صدى خط الحديد ك-ألفا

كل خمس ساعات في النظام الثنائي IPHAS J190812.63+045728.1 تأتي لحظة يحجب فيها نجم نجماً آخر تماماً. لمدة 18 دقيقة يختفي القزم الأبيض وقرصه الملتهب عن الأنظار، ولا يبقى في الظلام سوى جار أحمر متواضع. إنه مصراع طبيعي يطفئ الكشاف ليرينا من يختبئ عادة في وهجه. لمثل هذه اللحظة يمنح الفلكيون ما لا يمكن لأي تلسكوب تحقيقه: رؤية نقية للنجم المانح، دون الضوء الساطع لقرص التراكم.

كومة من الصفحات قُلبت مرات عديدة تتذكر ذلك: بعض الأوراق تستوي بدقة، وبعضها ينتفخ، وفي أماكن تبقى ثنيات. هذا تقريبًا ما تفعله المواد الطبقية عندما تدخلها الأيونات. في دراسة جديدة، راقب العلماء رقائق مفردة من MXene، وهو كربيد التيتانيوم ثنائي الأبعاد، ورأوا كيف يغير تاريخ دورات الشحن والتفريغ بنيتها. لهذا الغرض، بنوا مجهرًا يتتبع انعكاس الضوء من كل رقيقة بدقة تصل إلى أجزاء من المليون من الثانية.

المسطرة لا تُلصق بالقرص الخفي، بل تُمد عبر الكون كله. ضوءُ الكويزار البعيد الكويزار، وهو غاز متوهج يدور حول ثقب أسود فائق الكتلة، يمر في طريقه إلينا عبر مجرةٍ تعمل كعدسة. الجاذبية الصادرة عن نجوم تلك المجرة تحني الأشعة كما يفعل زجاجٌ غير مستوٍ، فتظهر صورة الكويزار مزدوجةً في اللقطات، ويتراقص سطوعه قليلًا.

المجرة Mrk 590 تتصرف مثل مستقبل راديوي تارةً يلتقط الموجة وتارةً يغرق في الضجيج. ثقبها الأسود فائق الضخامة ظلّ لعقود يشتعل حينًا ويخفت حينًا آخر، وكان الفلكيون يترقبون كل "تشغيل" من هذا القبيل. في عام 2017 عاد المستقبل إلى الحياة من جديد، لكن التلسكوب الراديوي VLA لم يسمع الإشارة التي كانوا ينتظرونها.

شعاع ليزر يضرب هدفًا رقيقًا مخبأً داخل طبقات من مادة أخرى. خلال أجزاء من مليار من الثانية، تنضغط المادة حتى كثافة 25 غرامًا لكل سنتيمتر مكعب — وكأن قطعة رصاص أصبحت أثقل بمرتين ونصف تقريبًا مع بقائها في مكانها. تقفز درجة الحرارة إلى 20 إلكترون فولت، أي حوالي 230 ألف مرة أكثر حرارة من حرارة الغرفة.

رصد تلسكوب الأشعة السينية الفضائي XMM-Newton المجرة Mrk 1044 بشكل متواصل لمدة ساعتين. في مركزها يوجد ثقب أسود يدور حوله قرص تراكمي من الغاز شديد الحرارة. يصدر هذا الغاز إشعاعًا سينيًا، وسطوعه غير مستقر — فهو يتقلب: تارة يشتد، وتارة يضعف. في أول نصف ساعة من الرصد، كانت التغيرات في الإشعاع السيني الطري (ذي طاقة فوتونات أقل) والصلب (ذي طاقة أعلى) متزامنة.

يعمل الثقب الأسود في زوج وثيق مع نجم مرافق كمضخة جاذبية: يسحب الغاز من جارته، ويلفه في قرص تراكم متوهج، ومن وقت لآخر يقذف جزءًا من المادة بعيدًا في نفاثين نسبيين ضيقين. في عام 2021، أقام النظام الثنائي الأشعّي 4U 1543-475 مثل هذا العرض.

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.

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.

