركز مجرتنا (درب التبانة) أيضًا ثقب أسود هائل. إن الكتلة الهائلة لهذه الثقوب السوداء ستجعل من الممكن البحث عنها ليس فقط في مجرتنا، ولكن أيضًا في مراكز المجرات البعيدة الواقعة على مسافة ملايين ومليارات السنين الضوئية من الأرض والشمس. أجرى العلماء الأوروبيون والأمريكيون بحثًا عالميًا عن الثقوب السوداء الهائلة، والتي، وفقًا للحسابات النظرية الحديثة، يجب أن تكون موجودة في مركز كل مجرة.

تتيح التقنيات الحديثة اكتشاف وجود هذه النجوم المنهارة في المجرات المجاورة، لكن لم يتم اكتشاف سوى عدد قليل جدًا منها. وهذا يعني أن الثقوب السوداء إما تكون مخفية ببساطة في سحب كثيفة من الغاز والغبار في الجزء المركزي من المجرات، أو أنها تقع في زوايا أبعد من الكون. لذلك، يمكن اكتشاف الثقوب السوداء عن طريق إشعاع الأشعة السينية المنبعثة أثناء تراكم المادة عليها، ولإجراء إحصاء لهذه المصادر، تم إطلاق الأقمار الصناعية التي تحمل تلسكوبات الأشعة السينية إلى الفضاء الكوني القريب من الأرض. أثناء البحث عن مصادر الأشعة السينية، اكتشف مرصدا تشاندرا وروسي الفضائيان أن السماء كانت مليئة بإشعاع الخلفية من الأشعة السينية التي كانت أكثر سطوعًا بملايين المرات من الإشعاع المرئي. يجب أن يأتي جزء كبير من انبعاث الأشعة السينية الخلفية من السماء من الثقوب السوداء. عادة في علم الفلك هناك ثلاثة أنواع من الثقوب السوداء. الأول هو الثقوب السوداء ذات الكتل النجمية (حوالي 10 كتلة شمسية). وهي تتشكل من نجوم ضخمة عندما ينفد الوقود النووي الحراري. والثاني هو الثقوب السوداء الهائلة في مراكز المجرات (بملايين إلى مليارات الكتل الشمسية). وأخيرًا، الثقوب السوداء الأولية، التي تكونت في بداية حياة الكون، والتي تكون كتلتها صغيرة (على غرار كتلة كويكب كبير). وبالتالي، فإن مجموعة كبيرة من كتل الثقوب السوداء المحتملة لا تزال شاغرة. ولكن أين هذه الثقوب؟ ومع ذلك، فإنهم يملأون الفضاء بالأشعة السينية، لكنهم لا يريدون إظهار "وجههم" الحقيقي. ولكن من أجل بناء نظرية واضحة عن العلاقة بين إشعاع الأشعة السينية الخلفية والثقوب السوداء، من الضروري معرفة عددها. في الوقت الحالي، تمكنت التلسكوبات الفضائية من اكتشاف عدد صغير فقط من الثقوب السوداء الهائلة، والتي يمكن اعتبار وجودها مثبتًا. تتيح العلامات غير المباشرة زيادة عدد الثقوب السوداء المرصودة المسؤولة عن إشعاع الخلفية إلى 15٪. علينا أن نفترض أن الثقوب السوداء المتبقية فائقة الكتلة تختبئ ببساطة خلف طبقة سميكة من سحب الغبار التي تنقل فقط الأشعة السينية عالية الطاقة أو أنها بعيدة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها بوسائل الرصد الحديثة.

