الفضاء · مقال
الثقوب السوداء شرح: كيف تتشكل وتعمل والصور الملتقطة أخيراً
نُشر:
باختصار
الثقب الأسود هو منطقة في الفضاء حيث تكون الجاذبية قوية جداً بحيث لا يمكن لشيء، حتى الضوء، أن يهرب بعد عبوره الحد الذي يسمى أفق الحدث. تتشكل معظمها عندما تنفد الوقود النووي من نجم بأكثر من حوالي 20 كتلة شمسية وينهار النواة؛ النسخ الفائقة الكتلة توجد في مراكز المجرات، بما في ذلك Sagittarius A* في درب التبانة. منذ عام 2015، حولت كواشف الموجات الثقالية والتصوير المباشر الثقوب السوداء من تنبؤات نظرية إلى أجسام مرصودة بشكل مباشر.
هذه النسخة ترجمة آلية للنص الأصلي (English). اقرأ النص الأصلي
تعرّف وكالة ناسا الثقب الأسود بأنه جسم فلكي بها قوة جاذبية قوية جداً بحيث لا يمكن لشيء، بما في ذلك الضوء، الهروب منه. تُسمى نقطة عدم الرجوع حول الثقب الأسود أفق الحدث: داخل هذا الحد، السرعة المطلوبة للهروب تتجاوز سرعة الضوء، وبالتالي لا يمكن لأي شيء يعبر هذا الحد أن يعود للخارج.
كيف يتشكل الثقب الأسود
الطريق الأفضل فهماً هي انهيار النجم. وفقاً لوكالة ناسا، فإن النجم الذي يزيد عن حوالي 20 مرة من كتلة الشمس ينفد الوقود النووي في نواته في النهاية وينهار تحت جاذبيته الخاصة. ينجم عن هذا الانهيار انفجار مستعر أعظم يبعثر طبقات النجم الخارجية. إذا ظلت البقايا من النواة المضغوطة تتجاوز حوالي ثلاث كتل شمسية، فإن وكالة ناسا تؤكد أنه لا توجد قوة معروفة يمكنها إيقاف الانهيار من الاستمرار طوال الطريق إلى الثقب الأسود.
بمجرد تشكله، يمكن للثقب الأسود أن ينمو بجذب الغاز المحيط، أو بسحب المادة من نجم مرافق، أو بالاندماج مع ثقب أسود آخر، كما تشرح وكالة ناسا على صفحة نظرتها العامة للثقب الأسود.
الثقوب السوداء الفائقة الكتلة، الموجودة في مراكز المجرات وتتراوح من حوالي 100,000 إلى مليارات الكتل الشمسية وفقاً لوكالة ناسا، فهمها أقل. تشير وكالة ناسا إلى أن أصلها لا يزال سؤالاً مفتوحاً، لأنها يبدو أنها كانت موجودة منذ المراحل الأولى لتكوين المجرات.
أفق الحدث والتفرد وأجزاء الثقب الأسود
يسرد وصف وكالة ناسا لـ 'تشريح' الثقب الأسود عدة مناطق متميزة. في المركز يقع التفرد، وهي نقطة تُسحق فيها المادة بما وصفته وكالة ناسا بأنه كثافة لا نهائية؛ العلماء غير متأكدين مما إذا كان هذا بنية فيزيائية أم نتيجة رياضية للمعادلات. حوله أفق الحدث، حدود عدم الهروب. وأبعد من ذلك، يمكن للضوء من المادة الساقطة أن يدور حول الثقب الأسود عدة مرات قبل الهروب، مما ينتج حلقات رقيقة مرئية حول 'الظل' المظلم للثقب الأسود في الصور المباشرة - منطقة تسميها وكالة ناسا الكرة الضوئية.
تشكل المادة الساقطة نحو الثقب الأسود عادة قرص تراكم ساخن مشع قبل عبور أفق الحدث. في العديد من الأنظمة، يتم بدلاً من ذلك تحويل بعض هذه المادة إلى نفاثات من الجسيمات تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء؛ في الثقوب السوداء الفائقة الكتلة، يمكن لهذه النفاثات أن تمتد مئات الآلاف من السنين الضوئية، كما تقول وكالة ناسا.
