الثقوب السوداء في عالم الغشاء

يقرع الثقب الأسود كالجرس بعد الضربة. هذا الرنين هو الموجات الثقالية التي تلتقطها الكواشف. لكن ما الذي يتغير إذا كان الفضاء حول الثقب منحنيًا ليس فقط بكتلته، بل أيضًا بتصحيح كمومي إضافي؟ أضاف مؤلفو العمل حد غاوس-بونيه إلى معادلات أينشتاين — وهو ما يشبه «تموجًا» على نسيج الزمكان — وتابعوا كيف يعتمد الصوت على ذلك.

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.

الضوء القادم من بداية الكون يصل إلينا بعد رحلة استمرت 13.8 مليار سنة. خلال هذه الرحلة، قد يكون استقطابه — أي اتجاه اهتزاز الموجة الكهرومغناطيسية — قد تعرض لدوران، مثل إبرة بوصلة تم تدويرها بخفة دون أن يلاحظ أحد.

الثقب الأسود الجالس على غشاء كوني رقيق (brane) يشبه كرة ثقيلة شدّت غشاءً مرنًا. في الفيزياء الكلاسيكية، هو أصلع — فقط كتلة وشحنة ودوران. لكن بمجرد إضافة حقل قياسي (مادة غير مرئية تشبه درجة الحرارة) — يمكن للثقب أن يكتسي تلقائيًا «بفرو» من هذا الحقل. وهذا هو التقييس التلقائي (spontaneous scalarization).

الجاذبية قوة ضعيفة بشكل مدهش. مغناطيس صغير يمسك مشبكًا ورقيًا رغم جاذبية كوكب بأكمله. بحث الفيزيائيون طويلًا عن سبب هذا الضعف، وأحد التخمينات يقودنا إلى أبعاد خفية. ربما «تتسرب» الجاذبية عبرها، فتفقد قوتها في عالمنا ثلاثي الأبعاد. في الكون المبكر، ربما كانت هذه الأبعاد الإضافية صغيرة جدًا، لكنها تضخمت لاحقًا إلى أحجام حوالي ميكرون — مثل سُمك بكتيريا.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، أدى التحول الطوري إلى تقسيم البلازما الحارة إلى مناطق ذات أفرغة مختلفة – أدنى حالات الطاقة للحقل. بدا الكون مثل رغوة صابون عملاقة: كل فقاعة-كون امتلك فراغها الخاص، وبين الفقاعات امتدت الخلل الطوبولوجي (topological defect) – عيوب مكانية تشبه أغشية ذات طاقة سطحية هائلة.

تظل المادة المظلمة كخلفية جهيرة صامتة في السيمفونية الكونية - فهي لا تشع ضوءاً، لكن جاذبيتها تشكّل المجرات. كانت فيرا روبن أول من التقط هذا الإيقاع في سبعينيات القرن الماضي، بمراقبتها دوران النجوم.

العالم من حولنا ثلاثي الأبعاد — لكن ربما يكون هذا مجرد مظهر. بعض النظريات تسمح بوجود أبعاد إضافية في الفضاء، مطوية أو ممتدة بطريقة خاصة. أحد هذه النماذج يرسم كونًا خماسي الأبعاد مع بُعد «مخفف» (يسمى الديلاتون الخطي). في هذه الصورة، واقعنا المألوف هو مجرد «سطح» (غشاء) مغمور في عالم أعمق. في هذا البناء، تتصرف الجاذبية بشكل غير عادي.

أفق الثقب الأسود يشبه غشاء صابوني مشدود فوق هاوية. من بعيد يبدو أملسًا تمامًا، لكنه عن قرب يرتجف. هذا التموج ينشأ من التقلبات الكمومية — الولادة والاختفاء المستمران للجسيمات في الفراغ. درس الفيزيائيون هذا الارتجاف لثقب أسود في فضاء ثلاثي الأبعاد بانحناء سالب (هكذا يُبنى الكون بهندسة دي سيتر المضادة). ووضعوا وصفة واضحة لقياس مدى التذبذبات، وأسموها «العرض الكمومي» للأفق.

إن صورة الكون المألوفة لنا من كتب أينشتاين، هي لوحة رباعية الأبعاد ملساء. لكن نظرية الأوتار تضيف إطاراً من أبعاد إضافية — غير مرئية، لكن محسوسة بالنسبة للجاذبية. تخيّل كوننا كغشاء يرتجف تحت ضغط الطبقات الخفية. عندما يظهر على هذه اللوحة ثقب أسود — قمع لا قرار له من الزمكان — يترك شد الغشاء أثراً خافتاً على ظله.

في نظرية الحقل الكمومي، هناك قانون صارم: لا يمكن للإشارة أن تسبق الضوء. هذه هي السببية — الأساس الذي يقوم عليه ترتيب الأحداث. لكن بالقرب من الثقوب السوداء، يبدأ هذا الأساس في التصدع، خاصة إذا كان الثقب الأسود ليس عاديًا تمامًا.

