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.
يعرف ناسا الثقب الأسود بأنه منطقة من الفضاء تكون الجاذبية فيها قوية بما يكفي لمنع أي شيء، بما في ذلك الضوء، من الهروب بمجرد عبوره خطاً حدودياً يسمى الأفق الحدثي. وبما أن أي ضوء لا يهرب منه، فلا يمكن رؤية الثقوب السوداء مباشرة؛ يتم الاستدلال على وجودها من تأثيراتها الجاذبية على المادة القريبة منها وكذلك، منذ عام 2019، من الصور المباشرة للمادة المتوهجة حولها.
كيف يتشكل الثقب الأسود
وفقاً لناسا، يولّد النجم الطاقة من خلال الاندماج النووي في نواته، والضغط الخارجي الناتج عن تلك الطاقة يوازن سحب الجاذبية الداخلي للنجم نفسه. عندما ينفد الوقود النووي لنجم يزيد وزنه أكثر من 20 مرة عن كتلة الشمس، ينهار هذا التوازن. تنهار النواة تحت وزنها الخاص، مما يثير انفجار المستعر الأعظم الذي يرمي الطبقات الخارجية للنجم. إذا تجاوزت النواة المتبقية ما يقرب من ثلاث كتل شمسية، فإن ناسا تؤكد أنها تستمر في الانهيار إلى ثقب أسود نجمي.
ليس كل نجم منهار ينتج ثقباً أسود. عادة ما تصبح النواة التي تقل كتلتها عن حوالي ثلاث كتل شمسية نجماً نيوتروني بدلاً من ذلك، وفقاً لوصف ناسا لتطور النجوم. وبمجرد وجود ثقب أسود، يمكنه أن ينمو بشكل أكبر بسحب الغاز والغبار وحتى النجوم أو الثقوب السوداء الأخرى التي تضل الطريق وتقترب كثيراً.
الأنواع الثلاثة الرئيسية
تصنف ناسا الثقوب السوداء في ثلاث فئات واسعة بناءً على الكتلة. ثقوب سوداء نجمية، تتراوح من حوالي ثلاث إلى عشرات كتل شمسية، منتشرة في جميع أنحاء درب التبانة وتتشكل من نجوم ضخمة منهارة. ثقوب سوداء متوسطة الكتلة، بحوالي 100 إلى أكثر من 10,000 كتلة شمسية، نادرة وأصعب في التأكيد؛ تستشهد ناسا بأحد أقنع الأمثلة المقنعة المحددة عام 2019. ثقوب سوداء فائقة الكتلة، تحتوي على ما يتراوح من 100,000 إلى مليارات الكتل الشمسية، توجد في مراكز معظم المجرات الكبيرة، بما في ذلك درب التبانة.
أنواع الثقوب السوداء حسب الكتلة (ناسا)
النوع
الكتلة النموذجية
الموقع
ثقب أسود نجمي
3 إلى عشرات الكتل الشمسية
في جميع أنحاء درب التبانة
ثقب أسود متوسط الكتلة
100 إلى أكثر من 10,000 كتلة شمسية
نادر؛ أمثلة مؤكدة محدودة
ثقب أسود فائق الكتلة
100,000 إلى مليارات الكتل الشمسية
مراكز المجرات الكبيرة
رؤية ما لا يمكن رؤيته: الصور المباشرة
بما أن الضوء لا يستطيع الهروب من الثقب الأسود، لا يستطيع الفلكيون تصوير الجسم نفسه. بدلاً من ذلك، مرصد أفق الحدث (EHT) - شبكة عالمية من التلسكوبات الراديوية تعمل كأداة واحدة بحجم الأرض، وفقاً لمؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (NSF) - تصور الغاز المتوهج الذي يدور حول ثقب أسود خارج أفقه الحدثي مباشرة. في 10 أبريل 2019، أصدرت تعاون EHT أول صورة من هذا القبيل، للثقب الأسود الفائق الكتلة في مركز المجرة M87، الذي يقع على بعد حوالي 55 مليون سنة ضوئية من الأرض وقياسه حوالي 6.5 مليارات كتلة شمسية، وفقاً لملخص NSF.