إثبات وجود الثقوب السوداء: بنروز وجينتسل وجيز
لعقود من الزمان، كانت الثقوب السوداء نتيجة رياضية لنظرية النسبية العامة لآينشتاين بدلاً من كونها واقعاً فيزيائياً مؤكداً. منحت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم نصف جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2020 لروجر بنروز، الذي أثبت في عام 1965 - كما وصفت في بيان الأكاديمية نفسها، كما أفادت مجلة ScienceDaily - أن تشكل الثقب الأسود هو تنبؤ قوي وحتمي للنسبية العامة بمجرد انهيار جسم ضخم وكثيف بما فيه الكفاية، وأن هذا الانهيار ينتج بالضرورة عن تفرد.
ذهب النصف الآخر من الجائزة بالاشتراك إلى رينهارد جينتسل وأندريا جيز، اللذان قادا فريقين منفصلين يتتبعان مدارات النجوم في مركز درب التبانة لعقود باستخدام بعض أكبر التلسكوبات في العالم. عملهم، الملخص أيضاً في إعلان نوبل الذي غطته مجلة ScienceDaily، وجد جسماً غير مرئي بحوالي أربع ملايين كتلة شمسية مركزة في منطقة لا تزيد عن نظام شمسي - دليل قوي على الثقب الأسود الفائق الكتلة المعروف الآن باسم Sagittarius A*.
الكشف عن غير القابل للكشف: الموجات الثقالية والصور المباشرة
في 14 سبتمبر 2015، سجل كاشفا LIGO المتقدمة التوأم إشارة، بتسمية GW150914، تتطابق مع شكل الموجة المتنبأ به لثقبي أسود يدوران معاً ويندمجان. وفقاً لملخص العلوم الخاص بتعاون LIGO العلمي، كان للثقبين الأسودين كتل حوالي 36 و 29 مرة الشمس، اندماج في ثقب أسود واحد بحوالي 62 كتلة شمسية على بعد أكثر من مليار سنة ضوئية؛ تم تحويل حوالي ثلاث كتل شمسية إلى طاقة موجات ثقالية في جزء من الثانية. حمل الكشف دلالة إحصائية تزيد عن 5 سيجما، مما يعني أن إنذار كاذب بهذه القوة سيكون متوقعاً تقريباً مرة واحدة كل 200,000 سنة من البيانات المقارنة، كما يفيد LIGO.
بعد أربع سنوات، أصدرت تعاون تلسكوب حدث الحدث (EHT) أول صورة على الإطلاق لظل الثقب الأسود، والتقطت M87*، الثقب الأسود الفائق الكتلة في مركز مجرة Messier 87. كما توضح مختبر الدفع النفاث التابع لوكالة ناسا، يربط EHT التلسكوبات الراديوية حول العالم في جهاز افتراضي واحد باستخدام التداخل الأساسي جداً الطويل، محققاً دقة حوالي 4000 مرة أحدث من تلسكوب هابل الفضائي. حملت حملة المراقبة في أبريل 2017 وراء الصورة، المنشورة في عام 2019، M87* على حوالي 6.5 مليارات كتلة شمسية، تقع على بعد حوالي 53 مليون سنة ضوئية.
في 12 مايو 2022، أصدرت تعاون EHT صورة ثانية معلم: Sagittarius A*، الثقب الأسود المركزي الخاص بدرب التبانة. كما وصفها AAS Nova، تم تسجيل البيانات الأساسية في أبريل 2017، مما يعني مرور أكثر من خمس سنوات بين المراقبة وإطلاق الصورة. Sagittarius A* بحوالي أربع ملايين كتلة شمسية وعلى بعد 27,000 سنة ضوئية - مما يعني أنها تبدو حوالي نفس حجم الظهور في السماء مثل M87* الأكثر ضخامة وبعداً، لأن M87* على بعد حوالي 2000 مرة أبعد وحوالي 1500 مرة أكثر ضخامة. تطابقت أحجام الحلقات والظلال المقاسة لكلا الثقبين الأسودين مع تنبؤات النسبية العامة، وفقاً لـ AAS Nova، مما أعطى علماء الفلك تأكيداً مستقلاً لنظرية آينشتاين عبر كتل ثقوب سوداء مختلفة جداً.
