ثقب أسود متوسط الكتلة

وحش صغير يختبئ في مجرة قزمة، وجاره يطعمه. المجرة التابعة تندمج ببطء مع جارتها الضخمة، والغاز من المناطق الخارجية يسقط نحو المركز حيث يقع الثقب الأسود. إنه ليس كبيرًا بمقاييس الكون: فقط من ثمانمائة إلى خمسة آلاف كتلة شمسية، لكن شهيته وحشية.

ضوء المجرة البعيدة يخترق غبارها الخاص ليصل إلينا. هذا الغبار ليس ضبابًا متجانسًا، بل سحب ممزقة تشبه قطع القطن. النماذج القديمة اعتبرته ضبابًا موحدًا، وعندها لم تكن المجرة متوازنة الطاقة: الكثير من الضوء كان يختفي في الأشعة فوق البنفسجية، والقليل جدًا يعود في الأشعة تحت الحمراء.

ثقب أسود كتلته 35,000 كتلة شمسية يتحرك عبر غاز المجرة، مثل بارجة تشق الضباب. جاذبيته — انحناء الزمكان — تجمع المادة أمامه، وتشكل خلفه ذيلًا كثيفًا، وهو تيار من الغاز في أعقابه. جزء من هذا الغاز يلتقطه الثقب الأسود عبر التراكم (accretion) — يسحبه إلى داخله، مما يزيد كتلته.

تخيل محاسبًا أحصى جميع المصانع والمستودعات والمتاجر، لكن الميزان لم ينطبق – نصف البضاعة يبدو وكأنه تبخر. هكذا تقريبًا بحث علماء الفلك لعقود عن المادة العادية في الكون الحالي. النجوم، الغاز في المجرات، البلازما في العناقيد – كل هذا معًا لم يعطِ سوى جزء مما يجب أن يكون وفقًا للحقب المبكرة.

في مجرة بعيدة، على بعد حوالي 290 مليون سنة ضوئية منا، يتربص الجسم HLX-1. كان يتوهج في الماضي بأكثر من مئات المليارات من الشمس، لكنه أصبح الآن هادئًا. من عام 2018 إلى عام 2022، راقبت التلسكوبات الفضائية «هابل» و«شاندرا» و«سويفت» تلاشيه. انخفض الأشعة السينية الصادر عن الثقب الأسود بنحو مئة مرة مقارنة بذروة عام 2010.

مجرة درب التبانة وقمرها سحابة ماجلان الكبرى تدوران ببطء حول بعضهما البعض. جاذبيتهما المتبادلة تهز الأطراف البعيدة لدرب التبانة، كما أن إلقاء حصاة في بركة يجعل الماء يتموج.

في مركز معظم المجرات تختبئ ثقوب سوداء فائقة الكتلة — أسياد الجاذبية. منذ عام 2019، وبفضل قياس التداخل ذي القواعد فائقة الطول، بتنا نرى ظلالها: صورًا ظلية داكنة على خلفية من الغاز المتوهج. لكن ما الذي يرسم هذا الظل بالضبط؟ سيناريوهان، كدميتين في مسرح الظلال، يمكنهما إلقاء مخططات تكاد لا تُميَّز.

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.

يصلنا الضوء من النجم الزائف البعيد (نواة مجرة نشطة تقذف نفاثة باتجاهنا) بعد رحلة تستغرق مليارات السنين. وفي الطريق، يولّد وابلًا من الجسيمات المشحونة التي يعمل الحقل المغناطيسي بين المجرات على انحرافها جانبًا. وهكذا يظهر حول النجم الزائف توهج جاما ضبابي في السماء — هالة ثانوية. وكلما كان الحقل أضعف، اتسعت الهالة.

تلتقط كواشف لايغو وفيرغو تموجات الزمكان، لكن بعض الإشارات تجبرنا على إعادة كتابة سيناريوهات الموت النجمي. GW190814 — اندماج ثقب أسود كتلته 23 كتلة شمسية مع جسم مضغوط كتلته 2.6 كتلة شمسية — هو نوتة نشاز في سيمفونية النماذج القياسية.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا، يتوهج نواة نشطة — ثقب أسود فائق الكتلة محاط بقرص مسطح دوار من الغاز شديد الحرارة. هذا القرص يرمش من تلقاء نفسه، لكن علماء الفيزياء الفلكية اشتبهوا في أن بداخله يختبئ سرب كامل من الثقوب السوداء الصغيرة ذات الكتل النجمية. إنها تهاجر عبر الغاز، مثل الحصى التي تتدحرج نحو الحفر على سطح غير مستوٍ، وتعلق في أماكن خاصة — مصائد الهجرة.

