عملية بنروز

الثقب الأسود هو منطقة في الزمكان تكون جاذبيتها شديدة لدرجة أنه حتى الضوء لا يمكنه الإفلات منها، فيبتلع كل ما يقترب منه كثيرًا. لكن إذا ألقينا فيه جسمين معًا وليس جسمًا واحدًا، فقد يخرج أحدهما عائدًا آخذًا معه جزءًا من طاقة دوران الثقب. هذه الحيلة، التي ابتكرها روجر بنروز عام 1969، تعمل فقط لأن الثقب الأسود يمتلك أفق حدث — الحد الذي لا يعبره شيء عائدًا.

الثقب الأسود هو منطقة في الزمكان تكون جاذبيتها شديدة لدرجة أنه حتى الضوء لا يمكنه الإفلات منها، فيبتلع كل ما يقترب منه كثيرًا. لكن إذا ألقينا فيه جسمين معًا وليس جسمًا واحدًا، فقد يخرج أحدهما عائدًا آخذًا معه جزءًا من طاقة دوران الثقب. هذه الحيلة، التي ابتكرها روجر بنروز عام 1969، تعمل فقط لأن الثقب الأسود يمتلك أفق حدث — الحد الذي لا يعبره شيء عائدًا.

عندما يُنفخ بالون بسرعة كبيرة، تبدأ جدرانه بالاهتزاز. تقريبًا نفس الشيء حدث للفضاء في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم: كان الكون يتمدد بسرعة، وتموج نسيجه نفسه.

القمة الدوّارة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أن الهواء حولها يبدأ بالدوران بتناغم معها. تقريبًا بنفس الطريقة يتصرف الثقب الأسود: إذا كان دوّارًا، فيمكنه نقل طاقته إلى الجسيمات القريبة منه. تُسمى هذه العملية بالإشعاع الفائق (superradiance) — وهي تشبه صدى الصوت في الجبال، لكن بدلًا من الصوت تولد جسيمات جديدة.

في مكان ما في مركز المجرة يدور ثقب أسود — جسم بجاذبية شديدة لدرجة أن الضوء نفسه لا يمكنه الإفلات منه. إنه لا يطفو في الفراغ: حوله سرب غير مرئي من جسيمات المادة المظلمة، تلك المادة الغامضة التي لا تشع ولا تمتص الضوء، لكنها تكشف عن نفسها عبر تأثيرها الجذبوي. حتى الآن، كان هذا السرب يُوصف للثقوب الساكنة، لكن في الواقع، الثقوب تدور دائمًا.

في مكان ما في مركز المجرة يدور ثقب أسود — جسم بجاذبية شديدة لدرجة أن الضوء نفسه لا يمكنه الإفلات منه. إنه لا يطفو في الفراغ: حوله سرب غير مرئي من جسيمات المادة المظلمة، تلك المادة الغامضة التي لا تشع ولا تمتص الضوء، لكنها تكشف عن نفسها عبر تأثيرها الجذبوي. حتى الآن، كان هذا السرب يُوصف للثقوب الساكنة، لكن في الواقع، الثقوب تدور دائمًا.

الدوامة تبتلع الماء، لكنها ترش معظمه حولها. هذا تقريبًا سلوك الثقب الأسود عندما يسقط عليه الكثير من المادة. في دراسة جديدة، أجرى علماء الفيزياء الفلكية 32 محاكاة حاسوبية لفهم كيف تتحكم معلمات الثقب - الكتلة والدوران و"الشهية" - في هذه النوافير الكونية. اتضح أن كتلة الثقب (في نطاق من 5 إلى 30 كتلة الشمس) لا تؤثر تقريبًا على أي شيء.

الثقب الأسود ليس مكنسة كهربائية كونية مثالية، بل هو جسم ديناميكي محاط بوسط معقد من الجسيمات والحقول التي تؤثر على تطوره. في دراسة جديدة، قام الفيزيائيون الفلكيون بنمذجة سلوك حقل متجهي ضخم — وهو شكل افتراضي من المادة المظلمة يتكون من جسيمات ذات لف مغزلي غير صفري — في جوار ثقب أسود دوّار.

الدوامة تبتلع الماء، لكنها ترش معظمه حولها. هذا تقريبًا سلوك الثقب الأسود عندما يسقط عليه الكثير من المادة. في دراسة جديدة، أجرى علماء الفيزياء الفلكية 32 محاكاة حاسوبية لفهم كيف تتحكم معلمات الثقب - الكتلة والدوران و"الشهية" - في هذه النوافير الكونية. اتضح أن كتلة الثقب (في نطاق من 5 إلى 30 كتلة الشمس) لا تؤثر تقريبًا على أي شيء.

الضوء القادم من بعيد ينحني حول الثقب الأسود كما ينحني راكب الدراجة عند منعطف حاد. أقرب قليلًا، فيبدأ بالدوران في دوائر حول كرة غير مرئية من الفوتونات، يسميها الفيزيائيون غلاف الفوتونات. مثل هذا الغلاف موجود لدى كل ثقب أسود، لكنه عادة ما يكون هشًا: أدنى دفعة تجعل الضوء يهرب بعيدًا أو يسقط إلى الداخل.