| الملاحظة | التاريخ | الأشكال الرئيسية | المصدر |
|---|---|---|---|
| GW150914 (موجات جاذبية) | 14 سبتمبر 2015 | دمج الثقوب السوداء من ~36 و ~29 كتلة شمسية؛ الثقب الأسود النهائي ~62 كتلة شمسية؛ >1 مليار سنة ضوئية | تعاون LIGO العلمي |
| صورة M87* | بيانات من أبريل 2017؛ أُطلقت في 2019 | ~6.5 مليارات كتلة شمسية؛ ~53 مليون سنة ضوئية | وكالة ناسا / JPL؛ تعاون EHT |
| صورة Sagittarius A* | بيانات من أبريل 2017؛ أُطلقت في 12 مايو 2022 | ~4 ملايين كتلة شمسية؛ ~27,000 سنة ضوئية | AAS Nova؛ تعاون EHT |
لماذا هذا مهم للفيزياء
كل من هذه النتائج يختبر النسبية العامة في نظام آينشتاين لم يتمكن من رؤيته بشكل مباشر: المادة والزمكان تحت جاذبية شديدة. تطابقت إشارة الموجات الثقالية من GW150914 مع شكل الموجة المتنبأ به بواسطة النسبية العامة للفحص والدمج والموجات اللاحقة 'للرنين' من الثقب الأسود الناتج، وفقاً لتحليل LIGO. كما تطابقت أقطار الحلقات المقاسة من EHT لكل من M87* و Sagittarius A* مع تنبؤات النسبية العامة، وفقاً لـ AAS Nova، مما أعطى العلماء طريقتي تأكيد مستقلة - الموجات الثقالية والتصوير المباشر - التي تتقارب على نفس الإطار النظري.
يضع هذا الاكتشاف الرائع بداية حقبة جديدة ومثيرة من علم الفلك حيث نفتح نافذة تماماً جديدة، موجات ثقالية، على الكون.
أسئلة
- ما هو الثقب الأسود بالضبط؟
- تعرّفه وكالة ناسا بأنه منطقة من الفضاء بها جاذبية قوية جداً بحيث لا يمكن لشيء، حتى الضوء، الهروب بعد عبوره أفق الحدث، الحد الذي يضع نقطة عدم الرجوع.
- كيف يتشكل الثقب الأسود؟
- يتشكل معظم الثقوب السوداء المعروفة عندما ينفد نجم بأكثر من حوالي 20 كتلة شمسية من الوقود، ينهار، ينفجر كمستعر أعظم؛ إذا تجاوزت البقايا الأساسية حوالي ثلاث كتل شمسية، فإنها تستمر في الانهيار في ثقب أسود، وفقاً لوكالة ناسا. تتشكل الثقوب السوداء الفائقة الكتلة في مراكز المجرات بواسطة عملية يقول العلماء إنها لا تزال غير مفهومة بالكامل.
- هل تم التقاط صورة لثقب أسود من قبل؟
- نعم. أصدر تلسكوب حدث الحدث أول صورة لظل ثقب أسود، M87*، في عام 2019، وصورة ثانية لثقب درب التبانة الخاص بنا، Sagittarius A*، في عام 2022، كلاهما بناءً على بيانات مسجلة في أبريل 2017.
- ما علاقة جائزة نوبل في الفيزياء 2020 بالثقوب السوداء؟
- فاز روجر بنروز بنصف الجائزة لإثباته رياضياً في عام 1965 أن تشكل الثقب الأسود هو نتيجة حتمية للنسبية العامة؛ شارك رينهارد جينتسل وأندريا جيز النصف الآخر لاكتشافهم، من خلال عقود من ملاحظات المدار النجمي، جسماً بأربعة ملايين كتلة شمسية في مركز درب التبانة.
