ثقب أسود فائق الكتلة

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.

الثقب الأسود — منطقة في الزمكان بجاذبية شديدة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها — يشبه قمة دوّامة كانت لتدور إلى الأبد في الفراغ. لكن إذا تشكلت حوله سحابة من البوزونات فائقة الخفة — وهي جسيمات افتراضية ذات سبين صحيح — يتغير المشهد. تعمل هذه "الضبابة" ككابح غير مرئي: إذ تسحب الجسيمات طاقة الدوران من الثقب، مما يجعله يتباطأ.

انفجار النجم الضخم، المستعر الأعظم، ليس مجرد وميض ساطع، بل هو ضربة قوية للغاز المحيط، يمكن أن تطلق موجات من تشكل النجوم. ومع ذلك، لم يدرس أحد حتى الآن كيف يتحرك الغاز نفسه في مواقع هذه الانفجارات. الآن، جمع علماء الفلك بيانات عن 33 مستعرًا أعظم قريبًا مستعرًا أعظم وقاسوا لأول مرة اضطراب الغاز الجزيئي البارد حولها.

في مركز مجرتنا المجرة يقع الثقب الأسود فائق الكتلة الثقب الأسود المعروف باسم القوس A* — جسم بجاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منه. إذا كان هناك رفيق غير مرئي يدور حوله — على سبيل المثال، ثقب أسود ثانٍ — فيمكن اكتشاف رقصتهما المدارية من خلال سلوك ضوء النجوم البعيدة.

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.

طبقة تلو الأخرى، قطعة أثرية تلو الأخرى — يعيد عالم الآثار بناء تاريخ مستوطنة قديمة. وهكذا، علماء الفيزياء الفلكية، وهم يحللون 259 تسجيلًا من ليغو–Virgo–KAGRA، رأوا بنية طبقية واضحة بين الثقوب السوداء المندمجة. كل طبقة — مئات الملايين من السنين من التطور، مسجلة في الموجات الثقالية.

في عام 2016، رأى الفلكيون شيئاً لا يصدق: نجم بعيد، سُمي إيكاروس، توهج لعدة أسابيع متجاوزاً هاوية الفضاء. حدث العدسية الجاذبية — التأثير الذي تنبأ به أينشتاين: جسم هائل يحني الزمكان ويركز الضوء، مثل عدسة مكبرة عملاقة. عنقود المجرات MACS J1149 ضخم بريق إيكاروس آلاف المرات.

في مركز تجمع نجمي كثيف تسود ورشة حدادة حقيقية: هنا النجوم، مثل القطع المعدنية المتوهجة، تتصادم وتندمج تحت تأثير الجاذبية، وهذه الاندماجات ليست كارثة، بل فرصة. كل طرق من مطرقة النجوم ينقل دورانًا إلى الثقب الأسود المستقبلي.

كان الكون المبكر عند انزياح أحمر z>7 ميدانَ نموٍّ لا يُكبح: ثقوبٌ سوداء تبلغ كتلها مليار كتلة شمسية كانت تشعّ بالفعل على هيئة كوازارات، تبتلع الغاز بسرعة هائلة. كيف استطاع هؤلاء العمالقة النمو في هذا الوقت القصير هو أحد أكثر ألغاز الفيزياء الفلكية إثارة.

تخيل كشافاً: إذا نظرت إليه من الجانب، يضيء بضوء أحمر خافت، أما إذا نظرت إليه مباشرة في وجهك، فإنه يبهرك بضوء أبيض مزرق. ووفقاً لبيانات جديدة، هكذا تبدو "النقاط الحمراء الصغيرة" الغامضة في الكون المبكر. إنها ثقوب سوداء عملاقة — أجسام ذات جاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها — موجهة نحونا بحافتها.

حقل مزروع بالبذور. بعض البذور كبيرة وتنبت عند أول مطر، وبعضها الآخر متقلب، يتطلب تربة خاصة وظروفًا نادرة. يعتمد شكل الغابة بعد سنوات طويلة على نوع البذور التي تسقط في الأرض. وبنحو مماثل، يفكر الفيزيائيون الفلكيون في ولادة الثقوب السوداء في الكون المبكر. نظر تلسكوب جيمس ويب إلى الماضي البعيد بما يتراوح بين 12 و13 مليار سنة، ورأى هناك ثقوبًا سوداء تبلغ كتلتها مليارات الشموس.

