تذبذب شبه دوري

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.

في عام 2015، التقطت كاشفات LIGO لأول مرة ارتجاج الفضاء الناتج عن اندماج ثقبين أسودين. ومنذ ذلك الحين، تراكمت مئات الأحداث، كل منها يحمل بصمة نسبه: هل وُلد الثقبان متجاورين من زوج نجمي واحد، أم التقيا صدفة في عنقود كثيف؟ الفرق يظهر من اتجاه محاور دورانهما. إذا نما النجمان معًا، تعمل قوى المد على محاذاة لفاتهما مثل إبر البوصلة التي تشير إلى الشمال.

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.

بدأت القصة البوليسية الكونية بوميض هادئ في النطاق البصري. كان الجسم AT2019wzc يتوهج ويخفت ببطء مثل جمرة متوهجة. لكن بداخله كان يختبئ شيء أكثر طاقة — نبضات متكررة من الأشعة السينية اللينة، يسميها علماء الفلك ثورانات شبه دورية — انبعاثات قصيرة ولكن منتظمة من الإشعاع عالي الطاقة. تستمر هذه الثورانات لدقائق أو ساعات وتتكرر كل بضع ساعات أو أيام.

يمكننا إرسال نبضة راديوية قصيرة نحو الثقب الأسود وانتظار الصدى المنعكس. يبدو أنه كلما كانت الإشارة أقصر، كلما تمكنت من استكشاف أدق تفاصيل الفضاء عند الأفق مباشرة — تلك المنطقة التي لا يعود منها حتى الضوء. لكن الطبيعة تنصب فخًا: الموجة القصيرة جدًا تخترق الحاجز الثقالي تقريبًا وتغوص داخل الثقب. فلا يعود سوى همس خافت.

الثقب الأسود — منطقة في الفضاء ذات جاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يمكنه الإفلات منها — لا يصمت. بعد أي اضطراب، يرنّ كالجرس، وهذا الرنين هو أنماطه شبه الطبيعية (quasinormal modes)، أي تذبذبات مخمدة تميز كل ثقب أسود. نظر الفيزيائيون إلى عالم الثقوب السوداء المشحونة في فضاء دي سيتر المضاد (anti-de Sitter space) — كون ذي انحناء سالب، تشبه هندسته سرج الفرس.

حاول أن تميّز إيقاع طبلة بعيدة وسط ضجيج موقع بناء. الطرق التقليدية تبحث عن "توك-توك-توك" منتظم، لكن إذا كان عازف الطبول يعزف بشكل متقطع، بضربات حادة وفواصل، فقد لا تلتقط شيئًا. هكذا تقريبًا بحث الفلكيون عن إشارات دورية في إشعاع النجوم الزائفة (blazars) — النوى النشطة لمجرات بعيدة تقذف نحونا نفاثات قوية من الجسيمات، تُعرف بالنفاثات (jets).

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.

بعد اصطدام ثقب أسود، يرنّ مثل الجرس. لكن بدلاً من الصوت، يُصدر موجات ثقالية تتراجع تردداتها بسرعة — وهذا ما يُسمى بالأنماط شبه الطبيعية. من خلال هذا "الرنين" يمكن معرفة كتلة الثقب ودورانه وخصائص أخرى. أخذ مؤلفو العمل ثقباً أسود مع تصحيحات كمومية (إضافة تظهر على مقاييس صغيرة جداً) ووضعوه في كون مع ثابت كوني — وهو ذاته الذي يجعل الفضاء يتمدد أو ينكمش.

الدوامة التي ينساب عبرها الماء إلى البالوعة تزداد سرعة دورانها كلما اقتربنا من المركز. في الثقب الأسود العادي، ينتهي هذا القمع بنقطة حادة بلا حدود — التفرد (singularity) — حيث تنهار قوانين الفيزياء. لكن في الدراسة الجديدة، نُظر إلى صورة مختلفة: القمع لا يتلاشى في إبرة، بل ينتهي بفقاعة ملساء منتفخة.

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).

