حلزوني نسبة كتلة متطرفة

في سحابة كثيفة من الغاز والغبار، حيث تولد النجوم الضخمة، مرّ نجمان شابان قريبين جدًا من بعضهما مؤخرًا. رقصتهما تستمر حوالي ستين عامًا فقط، ولأول مرة تمكن علماء الفلك من رؤيتها بالتفصيل. يقع النظام IRAS 07299−1651 على بعد 1.4 كيلو فرسخ فلكي منا، وخلال ثماني سنوات من الرصد، تحرك مكوناه في السماء مسافة لا تستطيع العين تمييزها، لكن الأجهزة سجلتها بدقة تصل إلى جزء من عشرة آلاف من الثانية القوسية.

شبكة من التلسكوبات الراديوية المنتشرة عبر الكوكب تلتقط همس ثقب أسود بعيد. كل هوائي يسجل إشارة، لكن كيف نوفق هذه التسجيلات إذا كانت الساعات في المحطات تدق بسرعات مختلفة، والغلاف الجوي يشوه الموجات القادمة؟ عادةً تُعاير البيانات أولاً — تُضبط وفق معيار مرجعي، لكن المعيار نفسه قد يخطئ. وعندها تصبح الصورة كلغز جُمع من قطع معوجة.

في مكان ما في أعماق الفضاء، يدور ثقبان أسودان فائقا الكتلة ثقب أسود حول بعضهما البعض. رقصتهما ليست سلسة — فالمدار بيضاوي الشكل، كحبل مطاطي يتمدد تارة وينكمش تارة أخرى. كل دورة من هذا القبيل تولد تموجات في نسيج الزمكان — موجات ثقالية. تنتشر هذه الموجات في كل الاتجاهات، وبعد ملايين السنين تصل إلى الأرض، فتمدّدها وتضغطها بمقدار أصغر من نواة الذرة.

تخيّل غرفة هادئة تحتاج فيها إلى تمييز لحن واحد وسط حفيفات خافتة متعددة. هكذا يبدو البحث عن إشارات من أنظمة متطرفة تتكون من ثقبين أسودين — جسمين بقوة جاذبية هائلة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منهما. في هذه الأنظمة، يكون أحد الثقبين ضخمًا بينما الآخر أصغر بملايين المرات.

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.

في مركز المجرة يجلس ثقب أسود فائق الكتلة، وحوله تمتد سحابة ضخمة ومخلخلة من المادة المظلمة. إنها لا تضيء ولا تدفئ، لكن بثقلها تحني المكان وتغير قواعد اللعبة لكل ما يدور بالقرب منها.

الكون مليء بموجات غير مرئية — تموجات في الفضاء تتركها كوارث مثل اصطدام الثقوب السوداء. الثقب الأسود العادي يبتلع كل شيء دون أثر. لكن هناك أجسامًا غريبة افتراضية — كتل فائقة الكثافة من المادة دون أفق حدث (سطح لا يمكن حتى للضوء الإفلات من تحته).

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 مايو 2020، سجل كاشفا LIGO وVirgo دفقة ثقالية GW200105. من بين العديد من الموجات الثقالية المشابهة، تميزت هذه الغرابة: مدار النجم النيوتروني والثقب الأسود المتصادمين لم يكن دائرة مثالية، بل قطعًا ناقصًا ممدودًا. الانحراف المركزي القابل للقياس نادر جدًا في مثل هذه الأنظمة.

عندما يستنفد نجم عملاق وقوده، ينهار ليشكل ثقبًا أسود. لهذا الثقب حد خارجي — أفق الحدث، الذي لا يمكن حتى للضوء الإفلات من خلفه. لكن العديد من الثقوب السوداء لها أيضًا حد داخلي — أفق ثانٍ يفصل الطبقات الخارجية عن نواة التفرد.

