ثقب أسود ثنائي

في عام 2015، التقطت كاشفات LIGO لأول مرة ارتجاج الفضاء الناتج عن اندماج ثقبين أسودين. ومنذ ذلك الحين، تراكمت مئات الأحداث، كل منها يحمل بصمة نسبه: هل وُلد الثقبان متجاورين من زوج نجمي واحد، أم التقيا صدفة في عنقود كثيف؟ الفرق يظهر من اتجاه محاور دورانهما. إذا نما النجمان معًا، تعمل قوى المد على محاذاة لفاتهما مثل إبر البوصلة التي تشير إلى الشمال.

قمتان تدوران قريبتين جدًا حتى تكادان تلامسان بعضهما. إحداهما زرقاء محمّاة، والأخرى بيضاء خافتة. معًا يكملان دورة كاملة خلال عشرين ساعة. هذا هو زوج فيغه 64: نجم أزرق كتلته ثلث كتلة الشمس فقط، وقزم أبيض — نواة باردة لنجم سابق — أثقل من شمسنا بمقدار مرة ونصف. النجم الأزرق يبدو حارًا جدًا بالنسبة لكتلته. درجة حرارته خمسة عشر ألفًا وخمسمائة درجة، مثل أسخن خيط في مصباح.

في الطبقات الرقيقة من بلورة سيلينيد التنتالوم (TaSe₂) اكتُشفت خاصية تتحدى الفيزياء المألوفة. عندما أُدخلت ذرات ضيفة بين طبقات هذه المادة، فقد البنية مركز التناظر الانعكاسي — وظهرت في داخله موصلية فائقة بحماية غير عادية. عادةً، المجال المغناطيسي القوي يدمر الحالة فائقة التوصيل، ممزقًا أزواج كوبر — الحالات المرتبطة من الإلكترونات ذات اللفات المتعاكسة.

في مركز مجرتنا المجرة يقع الثقب الأسود فائق الكتلة الثقب الأسود المعروف باسم القوس A* — جسم بجاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منه. إذا كان هناك رفيق غير مرئي يدور حوله — على سبيل المثال، ثقب أسود ثانٍ — فيمكن اكتشاف رقصتهما المدارية من خلال سلوك ضوء النجوم البعيدة.

تصادم المجرات يشبه رقصة بطيئة يتقارب فيها الشريكان تدريجيًا. وفي مركز كل مجرة يختبئ ثقب أسود فائق الكتلة — دولاب موازنة غير مرئي كتلته تعادل ملايين أو مليارات الشموس. بعد اندماج المجرات، تبدأ هذه الثقوب السوداء بالتحرك نحو بعضها البعض، فاقدةً الطاقة بسبب الاحتكاك بالنجوم والغاز.

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.

1799 كيلومترًا في الثانية — بهذه السرعة يغادر النجم S5-HVS1 المجرة إلى الأبد. قبل 4.8 مليون سنة، قُذف من مركز درب التبانة أثناء اقتراب قريب من الثقب الأسود فائق الضخامة Sgr A*. يترك مثل هذا الحدث أثرين أحفوريين: نجم هارب فائق السرعة ورفيقه الذي تم أسره في مدار بيضاوي. ربما تم العثور على الأثر الثاني.

الكون يعيد كتابة تاريخه مراراً وتكراراً. فبينما لا يرى الفلك التقليدي سوى نقطة — ثقب أسود — تنتزع الموجات الثقالية طبقات الماضي الرقيقة، كما نفعل مع طِرس أثري. وفكرة أن الثقوب السوداء يمكنها أن تنمو بابتلاع بعضها بعضاً، وأن تندمج ذريتها في تحالفات جديدة، يناقشها علماء الفيزياء الفلكية منذ نصف قرن.

