كيف تتشكل الثقوب السوداء ولماذا تعتبر أكثر الأجسام تطرفاً في الكون

الثقب الأسود هو منطقة في الفضاء حيث تكون الجاذبية قوية جداً بحيث لا يمكن لأي شيء، حتى الضوء، أن يهرب بمجرد عبوره الحد الذي يسمى أفق الحدث، وفقاً لوكالة ناسا. هذه الخاصية الوحيدة - سطح أحادي الاتجاه في الفضاء - هي ما يجعل هذه الأجسام، وليس حجمها المرئي، أكثر البيئات تطرفاً المعروفة في الفيزياء.

كيف يتشكل الثقب الأسود

يعتبر الانهيار النجمي هو الطريق الأفضل فهماً. تشرح وكالة ناسا أن النجوم التي تبلغ كتلتها أكثر من حوالي 20 مرة كتلة الشمس تستنزف في النهاية وقودها النووي؛ ثم ينهار اللب نحو الداخل بينما يتم نفخ الطبقات الخارجية في انفجار مستعر أعظم. إذا احتفظ اللب المضغوط المتبقي بكتلة أكثر من تقريباً ثلاث كتل شمسية، تؤكد وكالة ناسا أنه لا توجد قوة معروفة تستطيع إيقاف هذا اللب من الانهيار إلى ثقب أسود.

تصف الوكالة الأوروبية للفضاء نفس الآلية: بمجرد ضغط اللب النجمي فوق هذا الحد الفاصل من الكتلة في حجم صغير بما يكفي، تطغى جاذبيتها الخاصة على كل قوة فيزيائية أخرى، والجسم يستمر في الانكماش حتى لا يستطيع الضوء مغادرة أكثر. يمكن للثقوب السوداء أن تستمر في النمو بعد ذلك من خلال سحب الغاز المحيط، عملية تسمى الإضافة، وفقاً لوكالة ناسا. تلاحظ الوكالة الأوروبية للفضاء أن الإضافة وحدها تكافح لتفسير كيف نما بعض الثقوب السوداء فائقة الكتلة بهذا الحجم الكبير بهذه السرعة في سجل الكون، وهو أحد الأسباب التي تجعل العلماء يدرسون الثقوب السوداء متوسطة الكتلة كحلقة مفقودة محتملة.

فكرة منفصلة وأقل استقراراً تتعلق باللحظات الأولى من الكون. تقترح بعض النظريات أن الثقوب السوداء البدائية يمكن أن تكون قد تشكلت مباشرة من الظروف القاسية بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم، بدون أي نجم متورط. تقول الوكالة الأوروبية للفضاء إن مهمة يوكليد قد تساعد في اختبار ما إذا كانت مثل هذه الأجسام موجودة وما إذا كان يمكنها أن تفسر بعض المادة المظلمة في الكون.

أربع فئات، محددة حسب الكتلة

تجمع وكالة ناسا والوكالة الأوروبية للفضاء الثقوب السوداء في فئات بناءً بشكل أساسي على كمية الكتلة التي تحتويها، لأن الكتلة تحدد الحجم وقوة الجاذبية ومسار التشكيل.

ما الذي يجعلها متطرفة

أفق الحدث هو الميزة التي تميز الثقوب السوداء. تصفه وكالة ناسا بأنه النقطة التي تتجاوز فيها سرعة الهروب المطلوبة لمغادرة الجسم سرعة الضوء، بحيث لا يمكن لأي شيء - بما في ذلك الضوء ذاته - أن يعبر للخارج. لأن الضوء لا يهرب، فإن الثقوب السوداء نفسها لا تصدر أي ضوء؛ ما يكتشفه الفلكيون هو توهج المادة خارج هذا الحد مباشرة.

يأتي هذا التوهج من قرص الإضافة، المادة التي يتم سحبها من النجوم القريبة أو السحب الغازية التي تلتف نحو الداخل وتسخن مع اقترابها من أفق الحدث، وفقاً لوصف وكالة ناسا لتشريح الثقب الأسود. حول الثقوب السوداء فائقة الكتلة النشطة التغذية، تصل هذه المنطقة - تسمى الإكليل - إلى درجات حرارة حوالي مليار درجة وتنتج أشعة سينية عالية الطاقة، مع جزيئات تتحرك بسرعات قريبة من سرعة الضوء.

في المركز جداً، تنبئ النسبية العامة بتفرد، نقطة يتم ضغط المادة فيها إلى كثافة لا نهائية، وفقاً لوكالة ناسا. يوصف بأنه الوجهة النهائية لأي شيء يسقط بعد أفق الحدث، على الرغم من أن الفيزيائيين يلاحظون أن هذا هو المكان الذي تنهار فيه النظريات الحالية للجاذبية بدلاً من إعطاء وصف مختبر بالكامل لما يحدث فعلاً هناك.

رؤية ثقب أسود مباشرة

لأن الثقوب السوداء لا تصدر ضوء الخاص بها، لا يمكن لعلماء الفلك أن يصوروها مباشرة - إنهم يصورون الظل الذي يلقيه الثقب الأسود على الغاز المتوهج من حوله. تلسكوب أفق الحدث (EHT)، شبكة عالمية من المراصد الراديوية المرتبطة من خلال تقنية تسمى التداخل الراديوي فائق الطول الأساسي، أنتجت أول صورة من هذا القبيل للثقب الأسود فائق الكتلة M87* في عام 2019 وللنجم السهمي A*، الثقب الأسود المركزي الخاص به في عام 2022، وفقاً للمرصد الفلكي الجنوبي الأوروبي (ESO)، وهو شريك في التعاون EHT.

ينص ESO على أن Sagittarius A* له كتلة تبلغ حوالي 4 ملايين مرة من كتلة الشمس ويقع حوالي 27000 سنة ضوئية من الأرض، لكن من وجهة نظرنا وصفها ESO بأنها تظهر بحجم لا أكبر من ما ستبدو عليه دونة إذا تم وضعها على سطح القمر. أفادت وكالة ناسا بشكل منفصل أن M87*، التي صورها EHT في عام 2019، تحتفظ بأكثر من 6 مليارات كتلة شمسية، مع أفق حدث تقول وكالة ناسا أنه سيصل جيداً إلى ما بعد كواكب النظام الشمسي.

لاحظ ESO أن مثل هذه الصور تسمح للعلماء بالتحقيق المباشر في سلوك الزمكان عند حدود الثقب الأسود، وهي طريقة لاختبار النسبية العامة في أقسى ظروف الجاذبية المتاحة للرصد.