الفصل الثامن

الثقوب السوداء وتأثيراتها الثانوية

الثقوب السوداء لا تَمتص فقط

لو كانت أعيُننا تستطيع رصد ما يُوجَد في السماء عند أطوالٍ موجية تقع في النطاق الراديوي أو نطاق الأشعة السينية، لكُنَّا سنرى أنَّ بالوناتٍ ضخمة أو فصوصًا من البلازما تمتدُّ عَبر بعض المجرات. وتحتوي هذه البلازما على جزيئات مشحونة تتحرك بسرعاتٍ قريبة من سرعة الضوء، وتُصدِر إشعاعًا قويًّا له أطوال موجية مُتنوعة عَبر نطاقٍ واسع. وتنشأ فصوص البلازما التي تظهر في بعض هذه المجرات (التي تُعَد أمثلة لما يُعرَف باسم «المجرات النشطة») بفعلِ نفثاتٍ تتحرك بسرعات عالية إلى حدٍّ يجعلها قريبةً من سرعة الضوء، وتتدفَّق خارجًا من الوسط المحيط بالثقب الأسود مباشرة، خارج منطقة أفق الحدث الموجودة حوله. وقد أوضح روجر بنروز بأسلوبٍ عام كيف يمكن، من حيث المبدأ، استخراج طاقة دوران ثقب أسود من منطقة الإرجوسفير المحيطة به. وقد بيَّن روجر بلاندفورد ورومان زنايك كيف يمكن تحويل الطاقة المخزَّنة في ثقبٍ أسود دوَّار إلى مجالات كهربائية ومغناطيسية في الواقع؛ وبذلك تُتيح القدرة على إنتاج هذه النفثات النسبوية من البلازما، أي التي تقترب سُرعتها من سرعة الضوء. وكذلك تُوجَد تفسيرات أخرى للآلية التي تُطلَق النفثات بها من الثقوب السوداء القريبة. غير أنَّ معرفة التفسير الصحيح من بين هذه التفسيرات ما زالت قيد الدراسة في أبحاثٍ حالية دءوبة ومُثيرة.

وأيًّا كانت الآلية أو الآليات التي يُكشَف عنها، فإن هذه النفثات عبارة عن تدفُّقات من أشعة متوازية شديدة مقذوفة من المنطقة المحيطة بالثقب الأسود، ولكن خارج أُفق الحدث بالطبع. وفي الحقيقة، فالمناطق الواقعة بين المجرَّات ليست فضاءً فارغًا. بل تمتلئ بغازٍ مُتناثر ومُخفَّف جدًّا يُسمَّى الوسط الكائن بين المجرات. عندما تصطدم النفثات بالوسط الكائن بين المجرات، تتشكل موجات صدمية تتسارع داخلها الجسيمات تسارُعًا مذهلًا، وتتصاعد البلازما النشِطة المفعمة بالطاقة، التي نشأت في نفثةٍ بالقُرب من الثقب الأسود، إلى الأعلى وتتدفَّق خارج المنطقة المحيطة بموضع حدوث الصدمة مباشرة. ومع تمدُّد البلازما، فإنها تنقُل كمياتٍ هائلة من الطاقة إلى الوسط الكائن بين المجرات. تُوجَد أمثلة عديدة على بعضٍ من نفثات البلازما هذه تمتدُّ عبر مسافاتٍ تُساوي ملايين السنين الضوئية. وبذلك فإنَّ الثقوب السوداء لها تأثير كوني هائل يتجاوز مناطق أُفق الحدَث المحيطة بها بسنين ضوئية عديدة. وسأصِف في هذا الفصل تأثير الثقوب السوداء في الوسط المحيط بها وتفاعلاتها معه.

