حلقة فوتونات الثقب الأسود

ألقِ حصاة في بركة ماء، وستنتشر دوائر على السطح. شيء مشابه يحدث مع الثقب الأسود بعد اصطدامه بثقب آخر: فهو يصدر موجات ثقالية — تموجات في نسيج الزمكان تشبه رنين جرس يخفت تدريجيًا. لهذا الرنين مجموعة واضحة من الترددات تعتمد فقط على كتلة الثقب ودورانه، تمامًا كما تحدد أبعاد الشوكة الرنانة درجة صوتها.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، مر الكون بتوسع سريع — التضخم الكوني. تمدد الفضاء أسرع من الضوء، وتحولت الاهتزازات الكمومية للفراغ إلى جسيمات حقيقية. هكذا ربما وُلدت المادة المظلمة — المادة غير المرئية التي تمنع المجرات من التمزق. درس مؤلفو العمل جسيمًا افتراضيًا — الفوتون المظلم.

في عام 2019، شاهد العالم أول صورة لظل الثقب الأسود — كعكة برتقالية على خلفية سوداء، أصبحت رمزاً للتقدم العلمي. لكن هذه الصورة لم تُلتقط بكاميرا: لقد وُلدت من كيمياء رياضية، حيث اندمجت بيانات ثمانية تلسكوبات راديوية، جمعت فتات الإشارة فقط، في صورة واحدة. بالنسبة لعلم الفلك الراديوي، كانت هذه لحظة تاريخية.

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.

الثقب الأسود ليس مجرد صورة ظلية داكنة أمام النجوم. ظله محاط بحلقة مضيئة رفيعة من الفوتونات التي تلتف حول أفق الحدث قبل أن تنطلق نحو الراصد. عادةً، لا تعتمد هذه الصورة على استقطاب الضوء — أي على الاتجاه الذي تهتز فيه الموجة الكهرومغناطيسية.

الثقب الأسود ليس مجرد مكنسة جاذبية تبتلع المادة بلا رجعة. إنه يُصدر إشعاعًا خافتًا، مُطلقًا جسيمات — هذه الفكرة اقترحها يعقوب بيكينشتاين، حيث ربط درجة حرارة الثقب بـإنتروبياه — مقياس اضطراب النظام. رصد مثل هذا الإشعاع في الفضاء صعب للغاية: الإشارة تغرق في ضجيج الخلفية الكونية الميكروية.

الثقب الأسود هو مكان تكون فيه الجاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يمكنه الإفلات. لكن حوله توجد حلقة مضيئة من الغاز، وفي المركز فجوة مظلمة تُعرف بالظل. ويعتمد حجم هذا الظل على كيفية انحناء الزمكان.

قبل لحظات من الكسوف الكلي، تنزلق على الأرض أشرطة ظل سريعة – كأنها تموجات من حصاة أُلقيت في الماء. حيّرت هذه الظاهرة العلماء لقرون. واتضح أن السر هو أن الضوء موجة. الشمس ليست مصباحاً نقطياً، بل قرصاً ضخماً. عندما يكاد القمر يحجبها بالكامل، يتبقى هلال رفيع مضيء.

يقترب شعاع الضوء من الثقب الأسود ليس مباشرة، بل بشكل مماسي. إذا كانت الزاوية مثالية، لا يسقط الضوء إلى الداخل ولا يهرب بعيدًا — بل يبدأ في الدوران في دوائر، مثل متزلج على حافة قمع. هذا المسار الضيق هو حلقة الفوتون. تعمل كعدسة، تعكس صورة كل ما يسقط في الثقب مرارًا وتكرارًا. حسب الفيزيائيون أن هذا الحلقة بالذات يتحقق عندها الحد المقرر للفوضى الكمومية.

الجاذبية للثقب الأسود تسبب انحناء الزمكان الذي يعمل كعدسة عملاقة: الإشعاع الكهرومغناطيسي من مجرة بعيدة ينقسم إلى عدة صور ويمتد إلى أقواس — هذا هو تأثير عدسة الجاذبية.

الثقب الأسود هو جيب كوني يسقط فيه كل شيء، حتى الضوء. لكن الأعمال الرائدة لكل من جون ويلر، وستيفن هوكينغ، وروجر بنروز أظهرت: أنه في بعض الأحيان، بسبب انحناء الزمكان الهائل، ينقلب هذا الجيب من الداخل إلى الخارج.

حول نار غير مرئية يدور غاز متوهج. النار نفسها مخفية، لكن ملامحها تُستشف من طريقة رقص اللهب. هكذا تقريباً "يرى" علماء الفلك الثقوب السوداء — ليس الجسم نفسه، بل المادة شديدة الحرارة التي تتسارع إلى سرعات هائلة قبل سقوطها في الهاوية وتتوهج.

