يعلم الجميع أن هناك نجوم وكواكب وكويكبات ومذنبات في الفضاء يمكن رؤيتها بالعين المجردة أو من خلال التلسكوب. ومن المعروف أيضًا أن هناك أجسامًا فضائية خاصة - الثقوب السوداء.

يمكن للنجم أن يتحول إلى ثقب أسود في نهاية حياته. خلال هذا التحول، ينكمش النجم بقوة كبيرة، مع الحفاظ على كتلته. يتحول النجم إلى كرة صغيرة ولكنها ثقيلة جدًا. ولو افترضنا أن كوكبنا الأرض سيصبح ثقبًا أسود، فإن قطره في هذه الحالة سيكون 9 ملم فقط. لكن الأرض لن تتمكن من التحول إلى ثقب أسود، لأن ردود أفعال مختلفة تماما تحدث في نوى الكواكب، وليست كما هي الحال في النجوم.

يحدث مثل هذا الضغط والضغط القوي للنجم لأنه تحت تأثير التفاعلات النووية الحرارية في مركز النجم، تزداد قوة جاذبيته بشكل كبير وتبدأ في جذب سطح النجم إلى مركزه. وتدريجيًا، تزداد السرعة التي ينقبض بها النجم، وتبدأ في النهاية في تجاوز سرعة الضوء. وعندما يصل النجم إلى هذه الحالة، فإنه يتوقف عن التوهج لأن جزيئات الضوء -الكمات- لا تستطيع التغلب على قوة الجاذبية. ويتوقف النجم في هذه الحالة عن إصدار الضوء، ويبقى "داخل" نصف قطر الجاذبية - وهو الحد الذي تنجذب ضمنه جميع الأجسام إلى سطح النجم. يطلق علماء الفلك على هذه الحدود اسم أفق الحدث. وخارج هذه الحدود قوة الجاذبية الثقب الأسوديتناقص. نظرًا لأن جزيئات الضوء لا يمكنها التغلب على حدود الجاذبية للنجم، فلا يمكن اكتشاف الثقب الأسود إلا باستخدام الأدوات، على سبيل المثال، إذا بدأت سفينة فضائية أو جسم آخر - مذنب أو كويكب - لأسباب غير معروفة - في تغيير مساره، فهذا يعني أن ومن المرجح أنه وقع تحت تأثير قوى الجاذبية للثقب الأسود. يجب على الجسم الفضائي المتحكم فيه في مثل هذه الحالة أن يشغل جميع المحركات بشكل عاجل ويترك منطقة الجاذبية الخطيرة، وإذا لم تكن هناك طاقة كافية، فسوف يبتلعه ثقب أسود حتماً.

إذا كانت الشمس يمكن أن تتحول إلى ثقب أسود، فإن الكواكب كذلك النظام الشمسيسيجدون أنفسهم داخل نصف قطر جاذبية الشمس وسوف يجذبهم ويمتصهم. ومن حسن حظنا أن هذا لن يحدث، لأن... فقط النجوم الكبيرة جدًا والضخمة يمكنها أن تتحول إلى ثقب أسود. الشمس صغيرة جدًا على هذا. خلال تطورها، من المرجح أن تصبح الشمس قزمًا أسودًا منقرضًا. الثقوب السوداء الأخرى الموجودة في الفضاء الآن، لكوكبنا وللأرض سفن الفضاءليست خطيرة - فهي بعيدة جدًا عنا.

في المسلسل التلفزيوني الشهير "نظرية" .الانفجار العظيم"، والذي يمكنك مشاهدته، لن تتعرف على أسرار خلق الكون أو أسباب ظهور الثقوب السوداء في الفضاء. الشخصيات الرئيسية شغوفة بالعلم وتعمل في قسم الفيزياء بالجامعة. إنهم باستمرار يجدون أنفسهم في مواقف سخيفة مختلفة، والتي من الممتع مشاهدتها.

حقوق الطبع والنشر التوضيحيةثينكستوك

قد تعتقد أن الشخص الذي يقع في الثقب الأسود سيموت على الفور. ويقول المراسل إن مصيره قد يكون في الواقع أكثر إثارة للدهشة.

ماذا سيحدث لك إذا وقعت داخل الثقب الأسود؟ ربما تعتقد أنك سوف تُسحق - أو على العكس من ذلك، ستُمزق إلى أشلاء؟ ولكن في الواقع كل شيء أغرب من ذلك بكثير.

في اللحظة التي تسقط فيها في الثقب الأسود، ينقسم الواقع إلى قسمين. في واقع واحد، سيتم حرقك على الفور، وفي واقع آخر - سوف تغوص عميقًا في ثقب أسود حيًا دون أن تصاب بأذى.

داخل الثقب الأسود، لا تنطبق قوانين الفيزياء التي نعرفها. وفقا لألبرت أينشتاين، الجاذبية تحني الفضاء. وبالتالي، إذا كان هناك جسم ذو كثافة كافية، فإن استمرارية الزمكان حوله يمكن أن تتشوه كثيرًا بحيث تتشكل فجوة في الواقع نفسه.

يمكن للنجم الضخم الذي استنفد كل وقوده أن يتحول بالضبط إلى نوع المادة فائقة الكثافة اللازمة لظهور مثل هذا الجزء المنحني من الكون. إن النجم الذي ينهار تحت ثقله يحمل معه استمرارية الزمكان المحيطة به. يصبح مجال الجاذبية قويًا جدًا لدرجة أنه حتى الضوء لم يعد قادرًا على الهروب منه. ونتيجة لذلك، تصبح المنطقة التي كان يوجد فيها النجم سابقا سوداء بالكامل - وهذا ثقب أسود.

حقوق الطبع والنشر التوضيحيةثينكستوكتعليق على الصورة لا أحد يعرف بالضبط ما يحدث داخل الثقب الأسود

ويسمى السطح الخارجي للثقب الأسود بأفق الحدث. وهذا هو الحد الكروي الذي يتحقق فيه التوازن بين قوة مجال الجاذبية وجهود الضوء التي تحاول الهروب من الثقب الأسود. بمجرد عبور أفق الحدث، سيكون من المستحيل الهروب.

أفق الحدث يشع بالطاقة. بفضل التأثيرات الكمومية، تظهر عليها تيارات من الجزيئات الساخنة وتنبعث إلى الكون. وتسمى هذه الظاهرة بإشعاع هوكينج نسبة إلى عالم الفيزياء النظرية البريطاني ستيفن هوكينج الذي وصفها. على الرغم من حقيقة أن المادة لا يمكنها الهروب إلى ما بعد أفق الحدث، إلا أن الثقب الأسود "يتبخر" - بمرور الوقت، سيفقد كتلته أخيرًا ويختفي.

وبينما نتحرك بشكل أعمق داخل الثقب الأسود، يستمر الزمكان في الانحناء ويصبح منحنيًا بشكل لا نهائي في المركز. تُعرف هذه النقطة بتفرد الجاذبية. لم يعد للمكان والزمان أي معنى فيهما، ولم تعد جميع قوانين الفيزياء المعروفة لنا والتي نحتاج إلى وصفها لهذين المفهومين، غير قابلة للتطبيق.

لا أحد يعرف بالضبط ما الذي ينتظر الشخص العالق في وسط الثقب الأسود. عالم آخر؟ نسيان؟ الجدار الخلفيخزانة كتب، كما في فيلم الخيال العلمي الأمريكي Interstellar؟ انها لغزا.

دعونا نتكهن - باستخدام مثالك - بما سيحدث إذا سقطت بطريق الخطأ في ثقب أسود. في هذه التجربة، سترافقك مراقب خارجي - دعنا نسميها آنا. لذلك، تراقب آنا، على مسافة آمنة، برعب وأنت تقترب من حافة الثقب الأسود. ومن وجهة نظرها فإن الأحداث ستتطور بطريقة غريبة جداً.

عندما تقترب من أفق الحدث، سوف تراك آنا ممتدًا في الطول ويضيق في العرض، كما لو كانت تنظر إليك من خلال عدسة مكبرة عملاقة. بالإضافة إلى ذلك، كلما اقتربت من أفق الحدث، كلما شعرت آنا بأن سرعتك تتناقص.