فسيفساء من المربعات والمثلثات تغطي الأرضية دون فراغات، لكنها لا تترتب في نمط متكرر بسيط. هذا النمط هو بلورة شبه دورية، وهي مادة صلبة حيث لا تكون الذرات مرتبة بشكل دوري، بل بنمط من عدة موجات ذات أطوال مختلفة. هذه الموجات غير قابلة للقياس مع بعضها البعض، وتعمل معًا على خلق نظام بعيد المدى. في البلورات العادية، أي إزاحة للذرات تولد موجات صوتية — فونونات.

إن اندماج الثقوب السوداء ليس ضربة صامتة. فالثقب الناتج يهتز ويخمد، باعثًا موجات ثقالية — وهي تموجات في نسيج الزمكان نفسه. يُطلق على هذه الإشارة اسم «الرنين» (ringdown)، وهي تشبه رنين جرس يخفت تدريجيًا: لها تردد أساسي وعدة نغمات توافقية.

الغاز شديد الحرارة، وهو يدور في حلزوني، يسقط نحو جسم غير مرئي فائق الكثافة. يشبه هذا القرص دوامة عملاقة، لكنه غالبًا ما يكون مائلًا — إذ لا يتطابق محوره مع محور دوران الجسم المركزي. تجعل الجاذبية القرص يتمايل قليلًا، مثل قمة دوارة تفقد توازنها. اشتق الفيزيائيون لأول مرة معادلة تصف هذا الميل مع مراعاة كل تفاصيل النسبية العامة.

أصبح تلسكوب NICER للأشعة السينية سماعة طبية دقيقة لعلماء الفيزياء الفلكية. في عام 2025، كان 'يستمع' إلى чёрную дыру في النظام الثنائي 4U 1630−47 — وهو جسم مضغوط وُلد من коллапсом ядра массивной звезды (حُسب حد استقرار الأقزام البيضاء بواسطة Субрахманьян Чандрасекар).

اندماجات الثقوب السوداء، التي تنبأ بها كارل شفارتزشيلد، هي المصدر الرئيسي لـ موجات الجاذبية التي تلتقطها أجهزة كشف لايغو. على مدى السنوات، تراكمت 259 حدثًا، وكل منها قصة ميلاد مشفرة لزوج.

الثقب الأسود ليس جسمًا ميتًا. بعد اضطراب، مثل اندماج ثقبين أسودين، يرن مثل الجرس. هذا الرنين ليس مجرد صوت، بل مجموعة معقدة من الاهتزازات المتلاشية تُسمى الأنماط شبه الطبيعية (quasinormal modes). ترددها ومعدل تلاشيها يعتمدان على الثقب نفسه: كتلته وشحنته ودورانه.

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.

قلب العديد من المجرات هو ثقب أسود فائق الكتلة الثقب الأسود. إنه لا يجلس فقط في المركز، بل يتوهج أحيانًا بشكل ساطع عندما يبتلع الغاز المحيط به.

الثقب الأسود يرن مثل الجرس عندما يسقط فيه شيء ضخم. هذا الرنين هو موجات ثقالية، ونغماته التوافقية تحكي عن شكل الأفق. مؤخراً، في نظرية الجاذبية beyond-Horndeski (وهي توسيع للنسبية العامة)، اكتُشفت ثقوب سوداء ذات «شعرة» عددية أولية — حقل إضافي لا يختفي حتى في حالة السكون.

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.

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

إذا ألقيت حصاة في بركة، ستنتشر دوائر على سطح الماء. وبطريقة مشابهة تقريبًا «يصدر صوتًا» الثقب الأسود عندما تسقط فيه مادة أو عندما يهتز زمكانه قليلًا. تُسمى هذه الاهتزازات المتلاشية بالأنماط شبه الطبيعية (quasinormal modes) — مثل رنين جرس يخفت تدريجيًا.

يشبه الثقب الأسود بئرًا بلا قاع. يمكنك قياس كمية الماء التي تسربت إليه بالنظر إلى المستوى من الخارج. ولكن كيف تعرف كتلة الماء نفسه إذا كنت واقفًا داخل البئر؟ هذه تقريبًا هي المشكلة التي يحلها مؤلفو العمل الجديد. لقد بنوا «ميزانًا» للكتلة المحصورة في منطقة محدودة من الفضاء — على سبيل المثال، حول أفق الثقب الأسود.