في 12 مايو 2022، أصدرت تعاون EHT صورة ثانية، هذه المرة لـ القوس A* (Sagittarius A*)، الثقب الأسود الفائق الكتلة في مركز درب التبانة. يصفه NSF بأنه أول دليل بصري مباشر لهذا الجسم، بكتلة يعطيها NSF حوالي 4 ملايين مرة كتلة الشمس. وبالمثل، يضع ملخص على cosmoquest.org كتلته حوالي أربعة ملايين كتلة شمسية وبعده حوالي 27,000 سنة ضوئية من الأرض. تُظهر كلا الصورتين نفس التوقيع: ظل مركزي مظلم محاط بضوء مشوه مشرق من الغاز المداري الساخن جداً.
تموجات في نسيج الزمكان: الموجات الثقالية
تأتي خط منفصل من الأدلة من الموجات الثقالية - تموجات في نسيج الزمكان التي توقعها ألبرت أينشتاين نظرية النسبية العامة في عام 1915. في 14 سبتمبر 2015، سجل كاشفا ليزر التداخل الثقالي التوأمان (LIGO) في هانفورد بواشنطن وليفينغستون بلويزيانا إشارة حددت باسم GW150914، وفقاً لملخص العلوم LIGO. جاءت الإشارة من دمج ثقبي أسود بكتل حوالي 36 و 29 مرة من كتلة الشمس، اندمجا معاً في ثقب أسود واحد بحوالي 62 كتلة شمسية. وقالت LIGO إن الثلاث كتل الشمسية المفقودة أشعت كطاقة موجات ثقالية، من حدث يبعد أكثر من مليار سنة ضوئية.
تقول LIGO إن الكشف بلغ دلالة إحصائية تزيد عن خمسة سيجما، مما يعني أن إنذاراً خاطئاً بهذه القوة كان متوقعاً فقط مرة واحدة تقريباً كل حوالي 200,000 سنة من البيانات القابلة للمقارنة. طابقت الموجة الملاحظة التنبؤات من النسبية العامة، مما أعطى الفيزيائيين طريقة جديدة لدراسة الثقوب السوداء لا تعتمد على الضوء على الإطلاق.
ما الذي تكشفه الثقوب السوداء عن الكون
يحدد وصف ناسا لتشريح الثقب الأسود ثلاث مناطق رئيسية: الأفق الحدثي، نقطة اللاعودة حيث سرعة الهروب تتجاوز سرعة الضوء؛ القرص الملتص، المادة الحلزونية التي تشع بواسطة إشعاعها يسمح للفلكيين بكشف الثقوب السوداء غير المرئية؛ والفرادة في النواة، حيث تضغط المادة إلى كثافة قصوى والفيزياء الحالية، بما في ذلك النسبية العامة، من المتوقع أن تنهار. تلاحظ ناسا أن هذا هو حيث يُعتقد أن التأثيرات الكمومية تصبح مهمة، مما يعني أن الثقوب السوداء تحدد الحدود حيث يجب أن تلتقي النسبية والميكانيكا الكمومية في النهاية.
لأنها تحني الضوء، وتشوه الزمن، وتثبت هيكل المجرات، فإن الثقوب السوداء تعمل كمختبرات طبيعية. تعطي الملاحظات من التصوير المباشر وكواشف الموجات الثقالية للعلماء طريقتين مستقلتين لاختبار ما إذا كانت الجاذبية تتصرف كما تتنبأ نظرية أينشتاين في ظل الشروط الأكثر تطرفاً المعروفة في الكون.
قدرت LIGO أن قوة موجات الجاذبية المشعة في اللحظات الأخيرة من دمج الثقب الأسود كانت أكثر من عشرة أضعاف القوة الضوئية المجمعة من جميع النجوم والمجرات في الكون القابل للملاحظة.
