رياح قرص التراكم

يعمل الثقب الأسود في زوج وثيق مع نجم مرافق كمضخة جاذبية: يسحب الغاز من جارته، ويلفه في قرص تراكم متوهج، ومن وقت لآخر يقذف جزءًا من المادة بعيدًا في نفاثين نسبيين ضيقين. في عام 2021، أقام النظام الثنائي الأشعّي 4U 1543-475 مثل هذا العرض.

ثقب أسود كتلته 35,000 كتلة شمسية يتحرك عبر غاز المجرة، مثل بارجة تشق الضباب. جاذبيته — انحناء الزمكان — تجمع المادة أمامه، وتشكل خلفه ذيلًا كثيفًا، وهو تيار من الغاز في أعقابه. جزء من هذا الغاز يلتقطه الثقب الأسود عبر التراكم (accretion) — يسحبه إلى داخله، مما يزيد كتلته.

لنتأمل سحابة غبارية كونية كروية ومتجانسة تبدأ بالانضغاط تحت تأثير جاذبيتها الذاتية. وفقًا للقوانين الكلاسيكية للنسبية العامة، فإن مثل هذه السحابة ستنهار حتمًا إلى نقطة كثافة لا نهائية — تفرد حيث تتوقف معادلات المجال عن العمل. لكن في هذا النموذج، الأمر مختلف: فعندما يبلغ الانضغاط مقاييس بلانك، تدخل التأثيرات الكمومية على الخط، ولا تختفي المنطقة الداخلية للكرة بل تبدأ بالتوسع.

الجسم الكوني يدور، لكن ظله ليس دائريًا. درس الفيزيائيون الفلكيون ثقبًا أسود في نسخة غير عادية من الجاذبية — ما يسمى بعالم الغشاء (حيث يكون كوننا سطحًا ثلاثي الأبعاد في فضاء ذي أبعاد أكثر). في هذا النموذج، يظهر للثقب الأسود معامل إضافي — الشحنة المدية (مقياس لكيفية تشويه الأبعاد الإضافية للجاذبية). تتبع مؤلفو العمل كيف تنحني أشعة الضوء حول هذا الثقب، وبنوا صورته.

مصنع قادر على إنتاج مليون قطعة في الساعة، لكنه ينتج مئة فقط. هكذا تقريبًا تتصرف حياتنا الكون إذا نظرنا إليه من خلال عدسة الإنتروبيا — مقياس الفوضى الذي، وفقًا لقوانين الفيزياء، يجب أن يزداد فقط. «الآلات» الرئيسية لهذا المصنع هي الثقوب السوداء فائقة الكتلة.

الثقب الأسود ليس مكنسة كهربائية كونية مثالية، بل هو جسم ديناميكي محاط بوسط معقد من الجسيمات والحقول التي تؤثر على تطوره. في دراسة جديدة، قام الفيزيائيون الفلكيون بنمذجة سلوك حقل متجهي ضخم — وهو شكل افتراضي من المادة المظلمة يتكون من جسيمات ذات لف مغزلي غير صفري — في جوار ثقب أسود دوّار.

يدور نجم حول ثقب أسود دوّار الثقب الأسود، مثل متزلجة فنية في وسط حلبة التزلج. طالما أنه بعيد ويمكن اعتباره كتلة نقطية، تظل الرقصة قابلة للتنبؤ: يخضع المدار لقوانين واضحة في الميكانيكا السماوية، مثل موسيقى يسهل الانزلاق على إيقاعها. ولكن بمجرد اقترابه، يبدأ الجاذبية في العمل بشكل غير متساوٍ.

يدور قرص من الغاز والغبار حول النجمة الفتية HV Tau C بشكل شبه جانبي بالنسبة لنا. تلسكوب جيمس ويب نظر في طيفه ولاحظ توهج الهيدروجين الجزيئي الساخن الهيدروجين (H₂) — وهي جسيمات تتكون من ذرتي هيدروجين. كشف هذا التوهج عن رياح عريضة ثنائية الاتجاه تنطلق من المناطق الداخلية بعيدًا إلى ما وراء حدود القرص.

قرص غازي بوزن أربعمائة ألف شمس يحيط بـ الثقب الأسود فائق الكتلة في مركز درب التبانة. يعمل جاذبيته كدفة ثقالية: يدير مدارات النجوم الثنائية ببطء ولكن بحتمية، دافعاً إياها إلى المنطقة حيث القوى المديّة تمزق الزوجين.

