يعتبر الفيزيائيون الثقوب السوداء واحدة من أكثر الأشياء الموجودة غموضًا. ومن المفارقات أنها تعتبر أيضًا واحدة من أبسطها. لسنوات، كان الفيزيائيون مثلي يتطلعون إلى إثبات أن الثقوب السوداء أكثر تعقيدًا مما تبدو عليه. وستساعدنا مهمة فضائية أوروبية معتمدة حديثًا تسمى LISA في عملية البحث هذه.
تشير الأبحاث التي أجريت في السبعينيات إلى أنه يمكنك وصف الثقب الأسود بشكل شامل باستخدام ثلاث سمات فيزيائية فقط – كتلته وشحنته ودورانه. جميع الخصائص الأخرى لهذه النجوم الضخمة المحتضرة، مثل تركيبها التفصيلي وكثافتها ودرجة حرارتها، تختفي عندما تتحول إلى ثقب أسود. هذه هي مدى بساطتهم.
تُسمى فكرة أن الثقوب السوداء لها ثلاث سمات فقط بنظرية “لا شعر”، مما يعني أنها لا تحتوي على أي تفاصيل “مشعرة” تجعلها معقدة.
الثقوب السوداء المشعرة؟
لعقود من الزمن، استغل الباحثون في مجتمع الفيزياء الفلكية الثغرات أو الحلول البديلة ضمن افتراضات نظرية اللاشعر للتوصل إلى سيناريوهات محتملة للثقب الأسود المشعر. يتمتع الثقب الأسود المشعر بخاصية فيزيائية يمكن للعلماء قياسها – من حيث المبدأ – تتجاوز كتلته أو شحنته أو دورانه. يجب أن تكون هذه الخاصية جزءًا دائمًا من هيكلها.
منذ حوالي عقد من الزمان، أظهر ستيفانوس أريتاكيس، عالم الفيزياء حاليا في جامعة تورنتو، رياضيا أن الثقب الأسود الذي يحتوي على أقصى شحنة يمكن أن يحملها – يسمى الثقب الأسود المشحون المتطرف – سوف ينمو “شعر” في أفقه. أفق الثقب الأسود هو الحد الذي لا يستطيع أي شيء يعبره، حتى الضوء، الهروب منه.
كان تحليل أريتاكيس أقرب إلى تجربة فكرية باستخدام سيناريو فيزيائي مبسط للغاية، لذا فهو ليس شيئًا يتوقع العلماء ملاحظته من الناحية الفيزيائية الفلكية. لكن الثقوب السوداء فائقة الشحن قد لا تكون النوع الوحيد الذي يمكن أن يحتوي على شعر.
وبما أن الأجسام الفيزيائية الفلكية مثل النجوم والكواكب من المعروف أنها تدور، يتوقع العلماء أن الثقوب السوداء ستدور أيضًا، بناءً على كيفية تشكلها. أظهرت الأدلة الفلكية أن الثقوب السوداء لها دوران، على الرغم من أن الباحثين لا يعرفون ما هي قيمة الدوران النموذجية للثقب الأسود الفيزيائي الفلكي.
باستخدام المحاكاة الحاسوبية، اكتشف فريقي مؤخرًا أنواعًا مماثلة من الشعر في الثقوب السوداء التي تدور بأقصى معدل. ويتعلق هذا الشعر بمعدل التغير، أو التدرج، في انحناء الزمكان في الأفق. اكتشفنا أيضًا أن الثقب الأسود لا يجب أن يدور إلى الحد الأقصى حتى يكون له شعر، وهو أمر مهم لأن هذه الثقوب السوداء التي تدور إلى الحد الأقصى ربما لا تتشكل في الطبيعة.
كشف وقياس الشعر
أراد فريقي تطوير طريقة لقياس هذه الشعرة، وهي خاصية ثابتة جديدة قد تميز الثقب الأسود بما يتجاوز كتلته ودورانه وشحنته. بدأنا النظر في كيفية ترك هذه الخاصية الجديدة بصمة على موجة الجاذبية المنبعثة من ثقب أسود سريع الدوران.