عندما يمر الضوء بالقرب من ثقب أسود، يقع في مصيدة جاذبية قوية: مسار الفوتونات ينحني بشدة لدرجة أن الجسيمات تبدأ في التخبط في مدارات شبه مغلقة، مثل كرات في لعبة الكرة والدبابيس.

يمكن للجسيم الكمومي أن يكون في حالتين في آنٍ واحد — مثل عملة تدور، تحمل الوجهين معًا. بالقرب من ثقب أسود، يعمل أفق الحدث — حيث انحناء الزمكان يثني المكان والزمان إلى أقصى حد — كبوابة باتجاه واحد. فوتون عابر يلامس هذه الحدود 'يلتقط صورة' للعملة، مجبرًا إياها على الاستقرار على وجه واحد.

عندما يندمج اثنان من الثقوب السوداء، فإنهما يهزان نسيج الزمكان نفسه. العملاق الوليد لا يهدأ فورًا، بل يرن كجرس كوني، باعثًا نمطًا مميزًا من الموجات الثقالية المتضائلة - ما يُسمى بالرنين. في هذه التذبذبات تتشفّر كتلة الثقب ودورانه وبارامترات أخرى، لكن التقاطها مباشرة صعب للغاية.

تصوير محيط ثقب أسود يشبه تصوير نافورة: سرعة غالق عالية تُجمّد القطرات، وسرعة بطيئة تمزج كل شيء في خطوط ضبابية. الضوء الصادر عن الغاز المتوهج الذي يدور حول الثقب يسلك مسارات مختلفة للوصول إلينا. بعض الأشعة تنحني حوله في قوس، وأخرى تدور عدة لفات بسبب انحناء الزمكان. في الصورة الواحدة، تختلط أحداث وقعت بفارق ساعات أو سنوات.

الثقب الأسود ليس مجرد فراغ، بل جسم ضخم يلوي الفضاء من حوله. إذا وُجد في سحابة من المادة المظلمة غير المرئية (مادة لا تصدر ضوءًا لكنها تُحَسّ عبر الجاذبية)، فإن سلوكه يتغيّر. في هذا العمل، درس العلماء ثقبًا أسود بشحنة وتصحيحات كمومية، مغمورًا في مثل هذه السحابة.

قارع الطبل يصمت، لكن من خلال فترات الصمت يمكن معرفة أين لم يضرب. وهكذا بنى الفيزيائيون الصورة، ليس بالتقاط الضوء، بل بالتقاط لحظات الظلام المطلق. صورة ظهرت من الصمت. في التجربة، وُجّه ضوء مصباح عادي إلى الجسم. ثم استُبعدت بلا رحمة جميع الومضات التي انعكست فيها الفوتونات عن الجسم.

انفجار أشعة غاما هو وميض ضوئي قصير لكنه قوي جدًا، يحدث عند اندماج نجمين نيوترونيين أو انهيار نجم ضخم. داخل هذا الوميض، تندفع تدفقات البلازما بسرعة هائلة وتتصادم مع بعضها البعض. موجة الصدمة الناتجة عن التصادم تسخن المادة، فتبدأ في التوهج — هكذا يولد الإشعاع الذي نلتقطه على الأرض.

تبدو ورقة الفوسفور الأسود العادية وكأنها كعكة طبقات من الذرات. إذا سلطت عليها ضوء مصباح عادي، فلن يحدث شيء مميز: تبقى الإلكترونات في أماكنها بهدوء، مثل جمهور في قاعة مظلمة. لكن وميض ليزر قصير، يدوم أجزاء من المليون من مليار الثانية، يهز هذه القاعة. الضوء المستقطب على طول «المقعد» — وهو أحد الاتجاهات في البلورة — يزيح السحب الإلكترونية للحظات.

المادة المظلمة هي الهيكل غير المرئي للكون. إنها لا تشع ضوءاً، لكن جاذبيتها تمنع المجرات من التشتت. فرضية جديدة: تتكون المادة المظلمة من فوتونات مظلمة — جسيمات شبحية تكون غير مرئية في الظروف العادية. داخل مجرات، تتجمع هذه الجسيمات في سحب تشبه يراعات غير مرئية تنتظر إشارة. عندما تدخل هذه السحابة مجالاً مغناطيسياً، فإنها «تشتعل» — تتحول الفوتونات المظلمة إلى ضوء عادي.

المادة المظلمة هي محيط غير مرئي، كما أظهرت أرصاد فيرا روبين، يمنع النجوم في المجرات من التشتت. يشتبه الفيزيائيون في أنه إذا كانت المادة المظلمة تتكون من جسيمات فائقة الخفة، فإنها عند البرودة الكونية تتحول إلى وسط سائل عديم الاحتكاك - ما يُسمى بالـمُكَثَّف.