حقوق الطبع والنشر التوضيحيةثينكستوكتعليق على الصورة في مركز الثقب الأسود، الفضاء منحني بشكل لا نهائي

لن تتمكن من الصراخ لآنا (نظرًا لأنه لا يمكن نقل الصوت في الفضاء الخالي من الهواء)، ولكن يمكنك محاولة الإشارة إليها بشفرة مورس باستخدام المصباح اليدوي الموجود على جهاز iPhone الخاص بك. ومع ذلك، فإن إشاراتك ستصل إليه على فترات متزايدة باستمرار، وسيتحول تردد الضوء المنبعث من المصباح اليدوي نحو الجزء الأحمر (الطول الموجي الطويل) من الطيف. وهذا ما سيبدو عليه الأمر: "النظام، النظام، النظام...".

عندما تصل إلى أفق الحدث، من وجهة نظر آنا، ستتجمد في مكانك، كما لو أن شخصًا ما أوقف التشغيل مؤقتًا. ستبقى بلا حراك، ممتدًا عبر سطح أفق الحدث، وستبدأ الحرارة المتزايدة في ابتلاعك.

من وجهة نظر آنا، سوف تُقتل ببطء بسبب تمدد الفضاء وتوقف الزمن وحرارة إشعاع هوكينج. قبل أن تعبر أفق الحدث وتتعمق في أعماق الثقب الأسود، لن يتبقى لك سوى الرماد.

لكن لا تتعجل في طلب مراسم الجنازة - دعنا ننسى أمر آنا لبعض الوقت وننظر إلى هذا المشهد الرهيب من وجهة نظرك. ومن وجهة نظرك، سيحدث شيء أكثر غرابة، وهو أنه لا شيء مميز على الإطلاق.

أنت تطير مباشرة إلى واحدة من أكثر النقاط خطورة في الكون دون أن تتعرض لأدنى اهتزاز - ناهيك عن تمدد الفضاء أو تمدد الزمن أو حرارة الإشعاع. وذلك لأنك في حالة سقوط حر وبالتالي لا تشعر بوزنك - وهذا ما أسماه أينشتاين "أكثر فكره جيده"حياتك الخاصة.

في الواقع، أفق الحدث ليس كذلك حائط طوبيفي الفضاء، بل هي ظاهرة تحددها وجهة نظر الراصد. الراصد الذي يقف خارج الثقب الأسود لا يمكنه الرؤية عبر أفق الحدث، لكن هذه مشكلته، وليست مشكلتك. من وجهة نظرك، لا يوجد أفق.

إذا كان حجم ثقبنا الأسود أصغر، فسوف تواجه مشكلة بالفعل، فالجاذبية ستؤثر بشكل غير متساو على جسمك، وسوف يتم سحبك إلى السباغيتي. لكن لحسن الحظ بالنسبة لك، هذا الثقب الأسود كبير، فهو أكبر بملايين المرات من كتلة الشمس، لذا فإن قوة الجاذبية ضعيفة بما يكفي بحيث لا تُذكر.

حقوق الطبع والنشر التوضيحيةثينكستوكتعليق على الصورة لا يمكنك العودة والخروج من الثقب الأسود، مثلما لا يستطيع أي منا العودة بالزمن إلى الوراء.

داخل ثقب أسود كبير بما فيه الكفاية، قد تكون قادرًا على أن تعيش بقية حياتك بشكل طبيعي تمامًا حتى تموت في حالة تفرد الجاذبية.

قد تتساءل، كيف يمكن أن تكون حياة الإنسان طبيعية إذا تم جره رغماً عنه نحو فجوة في استمرارية الزمان والمكان دون أي فرصة للخروج على الإطلاق؟

ولكن إذا فكرت في الأمر، فنحن جميعا على دراية بهذا الشعور - فقط فيما يتعلق بالوقت، وليس بالمكان. الوقت يمضيفقط للأمام وليس للخلف أبدًا، وهو يجرنا حقًا رغمًا عن إرادتنا، ولا يترك لنا أي فرصة للعودة إلى الماضي.

هذا ليس مجرد تشبيه. تعمل الثقوب السوداء على ثني استمرارية الزمكان إلى الحد الذي ينعكس فيه الزمان والمكان داخل أفق الحدث. بمعنى ما، أنت منجذب إلى التفرد ليس بالمكان، بل بالزمن. لا يمكنك العودة والخروج من الثقب الأسود، مثلما لا يستطيع أي منا السفر إلى الماضي.

ربما تتساءل الآن ما هو الخطأ في آنا. أنت تطفو في الفضاء الفارغ للثقب الأسود وكل شيء على ما يرام معك، وهو ينعي موتك، بدعوى أنك احترقت بإشعاع هوكينج من خارج أفق الحدث. هل تهلوس؟

في الواقع، بيان آنا صحيح تماما. من وجهة نظرها، كنت متوترًا حقًا في أفق الحدث. وهذا ليس وهماً. تستطيع آنا أيضًا جمع رمادك وإرساله إلى عائلتك.

حقوق الطبع والنشر التوضيحيةثينكستوكتعليق على الصورة إن أفق الحدث ليس جدارًا من الطوب، بل هو قابل للاختراق

والحقيقة هي أنه وفقا للقوانين فيزياء الكممن وجهة نظر آنا، لا يمكنك عبور أفق الحدث ويجب أن تبقى خارج الثقب الأسود، لأن المعلومات لا تُفقد إلى الأبد. يجب أن تظل كل جزء من المعلومات المسؤولة عن وجودك على السطح الخارجي لأفق الحدث - وإلا، من وجهة نظر آنا، سيتم انتهاك قوانين الفيزياء.

من ناحية أخرى، تتطلب قوانين الفيزياء أيضًا أن تطير عبر أفق الحدث حيًا دون أن تصاب بأذى، دون مواجهة أي جسيمات ساخنة أو أي ظواهر أخرى غير عادية على طول الطريق. وإلا سيتم انتهاك النظرية النسبية العامة.

لذا، فإن قوانين الفيزياء تريد منك أن تكون خارج الثقب الأسود (ككومة من الرماد) وداخله (آمنًا وسليمًا). ونقطة أخرى مهمة: حسب المبادئ العامةفي ميكانيكا الكم، لا يمكن استنساخ المعلومات. يجب أن تكون في مكانين في نفس الوقت، ولكن في حالة واحدة فقط.

ويطلق الفيزيائيون على هذه الظاهرة المتناقضة مصطلح "اختفاء المعلومات في الثقب الأسود". ولحسن الحظ، في التسعينيات. تمكن العلماء من حل هذه المفارقة.

أدرك الفيزيائي الأمريكي ليونارد سوسكيند أنه لا يوجد مفارقة حقًا، حيث لن يرى أحد استنساخك. سوف تراقب آنا إحدى عيناتك، وستراقب أنت الأخرى. لن تلتقي أنت وآنا مرة أخرى أبدًا ولن تتمكنا من مقارنة الملاحظات. ولا يوجد راصد ثالث يمكنه مراقبتك خارج الثقب الأسود وداخله في نفس الوقت. وبالتالي، لا يتم انتهاك قوانين الفيزياء.

إلا إذا كنت تريد معرفة أي من الحالات الخاصة بك حقيقية وأيها ليست كذلك. هل أنت حقا حي أم ميت؟

حقوق الطبع والنشر التوضيحيةثينكستوكتعليق على الصورة هل سيطير الشخص عبر أفق الحدث دون أن يصاب بأذى أو سيصطدم بجدار من النار؟

النقطة المهمة هي أنه لا يوجد "واقع". الواقع يعتمد على المراقب. هناك "في الواقع" من وجهة نظر آنا و"في الواقع" من وجهة نظرك. هذا كل شئ.

الكل تقريبا. في صيف عام 2012، اقترح الفيزيائيون أحمد المهيري، ودونالد مارولف، وجو بولشينسكي، وجيمس سولي، المعروفون مجتمعين باسم AMPS بالأحرف الأولى من أسمائهم الأخيرة، أن تجربة فكريةمما هدد بإحداث ثورة في فهمنا للثقوب السوداء.

وفقا للعلماء، فإن حل التناقض الذي اقترحه سوسكيند يعتمد على حقيقة أن الخلاف في تقييم ما يحدث بينك وبين آنا يتوسط أفق الحدث. لا يهم ما إذا كانت آنا قد رأت بالفعل إحدى نسختك وهي تموت في نار من إشعاع هوكينج، حيث أن أفق الحدث منعها من رؤية نسختك الثانية تحلق بشكل أعمق في الثقب الأسود.

