قبل أن يصبح “والد القنبلة الذرية” ، قدم جيه روبرت أوبنهايمر مساهمة كبيرة في علم الثقوب السوداء.
سوف يرتبط أوبنهايمر إلى الأبد ، في السراء والضراء ، بالقوة التدميرية المذهلة للقنبلة الذرية وصورة سحابة الفطر ، وهي رمز شبه توراتي للتدمير. هذا الارتباط سوف يقوى في نظر الجمهور اليوم (21 يوليو) إصدار “أوبنهايمر” ، السيرة الذاتية المتوقعة لكريستوفر نولان عن الفيزيائي.
ولكن قبل رحلته إلى لوس ألاموس ، نيو مكسيكو ، في عام 1942 للمساهمة في تطوير القنبلة الذرية ، كان أوبنهايمر فيزيائيًا نظريًا يركز على فيزياء الكم.
في عام 1939 ، نشر هو وزميله في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، هارتلاند إس سنايدر ، ورقة بحثية رائدة بعنوان “حول تقلص الجاذبية المستمر” ، والتي استخدمت معادلات نظرية ألبرت أينشتاين للجاذبية ، النسبية العامة ، لإظهار كيف يمكن أن تولد الثقوب السوداء.
قال كزافيير كالميت ، أستاذ الفيزياء بجامعة ساسكس في إنجلترا ، لموقع ProfoundSpace.org: “اقترح أوبنهايمر أول نموذج انهيار لوصف كيف يمكن لنجم أن ينهار إلى ثقب أسود”. “يشرح هذا النموذج تشكيل الثقوب السوداء كعملية ديناميكية فيزيائية فلكية ، وهي المرحلة الأخيرة من تطور النجوم الثقيلة بدرجة كافية. ولا يزال هذا النموذج مستخدمًا حتى يومنا هذا.”
متعلق ب: يكشف المقطع الدعائي لـ “أوبنهايمر” عن سيليان مورفي بصفتها صانع القنابل العبقرية في مشروع مانهاتن
قال كالميت إنه استخدم النموذج بنفسه مؤخرًا ، في ورقة تصف انهيار الثقوب السوداء عند التفكير في الجاذبية الكمية.
وقال “هذا النموذج مهم للغاية لأنه قابل للحل من الناحية التحليلية – يمكن حل المعادلات بالقلم والورقة ولا يتطلب عملًا رقميًا. وبالتالي يمكن تتبع جميع الفيزياء بسهولة”. “ومع ذلك ، على الرغم من بساطتها وربما فظاظتها ، إلا أنها معقدة بما يكفي لوصف العديد من سمات النجم المنهار.”
ومن المفارقات ، عندما عمل أوبنهايمر وسنايدر على الورقة ، التي اعتمدت بشدة على نظرية النسبية العامة لعام 1915 ، كان والد تلك النظرية ، آينستن ، هو نفسه يكمل بحثًا يهدف إلى إظهار أن الثقوب السوداء لا يمكن أن توجد.
سيُظهر التاريخ أن أوبنهايمر كان محقًا بشأن الثقوب السوداء بالطبع.
متعلق ب: ألبرت أينشتاين: حياته ونظرياته وتأثيره في العلم
أوبنهايمر يتخطى الحدود
قبل ثماني سنوات من نظرية أوبنهايمر حول انهيار النجوم وولادة الثقب الأسود ، كان فيزيائي نظري آخر يفكر فيما يحدث عندما ينفد وقود النجوم من أجل الاندماج النووي.
عندما ينفد هذا الوقود ، لا يستطيع النجم دعم نفسه ضد انهيار الجاذبية. بينما يتم إلقاء الطبقات الخارجية للنجم ، يتقلص لبه بسرعة ، تاركًا بقايا نجمية غريبة. تعتمد طبيعة البقايا على كتلة اللب النجمي.