295 000 متر في الثانية. حتى الجسيمات في الانبعاثات الإكليلية للشمس لا تندفع بهذه السرعة. لكن في مركز العنقود المجري H1821+643، يتحرك الغاز الساخن بهذه الطريقة تمامًا. الكوازار في قلبه يزفر - وأنفاسه تحرك كل شيء حوله على مسافة 60 ألف سنة ضوئية.

أسرع ريح في الكون تندفع بسرعة 0,58 من سرعة الضوء. تقطع المسافة من الأرض إلى القمر في ثانيتين. هذه الريح ليست نفاثة ضيقة، بل تيارًا عريضًا من الغاز ينفث من مركز المجرة. ليست كل الثقوب السوداء تعمل بنفس الطريقة: بعضها يولد مثل هذه الأعاصير، والبعض الآخر يطلق أشعة بلازما ضيقة. الإجابة تشبه تعشيق التروس.

الثقب الأسود هو مكان لا يمكن لأي شيء أن يهرب منه. لكن بعض النظريات تسمح بأنه في الأعماق، على المستوى الكمومي، قد يرتد ويتحول إلى نقيضه — ثقب أبيض، لا يفعل سوى قذف المادة والضوء. قامت مجموعة من الفيزيائيين ببناء نموذج حاسوبي لمثل هذا التحول. أخذوا ثقباً أسود دوّاراً وتتبعوا مسارات أشعة الضوء من القرص الساخن حوله — أولاً عندما يكون الثقب لا يزال أسود، ثم عندما أصبح أبيض.

في مركز مجرة بعيدة، حيث يدور ثقب أسود فائق الكتلة بكتلة تعادل مئة مليون شمس، تخترق الفضاء مجالات مغناطيسية. وهي ملتفة في دوامات شديدة — مثل قمع في صدفة، لكن بدلاً من الماء هناك بلازما متسارعة إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. هنا تحديداً، على الموجات الصادمة، تولد جسيمات بطاقة لا يضاهيها أي مسرّع أرضي.

غصن يسقط في دوامة مائية. يدور ويتكسر، لكن أحيانًا ينطلق من المركز نافورة ماء قوية. تقريبًا هكذا يمزق الثقب الأسود نجمًا يمر بجانبه، وأحيانًا بعد ذلك ينطلق في الفضاء نفاث بلازما مبهر — النفاث.

الكون مليء بموجات غير مرئية — تموجات في الفضاء تتركها كوارث مثل اصطدام الثقوب السوداء. الثقب الأسود العادي يبتلع كل شيء دون أثر. لكن هناك أجسامًا غريبة افتراضية — كتل فائقة الكثافة من المادة دون أفق حدث (سطح لا يمكن حتى للضوء الإفلات من تحته).

حافة أفق الحدث لا تكون هادئة أبداً. الفراغ الكمومي يغلي هنا، ومن هذه الرغوة تنبثق أحياناً جسيمات — هكذا اكتشف Stephen Hawking في عام 1974 إشعاع الثقوب السوداء، رابطاً إلى الأبد الجاذبية بـ النظرية الكمومية. لكن لفترة طويلة، غطت الحسابات فقط الحقول عديمة الكتلة وأبسط الحقول الكتلية.

في قلب مجرة هيدرا-أ العملاقة، يغلي العمل. يطلق الثقب الأسود فائق الكتلة نفاثتين قويتين من البلازما تُعرفان بالجيتات (jets). تخترقان سحابة الغاز الحارق المحيطة وتنفخان فيها فقاعات هائلة. ولأول مرة، أتاح التلسكوب الياباني الجديد XRISM قياس السرعة التي يرتجف بها هذا الغاز ويتحرك. XRISM مرصد للأشعة السينية أُطلق عام 2023.

من الشائع اعتبار الثقب الأسود مكنسة كونية قاسية تبتلع كل شيء دون تمييز. لكن بحثاً جديداً يقلب الصورة: عند الأفق نفسه يتحول الانحناء من مصيدة إلى نطاطة. كشف تحليل معادلة فوكر-بلانك في مترية شفارتسشيلد-دي سيتر عن مفارقة ’اللا أسر‘: الغبيرة تميل للاندفاع نحو الأفق الكوني بأكثر مما تسقط في الثقب الأسود.

في مركز العديد من المجرات تدور خذاريف كونية ذات قدرة لا تُصدق: ثقوب سوداء فائقة الكتلة. أول من وصف طبيعتها هو شوارتزشيلد بعد أن قدّم أينشتاين للعالم نظرية النسبية العامة. السبين هو معامل أساسي مثل الكتلة، لكنه أكثر استعصاءً على الرصد.