ولكن ماذا لو كانت هناك طريقة لآنا لمعرفة ما يحدث على الجانب الآخر من أفق الحدث دون عبوره؟

تخبرنا النسبية العامة أن هذا مستحيل، لكن ميكانيكا الكم تطمس القواعد الصارمة قليلاً. تستطيع آنا النظر إلى ما وراء أفق الحدث باستخدام ما أسماه أينشتاين "الحركة الشبحية عن بعد".

نحن نتحدث عن التشابك الكمي - وهي ظاهرة تكون فيها الحالات الكمومية لجسيمين أو أكثر مفصولين بمساحة في ظروف غامضةتتحول إلى أن تكون مترابطة. تشكل هذه الجسيمات الآن كلًا واحدًا غير قابل للتجزئة، والمعلومات اللازمة لوصف هذا الكل لا توجد في جسيم أو آخر، بل في العلاقة بينهما.

الفكرة التي طرحتها AMPS هي كما يلي. لنفترض أن آنا التقطت جسيمًا بالقرب من أفق الحدث - فلنسميه الجسيم أ.

إذا كانت روايتها لما حدث لك صحيحة، أي أنك قُتلت بإشعاع هوكينج من خارج الثقب الأسود، فيجب أن يكون الجسيم A متصلاً بجسيم آخر، B، والذي يجب أن يكون أيضًا خارج الحدث الأفق.

حقوق الطبع والنشر التوضيحيةثينكستوكتعليق على الصورة يمكن للثقوب السوداء أن تجذب المادة من النجوم القريبة

إذا كانت رؤيتك للأحداث تتوافق مع الواقع، وأنت على قيد الحياة وبصحة جيدة داخلإذن يجب أن يكون الجسيم A مترابطة مع الجسيم C الموجود في مكان ما داخل الثقب الأسود.

الجميل في هذه النظرية هو أن كل جسيم لا يمكن أن يرتبط إلا بجسيم آخر. وهذا يعني أن الجسيم A يرتبط إما بالجسيم B أو الجسيم C، ولكن ليس مع كليهما في نفس الوقت.

لذا، تأخذ آنا الجسيم A وتمرره عبر آلة فك رموز التشابك الموجودة لديها، والتي تخبرها ما إذا كان الجسيم متصلًا بالجسيم B أو بالجسيم C.

إذا كانت الإجابة ج، فإن وجهة نظرك قد انتصرت في انتهاك لقوانين ميكانيكا الكم. إذا كان الجسيم A متصلاً بالجسيم C الموجود في أعماق الثقب الأسود، فإن المعلومات التي تصف ترابطهما ستفقد إلى الأبد لصالح آنا، وهو ما يتعارض مع قانون الكم، الذي بموجبه لا تُفقد المعلومات أبدًا.

إذا كانت الإجابة ب، فخلافًا لمبادئ النسبية العامة، فإن آنا على حق. إذا كان الجسيم A مرتبطًا بالجسيم B، فقد تم حرقك بالفعل بواسطة إشعاع هوكينج. وبدلاً من التحليق عبر أفق الحدث، كما تقتضي النسبية، اصطدمت بجدار من النار.

إذن نعود إلى السؤال الذي بدأنا به، ماذا يحدث للإنسان المحاصر داخل الثقب الأسود؟ هل سيطير عبر أفق الحدث سالمًا بفضل واقع يعتمد بشكل مدهش على الراصد، أم سيصطدم بجدار من النار ( أسودالثقوبجدار الحماية، لا ينبغي الخلط بينه وبين مصطلح الكمبيوترجدار الحماية، "جدار الحماية"، برمجةحماية جهاز الكمبيوتر الخاص بك على الشبكة من التطفل غير المصرح به - إد.)?

لا أحد يعرف الإجابة على هذا السؤال، وهو من أكثر القضايا إثارة للجدل في الفيزياء النظرية.

لأكثر من 100 عام، ظل العلماء يحاولون التوفيق بين مبادئ النسبية العامة وفيزياء الكم على أمل أن يسود أحدهما أو الآخر في النهاية. إن حل مفارقة جدار النار يجب أن يجيب على سؤال ما هي المبادئ السائدة ويساعد الفيزيائيين على إنشاء نظرية شاملة.

حقوق الطبع والنشر التوضيحيةثينكستوكتعليق على الصورة أو ربما في المرة التاليةإرسال آنا إلى الثقب الأسود؟

قد يكمن حل مفارقة اختفاء المعلومات في آلة فك رموز آنا. من الصعب للغاية تحديد الجسيم الآخر الذي يرتبط به الجسيم A. وتساءل الفيزيائيان دانييل هارلو من جامعة برينستون في نيوجيرسي وباتريك هايدن، الذي يعمل الآن في جامعة ستانفورد في كاليفورنيا، عن المدة التي سيستغرقها الأمر.

في عام 2013، حسبوا أنه حتى مع وجود أسرع جهاز كمبيوتر ممكن وفقًا لقوانين الفيزياء، فإن الأمر سيستغرق آنا وقتًا طويلاً للغاية لفك رموز العلاقات بين الجسيمات - وهي فترة طويلة لدرجة أنه بحلول الوقت الذي تحصل فيه على الإجابة، سيتبخر الثقب الأسود منذ وقت طويل.

إذا كان الأمر كذلك، فمن المحتمل أن آنا ببساطة غير مقدر أن تعرف أبدا وجهة نظرها التي تتوافق مع الواقع. في هذه الحالة ستبقى القصتان صحيحتين في آن واحد، وسيبقى الواقع معتمدا على الراصد، ولن ينتهك أي من قوانين الفيزياء.

بالإضافة إلى ذلك، فإن العلاقة بين الحسابات المعقدة للغاية (والتي يبدو أن مراقبنا غير قادر على القيام بها) واستمرارية الزمان والمكان قد تقود الفيزيائيين إلى بعض الأفكار النظرية الجديدة.

وبالتالي، فإن الثقوب السوداء ليست مجرد كائنات خطيرة على طريق الرحلات الاستكشافية بين النجوم، ولكنها أيضًا مختبرات نظرية تنمو فيها أدنى الاختلافات في القوانين الفيزيائية إلى أحجام لا يمكن إهمالها بعد الآن.

إذا كانت الطبيعة الحقيقية للواقع تكمن في مكان ما، فإن أفضل مكان للبحث عنها هو الثقوب السوداء. لكن على الرغم من أننا لا نملك فهمًا واضحًا لمدى أمان أفق الحدث بالنسبة للبشر، إلا أنه لا يزال من الآمن مراقبة البحث من الخارج. كملاذ أخير، يمكنك إرسال آنا إلى الثقب الأسود في المرة القادمة - الآن حان دورها.

منذ بضعة أيام، أثار ستيفن هوكينج المجتمع العلمي بإعلانه عدم وجود الثقوب السوداء. أو بالأحرى، فهي ليست على الإطلاق ما كان يعتقد سابقا.

وبحسب الباحث (الذي وردت تفاصيله في عمل “الحفاظ على المعلومات والتنبؤات الجوية للثقوب السوداء”)، فإن ما نسميه بالثقوب السوداء يمكن أن يوجد دون ما يسمى “أفق الحدث”، الذي لا يمكن لأي شيء الهروب بعده. يعتقد هوكينج أن الثقوب السوداء تحتفظ بالضوء والمعلومات لفترة فقط، ثم "تلفظها" مرة أخرى إلى الفضاء، وإن كان ذلك في شكل مشوه إلى حد ما.

وبينما يستوعب المجتمع العلمي النظرية الجديدة، قررنا أن نذكر قارئنا بما كان يعتبر "الحقائق حول الثقوب السوداء" حتى الآن. لذلك، حتى الآن كان يعتقد أن:

حصلت الثقوب السوداء على اسمها لأنها تمتص الضوء الذي يلامس حدودها ولا يعكسه.

يتشكل الثقب الأسود في اللحظة التي تشوه فيها كتلة المادة المضغوطة بدرجة كافية المكان والزمان سطح محددويطلق عليه "أفق الحدث"، وهو يشير إلى نقطة اللاعودة.

تعمل الساعات بشكل أبطأ بالقرب من مستوى سطح البحر مما كانت عليه في محطة فضاءوبالقرب من الثقوب السوداء يكون الأمر أبطأ. لها علاقة بالجاذبية.

