تسريع الجسيمات الكونية

الثقب الأسود ليس مكنسة كهربائية أبدية. فهو يفقد كتلته ببطء، باعثًا جسيمات مثل حجر ساخن يبرد ويفقد حرارته. هذه العملية، التي اكتشفها ستيفن هوكينج، تكون بالكاد ملحوظة للثقوب الكبيرة، لكنها تتحول إلى تبخر عنيف للثقوب الصغيرة جدًا — التي تبلغ كتلتها كتلة جبل.

في مراكز العديد من المجرات لا تختبئ فقط الثقوب السوداء فائقة الضخامة، بل أيضًا سحب هائلة من المادة غير المرئية. إذا كانت هذه المادة تتكون من جسيمات فائقة الخفة، فإنها قادرة على التجمع في كتل كثيفة — نوع من "النجوم" المصنوعة من المادة المظلمة.

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.

منذ نهاية القرن العشرين، يعرف العلم أن توسع الكون يتسارع: فالمجرات تتباعد عن بعضها البعض بسرعة متزايدة. على هذا الاكتشاف، حصل كل من آدم ريس وسول بيرلموتر وبرايان شميت على جائزة نوبل.

الموجات الثقالية — وهي تموجات في نسيج الزمكان تنشأ عن كوارث بعيدة مثل اندماج الثقوب السوداء — ضعيفة جدًا لدرجة أن رصدها مباشرة يشبه تمييز همسة وسط إعصار. غير أن الثقب الأسود قادر على تضخيم هذه الإشارة عدة مرات.

يكاد يكون قد مضى قرن وعلماء الكونيات يتصارعون مع اللغز: ما الذي يجعل الكون يتوسع بسرعة متزايدة؟ الإجابة القياسية — الطاقة المظلمة — تؤدي إلى تناقض هائل بين كثافة الفراغ النظرية والملاحظات. لكن هناك طريقًا آخر يقلب السببية رأسًا على عقب.

في التصور القياسي، الثقب الأسود هو مجرد هاوية بلا ملامح في الزمكان، منطقة تكون فيها الثقالة شديدة لدرجة أنه حتى الضوء لا يمكنه الإفلات منها. ولكن إذا وُجدت حوله قشرة مهتزة من المادة — مثل قرص التراكم أو بقايا نجم مدمر — فإن الفجوة بين أفق الحدث، حافة الهاوية، وهذه القشرة تتحول إلى تجويف رنيني.

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.

بالون ينتفخ من تلقاء نفسه، رغم أن أحدًا لا ينفخ فيه. هكذا تقريبًا يبدو التوسع المتسارع للكون — ولتفسيره، عادةً ما يُستدعى مفهوم الطاقة المظلمة، وهي قوة غير مرئية وغير مفهومة.

ثقب أسود صغير بحجم نواة ذرية يسبح في حساء الكون المبكر الملتهب. عادةً، يجب أن يتبخر هذا الصغير بسرعة، مُطلقًا طاقته مثل قطرة ماء على مقلاة ساخنة. لكن إذا كان الفضاء أكثر تعقيدًا مما يبدو، ويحتوي على أبعاد خفية، يتغير كل شيء. في العمل، دُرس كونٌ توجد فيه، بالإضافة إلى الأبعاد الثلاثة المألوفة، أبعاد إضافية مطوية في حلقات صغيرة.

الكون يتوسع بسرعة متزايدة، ويعزو العلماء ذلك إلى الطاقة المظلمة. يُفسر أصلها بطريقة جديدة: الطاقة المظلمة ليست أبدية، بل تنشأ فقط بعد أن تتجمع المادة المظلمة في تكتلات - مجرات مستقبلية. تعمل الآلية مثل مضخة تنشط عند انخفاض الضغط. داخل تراكيز المادة المظلمة تولد قوة تنافر تعمل مثل الطاقة المظلمة.

تيار الماء من خرطوم يصطدم بجدار فينتشر جانبًا. هكذا تتصرف النفاثات الفيزيائية الفلكية — تيارات ضيقة من البلازما تنطلق من محيط الثقوب السوداء أو النجوم الفتية. عندما يواجه هذا التيار مقاومة من الغاز المحيط، تتشكل داخله موجة صادمة، تشبه الموجة المستقرة في نهر سريع. على هذه الموجة، تنعكس الجسيمات المشحونة مرارًا وتكرارًا، مثل كرات في لعبة تنس الطاولة، وتكتسب طاقة.

يعمل الثقب الأسود الدوار كمولد كوني: دورانه يضخ الطاقة في سحابة سلمية غير مرئية - أحد المرشحين ليكون المادة المظلمة. الحقل السلمي يشبه درجة الحرارة: في كل نقطة من الفضاء يوصف بعدد واحد فقط، دون أسهم أو متجهات. تنمو السحابة حتى تفيض.

أكد بحث جديد أن موجات الصدمة في البلازما المحيطة بـ الثقوب السوداء فائقة الضخامة في مراكز المجرات تعمل مثل أمواج المحيط العاتية، فتعمل على تسريع البروتونات إلى سرعات تقارب سرعة الضوء.

في عام 1929، اكتشف إدوين هابل أن المجرات تبتعد – الكون يتوسع مثل العجين المُختمر. اليوم نعلم أنه ينمو بسرعة متزايدة، وعادةً ما يُطلق على المُسرِّع اسم الطاقة المظلمة. لكن الفيزيائيين أظهروا أن ما يدفعه ليس قوى مجهولة، بل ثقوب سوداء صغيرة وُلِدت بعد الانفجار العظيم مباشرة.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون بلازما حارة، وُجدت فيها ثقوب سوداء بدائية — أجسام كتلتها مماثلة لكتلة جبل، مضغوطة إلى حجم ذرة. وفقًا لتنبؤ ستيفن هوكينغ، فإن هذه الثقوب السوداء تتبخر ببطء، باعثة إشعاع هوكينغ — تيارًا من الجسيمات يشبه الإشعاع الحراري الصادر عن فرن صغير.