ثقب أسود دوار

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.

يمكن تخيّل شعاع الليزر كدوامة سريعة تلتقط الإلكترون المار للحظات. بينما يتحرك الجسيم عبر النبضة، يتعرض لفّه — دورانه الذاتي، المشابه لدوران قمة دوّارة صغيرة — لدفعة ضعيفة. بعد الخروج من الحزمة، لم تعد القمة الدوّارة تشير إلى الاتجاه السابق: لقد انحرفت قليلاً.

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.

الثقب الأسود الدوّار ليس دوامة هادئة. فالفضاء حوله يرتجف ويصدح من أدنى الاضطرابات، مثل وتر العود بعد نقرته. تصف هذه التذبذبات معادلة تيوكولسكي (Teukolsky equation) — بناء رياضي معقد يدرسه الفيزيائيون منذ نصف قرن. مؤخرًا، لُوحظ في هذه المعادلة تناظر غريب. إذا أعدنا ترتيب الأرقام المسؤولة عن كتلة الجسيمات بطريقة معينة، تتحول المعادلة إلى معادلة موجية على زمكان آخر «مزدوج».

الثقب الأسود لا يدور فحسب — بل هو محاط بـ«شعيرات» من مجال إضافي يُعرف بمجال كالب-راموند. تبحث المقالة في كيفية تصرّف مجال ضخم (موجات تمتلك كتلة) بالقرب من مثل هذا الثقب عندما يكون قد بلغ تقريبًا حدّ سرعة الدوران. تمكن الباحثون من فصل معادلة كلاين-غوردون-فوك لهذا المجال إلى جزأين مستقلّين: جزء شعاعي وجزء زاوي.

في كون ثنائي الأبعاد، يشبه الثقب الأسود قمعًا في الزمكان. لكن مؤلفي الدراسة الجديدة ذهبوا أبعد من ذلك: افترضوا أن الفضاء الذي "تعيش" فيه عزوم الجسيمات منحنٍ أيضًا — مثل السرج. أخذوا ثقبًا أسود عاديًا من نوع BTZ (قريب ثلاثي الأبعاد للثقوب السوداء الحقيقية) وأضافوا تموجات كمومية إلى هندسة العزوم.

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.

يشبه الثقب الأسود الدوّار دوّامة في نهر — فالزمكان يلتف حوله جاذبًا معه كل ما يقترب منه. في بعض نظريات الجاذبية، يُضاف إلى هذه الدوّامة حقل آخر — حقل متجهي. لهذا الحقل في كل نقطة اتجاه وطول، مثل سهم بوصلة. تساءل مؤلفو العمل: هل يمكن لمثل هذا السهم أن يحافظ على طول ثابت في كل الفضاء حول الثقب الدوّار؟ اتضح أن لا.

في مركز الاهتمام ثقب أسود ذو شكل غير عادي. هندسته تذكرنا بالمغزل: إلى الدوران المعتاد أضيف استطالة خفيفة. المعامل B يقيس هذا التشوه. تشوه المغزل ليس مجرد لعبة رياضية. مثل هذه الحلول تساعد في اختبار مدى سماح النسبية العامة بالانحرافات عن شكل كير القياسي. حركة الجسيمات تتغير.

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.

الثقب الأسود ليس مجرد بقعة مظلمة. إنه يدور، ويجرّ معه الفضاء، وقد يحمل بصمات العالم الكمي. لوصف مثل هذا الثقب، يجب حل معادلات مجال الجاذبية. هذه رياضيات معقدة للغاية، وتصبح شبه مستحيلة إذا أضفنا إلى قوانين الجاذبية تصحيحات كمية — حدودًا إضافية ذات قوى أعلى للانحناء. سابقًا، كانت كل حالة تُحسب يدويًا، ولم توجد طريقة عامة للثقوب الدوّارة.

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.

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 مراكز العديد من المجرات تختبئ الثقوب السوداء — مناطق ذات جاذبية شديدة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع مغادرتها. وغالبًا ما تدور حولها نجوم، وأحيانًا يكون أحدها نجمًا نابضًا، وهو منارة كونية ترسل نبضات راديوية دورية بدقة متناهية. عندما يمر مثل هذا النجم النابض في حركته خلف الثقب الأسود، تصل إشاراته إلينا متأخرة.

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.

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.

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

تعزف الأوركسترا بشكل غير منسجم، ويبدو الصوت فوضى. لكن إذا سجلنا جميع النوتات وحللناها رياضيًا، يمكننا استعادة شكل قاعة الحفلات — أين الجدران، وما ارتفاع السقف. وبهذه الطريقة تقريبًا يقترح الفيزيائيون اشتقاق الجاذبية من النظرية الكمومية. في الحياة العادية، المكان والزمان هما المسرح الذي تُعرض عليه الأحداث. لكن في العالم المجهري، يصبح المسرح نفسه هشًا.