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.

تخيل لاعباً يمشي على حبلٍ مشدودٍ فوق هاوية. كل خطوةٍ تُغير شد الحبل، وأي انزياحٍ طفيفٍ لمركز الثقل قد يكون قاتلاً. هكذا تقريباً تبدو رقصة نجمٍ شبيهٍ بالشمس حول ثقبٍ أسود تبلغ كتلته عشر كتلٍ شمسية، إذا كان المدار شديد الاستطالة. في الحضيض - نقطة الاقتراب الأقصى - تحاول القوى المدية تمزيق النجم، ويتقرر مصير النظام كله بتوازنٍ بديعٍ لنصفي قطر: نصف القطر المدي وتجويف روش.

تعمل العدسة المكبرة على تجميع ضوء الشمس في نقطة مضيئة. إذا كان هناك عيب صغير في الزجاج، فسيتشوه قرص الضوء. هذا هو تقريبًا مبدأ عدسة الجاذبية: مجرة ضخمة تعمل على انحناء أشعة الضوء القادمة من مصدر أبعد، مما يخلق صورة مكبرة ومشوهة أحيانًا.

تأتي الثقوب السوداء في نوعين: صغيرة — بقايا انفجارات المستعرات العظمى، وعملاقة في نوى المجرات. ولكن أين اختفت المتوسطة، التي تبلغ مئات وآلاف المرات كتلة الشمس؟ ربما يكمن الجواب في تجمعات نجمية، حيث تتصادم الثقوب السوداء مثل كرات على طاولة البلياردو، وتنمو بالاندماج.

تكون الثقوب السوداء خفيفةً — ناتجةً عن موت النجوم، وفائقة الكتلة — في أنوية المجرات. كان ينقصنا الحلقة الوسيطة. ساعدت في الاكتشاف التدفقات الراديوية السريعة — إشارات كونية تدوم أجزاءً من الألف من الثانية، لكنها تحمل طاقةً تضاهي ما تطلقه الشمس في أيام. يمكن تخيّل هذه التدفقات كصرخاتٍ من أعماق الكون.

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.

في مركز المجرة المزدحم، يدور نجمان متقاربان لدرجة أن أحدهما يجرّد الآخر من طبقاته الخارجية، مثلما تخلع الريح الملابس الخارجية. يبقى اللب الهيليومي الساخن، أي نجم بلا غلاف هيدروجيني. النجوم الخفيفة والثقيلة جداً من هذا النوع معروفة جيداً لدى علماء الفلك: الأولى تسمى الأقزام شبه الساخنة (hot subdwarfs)، والثانية نجوم وولف-رايت (Wolf-Rayet).

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.

الموجات الثقالية  هي تموجات في نسيج الفضاء، كالدوائر على الماء عند إلقاء حجر. أما على الأرض فتغمرها ضوضاء النقل والمد والزلازل — كما تعصف عاصفة ببحيرة فتمنع رؤية التموجات الخافتة. ينقل مشروع LILA الكاشف إلى القمر حيث يسود صمتٌ لا تعكره رياح. وهناك ستظهر حتى أضعف الموجات الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء  بوضوح.

أوركسترا من ملايين الآلات تعزف نغمة واحدة، لكن كل آلة تدخل في لحظتها الخاصة وبشدتها الخاصة. هكذا تبدو الخلفية العشوائية للموجات الثقالية (stochastic gravitational-wave background) — طنين ناتج عن اندماجات الثقوب السوداء التي لا يمكن تمييزها بشكل فردي. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن أزواج الثقوب السوداء تدور في مدارات شبه دائرية تمامًا. لكن المدارات يمكن أن تكون أيضًا إهليلجية شديدة التفلطح.