أقرب ثقب أسود يبعد عنا حوالي 1600 سنة ضوئية

تمتلئ مجرتنا بالثقوب السوداء، لكن أقرب ثقب يمكن أن يدمر كوكبنا المتواضع نظريًا يقع خارج نظامنا الشمسي.

يوجد ثقب أسود ضخم في مركز مجرة ​​درب التبانة

ويقع على مسافة 30 ألف سنة ضوئية من الأرض، وأبعاده تزيد عن 30 مليون مرة حجم شمسنا.

تتبخر الثقوب السوداء في النهاية

يُعتقد أنه لا يوجد شيء يمكنه الهروب من الثقب الأسود. الاستثناء الوحيد لهذه القاعدة هو الإشعاع. وفقًا لبعض العلماء، عندما تبعث الثقوب السوداء إشعاعًا، فإنها تفقد كتلتها. ونتيجة لهذه العملية قد يختفي الثقب الأسود تماما.

لا تتشكل الثقوب السوداء على شكل قمع، بل على شكل كرة.

ستشاهد في معظم الكتب المدرسية ثقوبًا سوداء تشبه الممرات. وذلك لأنها موضحة من منظور بئر الجاذبية. في الواقع، تبدو أشبه بالكرة.

كل شيء يتشوه بالقرب من الثقب الأسود.

تمتلك الثقوب السوداء القدرة على تشويه الفضاء، ولأنها تدور، فإن التشوه يزداد أثناء دورانها.

يمكن للثقب الأسود أن يقتل بطرق مروعة

على الرغم من أنه يبدو من الواضح أن الثقب الأسود غير متوافق مع الحياة، إلا أن معظم الناس يعتقدون أنه ببساطة سيتم سحقهم هناك. ليس من الضروري. من المرجح أن تكون ممتدًا حتى الموت، لأن الجزء من جسمك الذي وصل لأول مرة إلى "أفق الحدث" سيكون تحت تأثير الجاذبية أكبر بكثير.

الثقوب السوداء ليست سوداء دائمًا

ورغم أنها معروفة باللون الأسود، كما قلنا سابقًا، إلا أنها في الواقع تبعث موجات كهرومغناطيسية.

لا يمكن للثقوب السوداء أن تدمر فقط

وبطبيعة الحال، في معظم الحالات هذا صحيح. ومع ذلك، هناك العديد من النظريات والدراسات والافتراضات التي تشير إلى أنه يمكن بالفعل تكييف الثقوب السوداء لتوليد الطاقة والسفر إلى الفضاء.

اكتشاف الثقوب السوداء لا ينتمي إلى ألبرت أينشتاين

أعاد ألبرت أينشتاين إحياء نظرية الثقوب السوداء فقط في عام 1916. وقبل ذلك بوقت طويل، في عام 1783، كان عالم يدعى جون ميتشل أول من طور هذه النظرية. حدث هذا بعد أن تساءل عما إذا كانت الجاذبية يمكن أن تصبح قوية جدًا بحيث لا تستطيع حتى جزيئات الضوء الهروب منها.

الثقوب السوداء تطن

على الرغم من أن الفراغ في الفضاء لا ينقل في الواقع موجات صوتية، إذا كنت تستمع بآلات خاصة، فيمكنك سماع أصوات التداخل الجوي. عندما يسحب الثقب الأسود شيئا ما، فإن أفق الحدث الخاص به يسرع الجسيمات، حتى سرعة الضوء، وتنتج همهمة.

يمكن للثقوب السوداء توليد العناصر اللازمة للحياة

يعتقد الباحثون أن الثقوب السوداء تخلق العناصر أثناء اضمحلالها إلى جسيمات دون ذرية. وهذه الجسيمات قادرة على خلق عناصر أثقل من الهيليوم، مثل الحديد والكربون، بالإضافة إلى العديد من العناصر الأخرى الضرورية لتكوين الحياة.

الثقوب السوداء لا "تبتلع" فحسب، بل "تبصق" أيضًا

من المعروف أن الثقوب السوداء تمتص أي شيء يقترب من أفق الحدث الخاص بها. بمجرد سقوط شيء ما في الثقب الأسود، يتم ضغطه بقوة هائلة بحيث يتم ضغط المكونات الفردية وتتفكك في النهاية إلى جسيمات دون ذرية. ويرى بعض العلماء أن هذه المادة يتم بعد ذلك إخراجها مما يسمى "الثقب الأبيض".

أي مادة يمكن أن تصبح ثقبًا أسودًا

من وجهة نظر فنية، لا يمكن للنجوم فقط أن تصبح ثقوبًا سوداء. إذا تقلصت مفاتيح سيارتك إلى نقطة متناهية الصغر مع الحفاظ على كتلتها، فإن كثافتها ستصل إلى مستويات فلكية وستزداد جاذبيتها بشكل لا يصدق.

تنهار قوانين الفيزياء في مركز الثقب الأسود

وفقا للنظريات، يتم ضغط المادة داخل الثقب الأسود إلى كثافة لا نهائية، ويختفي المكان والزمان من الوجود. عندما يحدث هذا، لا تعود قوانين الفيزياء قابلة للتطبيق، وذلك ببساطة لأن العقل البشري غير قادر على تصور جسم له حجم صفر وكثافة لا نهائية.

تحدد الثقوب السوداء عدد النجوم

ووفقا لبعض العلماء، فإن عدد النجوم في الكون محدود بعدد الثقوب السوداء. ويتعلق هذا بكيفية تأثيرها على سحب الغاز وتكوين العناصر في أجزاء من الكون حيث تولد النجوم الجديدة.

لكي يتشكل ثقب أسود، من الضروري ضغط جسم ما إلى كثافة حرجة معينة بحيث يكون نصف قطر الجسم المضغوط مساويًا لنصف قطر جاذبيته. وتتناسب قيمة هذه الكثافة الحرجة عكسيا مع مربع كتلة الثقب الأسود.

بالنسبة لثقب أسود نموذجي ذو كتلة نجمية ( م=10مالشمس) نصف قطر الجاذبية 30 كم، و الكثافة الحرجة 2·10 14 جم/سم3، أي مائتي مليون طن في السنتيمتر المكعب. وهذه الكثافة عالية جداً مقارنة بمتوسط ​​كثافة الأرض (5.5 جم/سم3)، فهي تعادل كثافة مادة النواة الذرية.

بالنسبة للثقب الأسود في قلب المجرة ( م=10 10 مالشمس) نصف قطر الجاذبية هو 3·10 15 سم = 200 وحدة فلكية، وهو ما يعادل خمسة أضعاف المسافة من الشمس إلى بلوتو (وحدة فلكية واحدة - متوسط ​​المسافة من الأرض إلى الشمس - تساوي 150 مليون كيلومتر أو 1.5·10). 13 سم). الكثافة الحرجة في هذه الحالة تساوي 0.2·10 –3 جم/سم 3، وهي أقل بعدة مرات من كثافة الهواء، وتساوي 1.3·10 –3 جم/سم 3 (!).

للأرض ( م=3·10 –6 مالشمس)، نصف قطر الجاذبية قريب من 9 ملم، والكثافة الحرجة المقابلة عالية بشكل رهيب: ρ cr = 2·10 27 جم/سم 3، وهو أعلى بمقدار 13 مرة من كثافة النواة الذرية.

إذا أخذنا ضغطًا كرويًا وهميًا وضغطنا الأرض مع الحفاظ على كتلتها، فعندما قللنا نصف قطر الأرض (6370 كم) أربع مرات، ستتضاعف سرعة الهروب الثانية وتصبح 22.4 كم/ثانية. إذا ضغطنا الأرض بحيث يصبح نصف قطرها 9 ملم تقريبًا، فستأخذ سرعة الهروب الثانية القيمة يساوي السرعةسفيتا ج= 300000 كم/ث.

علاوة على ذلك، لن تكون هناك حاجة للضغط - فالأرض المضغوطة بهذا الحجم سوف تضغط نفسها بالفعل. في النهاية، سيتشكل ثقب أسود بدلاً من الأرض، وسيكون نصف قطر أفق الحدث قريبًا من 9 ملم (إذا أهملنا دوران الثقب الأسود الناتج). في الظروف الحقيقية، بالطبع، لا توجد صحافة فائقة القوة - الجاذبية "تعمل". ولهذا السبب لا يمكن للثقوب السوداء أن تتشكل إلا أثناء الانهيار الأجزاء الداخليةنجوم ضخمة جدًا تكون فيها الجاذبية قوية بما يكفي لضغط المادة إلى كثافة حرجة.