في قلب كل مجرة تقريبًا، يسبت ثقب أسود هائل ثقب أسود — قائد غير مرئي لأوركسترا النجوم. عندما تتصادم مجرات، تقترب وحوشها المركزية من بعضها، ملتفة في رقصة جذبية. أحيانًا ينضم شريك ثالث إلى الثنائي، وعندها تبدأ رقصة فالس ثلاثية، نتائجها غير متوقعة. عمل جديد قام بأداء هذه المسرحية لأول مرة داخل محاكاة حية تتنفس بالغاز والمادة المظلمة، واكتشف: الثالث ليس زائداً على الإطلاق.

في نظام ثنائي متقارب، يضيء النجم الساخن، ككشاف ضوئي، رفيقه الأكثر برودة. يتشتت جزء من الضوء على الإلكترونات الحرة في غلافه الجوي — وهذا هو تشتت تومسون — ويكتسب استقطاباً خطياً. مع تحرك النجمين في مدارهما، يدور هذا الاستقطاب، كعقرب بندول إيقاع كوني عجيب.

رصدت كاشفات الموجات الثقالية دفقة غريبة — الإشارة GW241011. اندمج ثقبان أسودان، لكن الثنائي بدا غير معتاد: كان أحد الثقبين أخف بثلاث مرات تقريبًا من الآخر، وفي الوقت نفسه كان النظام بأكمله يدور بسرعة. هذا المزيج — ضيف نادر في الفهارس.

طوال 23 عامًا، ظل تلسكوبا «هابل» و«جيمس ويب» يراقبان قلب أوميغا قنطورس، العنقود الكروي حيث تتزاحم ملايين النجوم في فضاء عرضه 150 سنة ضوئية. في هذه الخلية النجمية، كشفت حركة النجوم عن شريك خفي: نجم من النسق الرئيسي (لم يغادر بعد الفرع الرئيسي للتطور) بدا وكأنه يُجذب في رقصة مع ثقل غير مرئي. وهكذا اكتُشف الثقب الأسود oMEGACat BH-2. هذه الرقصة بطيئة وواسعة.

ثقبان أسودان يدوران في رقصة بطيئة، يقتربان تدريجيًا من بعضهما. حركتهما تزعج الزمكان نفسه — كما لو أن كرتين ثقيلتين تتدحرجان على ملاءة مشدودة، مما يجعلها تهتز. هذه الاهتزازات نسميها موجات الجاذبية. لكن هناك تأثيرًا أدق: نسيج الزمكان المتذبذب قادر على توليد جسيمات مباشرة من الفراغ.

الأمواج تفرز الحصى على الشاطئ الرملي. الحصى الصغيرة تتجاور بشكل متلاصق، متشابهة الحجم تقريبًا. أبعد قليلًا عن الشاطئ، نجد حصى أكبر حجمًا وأكثر تنوعًا. وعند حافة الماء حيث يكون الأمواج قوية، تتراكم القطع الأكبر والأكثر استدارة. هكذا تقريبًا تفرز الطبيعة الثقوب السوداء حسب الكتلة عندما تندمج في أزواج.

ترقص أزواج الثقوب السوداء قبل الاندماج بثلاثة أنماط مختلفة. الأول هو رقصة الفالس الأنيقة: تدور الأجسام في نفس الاتجاه، مثل شريكين ينظران إلى الجهة نفسها. تنشأ هذه الأزواج من نجوم ثنائية، وغالباً ما تكون كتلتاها غير متساويتين. الثاني هو الديسكو الفوضوي: الدورانات متناثرة الاتجاهات، والكتلتان متساويتان تقريباً.

ثقبان أسودان الثقبان الأسودان — جسمان فائقا الكتلة، لا تطلق جاذبيتهما الجاذبية حتى الضوء — عندما يدوران حول بعضهما، يتصرفان كقارب يجدف بالنجوم. كل نجم يمرّ بالقرب منهما، يلتقطه جاذبية الثنائي، يُقذف بعيدًا كما لو كان ضربة مجذاف، وينقل إلى النظام دفعة. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن هذه العملية ببساطة تقرّب الثقبين الأسودين، مما يقلل نصف قطر مدارهما.