سحابة عملاقة من المادة غير المرئية تعمل كمرآة مشوهة — تحرف ضوء مجرة بعيدة. من خلال هذه التشوهات، يمكن لعلماء الفلك وزن السحابة والنظر إلى أعماقها. وبهذه الطريقة، وباستخدام عدسة ثقالية طبيعية برمز JVAS B1938+666، صادف العلماء أمرًا غريبًا: داخل العدسة يختبئ جسم كتلته مليون شمس، لكنه مضغوط إلى حجم صغير بشكل غير متوقع. وكأنه كرة رصاص صغيرة داخل كتلة قطن ناعمة.

الكون مليء باللامرئي. نعرف عن المادة المظلمة من دوران المجرات وعدسات الجاذبية، لكن طبيعتها تفلت منا منذ قرن. أحد أكثر الافتراضات جرأة، الذي طرحه ستيفن هوكينغ، يقول: قد تتكون المادة المظلمة من ثقوب سوداء بدائية — أجسام وُلدت في بوتقة الكون المبكر الحارقة قبل النجوم الأولى.

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.

تلتقط الكواشف «التموجات» الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية - وكأنها صدى المطبخ حيث أُعد الطبق الكوني. يحاول علماء الفلك استعادة الوصفة: كيف تحول نجمان ضخمان إلى زوج غريب واصطدما.

قاعة هائلة تعزف فيها مئات الفرق الموسيقية في آن واحد. وسط هذا الضجيج، يجب تمييز ثنائي واحد محدد — ثقبان أسودان فائقا الكتلة يدوران حول بعضهما البعض في مجرة بعيدة. هكذا تعمل شبكات توقيت النجوم النابضة: فهي تستمع إلى «الطنين» الصادر عن السماء بأكملها، الناتج عن الموجات الثقالية من العديد من هذه الأزواج. لكن تبدأ الفرقة في العزف بهدوء، ويخترق عزف منفرد الضجيج العام.

المدينة غفت منذ زمن طويل: لا نافذة مضيئة، ولا بيت جديد. فقط في المركز، في مبنى وحيد، نسي أحدهم إطفاء كشاف ضوئي. هكذا تبدو المجرة التي لم تعد تولد نجومًا، بينما لا يزال ثقبها الأسود المركزي متوهجًا. باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، التقط العلماء هذا "الكشاف" — خط نيون لا يمكن تفسيره إلا بنشاط ثقب أسود فائق الضخامة.

الجرد الكوني أظهر خللًا. المحاسب يحاول موازنة الدفاتر: في عمود نجد جميع الكواكب التي عدّها الفلكيون في المجرة، وفي العمود الآخر نجد مخزون مواد البناء في الشرانق الغبارية للنجوم حديثة الولادة. الأرقام لا تتطابق. حتى لو جمعنا كل الغبار حتى آخر ذرة وشكلنا منه كواكب، لن تكفي المواد.

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.

في الفضاء، كثيرًا ما توجد أزواج من الثقوب السوداء المندمجة، يكون فيها أحد الثقبين أكبر كتلةً من الآخر بشكل ملحوظ. هذا الاختلاف في الوزن ليس مجرد رقم، بل هو مفتاح لتاريخهما المشترك. درس علماء الفيزياء الفلكية قناة النقل المستقر للكتلة — وهي عملية ينتقل فيها المادة من نجم إلى آخر بسلاسة دون تدمير النظام. بنوا نموذجًا رياضيًا يربط بين لحظتين رئيسيتين: مدى استقرارية النقل، ومدى كفاءة النجم المجاور في التقاط هذه المادة.

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.

حفنة من الرمل تزن بقدر جبل صغير — هكذا تقريبًا تُوصف السترانجليتات، وهي كتل صغيرة من "مادة الكواركات الغريبة"، حيث تُضغط الجسيمات إلى كثافات لا يمكن تصورها. في دراسة جديدة، اختبر الفيزيائيون الفلكيون ما إذا كانت هذه الأجسام يمكن أن توجد في الطبيعة، وكيف ستبدو. اعتمدوا كنموذج أساسي على فكرة أن الكواركات محبوسة داخل "كيس" — هكذا يسمي الفيزيائيون القوى التي تمنع الكواركات من التفرق.