أجرى الفيزيائيون الفلكيون تعدادًا للأجسام الخفية التي لا تكشف عن نفسها إلا بارتجاج الفضاء. درسوا الكتالوج الجديد GWTC-4 — قائمة بعشرات الاندماجات لـ الثقوب السوداء التي رصدتها كاشفات الموجات الثقالية LIGO وVirgo وKAGRA. كل حدث من هذه الأحداث يشبه قرع جرس هائل يرسل تموجات في نسيج الكون.

في الآونة الأخيرة، رصد علماء الفلك ثلاثة مذنبات بين نجمية مذنبات — أجسام جليدية قادمة من خارج النظام الشمسي. أحدها، 3I/ATLAS، تميز بحجم كبير بشكل غير عادي: حيث يصل نواته إلى عدة كيلومترات في القطر.

في بدايات الكون، كانت التجمعات النجمية كثيفة لدرجة أنها ولّدت عمالقة بحجم النظام الشمسي. لو وُضع أحد هؤلاء العمالقة مكان الشمس، لامتد طرفه حتى المشتري. كانت هذه النجوم تبتلع أحياناً ثقوباً سوداء صغيرة. يهوي الثقب إلى الأعماق ويبدأ في النمو، محولاً النجم إلى وهج شبح – شبه نجم.

نارٌ أُشعلت من كحول نقي تشتعل بحرارة عالية ولا يكاد يتصاعد منها دخان. هكذا تقريبًا كانت تُضيء النجوم الأولى، إذ لم تكن تحتوي على عناصر ثقيلة، بل فقط الهيدروجين والهيليوم المتبقيين بعد الانفجار العظيم. ربما تمكن تلسكوب «جيمس ويب» من رصد إحدى هذه «النيران» في المجرة GN-z11.

الليثيوم مثل مقياس حرارة مغموس في أعماق النجم. هذا العنصر الخفيف يتفكك عند درجة حرارة تبلغ حوالي 2.5 مليون درجة، لذا فإن كميته على السطح تكشف مدى عمق اختلاط مادة النجم. أظهرت الأطياف لـ 71 نجمًا فتًى متوسط الكتلة (من 1.5 إلى 3.5 كتلة شمسية) أن 25-30% منها تحتوي على ليثيوم أقل بشكل ملحوظ مما كان في السحابة الأصلية.

تلسكوب جيمس ويب رصد ثقوبًا سوداء — الاسم الذي أطلقه عليها جون ويلر، بينما وصفها كارل شفارتسشيلد بأنها فخ للضوء — وقد بلغت كتلتها ملايين المرات كتلة الشمس بعد 500 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم.

تقريبًا لمدة قرن، يبحث علماء الفلك عن المادة المظلمة - الهيكل غير المرئي الذي يحافظ على تماسك المجرات. أول من تحدث عنها كان فريتز زفيكي، وأثبتت فيرا روبين وجودها، موضحةً أن النجوم على أطراف المجرات تتحرك بسرعة كبيرة جدًا.

في تجمعات المجرات، تعمل المادة المظلمة غير المرئية كهيكل يمسك بالأنظمة النجمية معًا. يكشف شكلها عن وهج خافت – نجوم انتُزعت من المجرات بفعل قوى المد والجزر. هذا «الحساء النجمي» يملأ التجمع، مثل سائل يأخذ شكل الإناء: يغلف كتل المادة المظلمة، مكونًا قالبًا دقيقًا لخطوطها العريضة.

حول بعض النجوم الثنائية القريبة، حيث يسحب القزم الأبيض المادة من نجمه المرافق، لاحظ علماء الفلك قوسًا مضيئًا. اعتُبر هذا القوس موجة صدمة — المكان الذي تصطدم فيه الرياح النجمية السريعة بالغاز بين النجمي. لكن الملاحظات الجديدة تُظهر أن القوس ليس واحدًا.

رصد كاشفا الموجات الثقالية — تموجات الزمكان التي تنبأت بها النسبية العامة — LIGO وVirgo دويًا خافتًا: إشارة ناتجة عن اندماج جسمين غير مرئيين. كانت كتلتهما الإجمالية أقل من كتلة الشمس، مما يحيّر العلماء: فـالتطور النجمي لا ينتج ثقوبًا سوداء بهذه الخفة — مناطق من الفضاء ذات جاذبية لا تسمح حتى للضوء بالهروب.

