الأكاديمية السويدية الوطنية للعلوم تخصص نوبل الفيزياء 2020 لـ “الثقوب السوداء” إحدى أكثر الظواهر غرابة في الكون، مناصفة بين صاحب الـ 89 عامًا البريطاني روجر بنروز لإظهاره واكتشافه تشكل الثقب الأسود من خلال نظرية النسبية العامة، والألماني راينهارد جينزل والأمريكية أندريا جيز لاكتشافهما جسمًا مضغوط فائق الكتلة في مركز مجرتنا، وهو الثقب الأسود المشهور Sagittarius A*.

لنبسط الأمر قدر الإمكان، سنعود إلى البدايات.. إلى ألبيرت أينتشاين الذي أعادت نظرياته اكتشاف الكون.

الجاذبية: مفهوم جديد طرحته النسبية العامة

منذ أكثر من قرن، أذهل ألبرت أينشتاين العالم عندما شرح الكون من خلال نظريته في النسبية العامة.

لم تصف النظرية العلاقة بين المكان والزمان والجاذبية والمادة فحسب، بل فتحت الباب أمام الاحتمال النظري لظاهرة محيرة للعقل بشكل خاص ستسمى في النهاية بالثقوب السوداء.

عندما كتب أينشتاين نظريته العامة عن النسبية، وجد طريقة جديدة لوصف الجاذبية. لم تكن قوة، كما اقترح السير إسحاق نيوتن. لكنها كانت نتيجة تشوه في المكان والزمان. تصورهما معًا في نظريته على أنهما “زمكان”.

وفقًا لأينشتاين، توجد المادة والطاقة على خلفية المكان والزمان. هناك ثلاثة أبعاد مكانية (للخلف للأمام، لليسار لليمين، ولأعلى لأسفل) وبُعد زمني واحد. الأجسام تشوه نسيج الزمكان بناءً على كتلتها – الأجسام الضخمة لها تأثير أكبر.

دعنا نبسط السطور السابقة بشكل أفضل.
لعبة الترامبولين ؟ نعم تلك اللعبة عبارة عن لوح مطاطي نقوم بالقفز عليه. وليكن هذا اللوح المطاطي هو نسيج الزمكان كما عرفه آينتشاين. عند وضع كرة بولينج على لوح الترامبولين، ستقوم الكرة بوزنها بعمل ترهل في اللوح المطاطي لأسفل. هذا ما أسماه آينشتاين تشوه الزمكان. وهذا يحدث  في مجموعتنا الشمسية. الكواكب والنجوم تشوه الزمكان – وهي ظاهرة تُعرف باسم التأثير الجيوديسي.

الشمس – المركز وصاحبة الكتلة الأكبر – تسبب تشوهًا في الزمكان. والكواكب تدور حولها. لكن الشمس لا تجذب الكواكب التي تدور حولها. إنهم يتبعون تشوه الزمكان المنحني الذي تسببه الشمس. يرجع سبب عدم سقوط الكواكب في الشمس إلى السرعة التي يسافرون بها.

عالم الفيزياء الفلكية جون أرشيبالد ويلر، الذي صاغ اسم “الثقب الأسود” يقول إن “المادة تخبر الزمكان كيف ينحني، والزمان يخبر المادة كيف تتحرك”.

عندما طور ألبرت أينشتاين نظرية النسبية العامة، استغرق الأمر 10 سنوات حتى يتمكن من حساب الرياضيات باستخدام شكل شاق من الرياضيات يسمى حساب التفاضل.

كان قادرًا فقط على تقريب الحلول إلى معادلاته الخاصة، ولا تزال الرياضيات تحير حتى أفضل العقول العلمية وقتها.

ومع ذلك، فالتحدي كان سيد الموقف. كارل شفارتزشيلد، أحد علماء الفلك المعاصرين لأينشتاين، برع في قدراته على التعامل مع المفاهيم النظرية. وعندما نُشرت مقالات ألبرت أينشتاين عن النسبية العامة في 1915، كان شوارزشيلد من أوائل من أدركوا أهميتها.

في 1916، طرح شفارتزشيلد بعض الحلول لمعادلات آينشتاين غير المكتملة. أدرك أن سرعة الهروب من سطح جسم ما تعتمد على كل من كتلته ونصف قطره.

على سبيل المثال، تبلغ سرعة الهروب من الأرض حوالي 11.2 كيلومتر في الثانية – هذه هي السرعة التي يجب أن يصل إليها الصاروخ قبل أن يتمكن من مغادرة الأرض في رحلة إلى القمر أو إلى كواكب أبعد.

مع ذلك، فسرعة إفلات القمر 2.4 كيلومتر في الثانية فقط؛ لأن القمر ربع حجم كوكبنا، ويمتلك كتلة أكبر قليلًا من الأرض بـ 1٪.