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 اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، تصرفت الكون وكأنه بالون منفوخ بشدة: الضغط المرتفع منع الانضغاط المحلي للمادة إلى كتل. ومع ذلك، فإن جسيمات افتراضية فائقة الثقل — وهي نوع من "أثقال" العالم الصغير — قد تكون قللت مؤقتًا من هذه المرونة. ونتيجة لذلك، تجمعت المادة بسهولة أكبر إلى كتل، ووُلدت ثقوب سوداء بدائية بكتل تتراوح بين مليار ومليار مليار طن.

عندما يدور ثقبان أسودان فائقا الكتلة حول بعضهما قبل الاندماج، فإنهما يهزان نسيج الفضاء نفسه — مثل قارب يجري في بحيرة تاركًا وراءه أمواجًا. تُسمى هذه الموجات بالثقالية. إنها تعبر الكون وتخترق كل شيء، حتى الأرض. لكن رصدها مباشرة صعب: نحتاج منشآت عملاقة مثل LIGO، التي تلتقط فقط دفقات قصيرة من ثقوب سوداء صغيرة.

جلب الحصاد الجديد لموجات الجاذبية لغزًا. رصدت كاشفات LIGO وVirgo وKAGRA عشرات الإشارات من اندماج ثقوب سوداء، وعلى الرسم البياني لكتلها تظهر فجوة واضحة: لا توجد تقريبًا أجسام أثقل من 45 كتلة شمسية، وما يوجد منها يدور بسرعة مريبة. يقول البعض إن النجوم العملاقة تنفجر بشكل «نظيف» للغاية، فلا تترك خلفها شيئًا.

تقع المجرة MCG+11-11-032 على مسافة قريبة نسبيًا منا — إذ يقطع ضوؤها حوالي 150 مليون سنة. وفي مركزها، كما في معظم المجرات الكبيرة، يوجد ثقب أسود فائق الكتلة. لكن قبل بضع سنوات، راود الفلكيين شك: ماذا لو كان هناك ثقبان؟ كان الدافع طيف الأشعة السينية.

تخيل غلاية ماء تغلي. عند نقطة الغليان، يتعايش السائل والبخار بشكل منفصل وواضح. لكن إذا رفعنا الضغط ودرجة الحرارة فجأة، يختفي هذا الحد: تتحول المادة إلى حالة فوق حرجة، لم تعد سائلة ولا غازية، بل شيئًا بينهما، حيث تختفي الفروق. من المدهش أن الثقوب السوداء تظهر سلوكًا مشابهًا.

تشبه المجرة دوامة عملاقة: تدور النجوم والغاز حول المركز، وسرعة حركتها تكشف مقدار المادة الموجودة في هذه الدوامة. لو كنا نرى فقط المادة المضيئة، لكانت الأجزاء الخارجية تدور بشكل أبطأ مما تظهره الملاحظات. إذن، هناك كتلة غير مرئية — المادة المظلمة — التي تربط المجرة ببعضها. أخذ علماء الفلك 20 مجرة من مسح MIGHTEE وبنوا لكل منها خريطة تفصيلية للدوران.

العنقود الكروي M22 هو سرب كثيف من مئات الآلاف من النجوم يعلق في مجرتنا مثل خلية نحل مضيئة. في هذا الزحام، كثيرًا ما تتصادم النجوم وتتبادل الشركاء، لكن الأجسام الكبيرة مثل الثقوب السوداء لم تكن تبقى طويلاً — كان يُعتقد أن الجاذبية تقذفها بعيدًا. لكن دراسة جديدة تُظهر أن ثقبًا أسود واحدًا تمكن أخيرًا من البقاء.

الثقوب السوداء التي تزيد كتلتها عن تريليون كتلة شمسية تتصرف مثل مظلات كونية عملاقة. فهي تلقي بظلها على التوهج الخافت للانفجار العظيم الانفجار العظيم — وهو إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، الضوء القديم الذي يملأ السماء بالتساوي.

في عام 2019، التقطت كاشفات الموجات الثقالية إشارة من اندماج جسمين بعيدين. كان أحدهما ثقبًا أسود كتلته 23 كتلة شمسية. أما الثاني فكانت كتلته 2.5 كتلة شمسية فقط — وهذا غريب. عادةً، لا تزيد كتلة النجوم النيوترونية عن كتلتين شمسيتين: فعند كتلة أكبر، تنضغط لتتحول إلى ثقب أسود. والثقوب السوداء، على العكس، نادرًا ما تكون كتلتها أقل من خمس كتل شمسية.