مصنع قادر على إنتاج مليون قطعة في الساعة، لكنه ينتج مئة فقط. هكذا تقريبًا تتصرف حياتنا الكون إذا نظرنا إليه من خلال عدسة الإنتروبيا — مقياس الفوضى الذي، وفقًا لقوانين الفيزياء، يجب أن يزداد فقط. «الآلات» الرئيسية لهذا المصنع هي الثقوب السوداء فائقة الكتلة.

295 000 متر في الثانية. حتى الجسيمات في الانبعاثات الإكليلية للشمس لا تندفع بهذه السرعة. لكن في مركز العنقود المجري H1821+643، يتحرك الغاز الساخن بهذه الطريقة تمامًا. الكوازار في قلبه يزفر - وأنفاسه تحرك كل شيء حوله على مسافة 60 ألف سنة ضوئية.

أسرع ريح في الكون تندفع بسرعة 0,58 من سرعة الضوء. تقطع المسافة من الأرض إلى القمر في ثانيتين. هذه الريح ليست نفاثة ضيقة، بل تيارًا عريضًا من الغاز ينفث من مركز المجرة. ليست كل الثقوب السوداء تعمل بنفس الطريقة: بعضها يولد مثل هذه الأعاصير، والبعض الآخر يطلق أشعة بلازما ضيقة. الإجابة تشبه تعشيق التروس.

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.

يتحول الماء إلى جليد عند صفر درجة مئوية — فجأة، دون حالات وسيطة. شيء مشابه يحدث للتعقيد عندما نأخذ حالة كمومية عشوائية لنظام كامل وننظر إلى جزء منه فقط. فما دام هذا الجزء يشغل أقل من نصف النظام، ينمو تعقيده بسلاسة. ولكن بمجرد أن تتجاوز النسبة 50%، تحدث قفزة.

في مركز مجرة بعيدة، حيث يدور ثقب أسود فائق الكتلة بكتلة تعادل مئة مليون شمس، تخترق الفضاء مجالات مغناطيسية. وهي ملتفة في دوامات شديدة — مثل قمع في صدفة، لكن بدلاً من الماء هناك بلازما متسارعة إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. هنا تحديداً، على الموجات الصادمة، تولد جسيمات بطاقة لا يضاهيها أي مسرّع أرضي.

إن احتضار الثقب الأسود الوحيد يستمر أبدًا. لكن في اللحظات الأخيرة، حين تتبخر كتلته وفق القانون الذي اكتشفه Stephen Hawking، يتمكن من إرسال إشارة وداع راديوية. ليس همسًا كميًا، بل ضجيجًا كلاسيكيًا — شرط أن يكون هناك حقل مغناطيسي قريب.

لطالما ساد في علم الكون اعتقاد مستمد من هوكينج: في عصر الإشعاع، لا تنمو الثقوب السوداء الأولية.

الفراغ الكمومي ليس فراغاً مطلقاً. إنه أقرب إلى غشاء مشدود يهتز باستمرار بسبب جسيمات غير مرئية تُولد وتختفي. حتى في الظلام الدامس، يرتجف هذا الغشاء. قرر الفيزيائيون النظر في سلوكه حول قشرة كروية رقيقة، بداخلها فضاء مستوٍ عادي، مثل فضاء غرفتنا.

تخيّل محركاً بخارياً، حيث أفق الحدث مكان المكبس الفولاذي، ويكون الفضاء المنحني هو الأسطوانة. اكتسب هذا التشبيه جسداً رياضياً: لأول مرة، بنى الفيزيائيون مجموعة كاملة من الدورات الحرارية العكوسة مع ثقب أسود لشوارزشيلد محصور في تجويف كروي.

الثقب الأسود ليس مجرد مكنسة جاذبية تبتلع المادة بلا رجعة. إنه يُصدر إشعاعًا خافتًا، مُطلقًا جسيمات — هذه الفكرة اقترحها يعقوب بيكينشتاين، حيث ربط درجة حرارة الثقب بـإنتروبياه — مقياس اضطراب النظام. رصد مثل هذا الإشعاع في الفضاء صعب للغاية: الإشارة تغرق في ضجيج الخلفية الكونية الميكروية.

يقترب شعاع كوني من ثقب أسود بشكل شبه مماسي. لا يسقط مباشرة، بل يبقى عالقًا في مدار غير مستقر — مثل بهلوان يوازن على حبل فوق هاوية. بعد أن يدور عدة لفات، يغادر الضوء أخيرًا نحو مراقب بعيد. تولّد هذه الأشعة صورًا متعددة لنفس المصدر — تُعرف بالصور عالية الرتبة. عادةً، الزاوية التي ينحرف بها الثقب الأسود الثقب الأسود الضوء تنمو بسلاسة — مثل لوغاريتم مدى قرب الشعاع من المدار الحرج.

