تفاعل ثنائي الثقب الأسود

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.

يدور ثقبان أسودان في رقصة كونية، يقتربان تدريجيًا في مسار حلزوني. في النهاية يندمجان في ثقب واحد، وتولد هذه اللحظة موجة قوية من الموجات الثقالية، وهي تموجات في نسيج الزمكان نفسه. وماذا يبقى بعد الاندماج؟ ثقب أسود جديد بكتلة معينة وسرعة دوران و«ركل» غير متوقع، فقد يتلقى ضربة وينطلق في اتجاه ما.

اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم: الفضاء يتمدد بسرعة — يسمي الفيزيائيون هذه الفترة التضخم الكوني. داخل هذا النسيج المتضخم، مثل فقاعات الصابون في تيار هواء، تبدأ مناطق فراغ جديد في الظهور — يحدث تحول طوري من النوع الأول. معظم الفقاعات تنفجر أو تندمج بمجرد ظهورها.

قبل الاندماج بثلاثة أجزاء من ألف من الثانية. الثقب الأسود العملاق الذي يدور بسرعة جنونية يسحب نحوه النجم النيوتروني — كرة بحجم مدينة ولكن بكتلة تعادل كتلة شمس ونصف. قوى المد والجزر تمطط النجم إلى خيط رفيع كالإبرة وتنثر المادة بعيدًا.

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 محيط الكون، كل عاصفة من ولادة أو اندماج ثقوب سوداء فائقة الكتلة تولد تموجاً — موجات ثقالية تنتشر بسرعة الضوء. على مدى مليارات السنين، تتراكب هذه الموجات وتندمج في همهمة منخفضة التردد، كأنها أمواج متكسرة بعيدة.

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.

اندماجات الثقوب السوداء، التي تنبأ بها كارل شفارتزشيلد، هي المصدر الرئيسي لـ موجات الجاذبية التي تلتقطها أجهزة كشف لايغو. على مدى السنوات، تراكمت 259 حدثًا، وكل منها قصة ميلاد مشفرة لزوج.

يتحدث الكون بلغة الموجات الجذبية — ارتجاف نسيج الزمكان ذاته. عندما يندمج نجمان نيوترونيان، وهما البقايا فائقة الكثافة لانفجارات مستعر أعظم خبت منذ زمن بعيد، في رقصة أخيرة، يصدران تغريدةً ممتدة تتزايد في ترددها.

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.

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.

الثقب الأسود، مثل مغزل، يلف حول نفسه سحابة من الجسيمات الخفيفة — الأكسيونات. هذه الجسيمات هي المرشح الرئيسي لدور المادة المظلمة. تعيش السحابة وفق قوانين ميكانيكا الكم، مشبهة ذرة هائلة: هناك مستويات، وهناك انتقالات بينها. فقط بدلاً من القوى الكهربائية، تعمل هنا الثقالة.

طنين يملأ أرجاء الكون. ليس صوتًا، بل ارتجافًا في نسيج الفضاء نفسه — الخلفية الموجية الثقالية. تنشأ عن أزواج من الثقوب السوداء فائقة الكتلة تتراقص حول بعضها في مراكز المجرات البعيدة. كل زوج منها كآلة إيقاعية عميقة في أوركسترا ضخمة. التقاط عزف منفرد لإحدى هذه الآلات وسط الطنين العام هو مهمة الهوائيات النابضة. النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية تُصدر نبضات راديوية بدقة مذهلة.

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.

في قلب كثيف لتجمع نجمي، تلتقي ثلاثة ثقوب سوداء في رقصة خطرة. الحركة فوضوية — تتداخل المسارات وكأنها خيوط متشابكة. ثم يندفع أحد الثقوب بعيدًا، بينما يبقى الثقبان الآخران في مدار شديد الاستطالة. يستمر هذا الزوج في الاقتراب تدريجيًا حتى يندمج في النهاية، مولّدًا دفقة من الموجات الثقالية.

ألقِ حصاة في بركة ماء، فستنتشر دوائر على سطحها. وبالمثل، فإن جسمًا ضخمًا يدور حول ثقب أسود يثير نسيج الزمكان، مولّدًا موجات ثقالية.

في الرابع عشر من مايو عام 2019، رصدت كواشف LIGO دفقة جاذبية لم تتناسب مع الإطار المعتاد. ظهر الحدث GW190521 كاصطدام بين ثقبين أسودين الثقوب السوداء بكتلتين تبلغان 85 و66 كتلة شمسية. وقع الثقب الناتج البالغ 142 كتلة شمسية مباشرة في النطاق "المحظور" - حيث لا تكاد تنهار النجوم تاركة أثراً.

متزلجان فنيان يدوران على الجليد. أحدهما خفيف وحذر، لا يكاد يدور. والآخر ضخم وسريع، يدور بكل قوته، بل وفي اتجاهات مختلفة. هذا تقريبًا هو المشهد الذي رسمته الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء. حلل العلماء بيانات الكتالوج الرابع لمرصدي LIGO–Virgo–KAGRA ووجدوا أن سرعة دوران الثقوب السوداء في الزوج تعتمد بشدة على كتلتها.

