الثقب الأسود هو منطقة من الفضاء تكون الجاذبية فيها قوية جداً بحيث لا يمكن لأي شيء، حتى الضوء، أن يهرب بعد عبوره حد الحدث. لا يستطيع علماء الفلك رؤية الثقوب السوداء مباشرة، لذلك يستدلون على وجودها من تأثيراتها على المادة والضوء والزمكان القريب - من خلال أقراص الالتقاط والنجوم المدارة والموجات التي تسمى موجات الجاذبية. حولت ملاحظتان علميتان تاريخيتان - كشف موجات الجاذبية من LIGO عام 2015 وصورة M87 من مرصد أفق الحدث عام 2019 - المفهوم من النظرية إلى الدليل المباشر.
تتشكل الثقوب السوداء بأكثر من طريقة واحدة، ويصنفها علماء الفلك إلى فئات بناءً على الكتلة وليس على أساس قصة أصل واحدة.
كيف تتشكل الثقوب السوداء
الطريق الأفضل فهماً هو موت النجم. وفقاً لمشروع ناسا 'تخيل الكون'، يتشكل الثقب الأسود ذو الكتلة النجمية عندما ينفد الوقود النووي لنجم ضخم وينهار لبه تحت قوة جاذبيته الخاصة، وهي عملية قد تصاحب انفجار مستعر أعظم. تقول ناسا إن هذه الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية عادة ما تكون لديها كتل تبلغ حوالي 5 إلى 20 مرة من كتلة الشمس وتنتشر في جميع أنحاء المجرات حيثما عاشت ومات النجوم الضخمة.
في النهاية الأخرى من المقياس توجد الثقوب السوداء الفائقة الضخامة، الموجودة في مركز ما يقرب من كل مجرة كبيرة، مع كتل تتراوح بين ملايين ومليارات أضعاف كتلة الشمس، وفقاً لناسا. يوصف كيفية تشكل هذه العمالقة ونموها من قبل ناسا بأنه مجال بحثي نشط، على الرغم من أن الملاحظات تظهر ارتباطاً بين حجم الثقب الأسود المركزي للمجرة وحجم المجرة نفسها.
تصف ناسا أيضاً فئة وسيطة مقترحة، مع كتل بين نطاقات النجمية والفائقة الضخامة. تلاحظ الوكالة أن علماء الفلك بدأوا للتو في العثور على دليل محتمل على الثقوب السوداء متوسطة الكتلة، بعد أن تبين أن العديد من الأجسام المرشحة السابقة تم شرحها بعمليات فيزيائية أخرى.
كيف يكتشف علماء الفلك شيئاً لا ينبعث منه ضوء
لا يمكن رؤية الثقب الأسود نفسه لأنه لا ينبعث منه أي ضوء. تشرح صفحة ناسا 'تخيل الكون' أن علماء الفلك يعتمدون بدلاً من ذلك على الكشف غير المباشر: فهم يبحثون عن سلوك الأجسام القريبة التي يمكن شرحها فقط بوجود كتلة كبيرة جداً وكثيفة وغير مرئية. يتضمن ذلك المادة التي يتم سحبها وتسخينها إلى قرص التقاط متوهج، أو نجوم ترى وهي تدور حول نقطة لا توجد فيها نجم مرئي.
إحدى الطرق لتصوير هذا الدليل غير المباشر هي التداخل اللاسلكي. يربط مرصد أفق الحدث (EHT) المراصد الراديوية في جميع أنحاء الكوكب باستخدام تقنية تسمى التداخل اللاسلكي ذو الخط الأساسي الطويل جداً (VLBI)، والذي، كما أوضحه موقع فيزياء Einstein-Online، يجمع الملاحظات المتزامنة من عدة تلسكوبات في بيانات مكافئة لتلسكوب واحد بحجم الأرض. لا يظهر الثقب الأسود مباشرة؛ ما يسجله EHT هو الانبعاث الراديوي من الغاز الساخن والدوار في قرص الالتقاط، مع منطقة مركزية مظلمة - 'ظل' الثقب الأسود - ينتج حيث ينحني الضوء حول الجسم تحت الجاذبية الشديدة.