مايو 2022. تثبّتت عيون مستقطب الأشعة السينية IXPE ومطياف NuSTAR ومراقب NICER بشكل متزامن على نقطة واحدة في السماء — على ثقب أسود في نظام الدجاجة إكس-1، حيث يدور حول تطور النجوم في نجم ثنائي بفترة قدرها 5.6 يومًا. مرت الساعات وتجمعت الفوتونات، لكن بين الحين والآخر كان التدفق ينخفض فجأة. وكأن أحدًا يغطي الضوء بحاجب.

الثقب الأسود هو مكان لا يمكن لأي شيء أن يهرب منه. لكن بعض النظريات تسمح بأنه في الأعماق، على المستوى الكمومي، قد يرتد ويتحول إلى نقيضه — ثقب أبيض، لا يفعل سوى قذف المادة والضوء. قامت مجموعة من الفيزيائيين ببناء نموذج حاسوبي لمثل هذا التحول. أخذوا ثقباً أسود دوّاراً وتتبعوا مسارات أشعة الضوء من القرص الساخن حوله — أولاً عندما يكون الثقب لا يزال أسود، ثم عندما أصبح أبيض.

كان الكون يبرد مثل بركة ماء ضخمة بعد بداية حارة. بعد 400 000 سنة من الانفجار العظيم، كان الهيدروجين على وشك إعادة الاتحاد (Recombination) — حيث تلتقط البروتونات الإلكترونات لتشكل ذرات متعادلة. لكن في مكان ما من هذه المياه المعتمة، ظل صنبور يقطر.

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 نظام ثنائي متقارب، يضيء النجم الساخن، ككشاف ضوئي، رفيقه الأكثر برودة. يتشتت جزء من الضوء على الإلكترونات الحرة في غلافه الجوي — وهذا هو تشتت تومسون — ويكتسب استقطاباً خطياً. مع تحرك النجمين في مدارهما، يدور هذا الاستقطاب، كعقرب بندول إيقاع كوني عجيب.

الثقب الأسود ليس فراغًا جامدًا، بل محرك مغناطيسي حي. 'قلبه' - قرص التراكم - ينبض: شهيق - المادة تلتف في دوامة، زفير - إعادة الاتصال المغناطيسي يمزق خطوط القوة، وتنطلق البلازما بعيدًا عن الأفق.

للثقب الأسود الكلاسيكي درجة حرارة وخصائص ديناميكية حرارية أخرى. عندما بدأ الفيزيائيون في أخذ تغير الثابت الكوني — طاقة الفضاء الفارغ — في الاعتبار، ظهر التحام غريب في المعادلات. بتغيير حجم الكون، نغير في الوقت نفسه شيئين يبدوان مختلفين: الشحنة اللونية للنظرية (عدد «الألوان»، أو أنواع الجسيمات) وحجمها المكاني.

في البلازما الحارقة للكون الوليد، مباشرة بعد التوسع التضخمي الذي تصوره آلان غوث، ساد عصر الهيمنة الحركية. في هذا المرجل الفائر، حتى الحقول المغناطيسية الضئيلة — الأضعف من حقل الأرض بمليار مرة — لعبت دور قوس كوني، محدثة رنيناً أنتج ثقوباً سوداء بدائية.

ليزر قوي يضرب الماس مثل مطرقة حداد. لكن السندان هو المادة نفسها. تستمر الضربة لحظة، لكنها تولد ضغطًا أعلى بمليون مرة من الضغط الجوي. الفيزيائيون حلموا طويلاً بالنظر إلى هذه اللحظة ورؤية كيف تعيد الذرات ترتيب نفسها تحت الضغط. شعاع الأشعة السينية هنا مثل ومضة كاميرا. المشكلة أن سطوع الومضة نفسها قد يتغير من تجربة إلى أخرى.

في الكون المبكر، قد تكون نشأت ثقوب سوداء صغيرة جدًا — بكتلة جبل، ولكن بحجم نواة ذرية. اليوم، يمكنها أن تعمل كمصانع للمادة المظلمة المادة المظلمة. هناك آليتان: التبخر المعتاد (إشعاع هوكينغ) والإشعاع الفائق الأقل شهرة.