عادةً ما يكون اقتراب الثقوب السوداء عملية تدريجية: فهي تدور في دوامة آخذة في التضيق، وهذا الرقص يولّد تموجات طويلة من الموجات الثقالية — وهي تذبذبات في نسيج الزمكان نفسه.

كرتان مشحونتان كهربائيًا تتجاذبان بقوة معينة. إذا استبدلت شحناتهما بأقطاب مغناطيسية، فسيُظهر ميزان الزنبرك نفس القوة تمامًا. ومع الثقوب السوداء، يبدو أن القصة نفسها — فقط بدلاً من النوابض، يعمل نسيج الزمكان نفسه. مؤلفو الدراسة الجديدة ولأول مرة قاموا بحساب تصادم ثقبين أسودين يحملان شحنة كهربائية على الكمبيوتر.

كرتان ثقيلتان تدوران ليس في دائرة منتظمة، بل في شكل بيضاوي مفلطح بشدة، تقتربان تارة وتبتعدان تارة أخرى. هذا تقريبًا سلوك أزواج الثقوب السوداء ذات المدارات البيضاوية. على عكس الأزواج الهادئة التي تقترب تدريجيًا وتندمج، يحتفظ هؤلاء الراقصون بذاكرة ماضيهم العاصف: كيف قُذفوا من التجمعات النجمية أو أجبرهم جيران قريبون على الدوران.

الكون في عمر بضع مئات الملايين من السنين كان يشبه مطبخًا عملاقًا، حيث كانت المجرات الأولى تُشكَّل من «عجين» أولي — الهيدروجين والهيليوم. في مراكزها اشتعلت الثقوب السوداء، مثل أفران بقدرات مختلفة: من «مواقد» خفيفة إلى «مواقد» ثقيلة.

إن اندماج ثقبين أسودين يشبه رقصة تنتهي بموجة قوية — موجة ثقالية. تحمل هذه الموجة بصمة كيفية انحناء الزمكان حول الأجسام. لو كانت الهندسة مختلفة عما نعرفه — كما لو كانت كرة تتدحرج ليس على أرضية مستوية بل على مشمع متموج — لكانت الإشارة مختلفة.

عندما يدور ثقبان أسودان حول بعضهما البعض ثم يندمجان، يرسلان تموجات عبر الكون تُعرف بالموجات الثقالية. تحمل هذه الموجات بصمة الطريقة التي تحرك بها الجرمان قبل الاصطدام. ومن خلال شكل هذه "الرقصة" يمكننا معرفة مدى اقتراب الجرمان من كونهما ثقبين أسودين مثاليين. لكل ثقب أسود، مثل القمة الدوّارة، كتلة وسرعة دوران. لكن لديه أيضًا خصائص أدق، مثل كيفية توزيع مادته وكيفية "تسطيحه" بسبب الدوران.

عندما يصطدم جسمان ثقيلان، لا يبقيان دائمًا في مكانهما. فالثقوب السوداء عند اندماجها تتلقى ركلة قوية — مثل ارتداد طلقة نارية، لكن بدل البارود يعمل انحناء الزمكان. هذه الركلة قد تقذف الثقب الجديد من مركز المجرة أو حتى إلى خارجها. حلل مؤلفو الدراسة بيانات مرصدي LIGO وVirgo لموجات الجاذبية على مدى عدة سنوات.

يصطدم نجمان نيوترونيان، فيرتجف الفضاء من حولهما مثل سطح بركة تضربها حصاة. تلتقط هذه الاهتزازات كواشف ضخمة للموجات الثقالية. وإذا أطلق الاصطدام شعاعاً ضيقاً من أشعة غاما، تراه التلسكوبات الفضائية على أنه وميض غاما قصير. كلا الإشارتين ترويان الحدث نفسه، لكنهما لا تتطابقان دائماً في العدد.

الرابطة الكيميائية تشبه نابضًا مشدودًا بين الذرات. عندما يتمزق، تنطلق شظايا الجزيء، لكنها لا تسكن: بل تستمر في الاهتزاز، مثل وتر يُطلق. هذا الاهتزاز بالتحديد هو ما تمكن فريق من الباحثين من التقاطه، بعد أن مزقوا جزيء يوديد الميثيل باستخدام ليزر فوق بنفسجي. الشظية — جذر الميثيل — بدأت تهتز وكأنها مظلة تُفتح وتُغلق.

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.

ثقبان أسودان يدوران في رقصة متقاربة، وحولهما يولد شيء مذهل: جزيء ثقالي. سحابة من البوزونات فائقة الخفة، وهي جسيمات كتلتها أقل من إلكترون فولت، تغلف الزوج مثل سحابة إلكترونية في أيون H2+. لكن الدور الذي تلعبه النوى هنا تلعبه الثقوب السوداء، والدور الذي يلعبه الإلكترون يلعبه حقل موزع على عشرات الكيلومترات.

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.