تطور النجوم

تتشكل الثقوب السوداء في المراحل النهائية من تطور النجوم الضخمة. في أعماق النجوم العادية، تحدث تفاعلات نووية حرارية، ويتم إطلاق طاقة هائلة والحفاظ عليها حرارة(عشرات ومئات الملايين من الدرجات). تميل قوى الجاذبية إلى ضغط النجم، وقوى ضغط الغاز الساخن والإشعاع تقاوم هذا الضغط. ولذلك، فإن النجم في حالة توازن هيدروستاتيكي.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن للنجم أن يتواجد في حالة توازن حراري، عندما يكون إطلاق الطاقة بسبب التفاعلات النووية الحرارية في مركزه مساويًا تمامًا للطاقة المنبعثة من النجم من السطح. عندما ينكمش النجم ويتوسع، يختل التوازن الحراري. إذا كان النجم ساكنا، فإن توازنه يتحقق بحيث تتحرر طاقة الوضع السلبية للنجم (طاقة ضغط الجاذبية) قيمه مطلقهدائما ضعف الطاقة الحرارية. وبسبب هذا النجم خاصية مذهلة- السعة الحرارية السلبية. تتمتع الأجسام العادية بقدرة حرارية موجبة: قطعة حديد ساخنة تبرد، أي تفقد الطاقة، وتخفض درجة حرارتها. أما بالنسبة للنجم، فالعكس هو الصحيح: فكلما فقد المزيد من الطاقة على شكل إشعاع، ارتفعت درجة الحرارة في مركزه.

للوهلة الأولى، هذه الميزة الغريبة لها تفسير بسيط: النجم، أثناء إشعاعه، ينكمش ببطء. عند ضغطها، تتحول الطاقة الكامنة إلى الطاقة الحركيةتتساقط طبقات النجم، ويسخن باطنه. علاوة على ذلك طاقة حراريةالتي يكتسبها النجم نتيجة للضغط هي ضعف الطاقة المفقودة على شكل إشعاع. ونتيجة لذلك، تزداد درجة الحرارة الداخلية للنجم، ويحدث اندماج نووي حراري مستمر. العناصر الكيميائية. على سبيل المثال، تفاعل تحويل الهيدروجين إلى هيليوم في التيار الشمس قادمةعند درجة حرارة 15 مليون درجة. عندما يتحول كل الهيدروجين بعد 4 مليارات سنة في مركز الشمس إلى هيليوم، لمزيد من تخليق ذرات الكربون من ذرات الهيليوم، ستكون هناك حاجة إلى درجة حرارة أعلى بكثير، حوالي 100 مليون درجة (الشحنة الكهربائية لنواة الهيليوم ضعف درجة حرارة نوى الهيدروجين، ولتقريب النوى من بعضها البعض، فإن الهيليوم على مسافة 10-13 سم يتطلب درجة حرارة أعلى بكثير). سيتم ضمان درجة الحرارة هذه بالتحديد بسبب السعة الحرارية السلبية للشمس بحلول الوقت الذي يتم فيه إشعال التفاعل النووي الحراري لتحويل الهيليوم إلى كربون في أعماقها.

الأقزام البيضاء

إذا كانت كتلة النجم صغيرة، بحيث تكون كتلة قلبه المتأثر بالتحولات النووية الحرارية أقل من 1.4 مالشمس، قد يتوقف الاندماج النووي الحراري للعناصر الكيميائية بسبب ما يسمى بتحلل غاز الإلكترون في قلب النجم. على وجه الخصوص، يعتمد ضغط الغاز المنحل على الكثافة، لكنه لا يعتمد على درجة الحرارة، لأن طاقة الحركة الكمومية للإلكترونات أكبر بكثير من طاقة حركتها الحرارية.

الضغط العالي لغاز الإلكترون المنحل يقاوم بشكل فعال قوى ضغط الجاذبية. وبما أن الضغط لا يعتمد على درجة الحرارة، فإن فقدان النجم للطاقة على شكل إشعاع لا يؤدي إلى ضغط قلبه. ونتيجة لذلك، لا يتم إطلاق طاقة الجاذبية كحرارة إضافية. ولذلك فإن درجة الحرارة في النواة المتحللة الناشئة لا ترتفع، مما يؤدي إلى انقطاع سلسلة التفاعلات النووية الحرارية.

تنفصل القشرة الهيدروجينية الخارجية، التي لا تتأثر بالتفاعلات النووية الحرارية، عن قلب النجم وتشكل سديمًا كوكبيًا، يتوهج في خطوط انبعاث الهيدروجين والهيليوم وعناصر أخرى. النواة المركزية المدمجة والساخنة نسبيًا لنجم متطور منخفض الكتلة هي قزم أبيض - جسم نصف قطره يعادل نصف قطر الأرض (~10 4 كم)، وكتلة أقل من 1.4 مالشمس ويبلغ متوسط ​​كثافتها حوالي طن لكل سنتيمتر مكعب. يتم ملاحظة الأقزام البيضاء بأعداد كبيرة. يصل إجمالي عددهم في المجرة إلى 1010، أي حوالي 10% من الكتلة الإجمالية للمادة المرئية للمجرة.

يمكن أن يكون الاحتراق النووي الحراري في القزم الأبيض المنحل غير مستقر ويؤدي إلى انفجار نوويقزم أبيض ضخم إلى حد ما بكتلة قريبة مما يسمى بحد شاندراسيخار (1.4 مشمس). تبدو مثل هذه الانفجارات مثل المستعرات الأعظم من النوع الأول، التي لا تحتوي على خطوط هيدروجين في طيفها، ولكن فقط خطوط من الهيليوم والكربون والأكسجين والعناصر الثقيلة الأخرى.

النجوم النيوترونية

إذا كان قلب النجم يتحلل، فإن كتلته تقترب من حد 1.4 مالشمس، يتم استبدال الانحطاط المعتاد لغاز الإلكترون في النواة بما يسمى الانحطاط النسبي.

تصبح الحركات الكمومية للإلكترونات المتحللة سريعة جدًا بحيث تقترب سرعتها من سرعة الضوء. في هذه الحالة، تنخفض مرونة الغاز، وتقل قدرته على مواجهة قوى الجاذبية، ويتعرض النجم لانهيار الجاذبية. أثناء الانهيار، يتم التقاط الإلكترونات بواسطة البروتونات، ويحدث نيترون المادة. وهذا يؤدي إلى تكوين نجم نيوتروني من نواة ضخمة متحللة.

إذا كانت الكتلة الأولية لنواة النجم تتجاوز 1.4 مالشمس، ثم يتم الوصول إلى درجة حرارة عالية في القلب، ولا يحدث انحطاط الإلكترون طوال تطورها. وفي هذه الحالة تعمل السعة الحرارية السلبية: حيث يفقد النجم الطاقة على شكل إشعاع، وترتفع درجة الحرارة في أعماقه، وتوجد سلسلة مستمرة من التفاعلات النووية الحرارية التي تحول الهيدروجين إلى هيليوم، والهيليوم إلى كربون، والكربون إلى أكسجين، و وهكذا حتى عناصر المجموعة الحديدية. لم يعد تفاعل الاندماج النووي الحراري لنواة العناصر الأثقل من الحديد يحدث مع الإطلاق، ولكن مع امتصاص الطاقة. ولذلك، إذا كانت كتلة نواة النجم، والتي تتكون أساسًا من عناصر المجموعة الحديدية، تتجاوز حد شاندراسيخار البالغ 1.4 مالشمس، ولكن أقل مما يسمى بحد أوبنهايمر-فولكوف ~3 مالشمس، ثم في نهاية التطور النووي للنجم، يحدث انهيار الجاذبية للنواة، ونتيجة لذلك تتساقط القشرة الهيدروجينية الخارجية للنجم، وهو ما يُلاحظ على أنه انفجار سوبر نوفا من النوع الثاني، في طيف التي لوحظت خطوط الهيدروجين القوية.

يؤدي انهيار النواة الحديدية إلى تكوين نجم نيوتروني.

عندما يتم ضغط النواة الضخمة لنجم وصل إلى مرحلة متأخرة من التطور، ترتفع درجة الحرارة إلى قيم هائلة تصل إلى مليار درجة، عندما تبدأ نوى الذرات بالتفكك إلى نيوترونات وبروتونات. تمتص البروتونات الإلكترونات وتتحول إلى نيوترونات، وتصدر النيوترينوات. النيوترونات، وفقًا لمبدأ باولي الكمومي، مع ضغط قوي، تبدأ في صد بعضها البعض بشكل فعال.