لكن، إذا تمكنت الطبيعة من جعل نصف قطر كتلة معينة صغيرًًا بدرجة كافية ، فستزيد سرعة الهروب حتى تصل إلى سرعة الضوء، 300 ألف كيلومتر في الثانية.

في هذه المرحلة، لا يمكن للمادة ولا حتى الضوء الهروب من سطح الجسم.

بالإضافة، تصبح القوى الذرية أو دون الذرية غير قادرة على حمل الجسم مقابل وزنه.

لذلك، ينهار الجسم إلى نقطة متناهية الصغر – يختفي الجسم الأصلي عن الأنظار تمامًا وتبقى جاذبيته فقط لتحديد وجوده. بالنتيجة، فإنها تخلق حفرة لا قاع لها في نسيج الزمكان. تلك الحفرة عرفت فيما بعد بـ الثقوب السوداء.

العلاقة بين الحساب والفيزياء.. ماذا تخبرنا؟

كيف نستطيع التحقق من وجوده رياضيًا على الأقل؟

كتلة هائلة محصورة في حجم يساوي صفر تقريبًا أمر غير منطقي! من هنا ظهر مسمى “التفرد Singularity”.

شفارتزشيلد حاول توقع تلك المنطقة عن طريق شعاع (قطر) شوارزشيلد ووصفه بأنه المسافة المحيطة بمركز جسم عظيم الكتلة، لكن حجمه يساوي صفر خواص تلك المنطقة: تصبح عندها سرعة الإفلات مساوية لسرعة الضوء.

لكن عند مسافة أطول من نصف قطر شفارتزشيلد، يمكن لجسيم سرعته مقاربة لسرعة الضوء الانفلات من الجرم عظيم الكتلة. أما إذا كان الجسيم على مسافة أقصر من نصف قطر شفارتزشيلد فلا يمكن للجسيم الانفلات من الجرم. حتى الضوء لا يستطيع التفلت من الجسم، ولذلك يسمى الجسم في هذه الحالة الثقب الأسود حيث أن أشعة الضوء لا تفلت منه.

نوبل 2019| السرطان “وغيره” تحت السيطرة.. 4 آلاف “كوكب تاني”.. بطارية موبايلك.. وسيارتك المستقبلية

العالم محدود ويمكن وزن كل شيء وقياسه

كيف تفاعل المجتمع العلمي حينها مع طرح شفارتزشيلد؟

رأي العلماء أن ما توصل له شفارتزشيلد عبارة عن توقعات متطرفة، اعتبرها المجتمع العلمي أمرًا مثيرًا للفضول وليس شائنًا، بما في ذلك أينشتاين، باعتبار أن العالم محدود ويمكن وزن كل شيء وقياسه.

لم يستطع كبار المفكرين في تلك الفترة تخيل الظروف التي من شأنها أن تخلق حالة التفرد التي تسبب انهيار نجم أو جسم عموما على نفسه، لتصل كتلته إلى مالانهاية وحجم مقارب الصفر! الأمر الأكثر غرابة أن ألبرت أينشتاين نفسه كان يحمل مخاوف قوية من وجود الثقوب السوداء. طرح ذلك في ورقة بحثية نشرت في دورية “Annals of Mathematics” عام 1939، خلصت إلى أن الفكرة “غير مقنعة” وأن تلك  الظواهر غير موجودة “في العالم الحقيقي”.

تنهار الفيزياء المعروفة لنا في منطقة قطر شفارتزشيلد التي تم تسميتها فيما بعد بأفق الحدث. وبما أنه لا توجد معلومات عما بعد تلك المنطقة، فلا يمكننا أن نمتلك خبرة في ما يكمن في داخلها.

على الرغم من أن هذا كان مفهومًا مثيرًا للاهتمام، إلا أنه لم تكن هناك آلية معروفة يمكن أن تخلق تفردًا في الطبيعة، لذلك تم تجاهل الفكرة إلى حد كبير.

ظهور مصطلح الثقوب السوداء للنور

كل ذلك استمر حتى 1935، عندما أدرك عالم الفيزياء الفلكية الهندي سوبراهمانيان شاندراسيخار أنه في حالة نفاد الوقود (الهيدروجين) من نجم هائل، فإن ضغط الجاذبية الهائل لتلك الكتلة سيتركز إلى نقطة معينة، مما يتسبب في انهيار الزمكان على نفسه.

نجح شاندراسيخار في سد الفجوة بين الفضول الرياضي والاحتمال العلمي. لكن، حتى مع إسهامات شاندراسيخار في الفهم الحديث لطبيعة الثقوب السوداء كان من المفترض أن تكون التفردات الفيزيائية الفلكية نادرة للغاية في أحسن الأحوال أو حتى غير واقعية.