- ما هي الموجات الثقالية وكيف ترتبط بالثقوب السوداء؟
- الموجات الثقالية هي تموجات في الزمكان؛ الأول الذي كُشف عنه على الإطلاق، GW150914 في سبتمبر 2015، جاء من ثقبي أسود حوالي 36 و 29 كتلة شمسية اندماج في واحد من حوالي 62 كتلة شمسية، كما سجله كواشف LIGO.
المصادر
- NASA — What Are Black Holes?
- NASA Science — Black Hole Anatomy
- NASA/JPL — How Scientists Captured the First Image of a Black Hole
- LIGO Scientific Collaboration — Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger (GW150914)
- AAS Nova — First Image of the Milky Way's Supermassive Black Hole
- ScienceDaily — Nobel Prize in Physics 2020: Discoveries About Black Holes
أُعدّت هذه المادة بالذكاء الاصطناعي وخضعت لتدقيق آلي للمصادر قبل النشر. إن رأيت خطأً فاطلب تصحيحه. طلب تصحيح أو حق الرد · كيف نعمل
مواد ذات صلة
الفضاءدليل
كيفية مراقبة أطوار القمر والأقمار الكاملة: دليل عملي
تستغرق دورة القمر الكاملة حوالي 29.5 يومًا وتمر عبر ثماني مراحل، من القمر الجديد إلى القمر الكامل والعودة إلى الجديد. يشرح هذا الدليل كيفية تتبع تلك الأطوار، وأي طور والمعدات التي تعمل بشكل أفضل لرؤية الحفر، وما وراء الأقمار الكاملة المسماة مثل قمر الصياد المقرر في 26 أكتوبر 2026.
الفضاءمقال
كيف تعمل الصواريخ: تكنولوجيا المحرك وميكانيكا إطلاق الفضاء موضحة
تولد محركات الصواريخ الدفع بحرق الوقود ومؤكسد موجود على متنها في حجرة الاحتراق وطرد الغاز الساخن عبر فوهة، متبعة قانون نيوتن الثالث. نظراً لأن هذا المؤكسد يتم حمله على متن الصاروخ، يمكن للصواريخ أن تعمل في فراغ الفضاء، وبسبب التكلفة الأسية للسرعة الموصوفة بمعادلة تسيولكوفسكي للصواريخ، يتم بناء المركبات الإطلاقية في عدة مراحل يتم فصلها بمجرد استنزاف وقودها.
الفضاءدليل
دليل المبتدئين لاختيار واستخدام التلسكوب لمراقبة النجوم
بالنسبة للتلسكوب الأول، تتفق أدلة علم الفلك على أن الفتحة (قطر العدسة الرئيسية أو المرآة) أهم من التكبير، وتوصي الكثير منها بالبدء بالمناظير ثنائية العينية قبل شراء تلسكوب. يعتبر عاكس دوبسوني بقطر 6-8 بوصات أو مجهز انكسار بقطر 3-4 بوصات، الذي يُشترى في نطاق سعري يتراوح تقريباً بين 200-600 دولار حسب المصدر، نقطة البداية النموذجية الموصى بها من قبل منظمات علم الفلك.
الفضاءمقال
المادة المظلمة والطاقة المظلمة: ما الذي يشكل 95٪ من الكون
يقول العلماء إن المادة العادية - كل ما يمكننا رؤيته، من النجوم إلى الكواكب إلى الناس - تمثل حوالي 5٪ فقط من الكون. الباقي مقسم بين المادة المظلمة (حوالي 27٪)، وهي مادة غير مرئية تضيف الجاذبية، والطاقة المظلمة (حوالي 68٪)، وهي ضغط غامض يدفع توسع الكون للتسارع. لم يتم اكتشاف أي منهما مباشرة، واختبارات جديدة تختبر ما إذا كانت قوة الطاقة المظلمة تتغير بمرور الوقت.