الثقب الدودي هو نفق افتراضي في الزمكان المنحني يربط بين منطقتين بعيدتين في الكون، ويمكن أن يختصر المسافة بينهما. في النظرية الكلاسيكية لأينشتاين (النسبية العامة)، يُسمى هذا النفق جسر أينشتاين-روزن، وهو غير مستقر للغاية: فهو ينهار فورًا تقريبًا بعد تكوّنه.

يقترب شعاع الضوء من الثقب الأسود ليس مباشرة، بل بشكل مماسي. إذا كانت الزاوية مثالية، لا يسقط الضوء إلى الداخل ولا يهرب بعيدًا — بل يبدأ في الدوران في دوائر، مثل متزلج على حافة قمع. هذا المسار الضيق هو حلقة الفوتون. تعمل كعدسة، تعكس صورة كل ما يسقط في الثقب مرارًا وتكرارًا. حسب الفيزيائيون أن هذا الحلقة بالذات يتحقق عندها الحد المقرر للفوضى الكمومية.

الزمكان يتدفق كنهر، والثقب الأسود دوّامة في هذا التيار. الجسيمات هنا تشبه موجات لها إيقاعها الخاص: تناوب القمم والقيعان. اتضح أن الدوّامة الجاذبية قادرة على إزاحة إيقاع الموجة عن بُعد، حتى دون أن تجذبها إليها.

قمة دوّارة ضخمة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أن الفضاء المحيط بها يلتف في شكل حلزوني. هذا هو الثقب الأسود — لكن بدلاً من الخشب والمعدن، فهو مصنوع من الجاذبية الخالصة. أضف إليه مجالًا كهرومغناطيسيًا غير عادي يغيّر قواعد اللعبة قليلًا. ستحصل على ثقب أسود «مشوّه»: شكله وسلوكه يختلفان قليلًا عن المألوف الذي وُصف قبل نصف قرن.

ظل الثقب الأسود ليس مجرد صورة ظلية. إنه حافة الهاوية، حيث المكان والزمان ملتويان لدرجة أن حتى الضوء يضطر للدوران، كخشبة في دوامة. ينشأ هذا 'الدوامة الكونية' من كتلة هائلة تحني الزمكان.

العديد من الثقوب السوداء محاطة بمجالات مغناطيسية. تدور الثقب فتسحب معها الزمكان المنحني، تمامًا كحدافة الآلة، وتشغّل المصنع الكوني. وعندما يميل المجال المغناطيسي بالنسبة لمحور الدوران، يصبح حزام إنتاج المصنع فعالاً بشكل خاص – وينشأ مجال كهربائي بقوة هائلة.

تخيّل مرتبة قابلة للنفخ تُمدَّد بالتساوي من جميع الجهات، وعلى سطحها تدور دوامة مائية. عندما تتمدد المرتبة، تنكمش الدوامة — إذ يتقلص حجمها مقارنةً بسطح المرتبة ككل.

في دوامة الماء التي تتجه نحو المصرف، يمكن أن تتجاوز سرعة التدفق بالقرب من المركز سرعة الصوت. يقع الصوت في فخ: لا تستطيع الموجات العودة، مما يشكل منطقة صامتة — ظلًا صوتيًا. قبل نصف قرن، أدرك ويليام أونرو أن هذا نسخة طبق الأصل من ثقب أسود، لكن للصوت بدلاً من الضوء. إذا كانت الدوامة تدور أيضًا، يتحول الظل ويتمدد في اتجاه الدوران.

الثقب الدودي هو نفق افتراضي عبر نسيج الزمكان، وهو مفهوم طوره جون ويلر وكيب ثورن. وكما يميل الممر في الجبل إلى الانهيار تحت ثقله، فإن عنق الثقب الدودي يميل إلى الانغلاق تحت تأثير الجاذبية.

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.

في عام 2019، أهدى مقراب أفق الحدث البشرية أول صورة لظل ثقب أسود — حلقة نارية حول الهاوية في مركز مجرة M87. أصبحت هذه الصورة الذاتية الجذبية، المرسومة بضوء البلازما المتساقطة، أيقونة للفيزياء الفلكية الحديثة على الفور. ولكن أي صورة تحتاج إلى تفسير.