ثقب أسود هائل (محيط) في مركز المجرة M87 (صورة بالأشعة السينية). القذف (النفاث) من أفق الحدث مرئي. الصورة من www.college.ru/astronomy

يعد العثور على الثقوب السوداء المخفية إحدى المهام الرئيسية لعلم فلك الأشعة السينية الحديث. ومع ذلك، فإن الإنجازات الحديثة في هذا المجال، المرتبطة بالأبحاث باستخدام تلسكوبي شاندرا وروسي، لا تغطي سوى نطاق الطاقة المنخفضة من إشعاع الأشعة السينية - حوالي 2000-20000 إلكترون فولت (للمقارنة، تبلغ طاقة الإشعاع البصري حوالي 2 إلكترونين). . فولت). يمكن إجراء تعديلات كبيرة على هذه الدراسات بواسطة التلسكوب الفضائي الأوروبي Integral، القادر على اختراق منطقة الأشعة السينية التي لا تزال غير مدروسة بطاقة تتراوح بين 20.000 و 300.000 إلكترون فولت. تكمن أهمية دراسة هذا النوع من الأشعة السينية في أنه على الرغم من أن خلفية الأشعة السينية للسماء ذات طاقة منخفضة، إلا أن قمم (نقاط) متعددة من الإشعاع بطاقة تبلغ حوالي 30.000 إلكترون فولت تظهر على هذه الخلفية. لا يزال العلماء يرفعون الغطاء عن ما ينتج هذه القمم، ويعتبر إنتغرال أول تلسكوب حساس بما يكفي للكشف عن مصادر الأشعة السينية هذه. ووفقا لعلماء الفلك، تولد الأشعة عالية الطاقة ما يسمى بأجسام كومبتون السميكة، أي ثقوب سوداء فائقة الكتلة محاطة بقشرة من الغبار. تعتبر أجسام كومبتون مسؤولة عن قمم الأشعة السينية البالغة 30000 إلكترون فولت في مجال إشعاع الخلفية.

ولكن، مواصلة أبحاثهم، توصل العلماء إلى استنتاج مفاده أن أجسام كومبتون تشكل 10٪ فقط من عدد الثقوب السوداء التي يجب أن تخلق قمم عالية الطاقة. وهذا يشكل عقبة خطيرة أمام مواصلة تطوير النظرية. إذن، لا يتم توفير الأشعة السينية المفقودة بواسطة ثقوب سوداء عادية فائقة الكتلة؟ ثم ماذا عن ستائر الغبار للأشعة السينية منخفضة الطاقة؟ يبدو أن الإجابة تكمن في حقيقة أن العديد من الثقوب السوداء (أجسام كومبتون) كان لديها الوقت الكافي لامتصاص كل الغاز والغبار الذي يغلفها، ولكن قبل ذلك أتيحت لها الفرصة للتعريف عن نفسها بالأشعة السينية عالية الطاقة. وبعد استهلاك كل المادة، لم تعد هذه الثقوب السوداء قادرة على توليد الأشعة السينية في أفق الحدث. يصبح من الواضح لماذا لا يمكن اكتشاف هذه الثقوب السوداء، ويصبح من الممكن أن نعزو المصادر المفقودة لإشعاع الخلفية إليها، لأنه على الرغم من أن الثقب الأسود لم يعد ينبعث، إلا أن الإشعاع الذي أنشأه سابقًا يستمر في السفر عبر الكون. ومع ذلك، فمن الممكن أن تكون الثقوب السوداء المفقودة مخفية أكثر مما يدركه علماء الفلك، مما يعني أن عدم رؤيتها لا يعني أنها غير موجودة. ليس لدينا ما يكفي من قوة المراقبة حتى الآن لرؤيتهم. وفي الوقت نفسه، يخطط علماء ناسا لتوسيع نطاق البحث عن الثقوب السوداء المخفية إلى أبعد من ذلك في الكون. ويعتقدون أن هذا هو المكان الذي يقع فيه الجزء الموجود تحت الماء من الجبل الجليدي. على مدار عدة أشهر، سيتم إجراء الأبحاث كجزء من مهمة سويفت. إن الاختراق في أعماق الكون سوف يكشف عن الثقوب السوداء المخفية، ويجد الحلقة المفقودة لإشعاع الخلفية، ويلقي الضوء على نشاطها في العصر المبكر للكون.