بقيت الفرضية على هذا النحو حتى الستينيات. وهنا ظهر روجر بنزو صاحب نوبل الفيزياء 2020 وبمساهمات ستيفن هوكينج، أثبت روجر أن التفردات ، بعيدًا عن كونها نادرة، لكنها جزء من النظام البيئي الكوني، وهي جزء من التطور الطبيعي للنجوم الضخمة بعد نفاد الوقود منها.

عام 1967، بعد 12 عامًا من وفاة أينشتاين، أصبحت هذه التفردات الفيزيائية الفلكية تُعرف باسم “الثقوب السوداء” – وهو مصطلح صاغه الفيزيائي الأمريكي جون أ. ويلر خلال مؤتمر في نيويورك لوصف مصير أي نجم ضخم بعد نفاد الوقود منه وانهياره على نفسه.

آخر أوراق ستيفن هوكينج.. أين تذهب معلومات المادة بعد عبور الثقب الأسود؟

استخدم روجر بنروز أساليب رياضية بارعة في إثبات أن الثقوب السوداء نتيجة مباشرة لنظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين.

في 1965، بعد عشر سنوات من وفاة أينشتاين، أثبت روجر بنروز من خلال ورقة بحثية  أن الثقوب السوداء يمكن حقًا تكوينها ووصفها بالتفصيل؛ وصف روجر الثقوب السوداء بأنها “تخفي في قلبها حالة تفرد تتوقف فيها كل قوانين الطبيعة المعروفة”.

مقولته الرائدة لا تزال تعتبر أهم مساهمة في النظرية النسبية العامة منذ أينشتاين.

أظهر بنروز، في ورقته البحثية عام 1965، رياضيًا أن الثقوب السوداء حقيقية. نعم يمكن أن تتكون. ونعم لها حالة تفرد تنهار فيها الفيزياء التي نعرفها، وأننا نحتاج لفيزياء ورياضيات “شاذة” لفهم طبيعة تلك الحالة من التفرد.

براعة بنروز في الرياضيات أثبتت أن الهروب من الثقب الأسود مستحيل مثل العودة بالزمن إلى الوراء. سرعان ما أظهر بنروز مع ستيفن هوكينج أن تحليلًا مشابهًا ينطبق على الكون بأسره، وأن الثقوب السوداء موجودة في الكون وبعدد ليس بقليل في ظل الظروف الرياضية التي طرحها بنروز وهوكينج.

عقد من العلوم.. أهم ما قدمه العلم للبشرية في عشر سنوات | فادي داوود

أثبتنا وجود شيء لا نراه.. لكن كيف نرصده؟

نكتشف وجود الثقوب السوداء غير المرئي بعدة طرق. تستشعر أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية تصادمات الثقوب السوداء عن طريق قياس التمدد والضغط الناتج عن الزمكان.

يستخدم تلسكوب Event Horizon Telescope شبكة عالمية من التلسكوبات لعرض الحلقات الساطعة للضوء خارج منطقة أفق الحدث للثقب الأسود، بدقة عالية مذهلة. لكن مثل هذه الملاحظات المباشرة حدثت فقط في السنوات الخمس الماضية.

ابتداءً من الستينيات، بدأ علماء الفلك في مراقبة الكم الهائل من الطاقة المنبعثة من الأجسام البعيدة التي تسمى “أشباه النجوم أو النجوم الزائفة – Quasar”. اشتبه الباحثون في أن تلك الأجسام في الواقع ثقوبًا سوداء فائقة الكتلة تسحب كميات هائلة من الغاز والغبار. وفي نفس الوقت تقريبًا، رصدت التلسكوبات أشعة سينية قادمة من النجوم التي لا ينبغي أن تكون قادرة على إنتاج الإشعاع من تلقاء نفسها. خلص الباحثون في النهاية إلى أن الثقوب السوداء غير المرئية هي عبارة عن نجم انهار على نفسه، لكنه لا يزال قادرًا على الإشعاع.

النصف الآخر من الجائزة.. أندريا جيز وراينهارد جينزل

بالنسبة للثقب الأسود في مركز مجرتنا درب التبانة، اكتشفنا أول إشارة لوجوده في 1931، عندما لاحظ عالم الفلك الراديوي الرائد كارل جانسكي إشارة راديو قادمة من قلب مجرتنا. ثم في 1974، حدد عالما الفلك الراديوي بروس باليك وروبرت براون بدقة الجسم اللامع والمضغوط في مركز المجرة الذي أصبح يُعرف باسم القوس A * Sagittarius A*.

قدمت الملاحظات الإضافية في تسعينيات القرن العشرين مزيدًا من الأدلة على وجود أجسام فائقة الثقل في مراكز المجرات، ولكن كانت هناك حاجة إلى تقنية أفضل واستراتيجيات مراقبة جديدة ذكية، قبل أن يتمكن علماء الفلك من إثبات أن تلك الإشارات صادرة من ثقوب سوداء فائقة الكتلة.