نظر تلسكوب «جيمس ويب» إلى عصر كان فيه عمر الكون أقل من مليار سنة، ورأى أجسامًا غريبة — «نقاطًا حمراء صغيرة». وهي ثقوب سوداء بكتلة تعادل ملايين الشموس، لكن في مجرات صغيرة جدًا وغير متأثرة كيميائيًا تقريبًا. السيناريوهات القياسية لا تسمح بنمو مثل هذه الأثقال في هذا الوقت المبكر. التفسير الجديد يشبه إطعام سمكة قرش بسرب من الأسماك الصغيرة.

لطالما ساد في علم الكون اعتقاد مستمد من هوكينج: في عصر الإشعاع، لا تنمو الثقوب السوداء الأولية.

في مركز تجمع نجمي كثيف تسود ورشة حدادة حقيقية: هنا النجوم، مثل القطع المعدنية المتوهجة، تتصادم وتندمج تحت تأثير الجاذبية، وهذه الاندماجات ليست كارثة، بل فرصة. كل طرق من مطرقة النجوم ينقل دورانًا إلى الثقب الأسود المستقبلي.

تقليديًا، كان يُوصف الثقب الأسود بثلاث معاملات — الكتلة، الشحنة والزخم الزاوي. هذا الوصف المقتضب، الذي أوجزه جون ويلر في قول مأثور: «الثقوب السوداء ليس لها شعر». لكن نظرية الكم تُصر على تعقيد داخلي هائل: أنتروبيا بيكينشتاين-هوكينج تشير إلى عدد هائل من الحالات الميكروية — أشبه بمكتبة من المعلومات.

كان الكون المبكر عند انزياح أحمر z>7 ميدانَ نموٍّ لا يُكبح: ثقوبٌ سوداء تبلغ كتلها مليار كتلة شمسية كانت تشعّ بالفعل على هيئة كوازارات، تبتلع الغاز بسرعة هائلة. كيف استطاع هؤلاء العمالقة النمو في هذا الوقت القصير هو أحد أكثر ألغاز الفيزياء الفلكية إثارة.

بعد الانفجار العظيم، مر الكون بـتوسع سريع – التضخم، الذي مهد إشعاع الخلفية الكونية وزرع بذور المجرات. لكن على المستوى الكمومي، كانت التقلبات الفوضوية تنضج في حقل الإنفلاتون.

في عام 1933، كان فريتز زفيكي أول من تحدث عن كتلة غير مرئية تمسك بعناقيد المجرات. وبعد عقود، رسمت فيرا روبين خريطة الدوران المجري، كاشفة عن الوجود الشبحـي لـالمادة المظلمة. واليوم نعرف أنها تتخلل الكون، لكن طبيعتها الجسيمية تظل عصية. أجهزة الكشف الأرضية تتنصت على همس تصادمات المادة المظلمة.

متزلجة فنية تدور على الجليد، وتنحرف تدريجيًا عن مدارها. هكذا، النجم الصغير أو الثقب الأسود، أثناء دورانه حول ثقب أسود ضخم، يفقد الطاقة. إنه يصدر موجات ثقالية (gravitational waves) — تموجات في نسيج الزمكان تلتقطها كاشفات على الأرض. لكن رقصة هذا الثنائي أكثر تعقيدًا مما تبدو. الرفيق الصغير ليس مجرد نقطة.

الثقب الأسود مع مجال مغناطيسي يشبه دوامةً في نهر لا يتدفق ماؤها إلى القمع بل يدور في مكانه. عادةً، يلتقط دوران الثقب الموجات ويضخّمها — وهذا ما يُسمى بالانبعاث الفائق (superradiance). لكن إذا أضفنا مجالًا مغناطيسيًا، يتغير كل شيء.

الثقب الأسود ليس فراغًا جامدًا، بل محرك مغناطيسي حي. 'قلبه' - قرص التراكم - ينبض: شهيق - المادة تلتف في دوامة، زفير - إعادة الاتصال المغناطيسي يمزق خطوط القوة، وتنطلق البلازما بعيدًا عن الأفق.

قلب العديد من المجرات هو ثقب أسود فائق الكتلة الثقب الأسود. إنه لا يجلس فقط في المركز، بل يتوهج أحيانًا بشكل ساطع عندما يبتلع الغاز المحيط به.