يُعتقد أن بعض الثقوب السوداء أكثر نشاطًا من جيرانها الهادئين. تمتص الثقوب السوداء النشطة المادة المحيطة بها، وإذا تم القبض على نجم "غير حذر" يطير بالقرب منه أثناء رحلة الجاذبية، فمن المؤكد أنه سيتم "أكله" بالطريقة الأكثر همجية (ممزقًا إلى أشلاء). يتم تسخين المادة الممتصة، التي تسقط في الثقب الأسود، إلى درجات حرارة هائلة وتتعرض لتوهج في نطاق غاما والأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية. يوجد أيضًا ثقب أسود فائق الضخامة في مركز مجرة ​​درب التبانة، لكن دراسته أصعب من دراسة الثقوب الموجودة في المجرات المجاورة أو حتى المجرات البعيدة. ويرجع ذلك إلى الجدار الكثيف من الغاز والغبار الذي يقف في طريق مركز مجرتنا، لأن النظام الشمسي يقع تقريبًا على حافة قرص المجرة. ولذلك، فإن مراقبة نشاط الثقب الأسود تكون أكثر فعالية في تلك المجرات التي تكون نواتها مرئية بوضوح. أثناء رصد إحدى المجرات البعيدة، الواقعة في كوكبة Boötes على مسافة 4 مليارات سنة ضوئية، تمكن علماء الفلك لأول مرة من تتبع عملية امتصاص نجم من ثقب أسود فائق الكتلة من البداية إلى النهاية تقريبا . لآلاف السنين، كان هذا النجم العملاق يستقر بهدوء وسلام في وسط مجرة ​​إهليلجية غير مسماة، حتى تجرأ أحد النجوم على الاقتراب منه بدرجة كافية.

مزقت الجاذبية القوية للثقب الأسود النجم. بدأت كتل من المادة تتساقط على الثقب الأسود، وعند وصولها إلى أفق الحدث، اشتعلت بشكل ساطع في نطاق الأشعة فوق البنفسجية. تم تسجيل هذه التوهجات بواسطة التلسكوب الفضائي الجديد Galaxy Evolution Explorer التابع لناسا، والذي يدرس السماء في الضوء فوق البنفسجي. ويواصل التلسكوب مراقبة سلوك الجسم المميز حتى يومنا هذا، لأنه ولم تنته وجبة الثقب الأسود بعد، وما زالت بقايا النجم تتساقط في هاوية الزمان والمكان. ستساعد مراقبة مثل هذه العمليات في نهاية المطاف على فهم أفضل لكيفية تطور الثقوب السوداء مع المجرات المضيفة لها (أو، على العكس من ذلك، تطور المجرات مع ثقب أسود أصلي). وتشير الملاحظات السابقة إلى أن مثل هذه التجاوزات ليست غير شائعة في الكون. لقد حسب العلماء أنه، في المتوسط، يستهلك ثقب أسود هائل في مجرة ​​نموذجية نجمًا مرة واحدة كل 10000 عام، ولكن نظرًا لوجود عدد كبير من المجرات، يمكن ملاحظة امتصاص النجوم في كثير من الأحيان.

مصدر

الثقوب السوداء هي واحدة من أغرب الظواهر في الكون. على أية حال، في هذه المرحلة من التطور البشري. هذا جسم ذو كتلة وكثافة لا نهائيتين، وبالتالي جاذبية، لا يمكن للضوء أن يهرب بعدها - وبالتالي فإن الثقب أسود. يمكن للثقب الأسود الهائل أن يمتص مجرة ​​بأكملها دون أن يختنق، وخارج أفق الحدث، تبدأ الفيزياء الطبيعية في الصراخ والالتواء في عقدة. ومن ناحية أخرى، يمكن أن تصبح الثقوب السوداء "ثقوبًا" انتقالية محتملة من عقدة في الفضاء إلى أخرى. والسؤال هو، إلى أي مدى يمكننا أن نقترب من الثقب الأسود، وهل ستكون هناك عواقب؟

الثقب الأسود الهائل القوس A*، الموجود في مركز مجرتنا، لا يمتص الأجسام القريبة فحسب، بل يصدر أيضًا انبعاثًا راديويًا قويًا. وقد حاول العلماء منذ فترة طويلة تمييز هذه الأشعة، إلا أن الضوء المتناثر المحيط بالثقب أعاقهم. وأخيرًا، تمكنوا من اختراق الضوضاء الضوئية باستخدام 13 تلسكوبًا، تم دمجها في نظام واحد قوي. وفي وقت لاحق، اكتشفوا معلومات مثيرة للاهتمام حول الأشعة الغامضة سابقا.