عندما تكون كتلة النواة المنهارة أقل من 3 مالشمس، وسرعات النيوترونات أقل بكثير من سرعة الضوء، كما أن مرونة المادة بسبب التنافر الفعال للنيوترونات يمكن أن توازن قوى الجاذبية وتؤدي إلى تكوين نجم نيوتروني مستقر.

تم التنبؤ بإمكانية وجود النجوم النيوترونية لأول مرة في عام 1932 من قبل الفيزيائي السوفييتي المتميز لانداو مباشرة بعد اكتشاف النيوترون في التجارب المعملية. ويبلغ نصف قطر النجم النيوتروني حوالي 10 كيلومترات، ويبلغ متوسط ​​كثافته مئات الملايين من الأطنان لكل سنتيمتر مكعب.

عندما تكون كتلة النواة النجمية المنهارة أكبر من 3 مالشمس، إذن، وفقًا للأفكار الموجودة، ينهار النجم النيوتروني الناتج، بعد تبريده، إلى ثقب أسود. يتم تسهيل انهيار النجم النيوتروني في ثقب أسود أيضًا من خلال السقوط العكسي لجزء من غلاف النجم، الذي تم قذفه أثناء انفجار المستعر الأعظم.

يدور النجم النيوتروني عادةً بسرعة لأن النجم الطبيعي الذي ولده يمكن أن يكون له زخم زاوي كبير. عندما ينهار قلب النجم إلى نجم نيوتروني، تتناقص الأبعاد المميزة للنجم من ر= 10 5 –10 6 كم إلى ر≈ 10 كم. كلما انخفض حجم النجم، انخفض عزم القصور الذاتي الخاص به. للحفاظ على الزخم الزاوي، يجب أن تزيد سرعة الدوران المحوري بشكل حاد. على سبيل المثال، إذا تم ضغط الشمس، التي تدور حول نفسها لمدة شهر تقريبًا، إلى حجم نجم نيوتروني، فإن فترة الدوران ستنخفض إلى 10-3 ثوانٍ.

تتجلى النجوم النيوترونية المنفردة ذات المجال المغناطيسي القوي في شكل نجوم نابضة راديوية - وهي مصادر لنبضات دورية صارمة من الانبعاثات الراديوية التي تنشأ عندما يتم تحويل طاقة الدوران السريع لنجم نيوتروني إلى انبعاث راديوي موجه. في الأنظمة الثنائية، تظهر النجوم النيوترونية المتراكمة ظاهرة نجم الأشعة السينية النابض ومفجر الأشعة السينية من النوع الأول.

لا يمكن للمرء أن يتوقع نبضات إشعاعية دورية بشكل صارم من الثقب الأسود، لأن الثقب الأسود ليس له سطح يمكن رؤيته حقل مغناطيسي. وكما يقول علماء الفيزياء في كثير من الأحيان، فإن الثقوب السوداء ليس لها "شعر" - فكل المجالات وجميع عدم التجانس بالقرب من أفق الحدث تنبعث عندما يتشكل الثقب الأسود من المادة المنهارة على شكل تيار. موجات الجاذبية. ونتيجة لذلك، فإن الثقب الأسود الناتج له ثلاث خصائص فقط: الكتلة والزخم الزاوي والشحنة الكهربائية. يتم نسيان جميع الخصائص الفردية للمادة المنهارة أثناء تكوين الثقب الأسود: على سبيل المثال، الثقوب السوداء المتكونة من الحديد والماء لها نفس الخصائص، في حالة تساوي الأشياء الأخرى.

كما تنبأت النظرية النسبية العامة (GR)، فإن النجوم التي كتلتها الأساسية الحديدية في نهاية تطورها تتجاوز 3 م شمس، تجربة ضغط غير محدود (الانهيار النسبي) مع تكوين ثقب أسود. ويفسر ذلك حقيقة أنه في النسبية العامة، يتم تحديد قوى الجاذبية التي تميل إلى ضغط النجم من خلال كثافة الطاقة، وفي الكثافات الهائلة للمادة التي يتم تحقيقها أثناء ضغط مثل هذا النواة الضخمة للنجم، المساهمة الرئيسية في كثافة الطاقة ولم يعد يتكون من الطاقة الباقية للجزيئات، بل من طاقة حركتها وتفاعلها. اتضح أنه في النسبية العامة، يبدو أن ضغط المادة عند كثافات عالية جدًا "يزن" نفسه: كلما زاد الضغط، زادت كثافة الطاقة، وبالتالي، زادت قوى الجاذبية التي تميل إلى ضغط المادة. بالإضافة إلى ذلك، في ظل مجالات الجاذبية القوية، تصبح تأثيرات انحناء الزمكان ذات أهمية أساسية، مما يساهم أيضًا في الضغط غير المحدود على قلب النجم وتحوله إلى ثقب أسود (الشكل 3).

في الختام، نلاحظ أن الثقوب السوداء التي تشكلت في عصرنا (على سبيل المثال، الثقب الأسود في نظام Cygnus X-1)، بالمعنى الدقيق للكلمة، ليست ثقوبًا سوداء بنسبة مائة بالمائة، لأنه بسبب تمدد الزمن النسبي لراصد بعيد، آفاق الحدث الخاصة بهم لا تزال لم تتشكل. تبدو أسطح هذه النجوم المنهارة للمراقب على الأرض وكأنها متجمدة، وتقترب إلى ما لا نهاية من آفاق الحدث الخاصة بها.

لكي تتشكل الثقوب السوداء من هذه الأجسام المنهارة أخيرًا، يجب علينا أن ننتظر كل الوقت الطويل اللانهائي لوجود كوننا. ومع ذلك، يجب التأكيد على أنه في الثواني الأولى من الانهيار النسبي، يقترب سطح النجم المنهار بالنسبة لمراقب من الأرض من أفق الحدث، وتتباطأ جميع العمليات على هذا السطح إلى ما لا نهاية.

كل شخص يتعرف على علم الفلك، عاجلاً أم آجلاً، يشعر بفضول قوي حول أكثر الأشياء غموضاً في الكون - الثقوب السوداء. هؤلاء هم أسياد الظلام الحقيقيون، القادرون على "ابتلاع" أي ذرة تمر بالقرب منهم ولا يسمحون حتى للضوء بالهروب - جاذبيتهم قوية جدًا. تشكل هذه الأجسام تحديًا حقيقيًا للفيزيائيين وعلماء الفلك. الأولون لا يستطيعون حتى الآن فهم ما يحدث للمادة التي سقطت داخل الثقب الأسود، والثاني، على الرغم من أنهم يفسرون الظواهر الأكثر استهلاكًا للطاقة في الفضاء بوجود الثقوب السوداء، إلا أنهم لم تتح لهم الفرصة أبدًا لمراقبة أي منها مباشرة. سنخبرك عن هذه الأجرام السماوية المثيرة للاهتمام، ونكتشف ما تم اكتشافه بالفعل وما يجب تعلمه من أجل رفع حجاب السرية.

ما هو الثقب الأسود؟

تم اقتراح اسم "الثقب الأسود" (باللغة الإنجليزية - الثقب الأسود) في عام 1967 من قبل الفيزيائي النظري الأمريكي جون أرشيبالد ويلر (انظر الصورة على اليسار). كان بمثابة تعيين الجرم السماويالذي جاذبيته قوية جدًا لدرجة أنه حتى الضوء لا يترك نفسه. ولهذا السبب فهو "أسود" لأنه لا ينبعث منه ضوء.

ملاحظات غير مباشرة

وهذا هو سبب هذا الغموض: بما أن الثقوب السوداء لا تتوهج، فإننا لا نستطيع رؤيتها مباشرة ونضطر إلى البحث عنها ودراستها باستخدام أدلة غير مباشرة فقط على أن وجودها يتركها في الفضاء المحيط. بمعنى آخر، إذا ابتلع ثقب أسود نجمًا، فلا يمكننا رؤية الثقب الأسود، لكن يمكننا ملاحظة التأثيرات المدمرة لمجال جاذبيته القوي.