أظهرت أرصاد جيمس ويب أنه بعد 500 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم (عند انزياحات حمراء z~10)، كانت ثقوب سوداء بكتل تصل إلى مليارات الكتل الشمسية تتألق في الكون. يحير هذا نظريات النمو التدريجي: لم تكن المادة لتُغذى الأجنة بالسرعة المطلوبة. أحد المخارج المحتملة هو الانهيار المباشر لغاز ذي معدنية منخفضة إلى جرم هائل.

متزلجة فنية تدور على الجليد، وتنحرف تدريجيًا عن مدارها. هكذا، النجم الصغير أو الثقب الأسود، أثناء دورانه حول ثقب أسود ضخم، يفقد الطاقة. إنه يصدر موجات ثقالية (gravitational waves) — تموجات في نسيج الزمكان تلتقطها كاشفات على الأرض. لكن رقصة هذا الثنائي أكثر تعقيدًا مما تبدو. الرفيق الصغير ليس مجرد نقطة.

الثقب الأسود مع مجال مغناطيسي يشبه دوامةً في نهر لا يتدفق ماؤها إلى القمع بل يدور في مكانه. عادةً، يلتقط دوران الثقب الموجات ويضخّمها — وهذا ما يُسمى بالانبعاث الفائق (superradiance). لكن إذا أضفنا مجالًا مغناطيسيًا، يتغير كل شيء.

في مركز العديد من المجرات تختبئ ثقوب سوداء دوّارة عملاقة. لطالما اشتبه علماء الفيزياء الفلكية في أن هذه الأجسام تتمتع بقدرة مذهلة على البقاء: فبعد ابتلاع نجم أو الاندماج مع ثقب آخر، تهدأ بسرعة وتنسى الكارثة. لكن إثبات ذلك رياضيًا ظل مستعصيًا لعقود — فمعادلات انحناء الزمكان معقدة للغاية. العمل الجديد يسد هذه الفجوة.

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.

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.

الجاذبية العادية، الموصوفة بالنسبية العامة، تشبه غشاءً مطاطيًا لينًا. عندما يستنفد نجم ضخم وقوده وينهار، فإنه يُحدث تقعرًا في هذا الغشاء بشدة لدرجة يتشكل ثقب أسود — منطقة يصبح فيها انحناء الزمكان لانهائيًا، ولا يمكن لأي شيء، حتى الضوء، أن يغادرها.

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.

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.

ثقبان أسودان يدوران في رقصة بطيئة، يقتربان تدريجيًا من بعضهما. حركتهما تزعج الزمكان نفسه — كما لو أن كرتين ثقيلتين تتدحرجان على ملاءة مشدودة، مما يجعلها تهتز. هذه الاهتزازات نسميها موجات الجاذبية. لكن هناك تأثيرًا أدق: نسيج الزمكان المتذبذب قادر على توليد جسيمات مباشرة من الفراغ.

الثقب الأسود ليس مكنسة كهربائية أبدية. فهو يتبخر ببطء، مشعًا الطاقة، ومعه، كما يعتقد الفيزيائيون، يجب أن يعيد المعلومات التي ابتلعها. لكن متى يبدأ هذا بالضبط؟ الإجابة يقدمها ما يسمى بمنحنى بيج (Page curve) — رسم بياني يوضح مقدار المعلومات التي أطلقها الثقب بالفعل، وما زال يحتفظ بها في داخله. الانعطاف الحاد في هذا الرسم البياني يمثل «زمن بيج» — اللحظة التي يتحول فيها الثقب من خزنة إلى كتاب مفتوح.

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.

الثقب الأسود ليس مجرد بقعة مظلمة في الفضاء. إنه منطقة تضغط فيها الجاذبية المادة بشدة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها. من بين جميع الثقوب السوداء المحتملة، يبرز واحد: ثقب كير الدوار. اعتُبر وصفه لفترة طويلة مرتبطًا بمعادلات أينشتاين، وكأنه وصفة طبق مرتبطة بكتاب طبخ معين.

يشبه الثقب الأسود القمة الدوّارة: كلما دار أسرع، كان سلوكه أكثر وضوحًا. له حدّان — الأفق الخارجي والأفق الداخلي، وهما حدّان لا يعبرهما حتى الضوء عائدًا. في العمل الجديد، نظر الفيزيائيون داخل ثقب أسود دوّار مشحون وضربوا مساحتي هذين السطحين.

قمة دوارة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أنها تجعل الضوء حولها يلتف في حلزونات — هذه صورة معبرة لما يحدث عند أفق الثقب الأسود. البلازما شديدة الحرارة تسقط فيه وتصدر موجات راديو. استقطاب هذه الموجات (أي المستوى الذي تتأرجح فيه الموجة) يصبح سهمًا يشير إلى اتجاه تدفق الطاقة.

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

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.

قبل 12 مليار سنة تقريبًا، عندما كان الكون يعيش "ظهيرة كونية" عاصفة — حقبة تشكل النجوم القياسي — كان الكوازار WISSH13 يشتعل في قلب إحدى المجرات. اليوم، يصل ضوؤه إلى الأرض بعد عبوره نسيج الكون المتمدد (انزياح أحمر 3.294 — نتيجة مباشرة لقانون إدوين هابل)، حاملاً قصة كارثة مذهلة.