كما نُوقِش في الفصل السادس، يُوجَد عند مركز معظم المجرَّات (على الأرجح) ثقبٌ أسود تتراكم عليه المادة؛ ما يؤدي إلى انبعاث إشعاع كهرومغناطيسي. تُعرف هذه المجرَّات بالمجرات النشِطة. وفي بعضها، تكون عملية التراكُم فعَّالة للغاية ويكون انبعاث الإشعاع الناتج شديدَ الإضاءة. وتسمَّى هذه المجرات أشباه النجوم (وهو مصطلح مشتق من تعريفها الأصلي الذي تُعرَف فيه بأنها «مصادر إشعاع راديوي شِبه نجمية»، وهي نقاط بعيدة جدًّا ينبعِث منها إشعاع راديوي شديد الإضاءة). نفهم الآن أنَّ أشباه النجوم تشهد أقوى إطلاق للطاقة المستدامة بين كل إطلاقات الطاقة المعروفة في الكون. فأشباه النجوم تُشعُّ طاقةً عبر الطيف الكهرومغناطيسي كله، من الموجات الراديوية ذات الطول الموجي الطويل، مرورًا بالأطوال الموجية للضوء البصري (المرئي)، وصولًا إلى الأشعة السينية وما بعدَها. ويمكن أن تكون الفصوص الباعثة للإشعاع الراديوي، المذكورة أعلاه، مُثيرةً ولافتة جدًّا لأنها تمتدُّ عبر مسافاتٍ تزيد على مئات الآلاف من السنين الضوئية (انظر شكل ٨-١). وتنشأ الطاقة التي تُشَع عند الأطوال الموجية الراديوية من تلك الفصوص الكبيرة؛ وهي خزانات من البلازما الممغنطة الفائقة السخونة التي تستمدُّ طاقتها من نفثاتٍ تنقُل الطاقة عبْر مسافاتٍ هائلة في الفضاء. وتتعرض الإلكترونات العالية الطاقة (والمقصود هنا بالعالية الطاقة أنها تتحرك بسرعة قريبة جدًّا من سرعة الضوء) لقوًى تؤثر عبر اتجاه حركتها من المجالات المغناطيسية المحيطة التي تنتشِر خلال فصوص البلازما التي تتحرك داخلها تلك الإلكترونات.
fig19
شكل ٨-١: هذه صورة مبثوثة بالموجات الراديوية لأحد أشباه النجوم العملاقة الذي يمتدُّ عبْر نطاقٍ مقداره مليون سنة ضوئية.

وهذا التسريع يجعلها تُصدر إشعاعًا من الفوتونات يُعرَف باسم الإشعاع السنكروتروني (وهو قد يكون راديويًّا، أو قد يكون مُنتميًا، في حالات نادرة تتَّسِم بطاقةٍ عالية، إلى نطاقٍ ذي أطوال موجية أقصر بكثير، وصولًا إلى الأشعة السينية).

ولإعطاء فكرةٍ عن حجم الطاقة التي تُنتِجها أشباه النجوم، تأمَّلوا القِيَم التالية. تُنتِج مصابيح الصمام الثنائي الباعِث للضوء (إل إي دي) التي أعملُ على ضوئها طاقةً مقدارها ١٠ وات. وتُضاء تلك المصابيح بكهرباء مُستمَدَّة من محطة توليد الكهرباء المحلية التي تُوجَد في منطقتِي وتُنتِج بضعة مليارات وات (يُساوي المليار وات ١٠٩ وات أو جيجاوات). وتُنتج الشمس نحو ٤ × ١٠٢٦ وات، أي أكثر ممَّا تُنتِجه محطة الكهرباء هذه بمائة مليون مليار مرة. أمَّا مجرَّتنا، درب التبانة، فتحوي أكثر من ١٠٠ مليار نجم، ويقترب مقدار الطاقة التي تُنتِجها من ١٠٣٧ وات. لكن الطاقة التي يُنتِجها أحد أشباه النجوم يمكن أن تتجاوز حتى الطاقة التي تُنتِجها المجرَّة بأكثر من ١٠٠ مرة. تذكروا أنَّ ما يُطلِق هذه الطاقة ليس مجرة مُكونة من ١٠٠ مليار نجم، بل العمليات الجارية حول ثقب أسود واحد. ويمكن أن يُلحِق إشعاعٌ كهذا أضرارًا جسيمة بصحة الكائنات الحية هنا على كوكب الأرض؛ لذا من حُسن حظِّنا عدم وجود أشباه نجوم قوية كهذه بالقُرب من مجرَّتِنا!