الصورة الأولى: M87
في 10 أبريل 2019، أصدرت مجموعة EHT أول صورة تم بناؤها بهذه الطريقة على الإطلاق، تُظهر الثقب الأسود الفائق الضخامة في مركز مجرة M87، الموجودة على بعد حوالي 55 مليون سنة ضوئية من الأرض، وفقاً لـ MIT News، التي أبلغت عن الإفراج عنها. أبلغت MIT News عن كتلة الجسم بحوالي 6.5 مليار مرة من كتلة الشمس، مع حد الحدث المصور يقيس أقل بقليل من 40 مليار كيلومتر في العرض. جمعت حملة المراقبة ثمانية مراصد راديوية قائمة على الأرض وشملت أكثر من 200 باحث في جميع أنحاء العالم.
سماع الثقوب السوداء: موجات الجاذبية
طريقة كشف منفصلة لا تستخدم الضوء على الإطلاق. في 14 سبتمبر 2015، في الساعة 5:51 صباحاً بتوقيت EDT، أجرت مرصد الليزر لقياس موجات الجاذبية (LIGO) أول كشف مباشر لموجات الجاذبية - تموجات في الزمكان تنبأت بها نسبية أينشتاين العامة - وفقاً لـ MIT News. جاءت الإشارة من ثقبين أسودين، كل منهما بحوالي 30 مرة من كتلة الشمس، يندمجان تقريباً على بعد 1.3 مليار سنة ضوئية. حول الاصطدام طاقة معادلة لحوالي ثلاث كتل شمسية إلى موجات الجاذبية، وفقاً لتقرير MIT، محررة لفترة وجيزة طاقة أكثر من كل الضوء في الكون المرئي. قيست كاشفات الليزر التوأمة بطول 4 كيلومتر من LIGO في لويزيانا وواشنطن تغييراً في طول الذراع أصغر من عشرة آلاف من قطر البروتون لتسجيل الإشارة.
انضمت LIGO لاحقاً إلى كاشف Virgo في إيطاليا و KAGRA في اليابان لتشكيل مجموعة LIGO-Virgo-KAGRA (LVK)، والتي تقرر Caltech أنها سجلت حوالي 300 اندماج ثقب أسود منذ 2015، بما في ذلك أكثر من 200 خلال دورة المراقبة الرابعة وحدها. في نوفمبر 2023، لاحظت المجموعة اندماج أضخم الثقوب السوداء المسجلة حتى الآن بموجات الجاذبية، حدث محدد باسم GW231123، يتضمن كائنات بحوالي 100 و 140 كتلة شمسية اندمجت في ثقب أسود بحوالي 225 كتلة شمسية، كما أبلغت Caltech.
حقائق أساسية في نظرة عامة
فئات الثقوب السوداء وكيفية اكتشافها
الفئة / الحدث
الكتلة (كتل شمسية)
طريقة الكشف
ثقب أسود ذو كتلة نجمية
~5–20
غير مباشر: تأثيرات على المادة المدارة/النجوم (ناسا)
متوسط الكتلة (مقترح)
لم تعّرّف بدقة من قبل ناسا؛ عدد قليل من المرشحين المؤكدين
غير مباشر، عدد قليل من المرشحين المؤكدين (ناسا)
ثقب أسود فائق الضخامة
ملايين إلى مليارات
غير مباشر؛ محاكى مباشرة فقط لـ M87* و Sagittarius A* (ناسا/EHT)
M87* (محاكى أول، 2019)
~6.5 مليار
تصوير VLBI اللاسلكي، مرصد أفق الحدث
اندماج GW150914 (2015)
~30 + ~30 → ثقب أسود نهائي
قياس التداخل بموجات الجاذبية، LIGO
اندماج GW231123 (2023)
~100 + ~140 → ~225 نهائي
قياس التداخل بموجات الجاذبية، LIGO-Virgo-KAGRA
الثقوب السوداء بهذه الضخامة محظورة من خلال نماذج التطور النجمي القياسية.
— مارك هانام، جامعة كارديف، كما ذكره Caltech بشأن اندماج GW231123
معاً، توفر الطريقتان - تصوير المادة المتوهجة حول ثقب أسود باستخدام التداخل اللاسلكي، والاستماع إلى 'الزقزقة' الجاذبية لثقبين أسودين يدوران معاً - يمنح علماء الفلك طرقاً مستقلة وتكاملية لتأكيد أن جسماً ما هو ثقب أسود وقياس كتلته، حتى على الرغم من أن الثقب الأسود نفسه لا ينبعث منه أي شيء يمكن رؤيته مباشرة.