حدس لابلاس

على الرغم من أن تعبير "الثقب الأسود" للدلالة على المرحلة النهائية الافتراضية لتطور نجم انهار على نفسه تحت تأثير الجاذبية هو أمر حديث نسبيا، إلا أن فكرة إمكانية وجود مثل هذه الأجسام نشأت منذ أكثر من عامين. منذ قرون. افترض الإنجليزي جون ميشيل والفرنسي بيير سيمون دي لابلاس، بشكل مستقل، وجود «نجوم غير مرئية». وفي الوقت نفسه، كانت تستند إلى قوانين الديناميكيات والقانون المعتادة الجاذبية العالميةنيوتن. اليوم حصلت الثقوب السوداء على حقها الوصف الصحيحاستنادا إلى النظرية النسبية العامة لأينشتاين.

كتب لابلاس في عمله «عرض نظام العالم» (١٧٩٦): «إن نجمًا ساطعًا له نفس كثافة الأرض، ويبلغ قطره ٢٥٠ مرة أكبر من قطر الشمس، سيكون قادرًا على ذلك بفضل جاذبيته.» الجاذبية، تمنع وصول أشعة الضوء إلينا. ولذلك فمن الممكن أن تكون أكبر وألمع الأجرام السماوية غير مرئية لهذا السبب.

الجاذبية التي لا تقهر

اعتمدت فكرة لابلاس على مفهوم سرعة الإفلات (السرعة الكونية الثانية). الثقب الأسود هو جسم كثيف لدرجة أن جاذبيته يمكن أن تمنع حتى الضوء، الذي يطور أعلى سرعة في الطبيعة (حوالي 300000 كم/ثانية). عملياً، الهروب من الثقب الأسود يتطلب سرعات أكبر من سرعة الضوء، لكن هذا مستحيل!

وهذا يعني أن نجمًا من هذا النوع سيكون غير مرئي، لأنه حتى الضوء لن يتمكن من التغلب على جاذبيته القوية. وأوضح أينشتاين هذه الحقيقة من خلال ظاهرة انحناء الضوء تحت تأثير مجال الجاذبية. في الواقع، بالقرب من الثقب الأسود، يكون الزمكان منحنيًا جدًا لدرجة أن مسارات أشعة الضوء تنغلق أيضًا على نفسها. ومن أجل تحويل الشمس إلى ثقب أسود، سيتعين علينا تركيز كل كتلتها في كرة نصف قطرها 3 كيلومترات، وسيتعين على الأرض أن تتحول إلى كرة نصف قطرها 9 ملم!

أنواع الثقوب السوداء

قبل حوالي عشر سنوات فقط، أشارت الملاحظات إلى وجود نوعين من الثقوب السوداء: الثقوب السوداء النجمية، التي تعادل كتلتها كتلة الشمس أو تتجاوزها قليلاً، والثقوب فائقة الكتلة، التي تتراوح كتلتها من عدة مئات الآلاف إلى عدة ملايين من كتلة الشمس. . ومع ذلك، في الآونة الأخيرة نسبيًا، سلطت صور الأشعة السينية والأطياف عالية الدقة التي تم الحصول عليها من الأقمار الصناعية مثل تشاندرا وXMM-نيوتن الضوء على نوع ثالث من الثقوب السوداء - مع متوسط ​​كتلة يتجاوز كتلة الشمس بآلاف المرات. .

الثقوب السوداء النجمية

أصبحت الثقوب السوداء النجمية معروفة قبل غيرها. وتتشكل عندما يستنفد نجم كبير الكتلة، في نهاية مساره التطوري، احتياطياته من الوقود النووي وينهار على نفسه بسبب جاذبيته. إن الانفجار الذي يهز نجمًا (ظاهرة تُعرف باسم "انفجار المستعر الأعظم") له عواقب كارثية: إذا كانت كتلة نواة النجم أكبر من 10 أضعاف كتلة الشمس، فلن تتمكن أي قوة نووية من مقاومة انهيار الجاذبية الذي سيؤدي إلى الخلق. من الثقب الأسود.

الثقوب السوداء الهائلة

الثقوب السوداء الهائلة، التي لوحظت لأول مرة في نوى بعض المجرات النشطة، لها أصل مختلف. هناك عدة فرضيات بخصوص ولادتهم: ثقب أسود نجمي يلتهم على مدار ملايين السنين كل النجوم من حوله؛ مجموعة من الثقوب السوداء تندمج معًا؛ سحابة غازية ضخمة تنهار مباشرة إلى ثقب أسود. تعتبر هذه الثقوب السوداء من بين الأجسام الأكثر نشاطًا في الفضاء. وهي تقع في مراكز العديد من المجرات، إن لم يكن كلها. تحتوي مجرتنا أيضًا على مثل هذا الثقب الأسود. وفي بعض الأحيان، وبسبب وجود مثل هذا الثقب الأسود، تصبح نوى هذه المجرات شديدة السطوع. المجرات ذات الثقوب السوداء في المركز، وتحيط بها كمية كبيرةتسمى المادة المتساقطة وبالتالي القادرة على إنتاج كميات هائلة من الطاقة "نشطة" وتسمى نواتها "النوى المجرية النشطة" (AGN). على سبيل المثال، الكوازارات (أبعد الأجسام الكونية عنا والتي يمكن الوصول إليها بملاحظتنا) هي مجرات نشطة لا نرى فيها سوى نواة مشرقة جدًا.

متوسطة وصغيرة

ويظل هناك لغز آخر يتمثل في الثقوب السوداء متوسطة الكتلة، والتي، وفقًا لأبحاث حديثة، قد تكون في مركز بعض العناقيد الكروية، مثل M13 وNCC 6388. ويشكك العديد من علماء الفلك في هذه الأجسام، لكن البعض أحدث الأبحاثتشير إلى وجود ثقوب سوداء متوسطة الحجم حتى بالقرب من مركز مجرتنا. كما طرح عالم الفيزياء الإنجليزي ستيفن هوكينج افتراضًا نظريًا حول وجود نوع رابع من الثقوب السوداء - "ثقب صغير" كتلته مليار طن فقط (وهو ما يعادل تقريبًا كتلة جبل كبير). نحن نتحدث عن الكائنات الأولية، أي تلك التي ظهرت في اللحظات الأولى من حياة الكون، عندما كان الضغط لا يزال مرتفعا للغاية. ومع ذلك، لم يتم اكتشاف أي أثر لوجودهم حتى الآن.

كيفية العثور على الثقب الأسود

قبل بضع سنوات فقط، ظهر ضوء فوق الثقوب السوداء. وبفضل التحسين المستمر للأدوات والتقنيات (سواء الأرضية أو الفضائية)، أصبحت هذه الأجسام أقل غموضًا؛ وبتعبير أدق، تصبح المساحة المحيطة بهم أقل غموضًا. في الواقع، بما أن الثقب الأسود نفسه غير مرئي، فلا يمكننا التعرف عليه إلا إذا كان محاطًا كمية كافيةمادة (نجوم وغازات ساخنة) تدور حولها على مسافة قصيرة.

مشاهدة الأنظمة الثنائية

تم اكتشاف بعض الثقوب السوداء النجمية من خلال مراقبة الحركة المدارية لنجم حول رفيق غير مرئي في نظام ثنائي. تعد الأنظمة الثنائية القريبة (أي التي تتكون من نجمين قريبين جدًا من بعضهما البعض)، والتي يكون فيها أحد الرفاق غير مرئي، موضوعًا مفضلاً للمراقبة لعلماء الفيزياء الفلكية الذين يبحثون عن الثقوب السوداء.

والدليل على وجود ثقب أسود (أو نجم نيوتروني) هو الانبعاث القوي للأشعة السينية الناتج عن آلية معقدة، والتي يمكن وصفها تخطيطيا على النحو التالي. بفضل جاذبيته القوية، يمكن للثقب الأسود أن يمزق المادة من النجم المرافق له؛ ينتشر هذا الغاز إلى قرص مسطح ويتجه نحو الأسفل نحو الثقب الأسود. يؤدي الاحتكاك الناتج عن الاصطدام بين جزيئات الغاز المتساقط إلى تسخين الطبقات الداخلية للقرص إلى عدة ملايين من الدرجات، مما يسبب إشعاعًا قويًا للأشعة السينية.