في دراسة حديثة، أظهر علماء الفيزياء الفلكية كيف تؤثر فيزياء ما قبل إعادة الاتحاد، وخاصة الطاقة المظلمة المبكرة، على الانحدار الطيفي $$α_s$$ وبالتالي على جدوى سيناريوهات تشكل الثقوب السوداء البدائية من طور الانحدار فائق البطء (USR) أثناء التضخم. بدمج بيانات Planck وACT وSPT وDESI، وجد العلماء أن إدخال الطاقة المظلمة المبكرة يزيح $$α_s$$ بشكل منهجي نحو القيم الموجبة، مما يعزز التناقض مع القيم السالبة المميزة لنماذج USR.

في مراكز المجرات البعيدة، تضيء أحيانًا «منارات» من الأشعة السينية. لا تتوهج بشكل عشوائي، بل بدقة وفق جدول زمني — مرة كل بضع ساعات أو أيام. تُسمى هذه الومضات بالانفجارات شبه الدورية (تتكرر على فترات شبه متساوية). السيناريو الأكثر ترجيحًا هو: حول الثقب الأسود الهائل يدور قرص غازي، بقايا نجم مزقته قوى المد.

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.

نجم صغير يدور حول ثقب أسود عملاق دوّار. يقترب منه تدريجياً بشكل حلزوني، وتستمر هذه الرقصة آلاف السنين. طوال هذا الوقت، تنتشر موجات في الفضاء — مثل تموجات على سطح الماء، لكنها موجات ثقالية. يمكن «سماعها» بواسطة كاشفات خاصة.

في مركز المجرة، ثقب أسود هائل محاط بسحابة غير مرئية – سرب من الجسيمات فائقة الخفة التي ولدها هو نفسه. ينغمس في هذه السحابة ثقب أسود آخر بحجم نجم، ويبدأ رقصة طويلة على شكل حلزوني. يستمر الاقتراب ملايين السنين، لكن الأحداث الأكثر دراماتيكية تتكشف بالقرب من الأفق. نادراً ما يكون مدار الثقب الصغير دائرة مثالية.

إن الثقب الأسود سريع الدوران الثقب الأسود، حيث ينحني الزمكان إلى أقصى حد، يشبه جرساً يمكنه أن يطن لقرون. تكاد اهتزازاته الخاصة لا تخفت، إذ يفقد طاقته ببطء لا يُصدق. يظهر بحث جديد أنه عندما يكون هناك قمر صغير قريب — نجم نيوتروني أو جُرم مضغوط — فإن حركته المدارية تعمل كمطرقة صغيرة.

بهلوان يحوم فوق هاوية في مسار حلزوني، يقترب من المركز مع كل دورة. مساره ليس انزلاقًا سلسًا، بل سلسلة من الهزات المفاجئة والتوقفات. هذا تقريبًا ما يفعله ثقب أسود صغير عندما يجذبه جار فائق الضخامة. يسمي الفيزيائيون الفلكيون هذه الرقصة "التنفس بنسبة كتلة متطرفة" — وهي مثالية لاختبار ما إذا كانت هندستنا للعالم صحيحة.

ثقب أسود فائق الضخامة يسبح في سحابة من المادة المظلمة. في الصورة المألوفة، هذه المادة غير المرئية تضيف كتلة فقط ولا تكاد تمس المادة العادية. لكن جسيمات المادة المظلمة قد تمتلك دورانًا ذاتيًا — سبينًا. في توسيع النظرية النسبية العامة، نظرية أينشتاين-كارتن، يصبح سبين المادة مصدرًا لالتواء إضافي في الزمكان.

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.

عندما تسقط بيانو في هاوية، نفكر في الهاوية، ولا نفكر في الغطاء الذي يغطي البيانو. وهكذا تقريبًا، نظر علماء الفيزياء الفلكية لعقود إلى الاقترابات الشديدة بين الأجرام الصغيرة والثقوب السوداء الضخمة. كانوا مهتمين بالـالثقب الأسود نفسه وبما يدور حوله. أما ما يرتديته "الرصاصة" نفسها، أي الجسم الصغير الذي يتجه نحو حتفه، فلم يسأل عنه أحد تقريبًا. العمل الجديد يغيّر زاوية النظر.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا يعيش ثقب أسود فائق الضخامة — عملاق صامت تدور حوله النجوم والغاز وثقوب سوداء أخرى أصغر حجمًا. بين الحين والآخر، ينحرف أحد هذه الأجسام عن مداره ويبدأ بالسقوط نحو الوحش المركزي في حلزون يتقلص باستمرار. يستمر هذا السقوط لسنوات، وطوال هذه المدة يصدر النظام موجات ثقالية — تموجات في نسيج الزمكان تنتشر عبر الكون.