كشاف قوي يومض ثم ينطفئ. ينعكس الضوء عن السحب المحيطة، ومن تأخر الإشارة المنعكسة يمكن معرفة بُعد السحب. هكذا تقريبًا يدرس علماء الفلك الهالة الساخنة — سحابة البلازما الملتهبة فوق الثقب الأسود في مركز المجرة النشطة. لكن هناك عقبة.

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.

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.

اضرب جرسًا فسيصدر صوتًا. لكن الصوت لن يكون عشوائيًا: فالجرس يختار النغمات التي يتوافق معها معدنه. يبدو أن الثقب الأسود يتصرف بنفس الطريقة. عندما يسقط فيه شيء ما أو ينحني زمكانه، يبدأ بالاهتزاز. هذه الاهتزازات ليست ضجيجًا عشوائيًا، بل مجموع نغمات نقية (تُعرف بالنمط شبه الطبيعي quasinormal modes). كل نغمة تخفت مع الزمن، مثل رنين الجرس بعد الضربة.

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.

المنارة تارة تتوهج وتارة تكاد تنطفئ، رغم أن المصباح بداخلها يضيء بثبات. هذا بالضبط ما رآه علماء الفلك عندما وجهوا التلسكوبات نحو المجرة I Zwicky 1. في مركزها يجلس ثقب أسود فائق الكتلة يلتهم الغاز والغبار بنهم شديد لدرجة أن قرصًا ملتهبًا يتشكل حوله، يتوهج أشد سطوعًا من مجرة بأكملها.

إسفنجة تُلقى في دلو من الماء تمتص الرطوبة بشراهة وتنتفخ أمام العينين. لكن إذا استمررت في إضافة الماء، وقمت بعصر الإسفنجة وإطلاقها بالتناوب، يصبح الامتصاص أكثر صعوبة ويستغرق وقتًا أطول. هذا تقريبًا ما فعلته الثقوب السوداء الصغيرة في بداية حياة الكون.

ظل تلسكوب الأشعة السينية XRISM يراقب نواة مجرة الدجاجة A لمدة 170 ألف ثانية، وهي واحدة من أقوى مصادر الراديو في السماء. في مركزها يختبئ ثقب أسود فائق الضخامة يبتلع المادة ويسخنها حتى تتوهج في الأشعة السينية. التقط الجهاز ضوءًا من ذرات الحديد التي فقدت إلكتروناتها.

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.

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.

مصباح يضيء عبر ضباب كثيف. يتشتت الضوء على قطرات الماء، فيبدو المصباح مشوشًا. حول الثقب الأسود يحدث شيء مشابه: غاز ساخن، مثل الضباب، يلفه، وأشعة سينية من الأجزاء الداخلية للقرص تخترق هذه السحابة. فقط «القطرات» هنا هي الإلكترونات، و«الضباب» نفسه يسمى الهالة.

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.

الغاز المتساقط نحو الثقب الأسود يلتف في شكل حلزوني، مثل الماء في القمع. في هذا التدفق، تتولد وتنفجر حلقات مغناطيسية باستمرار — تشبه التوهجات الشمسية تقريبًا، لكنها أقوى بكثير. كل حلقة من هذه الحلقات هي مغناطيس صغير يعيش حياته الخاصة.

الثقب الأسود ليس مجرد كرة مظلمة في الفضاء. إذا كان هناك غاز وغبار قريبان، فإنهما يلتفان في قرص مسطح مضيء يسقط تدريجياً إلى الداخل. هذا القرص، مثل المصباح، يضيء الثقب نفسه، وعلى الخلفية الساطعة يظهر ظله - صورة ظلية داكنة بحواف واضحة. ولكن ماذا لو لم يكن القرص مسطحاً، بل ممزقاً إلى قطع؟ يحدث هذا عندما يميل القرص بالنسبة لمحور دوران الثقب.