أسئلة
هل يمكننا رؤية ثقب أسود فعلياً؟
لا - الثقب الأسود نفسه لا ينبعث منه ضوء. ما تسجله التلسكوبات مثل مرصد أفق الحدث هو الانبعاث الراديوي من الغاز الساخن الذي يدور حوله (قرص الالتقاط)، مع 'ظل' مظلم حيث يحجب الثقب الأسود وينحني الضوء، وفقاً لـ Einstein-Online وناسا.
كيف تتشكل الثقوب السوداء؟
تتشكل الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية عندما ينفد الوقود من نجم ضخم وينهار لبه، أحياناً في مستعر أعظم، وفقاً لناسا. لا يزال كيفية تشكل الثقوب السوداء الفائقة الضخامة في مراكز المجرات مجال بحثي نشط، كما تقول ناسا.
ما أول صورة مباشرة لثقب أسود؟
في 10 أبريل 2019، أصدرت مجموعة مرصد أفق الحدث صورة للثقب الأسود الفائق الضخامة في مجرة M87، على بعد حوالي 55 مليون سنة ضوئية، وقد تم بناؤها من بيانات راديوية جمعتها ثمانية مراصد، كما أبلغت MIT News.
ما هي موجات الجاذبية وكيف ترتبط بالثقوب السوداء؟
موجات الجاذبية هي تموجات في الزمكان تنبأت بها نسبية أينشتاين العامة؛ أجرت LIGO أول كشف مباشر في 14 سبتمبر 2015، من ثقبين أسودين يندمجان بحوالي 30 كتلة شمسية لكل منهما، يقع على بعد حوالي 1.3 مليار سنة ضوئية، وفقاً لـ MIT News.
ما مدى ضخامة الثقوب السوداء؟
الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية عادة ما تكون 5–20 مرة من كتلة الشمس (ناسا)، بينما تتراوح الثقوب السوداء الفائقة الضخامة بين ملايين وملايير الكتل الشمسية؛ الثقب الأسود المصور في M87 عام 2019 له كتلة حوالي 6.5 مليار شمس، وفقاً لـ MIT News.
تدريب رواد الفضاء عملية متعددة السنوات تبدأ بفحص اختياري للتعليم والخبرة واللياقة البدنية، ثم تنتقل إلى سنوات من التدريب الأرضي قبل أي رحلة. وفقاً لوكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية (ESA)، يتعلم المرشحون أنظمة المركبات الفضائية ويمارسون المشي في الفضاء تحت الماء، وأيضاً يدرس مرشحو وكالة الفضاء الأوروبية اللغة الروسية، بينما تعمل الحياة على محطة الفضاء الدولية (ISS) وفقاً لجدول يومي ثابت يتضمن العمل والتمارين والنوم.
الثقب الأسود هو منطقة في الفضاء تكون الجاذبية فيها قوية جداً بحيث لا يستطيع أي شيء، حتى الضوء، الهروب بمجرد عبوره الأفق الحدثي. معظمها يتشكل عندما تنفد الوقود النووي لنجم ضخم ويحدث انهيار في نواته؛ وتنمو النسخ الفائقة في مراكز المجرات على مدى مليارات السنين. قد أكدت الصور المباشرة وكشوفات الموجات الثقالية وجودها واختبرت النسبية العامة لأينشتاين.
تتغير أطوار القمر لأن ضوء الشمس يضرب أجزاء مختلفة من سطحه مع دورانه حول الأرض، وليس بسبب ظل الأرض؛ دورة كاملة واحدة من الأطوار، تسمى الشهر الاقتراني، يبلغ متوسطها 29.5 يوم. القمر نفسه يسحب أيضاً محيطات الأرض بقوة جاذبية غير متساوية، مما يخلق مدين عاليين ومدين منخفضين تقريباً كل 24 ساعة و50 دقيقة، حيث تقوي الشمس أو تضعف هذا السحب مرتين في الشهر.
الانفجارات الراديوية السريعة (FRBs) هي وميضات قصيرة من الطاقة الراديوية من مجرات بعيدة، تم تحديدها لأول مرة في عام 2007 ولم يتم شرحها بالكامل حتى الآن. ارتفع الاهتمام بعد أن استخدم الفلكيون تلسكوب MeerKAT وتلسكوب جيمس ويب الفضائي لتتبع أبعد انفجار راديوي سريع حتى الآن، وهي إشارة قطعت أكثر من 10 مليارات سنة لتصل إلى الأرض.