تعمل الموجات الثقالية الناتجة عن سقوط جسم صغير على ثقب أسود كصورة بالأشعة السينية، لكنها لا تصور العظام بل الزمكان المنحني نفسه.

عملة معدنية صغيرة تدور حول كرة بولينغ ثقيلة. العملة هي ثقب أسود صغير أو نجم نيوتروني، والكرة هي ثقب أسود فائق الكتلة في مركز مجرة. تُسمى هذه الأزواج بالاندماجات المتطرفة (extreme mass-ratio inspirals): الجسم الصغير يقترب تدريجيًا من الجسم الكبير بشكل حلزوني، باعثًا تموجات في نسيج الزمكان — الموجات الثقالية.

ثقب أسود هائل الثقب الأسود — جسم بجاذبية هائلة لدرجة أن الضوء نفسه لا يمكنه الإفلات منها — مزّق نجمًا بقوى المد والجزر. بقي من النجم قرص تراكمي مشوه قرص التراكم: سحابة غازية ملتهبة تدور حول الثقب — كأسطوانة فينيل اعوجت بفعل الحرارة.

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.

الكون مليء بمادة غير مرئية تتحكم في حركة المجرات. في سبعينيات القرن الماضي، أظهرت عالمة الفلك فيرا روبين أنه بدون المادة المظلمة، لكانت النجوم في أطراف المجرات قد تفرقت منذ زمن بعيد. لكن مما تتكون هذه المادة، لا يزال مجهولاً. تقترح إحدى الفرضيات أن المادة المظلمة هي سحب من جسيمات فائقة الخفة، تغلف الثقوب السوداء.

حجر يسقط في بئر — وبعد ثانية يصل صوت ارتطام. نجم يسقط في ثقب أسود — ويختفي خلف الأفق، تاركًا فقط ارتجافًا في الفضاء. لكن ماذا لو كانت قاع البئر ليست نهاية مسدودة بل ممرًا؟ في الصورة المألوفة، تنضغط المادة إلى نقطة ذات كثافة لا نهائية — تفرد. هنا تنهار المعادلات، كساعة سقطت في خلاطة إسمنت. استبدل مؤلفو الدراسة هذه النقطة بقنطرة كمية.

أصبحت ظلال الأجسام فائقة الكتلة في مراكز المجرات – مثل M87 ودرب التبانة – أيقوناتٍ للفيزياء الفلكية الحديثة. لكن ماذا لو كانت هذه الظلال أثرًا ليس للامتصاص بل للعبور؟ تسمح معادلات أينشتاين بوجود ثقوب دودية قابلة للعبور – أنفاق في نسيج الزمكان.

تتأرجح الأرجوحة بقوة أكبر إذا دُفعت في اللحظة المناسبة. آلية مشابهة تعمل عندما يدور نجم ميت حول ثقب أسود ضخم محاط بسحابة من جسيمات فائقة الخفة. هذه الجسيمات مرشحة لتكون المادة المظلمة (المادة غير المرئية التي تمنع المجرات من التمزق). أظهر العمل الجديد: إذا لم يكن مدار النجم دائرة مثالية بل بيضاويًا قليلًا، تنشأ سلسلة من الرنينات بالقرب من الثقب الأسود.

متزلج فني يدور على الجليد، يقترب تدريجيًا من المركز. مساره ليس حلزونيًا مثاليًا: أحيانًا يلتقط إيقاع الموسيقى ويقوم بدورة إضافية، فيغير سرعته قليلًا. هذا تقريبًا ما يفعله ثقب أسود صغير عندما يسقط على ثقب أسود فائق الضخامة. تُسمى هذه العملية بنسبة الكتل المتطرفة، وتنتج موجات ثقالية — تموجات في نسيج الزمكان تلتقطها كواشف مثل LISA.