ملاحظات في الأشعة السينية

إن عمليات رصد الأشعة السينية للأجسام الموجودة في مجرتنا والمجرات المجاورة، والتي تم إجراؤها لعدة عقود، مكنت من اكتشاف مصادر ثنائية مدمجة، حوالي عشرة منها عبارة عن أنظمة تحتوي على مرشحات للثقوب السوداء. المشكلة الرئيسية هي تحديد كتلة الجسم السماوي غير المرئي. يمكن العثور على قيمة الكتلة (وإن لم تكن دقيقة للغاية) من خلال دراسة حركة المرافق أو، وهو الأمر الأصعب بكثير، من خلال قياس الشدة الأشعة السينيةمادة متساقطة. وترتبط هذه الشدة بمعادلة لكتلة الجسم الذي تسقط عليه هذه المادة.

حائز على جائزة نوبل

ويمكن قول شيء مماثل بالنسبة للثقوب السوداء الهائلة التي يتم رصدها في قلب العديد من المجرات، والتي يتم تقدير كتلها من خلال قياس السرعات المدارية للغاز الساقط في الثقب الأسود. في هذه الحالة، سببه مجال الجاذبية القوي لجسم كبير جدًا نمو سريعيتم الكشف عن سرعة السحب الغازية التي تدور في وسط المجرات من خلال عمليات الرصد في النطاق الراديوي، وكذلك في الأشعة الضوئية. يمكن أن تؤكد الملاحظات في نطاق الأشعة السينية زيادة إطلاق الطاقة الناتجة عن سقوط المادة في الثقب الأسود. بدأت الأبحاث في مجال الأشعة السينية في أوائل الستينيات على يد الإيطالي ريكاردو جياكوني الذي كان يعمل في الولايات المتحدة الأمريكية. وقد اعترفت جائزة نوبل التي حصل عليها في عام 2002 "بإسهاماته الرائدة في الفيزياء الفلكية التي أدت إلى اكتشاف مصادر الأشعة السينية في الفضاء".

Cygnus X-1: المرشح الأول

مجرتنا ليست محصنة ضد وجود أجسام مرشحة للثقب الأسود. ولحسن الحظ، لا يوجد أي من هذه الأجسام قريب منا بدرجة كافية لتشكل تهديدًا لوجود الأرض أو النظام الشمسي. بالرغم من عدد كبير منمن المعروف أن مصادر الأشعة السينية المدمجة (وهي المرشحات الأكثر ترجيحًا للثقوب السوداء)، ليس لدينا ثقة في أنها تحتوي بالفعل على ثقوب سوداء. والوحيد من بين هذه المصادر الذي ليس له نسخة بديلة هو النظام الثنائي القريب Cygnus X-1، أي المصدر الأكثر سطوعًا لإشعاع الأشعة السينية في كوكبة Cygnus.

نجوم ضخمة

ويتكون هذا النظام، الذي تبلغ فترة مداره 5.6 يومًا، من نجم أزرق شديد السطوع حجم كبير(يبلغ قطره 20 مرة قطر الشمس، وكتلته حوالي 30 مرة)، ويمكن رؤيته بسهولة حتى في التلسكوب الخاص بك، ونجم ثان غير مرئي، تقدر كتلته بعدة كتل شمسية (تصل إلى 10). يقع النجم الثاني على بعد 6500 سنة ضوئية، وسيكون مرئيًا تمامًا لو كان نجمًا عاديًا. إن اختفاءه، وانبعاث الأشعة السينية القوية التي ينتجها النظام، وأخيراً تقدير الكتلة، دفع معظم علماء الفلك إلى الاعتقاد بأن هذا هو أول اكتشاف مؤكد لثقب أسود نجمي.

شكوك

ومع ذلك، هناك أيضا المتشككين. ومن بينهم أحد أكبر الباحثين في الثقوب السوداء، الفيزيائي ستيفن هوكينج. حتى أنه راهن مع زميله الأمريكي كيل ثورن، وهو مؤيد متحمس لتصنيف كائن Cygnus X-1 على أنه ثقب أسود.

إن الجدل الدائر حول هوية الجسم Cygnus X-1 ليس رهان هوكينج الوحيد. بعد أن كرس عدة سنوات تسع سنوات البحث النظريالثقوب السوداء، أصبح مقتنعا بمغالطة أفكاره السابقة حول هذه الأجسام الغامضة، وعلى وجه الخصوص، افترض هوكينج أن المادة بعد سقوطها في الثقب الأسود تختفي إلى الأبد، وتختفي معها كل أمتعتها المعلوماتية. لقد كان متأكداً من ذلك لدرجة أنه راهن على هذا الموضوع في عام 1997 مع زميله الأمريكي جون بريسكيل.

الاعتراف بالخطأ

في 21 يوليو 2004، في خطابه أمام مؤتمر النظرية النسبية في دبلن، اعترف هوكينج بأن بريسكيل كان على حق. الثقوب السوداء لا تؤدي إلى الاختفاء الكامل للمادة. علاوة على ذلك، لديهم نوع معين من "الذاكرة". قد تحتوي على آثار لما استهلكوه. وبالتالي، من خلال "التبخر" (أي إصدار الإشعاع ببطء بسبب التأثير الكمي)، يمكنهم إعادة هذه المعلومات إلى كوننا.

الثقوب السوداء في المجرة

لا يزال لدى علماء الفلك الكثير من الشكوك حول وجود ثقوب سوداء نجمية (مثل تلك التي تنتمي إلى النظام الثنائي Cygnus X-1) في مجرتنا؛ ولكن هناك شك أقل بكثير حول الثقوب السوداء الهائلة.

في المركز

تحتوي مجرتنا على ثقب أسود هائل واحد على الأقل. مصدره، المعروف باسم القوس A*، يقع بدقة في وسط المستوى درب التبانة. ويفسر اسمها بحقيقة أنها أقوى مصدر راديوي في كوكبة القوس. في هذا الاتجاه توجد المراكز الهندسية والفيزيائية لنظامنا المجري. يقع الثقب الأسود الهائل المرتبط بمصدر الموجات الراديوية Sagittarius A* على بعد حوالي 26000 سنة ضوئية، وتقدر كتلته بحوالي 4 ملايين كتلة شمسية، موجود في مساحة يمكن مقارنة حجمها بحجم النظام الشمسي. لقد تسبب قربه النسبي منا (هذا الثقب الأسود الهائل هو بلا شك الأقرب إلى الأرض). السنوات الاخيرةخضع الجسم لدراسة متعمقة بشكل خاص باستخدام مرصد شاندرا الفضائي. واتضح، على وجه الخصوص، أنه يمثل أيضا مصدر قويإشعاع الأشعة السينية (لكنه ليس بنفس قوة المصادر الموجودة في نوى المجرة النشطة). قد يكون برج القوس A* بقايا خاملة مما كان النواة النشطة لمجرتنا منذ ملايين أو مليارات السنين.

الثقب الأسود الثاني؟

ومع ذلك، يعتقد بعض علماء الفلك أن هناك مفاجأة أخرى في مجرتنا. نحن نتحدث عن ثقب أسود ثان متوسط ​​الكتلة، يجمع مجموعة من النجوم الشابة ويمنعها من السقوط في ثقب أسود هائل يقع في وسط المجرة نفسها. كيف يمكن أن يكون ذلك على مسافة أقل من واحد سنة ضوئيةهل يمكن أن يكون هناك عنقود نجمي يبلغ عمره بالكاد 10 ملايين سنة، أي أنه وفقًا للمعايير الفلكية، صغير جدًا؟ وفقا للباحثين، فإن الجواب هو أن العنقود لم يولد هناك (البيئة المحيطة بالثقب الأسود المركزي معادية للغاية لتكوين النجوم)، ولكن تم "سحبه" إلى هناك بسبب وجود ثقب أسود ثان بداخله، والذي لديه كتلة متوسطة.

فى مدار

بدأت النجوم الفردية في العنقود، التي يجذبها الثقب الأسود الهائل، في التحول نحو مركز المجرة. ومع ذلك، بدلًا من أن تتشتت في الفضاء، تظل متجمعة معًا بفضل قوة الجاذبية للثقب الأسود الثاني الموجود في مركز العنقود. يمكن تقدير كتلة هذا الثقب الأسود بناءً على قدرته على الاحتفاظ بمجموعة نجمية كاملة بمقود. يبدو أن الثقب الأسود متوسط ​​الحجم يستغرق حوالي 100 عام للدوران حول الثقب الأسود المركزي. وهذا يعني أن الملاحظات طويلة المدى على مدار سنوات عديدة ستسمح لنا بـ "رؤيتها".