— ملخص العلوم LIGO، GW150914
أسئلة
ما هي الكتلة الدنيا المطلوبة لتكوين ثقب أسود؟
تؤكد ناسا أن نواة نجمية منهارة تحتاج إلى تجاوز ما يقرب من ثلاث كتل شمسية لتصبح ثقباً أسود؛ أقل من هذا الحد تشكل عادة نجماً نيوتروني بدلاً من ذلك.
هل تم تصوير ثقب أسود من قبل؟
ليس مباشرة، لأن الضوء لا يستطيع الهروب منه. قام تلسكوب أفق الحدث بتصوير الغاز المتوهج حول ثقبي أسود فائقي: M87* في 2019 و Sagittarius A* في 2022، وفقاً لـ NSF.
ما مدى بعد الثقب الأسود في مركز درب التبانة؟
يقع Sagittarius A* على بعد حوالي 27,000 سنة ضوئية من الأرض وله كتلة حوالي 4 ملايين شمس، بناءً على الأرقام المبلغ عنها بعد صورة EHT لعام 2022.
كيف تساعد الموجات الثقالية العلماء في دراسة الثقوب السوداء؟
تنتج الثقوب السوداء المندمجة تموجات في نسيج الزمكان يمكن لكواشف مثل LIGO أن تسجلها حتى بدون أي ضوء؛ كان أول كشف LIGO، GW150914 في سبتمبر 2015، بمثابة تأكيد لاندماج ثقبي أسود يقعان على بعد أكثر من مليار سنة ضوئية.
ما الفرق بين ثقوب سوداء نجمية وفائقة الكتلة؟
وفقاً لناسا، تتشكل الثقوب السوداء النجمية من نجوم وحيدة منهارة وتزن بضعة إلى عشرات كتل شمسية، بينما توجد الثقوب السوداء الفائقة الكتلة في مراكز المجرات وتتراوح من 100,000 إلى مليارات الكتل الشمسية.
تبقى الأقمار الصناعية في مدارها لأن سرعتها الأمامية توازن جاذبية الأرض، والارتفاع المختار يحدد ما يمكن للقمر الصناعي أن يقوم به. المدارات المنخفضة توفر صورًا حادة وتأخيرًا قصيرًا، والمدارات الثابتة بالنسبة للأرض توفر تغطية ثابتة لمنطقة واحدة، والمدارات المتوسطة تشغل الملاحة العالمية - كل منها مرتبط بمحطات أرضية عبر إشارات راديو منظمة من خلال نظام تردد دولي.
تدور تلسكوبات الفضاء فوق الغلاف الجوي للأرض، الذي يحجب أو يشوه معظم الضوء تحت الأحمر والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية قبل وصولها إلى الأرض. من خلال العمل خارج هذا الحاجز، تقوم مراصد مثل هابل وويب وجايا وتشاندرا بالتقاط شرائح مختلفة من الطيف الكهرومغناطيسي، وتقدم معًا صورة أكمل للنجوم والمجرات والكون المبكر.
يمكن رؤية زخات النيازك بشكل أفضل بالعين المجردة، من موقع مظلم، في الساعات بين منتصف الليل والفجر عندما تكون نقطة الإشعاع للزخة في أعلى نقطة في السماء. يشدد الخبراء بشكل متكرر على التحقق من طور القمر، وترك عينيك تتكيف مع الظلام، والنظر بزاوية بعيدة قليلاً عن نقطة الإشعاع.
يمكن للمبتدئين البدء في مراقبة سماء الليل دون أي معدات على الإطلاق: اسمح لعينيك بالتكيف مع الظلام لمدة 15-20 دقيقة على الأقل، وتعلم كيفية التمييز بين الكواكب والنجوم من خلال ضوؤها الثابت (الذي لا يرف)، واستخدم خريطة نجوم أو تطبيق قبل شراء أي معدات. وفقاً لـ NASA و EarthSky، فإن المناظير وليس التلسكوب هي الترقية الأولى الموصى بها.