بركة ماء ضخمة تنتشر عليها دوائر من حجرين ثقيلين يدوران حول بعضهما البعض. الحجارة تقترب، وتصبح الدوائر أكثر تكرارًا وأقوى، وعلى وشك أن يصطدما. الموجات الثقالية هي مثل هذه الدوائر، ولكن ليس على الماء، بل في نسيج الفضاء نفسه. تُصدرها أزواج من الثقوب السوداء الضخمة عندما تندمج في ثقب واحد.

نجوم Be هي نجوم سريعة الدوران ذات قرص غازي ساطع. عادةً ما يقوم نجم مرافق بتدويرها: عندما تتدفق المادة من النجم المجاور، فإنها تُدور النجم مثلما يُدور الحجر في المقلاع. لكن توجد أيضًا نجوم Be منعزلة بلا رفيق — وظل أصلها لغزًا طويلاً. تظهر دراسة جديدة أن الانفجار مستعر أعظم يمكن أن يولد هذه المنعزلات.

جلب الحصاد الجديد لموجات الجاذبية لغزًا. رصدت كاشفات LIGO وVirgo وKAGRA عشرات الإشارات من اندماج ثقوب سوداء، وعلى الرسم البياني لكتلها تظهر فجوة واضحة: لا توجد تقريبًا أجسام أثقل من 45 كتلة شمسية، وما يوجد منها يدور بسرعة مريبة. يقول البعض إن النجوم العملاقة تنفجر بشكل «نظيف» للغاية، فلا تترك خلفها شيئًا.

شبكة صياد ممتدة في أعماق الفضاء. عندما يموت نجم ضخم، يترك خلفه ثقبًا أسود — ثقلًا في هذه الشبكة. عادةً، تزن هذه الأثقال ما بين بضعة شموس وعشرات منها. لكن في GW231123، كان الثقلان ثقيلين بشكل غير عادي: كل منهما وقع في «فجوة عدم الاستقرار الزوجي» (نطاق الكتلة حيث يجب أن ينفجر النجم بالكامل دون أن يترك ثقبًا أسود).

نجمان يدوران حول مركز مشترك، يبتلعان الغاز من السحابة المحيطة. حول كل نجم وحول الزوج بأكمله تتشكل أقراص دوارة من الغاز. ومن هذه الأقراص، كما لو كانت خراطيم، تنطلق نفاثات. داخل الأقراص، يختلط الغاز باستمرار — هكذا يعمل عدم الاستقرار المغناطيسي (magnetorotational instability).

يمكن للثقب الأسود أن يعذب نجمًا ليس في حدث كارثي واحد، بل على مدى سنوات، نازعًا منه المادة تدريجيًا. الدور الرئيسي هنا تلعبه قوى المد والجزر — وهي الفرق في جاذبية الثقب الأسود التي تؤثر على الجانبين القريب والبعيد من النجم: الجانب القريب يُجذب بقوة أكبر بشكل ملحوظ، فيبدأ النجم بالتمدد.

ثقبان أسودان غير دوارين ثقب أسود — منطقتان من الزمكان بجاذبية قوية لدرجة أن لا شيء، بما في ذلك الضوء، يمكنه مغادرتهما — عند لحظة الاندماج يولدان موجات ثقالية — تموجات في نسيج الزمكان نفسه، تلتقطها أجهزة طورت بمشاركة كيب ثورن.

تخيل ضجيج ساحة مزدحمة - هكذا تبدو الخلفية الثقالية للكون، التي تلتقطها شبكة من النجوم النابضة - نجوم نيوترونية تصدر نبضات راديوية منتظمة بدقة الساعات الذرية. في هذا الضجيج الكوني تختبئ "بصمات" أزواج فردية من الثقوب السوداء التي تدور حول بعضها البعض.