يمكن تشبيه الثقب الأسود بالجرس: بعد الضربة، يهتز ويصدر «رنينًا» متلاشيًا. هذا الرنين هو موجات ثقالية تلتقطها أجهزة الكشف على الأرض. عادةً، يستمع الفيزيائيون الفلكيون إلى النغمات التوافقية الناتجة عن حلقة الضوء — المنطقة القريبة من الأفق حيث تدور الفوتونات قبل أن تسقط أو تهرب. لكن مؤلفي الدراسة الجديدة جعلوا الثقب الأسود ينمو ببطء عن طريق تغذيته بالمادة، وسمعوا شيئًا جديدًا.

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.

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.

متزلجان فنيان يدوران على الجليد. أحدهما خفيف وحذر، لا يكاد يدور. والآخر ضخم وسريع، يدور بكل قوته، بل وفي اتجاهات مختلفة. هذا تقريبًا هو المشهد الذي رسمته الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء. حلل العلماء بيانات الكتالوج الرابع لمرصدي LIGO–Virgo–KAGRA ووجدوا أن سرعة دوران الثقوب السوداء في الزوج تعتمد بشدة على كتلتها.

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.

ينتقل الصوت عبر الوسط بسرعة محددة. وعندما يتحرك الوسط أسرع من الصوت، تنجرف الموجات مع التيار — مثل قطعة خشب تُسحب إلى دوامة مائية. في الهيليوم فائق السيولة — وهو سائل بلا لزوجة ولا احتكاك — يُحدث الدوران السريع دوامات كمية تشبه قمعات مجهرية. داخل هذه الدوامات يتشكل ثقب أسود صوتي: منطقة تتجاوز فيها سرعة التدفق سرعة الصوت، فلا تستطيع الاهتزازات الصوتية الإفلات منها.

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.

اضرب جرسًا — سيستجيب بنغمته المميزة. هكذا أيضًا الثقب الأسود، عندما يضطرب بسقوط نجم أو ثقب أسود آخر، يبدأ في "الرنين"، باعثًا موجات ثقالية. لكن بدلًا من الصوت، يكون الاهتزاز في المكان نفسه، وبدلًا من نغمة واحدة، هناك مجموعة كاملة من الترددات المتلاشية. تُسمى هذه الأنماط شبه الطبيعية.

الثقب الأسود، عندما يُضطرب بسبب اندماج، يهتز بترددات رنانة مميزة — تمامًا كما يصدر الجرس صوتًا بعد الضربة. لكل ثقب أسود طيف فردي من هذه الاهتزازات، مما يسمح لعلماء الفلك باستعادة معالمه.

في مركز المجرة 1ES 1927+654 يعيش ثقب أسود يتصرف كمنارة ذات آلية غير منتظمة. كل ست دقائق ونصف، يقذف دفعة من ضوء الأشعة السينية، وهذا الإيقاع يتابعه الفلكيون منذ عام 2022. في البداية، كان «المنارة» تارة يتسارع وتارة يتباطأ — حيث تراوح التردد بين نبضة كل ثماني عشرة دقيقة ونبضة كل سبع دقائق. ثم، وكأن ميكانيكيًا ضبط النابض، استقر النبض على نغمة واحدة.

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.

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.

يُصدر الثقب الأسود Swift J1727.8-1613 ومضات من الأشعة السينية بإيقاع صارم — وكأنه قلب كوني. الغاز المتساقط على الثقب يشكل قرصًا دوارًا، ويتوهج بنبضات. التقط تلسكوب صيني هذا الإيقاع، كما تلتقط السماعة نبضات القلب.

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.

ألقِ حجرًا في بركة ماء — ستنتشر التموجات وتختفي. الثقب الأسود بعد اصطدامه بثقب آخر أو بنجم أيضًا «يرنّ»، لكن اهتزازاته ليست بسيطة. بالقرب من الثقب تُسمع «النغمات التوافقية» — موجات ثانوية تولدها لاخطية الزمكان نفسه. بعيدًا عن الثقب، عند اللانهاية، يبقى أثر لا يُمحى — «ذاكرة» الموجة التي مرت. بدت هاتان الظاهرتان مختلفتين، لكنهما الآن رُبطتا في صورة واحدة.