موجة الجاذبية هي اضطراب صغير في الزمكان ناتج عادة عن أحداث فيزيائية فلكية عنيفة في الكون. تصادمات الأجسام الفيزيائية الفلكية المدمجة مثل الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية تنبعث منها موجات جاذبية قوية. وتقوم شبكة دولية من مراصد الجاذبية، بما في ذلك مرصد موجات الجاذبية بالليزر في الولايات المتحدة، بالكشف عن هذه الموجات بشكل روتيني.
تشير دراساتنا الحديثة إلى أنه يمكن قياس هذه السمات الشعرية من بيانات موجات الجاذبية للثقوب السوداء سريعة الدوران. إن النظر إلى بيانات موجات الجاذبية يوفر فرصة للحصول على توقيع من نوع ما يمكن أن يشير إلى ما إذا كان الثقب الأسود يحتوي على هذا النوع من الشعر.
تعتمد دراساتنا المستمرة والتقدم الأخير الذي أحرزه سوم بيشوي، وهو طالب في الفريق، على مزيج من النماذج النظرية والحسابية للثقوب السوداء سريعة الدوران. ولم يتم اختبار النتائج التي توصلنا إليها ميدانيًا بعد أو ملاحظتها في الثقوب السوداء الحقيقية في الفضاء. ولكننا نأمل أن يتغير ذلك قريبا.
حصلت ليزا على الضوء الأخضر
في يناير 2024، اعتمدت وكالة الفضاء الأوروبية رسميًا مهمة هوائي مقياس التداخل الليزري الفضائي، أو LISA. ستبحث LISA عن موجات الجاذبية، ويمكن لبيانات المهمة أن تساعد فريقي في الإجابة على أسئلتنا المتعلقة بالثقوب السوداء.
ويعني الاعتماد الرسمي أن المشروع لديه الضوء الأخضر للانتقال إلى مرحلة البناء، مع إطلاقه المخطط له في عام 2035. يتكون LISA من ثلاث مركبات فضائية تم تكوينها في مثلث متساوي الأضلاع تمامًا، والذي سيسير خلف الأرض حول الشمس. وستكون المسافة بين كل مركبة فضائية 1.6 مليون ميل (2.5 مليون كيلومتر)، وسوف تتبادل أشعة الليزر لقياس المسافة بين بعضها البعض وصولاً إلى حوالي جزء من المليار من البوصة.
سوف يكتشف LISA موجات الجاذبية الصادرة عن الثقوب السوداء الهائلة التي تزيد كتلتها عن شمسنا بملايين أو حتى مليارات المرات. وسيقوم ببناء خريطة للزمكان حول الثقوب السوداء الدوارة، مما سيساعد الفيزيائيين على فهم كيفية عمل الجاذبية في المنطقة المجاورة للثقوب السوداء بمستوى غير مسبوق من الدقة. ويأمل الفيزيائيون أن يتمكن LISA أيضًا من قياس أي سمات شعرية قد تمتلكها الثقوب السوداء.
مع قيام LIGO بإجراء ملاحظات جديدة كل يوم وتقديم LISA لمحة عن الزمكان حول الثقوب السوداء، يعد الآن أحد أكثر الأوقات إثارة لتكون فيزيائيًا في مجال الثقوب السوداء.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: جوراف خانا، جامعة رود آيلاند
اقرأ أكثر:
يعرض المقال العمل الذي تم تنفيذه بالتعاون مع ستيفانوس أريتاكيس، وكيفن غونزاليس كيسادا، وليور بوركو، وسوبير سابهاروال، وسوم بيشوي. تم دعم هذا البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية. تم إجراء جميع الحسابات في مركز ماساتشوستس للحوسبة عالية الأداء الأخضر للاستفادة من موارد مركز URI للأبحاث الحسابية. يقر المؤلف أيضًا بالدعم المقدم من اتحاد أبحاث الجاذبية UMass-URI (U2GRC).