قبل أيام قليلة، في 14 مارس، رحل أحد أبرز علماء الفيزياء في عصرنا هذا عن العالم،

الثقب الأسود هو منطقة خاصة في الفضاء. هذا تراكم معين للمادة السوداء، قادر على الانجذاب إلى نفسه وامتصاص الأجسام الأخرى في الفضاء. ظاهرة الثقوب السوداء لا تزال موجودة. جميع البيانات المتوفرة هي مجرد نظريات وافتراضات لعلماء الفلك.

اسم "الثقب الأسود" صاغه العالم ج.أ. ويلر في عام 1968 في جامعة برينستون.

هناك نظرية مفادها أن الثقوب السوداء هي نجوم، ولكنها غير عادية، مثل النجوم النيوترونية. ثقب أسود - - لأنه يتمتع بكثافة توهج عالية جدًا ولا يرسل أي إشعاعات على الإطلاق. لذلك فهو غير مرئي لا في الأشعة تحت الحمراء ولا في الأشعة السينية ولا في أشعة الراديو.

اكتشف عالم الفلك الفرنسي ب. لابلاس هذه الحالة قبل 150 عامًا من الثقوب السوداء. وبحسب حججه، إذا كانت كثافته تساوي كثافة الأرض وقطره أكبر بـ 250 مرة من قطر الشمس، فإنه لا يسمح لأشعة الضوء بالانتشار في جميع أنحاء الكون بسبب جاذبيته، وبالتالي يبقى غير مرئى. ومن ثم، فمن المفترض أن الثقوب السوداء هي أقوى الأجسام الباعثة للكون في الكون، لكنها لا تمتلك سطحًا صلبًا.

خصائص الثقوب السوداء

تعتمد جميع الخصائص المفترضة للثقوب السوداء على النظرية النسبية، التي اشتقها أ. أينشتاين في القرن العشرين. إن أي منهج تقليدي لدراسة هذه الظاهرة لا يقدم أي تفسير مقنع لظاهرة الثقوب السوداء.

الخاصية الرئيسية للثقب الأسود هي القدرة على ثني الزمان والمكان. أي جسم متحرك يقع في مجال جاذبيته سوف ينجذب حتماً إلى الداخل، لأن... في هذه الحالة، تظهر دوامة جاذبية كثيفة، وهي نوع من القمع، حول الجسم. وفي الوقت نفسه، يتغير مفهوم الوقت. لا يزال العلماء، حسب حساباتهم، يميلون إلى استنتاج أن الثقوب السوداء ليست أجرامًا سماوية بالمعنى المقبول عمومًا. هذه في الحقيقة نوع من الثقوب، ثقوب دودية في الزمان والمكان، قادرة على تغييرها وضغطها.

الثقب الأسود هو منطقة مغلقة من الفضاء تنضغط فيها المادة ولا يمكن لأي شيء الهروب منها، ولا حتى الضوء.

وفقا لحسابات علماء الفلك، مع مجال الجاذبية القوي الموجود داخل الثقوب السوداء، لا يمكن لأي جسم أن يبقى دون أن يصاب بأذى. سيتم تمزيقها على الفور إلى مليارات القطع قبل أن تدخل إلى الداخل. ومع ذلك، فإن هذا لا يستبعد إمكانية تبادل الجزيئات والمعلومات بمساعدتها. وإذا كانت كتلة الثقب الأسود أكبر بمليار مرة على الأقل من كتلة الشمس (فائقة الكتلة)، فمن الممكن نظريًا أن تتحرك الأجسام عبره دون أن تمزقها الجاذبية.

وبطبيعة الحال، هذه مجرد نظريات، لأن أبحاث العلماء لا تزال بعيدة كل البعد عن فهم العمليات والقدرات التي تخفيها الثقوب السوداء. ومن الممكن تماماً أن يحدث شيء مماثل في المستقبل.