ألقِ حصاة في ماء هادئ، وسترى الدوائر تنتشر فورًا. أما إذا قرعت جرس كنيسة كبيرًا، فستسمع أولًا قرعًا حادًا، ثم يعلو بعدها رنين عميق. يتصرف الثقب الأسود بعد اصطدامه بشيء ما كالجرس أكثر منه كبركة ماء. «رنينه» هو عبارة عن موجات ثقالية، وفيه تأخير قصير قبل الإشارة الرئيسية، وهو ما يُعرف بالاستجابة السريعة. وقد تعمق مؤلفو الدراسة الجديدة في «المطبخ» الرياضي لهذه الظاهرة، فوجدوا نظامًا مثيرًا للاهتمام.

يشبه الثقب الأسود دوامة في نهر: كل ما يقع داخله لا يمكنه الهروب. لكن له أيضًا منطقة خارجية — الغلاف الطاقي (ergosphere) — حيث يتحرك الفضاء نفسه أسرع من الضوء ويجر معه أي جسم. عادةً، يرتبط حجم هذه المنطقة ارتباطًا وثيقًا بكتلة الثقب وسرعة دورانه. في الدراسة الجديدة، نظر العلماء إلى ثقب أسود يمتلك بُعدًا خامسًا مخفيًا — صغيرًا وملفوفًا على شكل حلقة.

القمة التي تُدار إلى أقصى حد تغير حركة الهواء حولها، إذ يدور الهواء بشكل مختلف عن القمة التي تدور بالكاد. مع الثقوب السوداء في بعض نظريات الجاذبية الموسعة يحدث شيء مشابه. عندما يدور الثقب بسرعة كافية، يكتسب الزمكان المنحني نفسه عند قطبيه خصائص جديدة. تظهر هناك منطقة تعمل كفخ للمجال القياسي — وهو مجال خاص لا يدخل في الجاذبية العادية.

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.

قمع عملاق يدور بسرعة هائلة. إذا ألقيت فيه حبلًا، مثبتًا أحد طرفيه عند الحافة والآخر في الخارج، سيبدأ القمع في لف الحبل حول نفسه، مما يجعله يدور. هذا تقريبًا ما يفعله وتر كوني بالقرب من ثقب أسود دوّار. في الدراسة الجديدة، نظر الفيزيائيون إلى وتر يلامس أفق الثقب الأسود ("سطحه" الذي لا يمكن لأي شيء الإفلات منه) ويمتد بعيدًا في الفضاء.

عندما يندمج ثقبان أسودان، فإن أفقَي الحدث الخاصين بهما — وهما السطحان اللذان لا يمكن حتى للضوء أن يفلت من تحتهما — يتحدان، مثل قطعتين من غشاء لاصق. المساحة الكلية للأفق لا تتناقص أبدًا في هذه العملية. هذا هو القانون الذي صاغه ستيفن هوكينج في سبعينيات القرن العشرين، ويُعرف بقانون المساحة.

عندما يدور ثقبان أسودان حول بعضهما البعض ثم يندمجان، يرسلان تموجات عبر الكون تُعرف بالموجات الثقالية. تحمل هذه الموجات بصمة الطريقة التي تحرك بها الجرمان قبل الاصطدام. ومن خلال شكل هذه "الرقصة" يمكننا معرفة مدى اقتراب الجرمان من كونهما ثقبين أسودين مثاليين. لكل ثقب أسود، مثل القمة الدوّارة، كتلة وسرعة دوران. لكن لديه أيضًا خصائص أدق، مثل كيفية توزيع مادته وكيفية "تسطيحه" بسبب الدوران.

الضوء المنعكس من القرص الملتهب حول الثقب الأسود قد يخبرنا عنه أكثر مما كنا نعتقد. عندما يُصدر القرص حرارة، ينعكس جزء من هذا الضوء مرة أخرى على القرص ويتشتت، مكتسبًا توزيعًا غير عاديًا للطاقة — وكأن مكوّنًا جديدًا يُضاف إلى التوهج المعتاد، يشبه قانون القوة.

تصوّر النظرية النسبية العامة لأينشتاين الجاذبية على أنها انحناء في الزمكان — تمامًا كما تضغط أثقال ثقيلة على نسيج مطاطي مشدود. الثقوب السوداء هي مناطق يبلغ فيها هذا الانحناء قيمًا قصوى، وهي أعمق "القمع" في نسيج الكون.

تدور النجوم على أطراف المجرات بسرعة فائقة غير متوقعة. وفقاً لنيوتن، كلما ابتعدنا عن المركز، يفترض أن تتباطأ الحركة — كما في حلقة الرقص، حيث يتحرك الراقصون على الأطراف ببطء. لكن في الواقع، تندفع أطراف المجرات بسرعة تقارب سرعة النواة، مما يشبه دوامة الخيل الضخمة: حيث تجري الخيول الخارجية أسرع لتلحق بالداخلية. لكن المجرة لا تحتاج إلى محرك — فهي تدور بنفسها.