ماذا لو أنشأت قطة شرودنجر حسابًا على فيسبوك؟ | شادي عبد الحافظ

كيف يمكن التأكد أن في قلب مجرتنا ثقب أسود؟

هنا جاء دور أندريا وراينهارد. تتبعا حركات النجوم التي تقترب من تلك المنطقة. إذا كان A * عبارة عن مجموعة ممتدة من المواد ليس إلا، فإن النجوم المارة سيجري سحبها من اتجاهات متعددة، وستكون مداراتها الناتجة غير ملحوظة ولا تتبع نسقًا معينًا بل مدارات عشوائية. ولكن إذا كان ثقبًا أسود مضغوطًا فائق الكتلة، فيجب أن تندفع النجوم بسرعة عالية.

افتقرت التلسكوبات إلى الدقة اللازمة لتتبع هذه المدارات بدقة كافية، لكن أندريا وراينهارد ابتكر مقاربات رائدة لإزالة الضبابية من الغلاف الجوي للأرض. تضمنت التقنية الأولى – التي يطلق عليها  “Speckle Imaging  تصوير البقع” – الجمع بين عدة أطوال موجية قصيرة، كل منها قصير بما يكفي لتجنب تشويه الغلاف الجوي الممتد، حتى لا يؤثر على دقة الرصد. ثم سمح نهج أكثر تقدمًا يسمى “Adaptive Optics البصريات التكيفية” بملاحظات أكثر دقة.

في البصريات التكيفية، ينطلق شعار الليزر في الفضاء السحيق  مكونًا “نجمًا اصطناعيًا” يجري تصويره في نفس الوقت بواسطة التلسكوب. استخدم فريق أندريا جيز مرصد Keck في هاواي، وعمل فريق راينهارد من خلال مجموعة التلسكوبات العملاقة في تشيلي. تكشف تقنية النجم الاصطناعي بالضبط كيف يشوه الغلاف الجوي الصورة. وطور الفريقان خوارزمية تسطيع إعادة ضبط الصورة المرصودة عن طريق مقارنتها بأصل النجم الاصطناعي، ويحدث ذلك بشكل فعلي.

استقر الفريقان على نجم معين يسمى S2 لدراسته وهو قريب من قلب المجرة، والذي مر مداره داخل مرمى الثقب الأسود المزعوم القوس A*.

وفي أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، أشار مسار S2، جنبًا إلى جنب مع العديد من النجوم الأخرى القريبة، إلى أن مساحة منطقة القوس A* أقل من 125 ضعف المسافة بين الأرض والشمس، على الرغم من أن كتلته تساوي 4 ملايين كتلة شمسية. بتلك النتيجة الواضحة بات بما لا يدع مجال للشك أن هناك ثقب أسود هائل في قلب مجرتنا.

باستخدام أكبر التلسكوبات في العالم، طور جنزل وجيز طرقًا للرؤية عبر السحب الضخمة للغاز بين النجوم والغبار إلى مركز مجرة ​​درب التبانة.

بتوسيع حدود التكنولوجيا، نقحا تقنيات جديدة للتعويض عن التشوهات التي يسببها الغلاف الجوي للأرض، وبناء أدوات فريدة، والتزموا بأبحاث طويلة الأجل. أعطانا عملهم الرائد الدليل الأكثر إقناعًا حتى الآن على وجود ثقب أسود هائل في مركز مجرة ​​درب التبانة.

نوبل للفيزياء 2018: تلاعبنا بالضوء.. وفيزياء الليزر قامت بالبقية | فادي داوود

لكن الرحلة لم تصل نهايتها

اكتشافات العلماء الثلاثة فتحت آفاقًا كبيرة جدًا لدراسة الأجسام فائقة الكتلة ومعرفة كيف تتصرف الجاذبية مع تلك الأجسام، على الرغم من أن الثقوب السوداء لا تزال أكبر ألغاز الكون غموضا، ولا تزال تطرح العديد من الأسئلة التي تتطلب إجابات وتحفز البحث في المستقبل.

ديفيد هافيلاند، رئيس لجنة نوبل للفيزياء، يقول: “ليس فقط الأسئلة حول هيكلها الداخلي، ولكن أيضًا أسئلة حول كيفية اختبار نظريتنا عن الجاذبية في ظل الظروف القاسية في المنطقة المجاورة مباشرة للثقب الأسود”.

مساهمات العلماء مكنتنا ولأول مرة أن نرى صورة حقيقية لثقب أسود، في أبريل 2019 كشف النقاب عن أول صورة لثقب أسود من قبل تلسكوب أفق الحدث Event Horizon Telescope.

خطوة كبيرة ساهم بها هؤلاء العلماء نحو فهم أكبر ألغاز الكون غرابة، ولا تزال الرحلة مستمرة.