ربما تكون الثقوب السوداء أكثر الأجسام الفلكية غموضًا وإبهامًا في كوننا، فمنذ اكتشافها جذبت 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، وفي رأينا أن مصطلح "الثقب المظلم" سيكون أكثر ملاءمة، لأنه بالضبط ما يحدث هو غياب الضوء.

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 يمكن أن تستمر في حد ذاتها 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. ومؤخراً نسبياً، اكتشف العلماء أكبر ثقبين أسودين معروفين حتى الآن، يقعان 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 صغيرون 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 أسود من إحدى المجرات كان يتم التهامه من قبل 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

يُعرَّف الثقب الأسود في الفيزياء بأنه منطقة في الزمكان تكون جاذبيتها قوية جدًا لدرجة أنه حتى الأجسام التي تتحرك بسرعة الضوء، بما في ذلك كميات الضوء نفسها، لا يمكنها تركها. وتسمى حدود هذه المنطقة بأفق الحدث، وحجمها المميز هو نصف قطر الجاذبية، والذي يسمى نصف قطر الغابة السوداء. الثقوب السوداء هي أكثر الأجسام غموضًا في الكون. إنهم مدينون باسمهم المؤسف لعالم الفيزياء الفلكية الأمريكي جون ويلر. وكان هو الذي أطلق على هذه الأجسام فائقة الكثافة اسم "الثقوب" في محاضرة شعبية بعنوان "كوننا: المعروف والمجهول" عام 1967. في السابق، كانت تسمى هذه الأجسام "النجوم المنهارة" أو "المنهارات". لكن مصطلح "الثقب الأسود" قد ترسخ، وأصبح من المستحيل تغييره. هناك نوعان من الثقوب السوداء في الكون: 1- الثقوب السوداء الهائلة، كتلتها أكبر بملايين المرات من كتلة الشمس (يُعتقد أن مثل هذه الأجسام تتواجد في مراكز المجرات)؛ 2- الثقوب السوداء الأقل ضخامة والتي تنشأ نتيجة ضغط النجوم العملاقة المحتضرة، كتلتها أكبر من ثلاث كتل شمسية؛ عندما ينكمش النجم، تصبح المادة أكثر كثافة، ونتيجة لذلك، تزداد جاذبية الجسم إلى الحد الذي لا يستطيع الضوء التغلب عليه. لا يمكن للإشعاع ولا المادة الهروب من الثقب الأسود. الثقوب السوداء هي جاذبات فائقة القوة.

يُسمى نصف القطر الذي يجب أن يتقلص النجم ليصبح ثقبًا أسود بنصف قطر الجاذبية. أما بالنسبة للثقوب السوداء المتكونة من النجوم، فهي لا تتجاوز بضعة عشرات من الكيلومترات. في بعض أزواج النجوم المزدوجة، يكون أحدهم غير مرئي في أقوى تلسكوب، ولكن كتلة المكون غير المرئي في مثل هذا النظام الجاذبية كبيرة للغاية. على الأرجح، هذه الأجسام هي إما نجوم نيوترونية أو ثقوب سوداء. في بعض الأحيان تقوم المكونات غير المرئية في مثل هذه الأزواج بتجريد المواد من النجم العادي. وفي هذه الحالة، ينفصل الغاز عن الطبقات الخارجية للنجم المرئي ويسقط في مكان مجهول - في ثقب أسود غير مرئي. ولكن قبل سقوطه في الحفرة، يصدر الغاز موجات كهرومغناطيسية ذات أطوال مختلفة جدًا، بما في ذلك موجات الأشعة السينية القصيرة جدًا. علاوة على ذلك، بالقرب من النجم النيوتروني أو الثقب الأسود، يصبح الغاز ساخنًا جدًا ويصبح مصدرًا للإشعاع الكهرومغناطيسي القوي عالي الطاقة في نطاقات الأشعة السينية وأشعة جاما. ولا يمر مثل هذا الإشعاع عبر الغلاف الجوي للأرض، ولكن يمكن ملاحظته باستخدام التلسكوبات الفضائية. أحد المرشحين المحتملين للثقوب السوداء هو مصدر قوي للأشعة السينية في كوكبة الدجاجة.