في بيانات الراديو للسماء، ظهر شريطان مضيئان من الغاز كما تظهر الصور على فيلم فوتوغرافي قديم. يتحركان بسرعات مختلفة، لكنهما يعلقان بالقرب من نفس النجم الخافت. تبين أن النجم والشريطين يقعان داخل فقاعة فارغة ضخمة في الغاز بين النجوم. هذه الفقاعة تشبه فقاعة صابون منفوخة، بقيت بعد انفجار مستعر أعظم قديم.

تولد النجوم من سحب الغاز في درب التبانة، وأثقلها عمالقة حقيقيون. كان يُعتقد سابقًا أن مثل هذا النجم يتوهج بشكل شبه فوري، مثل المصباح الكهربائي. لكن دراسة جديدة تُظهر أن النجم ينمو تدريجيًا، مثل كرة الثلج التي تتدحرج من قمة الجبل، فكلما طال تدحرجها زاد حجمها. قارن الباحثون بين قائمتين: السحب الغازية الساطعة حول النجوم الفتية، والنجوم نفسها.

لا يمكن رؤية الثقب الأسود حتى يقترب منه نجم. عندها تعمل قوى المد على تمدد النجم كما يفرد الطباخ العجين، ويسقط جزء من المادة في الثقب، متوهجًا في اللحظات الأخيرة. هذه الأحداث، التي تسمى اضطرابات المد والجزر (tidal disruption events)، هي فرصة نادرة لوزن ثقب أسود كان سيظل خفيًا لولا ذلك. اضطراب المد والجزر هو عندما يمزق الثقب الأسود نجمًا اقترب منه كثيرًا.

في مركز مجرتنا توجد غابة كثيفة من الغبار والغاز. ضوء النجوم يجد صعوبة في اختراق هذه الغابة، مثل مصباح يدوي في الضباب. ولكن هناك تحديدًا، في هذه السحابة الكثيفة، تولد نجوم جديدة. قرر العلماء النظر إلى هذا الضباب. أخذوا ضوء 15 نجمًا ساطعًا تشع عبر السحب الباردة. الجليد على حبيبات الغبار في هذه السحب يترك بصمته في الضوء، مثل بصمات الأصابع. من خلال هذه البصمات يمكن معرفة مكونات الجليد.

الكون يتوسع، وسرعة هذا التوسع هي موضوع نقاش حاد في علم الكون. قبل ما يقرب من مئة عام، اكتشف إدوين هابل أن المجرات تتباعد عن بعضها، لكن القياسات الحديثة لثابت هابل، الذي يحدد معدل التوسع، تعطي قيمًا متناقضة.

في العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين (حوالي عام 2010)، لاحظ علماء الفلك أمرًا مذهلاً: الثقوب السوداء فائقة الكتلة في مراكز المجرات، على الرغم من الاختلاف الهائل في الأحجام والسطوع، تصطف على خط مستقيم واحد عند رسم علاقة توهجها في نطاق المليمترات بأشعة إكس وكتلتها. وقد أُطلق على هذا الخط اسم "المستوى الأساسي المليمتري لتراكم الثقوب السوداء".

عندما يقترب نجم من ثقب أسود، وهو جسم بجاذبية هائلة لدرجة أن الضوء نفسه لا يمكنه الإفلات منه، فإن قوى المد والجزر تمزق النجم كما لو كان عجينًا يلتقطه مضرب الخلاط. هذا الحدث، الذي يُسمى تمزق المد والجزر (tidal disruption event, TDE)، يولّد توهجًا قويًا من الإشعاع.

المستعرات العظمى من النوع Ia هي بمثابة "شموع قياسية" في علم الكون: لمعانها الأقصى متطابق تقريبًا، مما يسمح بتحديد المسافة بناءً على السطوع الظاهري: كلما كان الجسم خافتًا، كان أبعد. هذه المستعرات العظمى تُستخدم كعلامات لقياس المسافات إلى المجرات البعيدة.

جسيمات المادة المظلمة — تلك المادة الغامضة التي لا تصدر ضوءًا ولا تمتصه — قد تظهر خصائص تشبه العسل الأسود. في أحد النماذج النظرية، تتحرك هذه الجسيمات بحرية دون أن تتفاعل مع بعضها؛ وفي نموذج آخر، تتعرض لتصادمات ضعيفة تولّد نوعًا من اللزوجة.