عندما تصطدم مجرتان، يبدأ الثقبان الأسودان في مركزيهما رقصة اقتراب طويلة. وإلى أن يندمجا في ثقب واحد، يمكننا رؤية زوج من الكوازارات — أضواء ساطعة تتوهج عندما يبتلع الثقب الأسود الغاز والغبار. هذه الأزواج في السماء أشبه بمنارتين متقاربتين، لكن كل واحدة تضيء من مرفئها الخاص. دقق علماء الفلك في بيانات مسوحات السماء الكبرى ووجدوا 17 زوجًا من هذا القبيل.

الجسم الجليدي أروكوث يشبه رجل الثلج: كرتان ملتصقتان ببعضهما. هناك العديد من هذه الأجسام ذات الرأسين خلف مدار نبتون، في حزام كايبر. لفترة طويلة، كان يُعتقد أنها تنشأ من تصادم بطيء بين جسمين منفصلين. النمذجة الجديدة تُظهر مسارًا مختلفًا. سحابة من الحصى الصغيرة حول الشمس الفتية تنضغط بفعل جاذبيتها الذاتية. لا تتكتل الحصى في كرة واحدة، بل في كتلتين متجاورتين تلتحمان معًا بلطف.

ظل تلسكوب أشعة سينية في المدار لسنوات يسجل كيف تتوهج الأنظمة الثنائية، حيث يدور نجم عادي حول ثقب أسود أو نجم نيوتروني. تسقط المادة من النجم المرافق على الجسم المضغوط، وتسخن إلى ملايين الدرجات، وتصدر أشعة سينية. تراكمت في الأرشيف آلاف الأطياف — رسوم بيانية توضح مقدار الضوء القادم عند كل طاقة.

ضوء مجرة بعيدة يصل إلينا بعد رحلة تستغرق مليارات السنين، لكنه قد يصطدم في طريقه بعنقود مجرات ضخم. تعمل جاذبيته مثل زجاج منحنٍ: فهي تُثني مسار الأشعة، وبدلًا من صورة واحدة نرى عدة صور — أحيانًا على شكل أقواس، وأحيانًا كنقاط. عادةً ما تُعطي هذه "العدسات" أنماطًا بسيطة، لكن في العنقود MS 0451.6-0305 التقط تلسكوب جيمس ويب شيئًا أكثر تعقيدًا.

ثقبان أسودان يدوران حول بعضهما البعض، ورقصهما ليس دائمًا كالفالس المنتظم. إذا كان الثقبان يدوران حول محورهما، فقد يبدأ مدارهما في التقلب — مثل قمة دوارة دُفعت فتميل إلى الجانب مع استمرار دورانها. هذا التقلب يغير الموجات التي تنتشر عبر الفضاء، ومن خلال هذه التغييرات يمكن معرفة الكثير: كيف وُلد هذان الثقبان، وكيف يتمدد الكون، وما إذا كانت النظرية النسبية العامة صحيحة.

في 23 نوفمبر 2023، التقطت كاشفات LIGO وVirgo وKAGRA موجة ثقالية من اندماج ثقبين أسودين كتلتاهما 137 و103 كتلة شمسية. كلاهما وقع في فجوة عدم الاستقرار الزوجي، وهو النطاق من 69 إلى 139 كتلة شمسية حيث لا يترك التطور النجمي العادي سوى غاز متطاير. تبين أن دوران هذين الثقبين مرتفع بشكل مثير للريبة: 0.9 و0.8 من القيمة القصوى الممكنة. من أين جاء هذا الزوج؟ لغز ظل يؤرق الفيزيائيين الفلكيين.

في أبريل 2023، التقطت كاشفات LIGO وVirgo وKAGRA موجة ثقالية من اندماج ثقبين أسودين. الكتلتان، 137 و103 كتلة شمسية، جعلتا الحدث GW231123 الأكثر ضخامة في تاريخ الملاحظات. كلا الثقبين يقعان في "فجوة عدم الاستقرار الزوجي"، وهو النطاق الذي لا يجب أن يترك فيه التطور النجمي العادي ثقوبًا سوداء. دوران المكونين، 0.90 و0.80، مرتفع أيضًا بشكل شاذ لمثل هذين العملاقين.