في مركز مجرتنا يختبئ ثقب أسود هائل يُدعى الرامي A* — عملاق يمسك بالنجوم من حوله. يحلم علماء الفلك بالعثور على نجوم نابضة بالقرب منه: هذه المنارات الكونية تُرسل نبضات راديوية بدقة الساعات الذرية. إذا التقطنا نجمًا نابضًا في مدار حول الثقب الأسود، يمكننا قياس كيفية انحناء المكان والزمان في جواره. العمل الجديد يقدم نموذجًا واقعيًا لمثل هذه الملاحظات.

عندما يموت نجم ضخم وينفجر، فإنه يقذف ليس فقط الضوء، بل أيضًا جسيمات خفيفة غير مرئية. تنتشر هذه الجسيمات في جميع الاتجاهات بسرعة تقارب سرعة الضوء. لا يصل إلى الأرض سوى جزء صغير، ولكن من كل وميض تأتي دفعة خاصة. هذه الدفعات تتمدد على طول الطريق: الجسيمات السريعة تتجاوز البطيئة، وبحلول وقت الوصول قد تتمدد الدفعة على مدى عشرات الآلاف من السنين.

يشبه نموّ المجرّة رقصة بين شريكين: في مركز كل مجرّة كبيرة تقريبًا يوجد ثقب أسود فائق الكتلة، وهما ينموان معًا.

نجم تبلغ كتلته تسعة أضعاف كتلة الشمس يُشعل حوله منطقة يمكن أن تتجمع فيها مياه سائلة على كوكب. لكن هذه المنطقة — مثل شريط ضيق من الشاطئ عند انحسار المد: بعد 30 مليون سنة ستختفي. هذه النجوم تعيش مشرقة وتموت شابة، ولا تترك للحياة وقتًا لرحلة طويلة من الميكروبات إلى كائنات معقدة. تتبع علماء الفلك مصير الكواكب الشبيهة بالأرض حول نجوم ذات كتل مختلفة — من نجوم خفيفة مثل شمسنا إلى عمالقة أثقل بـ120 مرة.

مدينة يُبنى فيها في الوقت نفسه ناطحة سحاب وحديقة ضخمة. ناطحة السحاب تنمو للأعلى، والحديقة تتسع أفقيًا. العمليتان سريعتان وتتعارضان، لكن في النهاية يجب أن تصبحا كيانًا واحدًا. هكذا الحال في مجرة GNz7q: في المركز ينمو ثقب أسود، وحوله تتوهج نجوم جديدة. تلسكوب جيمس ويب رصد هذه المجرة بالتفصيل. اتضح أن في قلبها ثقبًا أسود كتلته حوالي 35 مليون شمس.

مركز المجرة مدينة حيوية، حيث يمسك ثقب أسود عملاق بالنجوم الغافلة في كثير من الأحيان. لكن التلسكوبات التقطت توهجًا في ضاحية هادئة، على بُعد عشرات الآلاف من السنين الضوئية من النواة. هكذا كشف عن نفسه ثقب أسود متجول — مفترس خفي، طُرد من المركز بعد تصادم مجري قديم. مزق نجمًا مارًا، وأظهر وهج الاحتضار عناصر مألوفة — الهيدروجين والهيليوم.

النجم S2 يكمل دورة حول الثقب الأسود في مركز درب التبانة كل 16 عامًا، مسرعًا إلى 7650 كيلومترًا في الثانية. مداره عبارة عن قطع ناقص ممدود، وفي أقرب نقطة يقترب النجم من الثقب الأسود بمسافة تعادل 120 ضعف المسافة بين الأرض والشمس. راقب علماء الفلك هذه الرقصة على مدى عقدين من الزمن، مسجلين موقع النجم بدقة كافية لرصد انحرافات تصل إلى بضعة عشرات من الكيلومترات.

بعض النجوم تنطفئ مثل الألعاب النارية المعيبة: فبدلاً من الانفجار المضيء، تظهر سحابة من الدخان. عادةً ما ينهي النجم الضخم حياته بانفجار مستعر أعظم، تاركاً وراءه ثقباً أسوداً. لكن أحياناً لا يحدث انفجار: فالنجم ينضغط مباشرة إلى ثقب أسود، ويكاد لا يُلاحَظ ذلك.