في مركز قمع هائل يبتلع كل ما حوله، يسقط جسم كروي صغير في مسار حلزوني. وبينما يدور، ينبعث همهمة منخفضة — إنها اهتزازات الزمكان نفسه، ونسمي هذه الاهتزازات الموجات الثقالية. يزداد ترددها، ويرتفع نبرتها — تماماً مثل صوت صفارة سيارة تمرّ بسرعة. في الواقع، دور القمع يلعبه الثقب الأسود، ودور الجسم الكروي يلعبه نجم نيوتروني أو ثقب أسود صغير.

ثقبان أسودان الثقب الأسود يدوران حول بعضهما ليس في رقصة دائرية هادئة، بل مثل حجرين أُلقي بهما من ضفتين مختلفتين في دوّامة عميقة. مدارهما يشبه شكلاً بيضاوياً شديد التفلطح — الانحراف المداري يقترب من الواحد. وعندما يصطدمان أخيراً، يولَّد تدفق قوي من الموجات الثقالية — وهي ارتجاجات في نسيج الفضاء نفسه.

القمة الدوّارة على الطاولة تتمايل: محور الدوران مائل، وتصبح الحركة غير منتظمة. تتصرف الثقوب السوداء التي يدور حولها قرص من الغاز والغبار بطريقة مشابهة. إذا لم يتطابق محورا دوران الثقب الأسود والقرص، يبدأ النظام بأكمله في الاهتزاز، مولّدًا تموجات في نسيج الزمكان — الموجات الثقالية.

عندما يندمج ثقبان أسودان، يهتز الزمكان بفعل الموجات الثقالية - وهي تموجات في الانحناء تنتشر بسرعة الضوء. يتلقى الثقب الأسود المتشكل حديثًا دفعة ارتداد هائلة، تشبه ارتداد المدفع عند إطلاق النار.

ثقبان أسودان يدوران حول بعضهما بسرعة متزايدة حتى يندمجا في ثقب واحد. هذا الرقص يهز الفضاء نفسه: تنطلق من موقع الحدث موجات تشبه الدوائر التي تتشكل عند رمي حجر في الماء. أحيانًا، يصاحب الاندماج وميض ضوئي. إذا التقطنا الموجات والوميض معًا، يمكننا قياس المسافة إلى الحدث مرتين — وكأننا نقيس المسافة نفسها بالصوت وبالضوء.

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.

تخيّل محيطًا غير مرئي يتكوّن من المادة المظلمة — وهي جسيمات فائقة الخفة، كان فريتز زفيكي أول من اشتبه في وجودها منذ ثلاثينيات القرن العشرين. في هذا المحيط يغوص نجم نيوتروني — وهو جرم كثيف بحجم مدينة، لكنه يمتلك كثافة هائلة: فملعقة صغيرة من مادته تزن مليارات الأطنان.

الثقوب السوداء تشبه القمم الكونية. دورانها يلوي الزمكان — كما تنبأ أينشتاين في النسبية العامة — ويتميز بمعامل سبين بلا أبعاد يأخذ قيمًا من 0 إلى 1.

العصا الملقاة في بركة تغوص إلى القاع في خط مستقيم. لكن إذا ارتفع منسوب الماء في البركة ببطء، ستتأخر العصا وتغوص في مكان غير متوقع. وكذلك الأمر مع الثقوب السوداء: يُفترض عادةً أن حولها فراغًا، لكن الكون بأكمله يتمدد ببطء. هذا التمدد، مثل ارتفاع الماء، يغيّر قليلًا مسار كل ما يدور بالقرب من الثقب. أخذ المؤلفون نموذجًا بسيطًا: ثقب أسود في كون يتمدد.

على بُعد حوالي 25,000 سنة ضوئية من الأرض، في كوكبة الرامي (القوس)، تلتف حول النجم النيوتروني GX 13+1 ستارة كثيفة. إنها تشتت فوتونات الأشعة السينية كما يشتت الضباب ضوء مصباح الشارع، وظلت لفترة طويلة تخفي عن علماء الفلك القوة الحقيقية للمصدر.