أدرك الفيزيائي الهندي الأمريكي سوبراهمانيان شاندراسيخار أنه بالنسبة إلى النوى النجمية التي تقل كتلتها عن 1.4 مرة كتلة الشمس ، سيتوقف انهيار الجاذبية بسبب التأثيرات الكمومية التي تمنع الجسيمات من “السحق” بالقرب من بعضها.
سيعرف هذا باسم حد Chandrasekhar ، وأي نجم تحته – ما لم يكن لديه رفيق نجمي يغذيه بالمواد – محكوم عليه بإنهاء وجوده كبقايا نجمية مشتعلة تسمى القزم الأبيض. سيكون هذا هو مصير نجمنا ، الشمس ، بعد أن تستنفد الهيدروجين في لبها في حوالي 5 مليارات سنة.
متعلق ب: متى تموت الشمس؟
بالنسبة إلى النوى النجمية التي تزيد كتلتها عن الشمس بمقدار 1.4 مرة على الأقل ، يوجد ضغط كافٍ ، وبالتالي الحرارة ، المتولدة أثناء الانهيار التثاقلي التي يمكن أن تحدث المزيد من نوبات الاندماج النووي ، حيث ينتج الهيليوم عن اندماج الهيدروجين نفسه مما يؤدي إلى تكوين عناصر أثقل مثل النيتروجين والأكسجين والكربون.
تخضع النجوم الأكثر ضخامة لسلسلة من هذه الانهيارات ونوبات الاندماج النووي. لكن أوبنهايمر وطلابه أرادوا معرفة إلى أين يقود مسار الانهيار الجاذبي هذا ، وبالتالي ، ما هي الحالة النهائية لأكبر نجوم الكون.
تم تقديم هذه الإجابة بالفعل من قبل فيزيائي ألماني في عام 1916. كان على أوبنهايمر فقط معرفة كيفية الوصول إلى هناك.
ولادة الثقوب السوداء
في عام 1915 ، أثناء خدمته في الجبهة مع الجيش الألماني أثناء الحرب العالمية الأولى ، حصل عالم الفلك كارل شوارزشيلد على نسخة من نظرية النسبية العامة لأينشتاين. بشكل مذهل ، وصدمة أينشتاين ، في ظل هذه الظروف القاسية بشكل لا يصدق ، تمكن شوارزشيلد من حساب حل رياضي دقيق لمعادلات مجال النسبية العامة.
في هذه الحلول يكمن شيئين مزعجين – أماكن تُعرف باسم “التفردات” حيث تتفكك الفيزياء كما نعرفها تمامًا. أشارت هذه التفردات إلى وجود أجسام شديدة الجاذبية بحيث يمكنها “ابتلاع” الضوء.
تم اعتبار إحدى التفردات تنسيقًا فرديًا ، والتي يمكن إزالتها بقليل من التلاعب الرياضي الذكي. يُعرف هذا التفرد بالإحداثيات باسم نصف قطر شوارزشيلد – النقطة التي تصبح عندها جاذبية الجسم كبيرة جدًا بحيث تكون السرعة اللازمة للهروب من براثنه أكبر من سرعة الضوء.
يُطلق على سطح تعويض الضوء أحادي الاتجاه اسم “أفق الحدث” ، وهو يمثل الحد الخارجي للثقب الأسود.
الفردية الأخرى ، التفرد الحقيقي أو الجاذبية ، لا يمكن التعامل معها رياضيًا. لا شيء يمكن أن يزيله ، لذلك كان ، ولا يزال ، النقطة التي تنهار فيها الفيزياء تمامًا – قلب الثقب الأسود.
كانت تلك هي الولادة النظرية لمفهوم الثقب الأسود ، لكنها لم تقل شيئًا عن خلق هؤلاء العمالقة الكونيين – فقط أنهم قادرون على الوجود.
بينما كان أينشتاين يكدح في عام 1939 لتدمير هذه الجاذبية الفردية ، وبالتالي مفهوم الثقب الأسود ، كان أوبنهايمر يتعمق في كيفية ظهور مثل هذه الأشياء.