تستطيع الثقوب السوداء إصدار حرارة. لها درجة حرارة وإنتروبيا (مقياس للاضطراب) وخصائص ديناميكية حرارية أخرى. عادةً، لحساب هذه الخصائص، يتعين أولاً بناء الثقب الأسود نفسه — أي حل معادلات معقدة لـانحناء الزمكان. الأمر يشبه معرفة وزن طبقٍ ما عبر إعداده من الصفر في كل مرة.

جسيمان يفصل بينهما كيلومترات يغيران حالاتهما بشكل متناسق، وكأن لا مسافة بينهما. هذا ما يُسمى بالتشابك الكمومي، ومنذ اكتشافه حيّر الفيزيائيين: لا يمكن لأي ناقل معروف أن يتحرك أسرع من الضوء، ومع ذلك تظهر الارتباطات فورًا. يقترح ماركو بيتيني تفسيرًا يعيد للتشابك سرعة محدودة، لكنه يخفيها في بُعد زمني إضافي. ظل على الحائط لجسم يتحرك في عمق الغرفة قد يتحرك أسرع من الجسم نفسه.

في أقراص التراكم المحيطة بنوى المجرات النشطة — الكويزارات، التي اكتشفها مارتن شميدت في ستينيات القرن العشرين — يهدر نهر من الغاز والغبار المتوهج. في منحنياته حيث تهدأ التيارات المضطربة، وعلى الرغم من كل شيء، تولد الكواكب. ليست كواكب عادية، بل غريبة — البلانيتات، التي تتراوح كتلتها بين كتلة الأرض وآلاف المرات من كتلتها.

في عام ٢٠١٩، أحدثت صورة ظل M87* ضجة كبيرة: فلأول مرة ترى البشرية معالم ثقب أسود الذي تنبأ به شفارتزشيلد وأحاطته الأساطير.

يتصرف كوننا كغشاء مرن مشدود: الأجسام الضخمة تثقله، مما يسبب انحناء الزمكان — أي الجاذبية. في نظرية العالم على الغشاء، يُضاف بعد خفي، ويصبح هذا الغشاء مجرد سطح في فضاء متعدد الأبعاد. يحدد توتر الغشاء مدى تثقل الغشاء: كلما كان التوتر أضعف، كانت الجاذبية أضعف.

يشبه الزمكان أحيانًا ورقة يمكن أن نثقب فيها ثقبًا ونصل الحافتين بأنبوب قصير — فنحصل على ثقب دودي. في أبسط النماذج الرياضية لهذه الثقوب تظهر مجالات قياسية عديمة الكتلة — تشبه ضبابًا غير مرئي يملأ كل شيء حولنا. يتصرف هذا الضباب بغرابة: قيمه تصبح تخيلية. في الفيزياء، الأعداد التخيلية ليست خيالًا بل أداة عمل — مثلما يستخدم المحاسب المبالغ السالبة لتسجيل الديون.

اضرب جرسًا — سيستجيب بنغمته المميزة. هكذا أيضًا الثقب الأسود، عندما يضطرب بسقوط نجم أو ثقب أسود آخر، يبدأ في "الرنين"، باعثًا موجات ثقالية. لكن بدلًا من الصوت، يكون الاهتزاز في المكان نفسه، وبدلًا من نغمة واحدة، هناك مجموعة كاملة من الترددات المتلاشية. تُسمى هذه الأنماط شبه الطبيعية.

تعمل كواشف الموجات الثقالية مثل ميكروفونات حساسة تلتقط ارتجاف الفضاء الناتج عن الكوارث الكونية البعيدة. بعد اندماج ثقبين أسودين في ثقب واحد، يرنّ الجسم الوليد كالجرس، وهذا الرنين هو «صوت» الثقالة الفريد. من خلال ترددات هذا الرنين وتلاشيه، يستعيد الفلكيون كتلة الثقب الأسود ودورانه وخصائصه الأخرى — تمامًا كما يتعرف المرء على آلة موسيقية من جرسها.

سرب من المرايا والهوائيات يحيط بالثقب الأسود كما يحيط النحل بخلية. لكن بدلاً من العسل، يجمع هذا الهيكل طاقة تكفي لتشغيل وعي بحجم مجرة. هذه هي "عقول دايسون" التي نوقشت في لقاء حديث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. تعود الفكرة إلى أعمال فريمان دايسون، الذي افترض في عام 1960 أن الحضارات المتقدمة قد تحيط بالنجوم بأغلفة لجمع الطاقة.

في عالمنا المألوف، هناك ثلاثة أبعاد مكانية. ومع ذلك، تسمح الفيزياء النظرية بوجود اتجاهات إضافية مخفية عن الملاحظة المباشرة — أبعاد مدمجة (compactified)، أي مطوية إلى أحجام مجهرية.