في مركز المجرة، تعمل الجاذبية على تكثيف المادة المظلمة في "شوكة" كثيفة. مثل الشوكة المظلمة تشبه قمعًا من جسيمات غير مرئية حول جسم ضخم. ولكن إذا كان كل من المركز والجسيمات ثقوبًا سوداء بدائية، تنهار الصورة. الثقوب الخفيفة، بحجم كويكب، تولد تقريبًا بدون دوران. بدون دوران، لا تستطيع البقاء في المدار وتسقط على العملاق المركزي.

تُمثّل التدفقات الغازية الهائلة الخارجة من أنوية المجرات النشطة مُنظّمًا رئيسيًا لـ تطور المجرات. فهي تكنس الوسط بين النجمي، وتُخمد تشكّل النجوم، وتتحكم في نمو الثقوب السوداء فائقة الكتلة.

في البلازما الحارقة للكون الوليد، مباشرة بعد التوسع التضخمي الذي تصوره آلان غوث، ساد عصر الهيمنة الحركية. في هذا المرجل الفائر، حتى الحقول المغناطيسية الضئيلة — الأضعف من حقل الأرض بمليار مرة — لعبت دور قوس كوني، محدثة رنيناً أنتج ثقوباً سوداء بدائية.

قدرٌ يغلي على نار قوية: الفقاعات تحمل حبيبات من القاع إلى السطح. آلية مشابهة تعمل على النجم النيوتروني. إذ يتراكم الهيدروجين والهيليوم من النجم المجاور، ويقوم من حين لآخر بانفجار نووي قوي — توهجًا سينيًا.

في مركز المجرة، ثقب أسود هائل محاط بسحابة غير مرئية – سرب من الجسيمات فائقة الخفة التي ولدها هو نفسه. ينغمس في هذه السحابة ثقب أسود آخر بحجم نجم، ويبدأ رقصة طويلة على شكل حلزوني. يستمر الاقتراب ملايين السنين، لكن الأحداث الأكثر دراماتيكية تتكشف بالقرب من الأفق. نادراً ما يكون مدار الثقب الصغير دائرة مثالية.

في الكون المبكر، قد تكون نشأت ثقوب سوداء صغيرة جدًا — بكتلة جبل، ولكن بحجم نواة ذرية. اليوم، يمكنها أن تعمل كمصانع للمادة المظلمة المادة المظلمة. هناك آليتان: التبخر المعتاد (إشعاع هوكينغ) والإشعاع الفائق الأقل شهرة.

في مركز درب التبانة، مثل دمية داخل دمية، يختبئ ثقب أسود هائل، وحوله سرب من النجوم وغلاف غير مرئي من المادة المظلمة. هذا الغلاف، أو "السنبلة"، يجب أن يكون كثيفًا جدًا عند الأفق نفسه. لكن النجوم والثقوب السوداء الصغيرة التي تدور قربه قد تعمل مثل ملعقة في فنجان قهوة: تقلب الجسيمات وتبعثرها. قرر مؤلفو الدراسة الجديدة اختبار مدى فساد هذه "الملعقة" للسنبلة.

قطرة من الهيليوم البارد تمرّ على مسافة خطرة من ثقب أسود. ليست مجرد قطرة — إنها نجم ميت بحجم الأرض، لكن بكتلة تضاهي كتلة الشمس. سوبرامانيان شاندراسيخار أظهر يومًا أن مثل هذه الأجرام — الأقزام البيضاء — يمكن أن توجد، وها هو أحدها، هيليومي، يلتقي بالهاوية.

إذا دار الثقب الأسود بسرعة، فإنه يستطيع أن يحتفظ حوله بسحابة من جسيمات فائقة الخفة - لدرجة أن كتلتها تكاد تختفي. وتترتب هذه الجسيمات في طبقات، مثل الإلكترونات في الذرة، لكن بدلاً من القوى الكهربائية تعمل الجاذبية. هذا التركيب يخزن الطاقة كزنبرك مشدود. ومرور موجة ثقالية عبر هذا النظام - وهي تموج ناتج عن تصادم كوني بعيد - يهز السحابة.

الثقب الأسود ليس مكنسة كهربائية أبدية. إذا تُرك في الفراغ، فإنه يختفي ببطء، مشعًا الطاقة، مثل بركة ماء تجف على الأسفلت. هذه العملية، التي تنبأ بها ستيفن هوكينج، تُسمى التبخر. كلما كان الثقب أصغر، كلما ذاب أسرع، وكان "أنفاسه" أسخن.