عادةً ما يختبئ الثقب الأسود GRS 1915+105 خلف ستار غازي كثيف، إذ تُمتص أشعته السينية بشدة في طريقها إلينا. لكن في أبريل 2023، انفجر فجأة: زاد تدفق الأشعة السينية نحو عشرة أضعاف. تابع تلسكوبا NICER وSwift الوميض وسجلا كيف تغير الطيف، أي توزيع طاقة الأشعة السينية عبر الأطوال الموجية.

يعمل تحليل التألق بالأشعة السينية التقليدي مثل ناسخ دقيق: لمعرفة تكوين الصورة، يمر على كل سنتيمتر مربع ويسجل في دفتره إن كان هناك رصاص أو نحاس. بالنسبة لصفيحة مسطحة، هذا مقبول، لكن بالنسبة لجسم حجمي، فهو عذاب. يتطلب التصوير المقطعي تكرار المرور تحت زوايا متعددة، فيتضخم عدد القياسات مثل كرة الثلج.

في مركز درب التبانة يقع الثقب الأسود الهائل "القوس A*" (Sagittarius A*). كتلته تعادل أربعة ملايين مرة كتلة الشمس، لكنه وفقًا للمقاييس الكونية يتصرف بهدوء: فهو لا يتوهج إلا نادرًا، عندما يبتلع كمية من الغاز. راقبه علماء الفلك باستخدام تلسكوب ALMA الراديوي — وهو سلسلة من الهوائيات عالية في صحراء أتاكاما التشيلية.

في مركز المجرة PDS 456 يتوهج نجم زائف (quasar) — ثقب أسود يبتلع الغاز الذي يشع بسطوع يفوق مئات المليارات من النجوم. حدّق مرصد الأشعة السينية XRISM في هذا الضوء ورأى فيه صفًّا من الخطوط الداكنة، تشبه ظل سياج خشبي عند الغروب. كل خط هو سحابة غاز حجبت جزءًا من الإشعاع. لكن الخطوط كانت منزاحة نحو الطاقات العالية، وكأن كل السحب تتجه نحونا بسرعة هائلة.

في مركز المجرة البعيدة MCG-6-30-15 يعيش ثقب أسود هائل. حوله يدور قرص من الغاز الملتهب، وفوق القرص تعلق سحابة من جسيمات أكثر سخونة - الهالة. في فبراير 2024، نظرت ثلاثة تلسكوبات للأشعة السينية - XRISM وNuSTAR وXMM-Newton - إلى هذا النظام في وقت واحد. التقطوا الضوء المنعكس عن القرص، وبناءً عليه تتبعوا حركات الهالة. تصرفت الهالة كما لو كانت كائنًا حيًا.

تبدو السماء ليلاً ساكنة، لكن أحياناً يبدأ أحد النجوم فجأة بالتوهج. هذا ما حدث مع النظام AT 2019wey: رصده تلسكوب TESS، الذي يُستخدم عادة للبحث عن كواكب حول نجوم أخرى، لكنه صادف أن كان يصور منطقة السماء المطلوبة كل نصف ساعة. وبفضل هذا، تمكن علماء الفلك لأول مرة من رؤية كيف يستيقظ الثقب الأسود في نظام مزدوج — حرفياً، إطاراً بإطار. في النظام AT 2019wey، يسحب الثقب الأسود المادة من نجم عادي مجاور.

تصرف الثقب الأسود في النظام GX 339-4 أثناء توهج عام 2021 كممثلة تغير أزياءها بين المشاهد. في الحالة الصلبة، ارتدى تاجين في وقت واحد: تاجًا ساخنًا منخفض الكثافة، وفوقه تاجًا دافئًا عالي الكثافة. وفي الحالة اللينة، بقي التاج الساخن فقط. نظر علماء الفلك إلى الثقب الأسود في وقت واحد باستخدام ثلاثة تلسكوبات للأشعة السينية: NuSTAR وNICER وInsight-HXMT. وقاسوا كيفية توهج القرص حول الثقب.