من خلال العمل مع الافتراضات البسيطة التي تهمل التأثيرات الكمومية ولا تفكر في الدوران ، وضع أوبنهايمر سنايدر للعمل. وقد أتى هذا بثماره عندما اكتشف الباحث الأخير أن ما يبدو أنه يحدث لنجم منهار يعتمد على وجهة نظر المراقب.
افترض سنايدر أنه ، على مسافة ما من النجم المنهار ، فإن الضوء القادم من مصدر قريب من أفق الحدث سوف يمتد طوله الموجي بفعل الجاذبية ، وهي عملية تسمى الانزياح الأحمر ، مع تحوله إلى اللون الأحمر أكثر من أي وقت مضى.
في نفس الوقت ، يتم تقليل وتيرة هذا الضوء من منظور الراصد. يستمر تقليل التردد هذا إلى أن “يتجمد” الضوء بشكل فعال بالنسبة للمراقب البعيد.
أدرك أوبنهايمر وزملاؤه أن القصة مختلفة تمامًا بالنسبة لمراقب مؤسف بما يكفي لسقوطه مع سطح النجم المنهار. يمكن للمراقب في هذا الموقف أن يتخطى أفق الحدث دون أن يلاحظ أي شيء مهم حوله.
بالطبع ، في الواقع ، يمكن للمراقب “معكرونة” بواسطة قوى المد والجزر الشديدة الناتجة عن الاختلاف في قوة الجاذبية على جسمه العلوي والسفلي. سيؤدي هذا إلى قتلهم قبل أن يصلوا إلى أفق الحدث ، على الأقل بالنسبة للثقوب السوداء الأصغر ، حيث يكون نصف قطر شوارزشيلد قريبًا من جاذبية التفرد.
قصص ذات الصلة:
– الثقوب السوداء في الكون (صور)
– ماذا يحدث في مركز الثقب الأسود؟
– يكتشف تلسكوب جيمس ويب الفضائي أكثر الثقب الأسود فائق الكتلة النشط الذي شوهد على الإطلاق
تمت الإشارة إلى هذا المفهوم في البداية باسم “النجم المتجمد” بسبب التجمد الواضح للضوء في أفق الحدث. لن تحصل على اسم أكثر شيوعًا وأسرع حتى عام 1967 ، عندما صاغ عالم الفيزياء بجامعة برينستون جون ويلر مصطلح “الثقب الأسود” خلال محاضرة.
قد يكون أوبنهايمر وزملاؤه قد سلكوا مسارًا مختلفًا عن شوارزشيلد ، ولكن مع ذلك ، وصل الفريقان من الفيزيائيين إلى نفس الوجهة: مفهوم الجسم النجمي الضخم لدرجة أن جاذبيته تحبس الضوء وتسبب انزياحًا أحمر لا نهائيًا. كان لدى شوارزشيلد النظرية ، لكن أوبنهايمر وزملائه كانوا أول العلماء الذين فهموا حقًا الولادة الفيزيائية للثقب الأسود.
بعد ثلاث سنوات ، سافر أوبنهايمر إلى لوس ألاموس ، عزز مكانته في التاريخ وفي إدراك الجمهور. لكن الكثيرين ، وخاصة العلماء ، يتذكرونه كأب الثقوب السوداء.
وخلص كالمت إلى أن “أوبنهايمر قدم مساهمات كبيرة جدًا في فيزياء وفيزياء الثقوب السوداء ككل”. “بينما قد يربط عامة الناس اسمه بالقنبلة ومشروع مانهاتن ، فإن مساهماته في الفيزياء والفيزياء الفلكية تحظى بتقدير كبير من المجتمع العلمي.
“لقد كان أحد علماء الفيزياء الرائدين خلال حياته وكان مؤثرًا للغاية ، ولا يزال عمله الأساسي ذا صلة حتى اليوم.”