يُعتقد أنَّ النفثات الموجودة في أشباه النجوم تستمرُّ مليار سنة أو أقل، وتستند هذه الفكرة إلى بعض تقديرات سُرعة نمو نفثات هذه الأجسام، وإلى قياسات الحجم التي نمت حتى وصلَت إليه. وبذلك فإنَّ علاقةً بسيطة بين المسافة والزمن والسرعة تُقدِّم خيطًا إرشاديًّا إلى معرفة المُدَد المحتملة لاستمرارية نشاط النفثات في أشباه النجوم المرصودة عبر الكون.

ومع تمدُّد هذه الفصوص الباعثة للإشعاع الراديوي، تضعف مجالاتها المغناطيسية كما تضعُف الطاقات «الداخلية» للإلكترونات المفردة في تلك الفصوص. ويعمل هذان التأثيران على تقليل شدَّة الإشعاع مع مرور الزمن وزيادة مسافة البُعد عن الثقب الأسود؛ ويعتمِد مقدار الانخفاض الكبير في هذه الشدة على عدد الإلكترونات ذات الطاقة العالية الموجودة مقارنةً بعدد الإلكترونات الموجودة ذات الطاقة الأقل. ومن خواصِّ الإشعاع السنكروتروني أنه كلما كانت شدة المجال المغناطيسي أضعف، وجَبَ أن تكون الإلكترونات أعلى طاقةً لتُنتِج الإشعاع عند الطول الموجي الذي يُضبَط التلسكوب الراديوي لاستقبال الإشعاع عنده. وهذا يُضاعف مقدار تضاؤل شدة الإشعاع السنكروتروني مع تمدُّد فصوص البلازما إلى الفضاء الخارجي. ولا يقتصِر تأثير تمدُّد البلازما على أنَّ الإلكترونات تفقد الطاقة، ولكن نظرًا لأنَّ قوة المجال المغناطيسي تضعُف، فإنَّ الإلكترونات ذات الطاقة المتزايدة فقط هي التي تكون مرتبطةً بما يرصده التلسكوب، وفي كثير جدًّا من الأحيان، يكون عدد ما يُوجَد من تلك الإلكترونات أقل بكثيرٍ من عدد الإلكترونات ذات الطاقة المنخفِضة على أي حال. ويمكن أن ينطفئ ضوء الفصوص الباعِثة للإشعاع الراديوي في أشباه النجوم بسرعةٍ كبيرة.

ولا يعني هذا أنَّ العرض قد انتهى، لكنَّ المشهد انتقل إلى نطاقٍ مختلف من الأطوال الموجية. وهكذا يحدُث شيء لافِت بعض الشيء؛ إذ تُضيء الفصوص بالأشعة السينية. ويحدُث هذا من خلال عملية تشتُّت تُعرَف باسم تشتت كومبتون العكسي. ففي وجود مجال مغناطيسي كبير بما يكفي، يُمكن أن تُصدِر الإلكترونات إشعاعًا سنكروترونيًّا، وبذلك تفقد طاقة. وكذلك تُوجَد آلية أخرى لفُقدان الطاقة مرتبطة بهذا الموضوع الذي نُناقِشه، وهي تحدُث من خلال تفاعُل هذه الإلكترونات مع الفوتونات التي تُشكِّل إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، أي الإشعاع المتبقِّي من الانفجار العظيم، والذي يغمر الكون حاليًّا بوهجٍ بارد من الموجات الميكروية. فمن الممكن أن يتصادم مثل هذا الإلكترون مع فوتون من إشعاع الخلفية الكونية الميكروي بحيث تُصبح طاقة الفوتون أكبر بكثيرٍ مما كانت عليه قبل الاصطدام وتُصبح طاقة الإلكترون أقل بكثيرٍ مما كانت عليه قبل الاصطدام (تذكروا أنَّ الطاقة كمية محفوظة عمومًا). ومن الظواهر التي تحمل أهميةً خاصة أنه عندما تنخفِض طاقات الإلكترونات السريعة الحركة إلى مقدارٍ يساوي طاقة إلكترون في وضع السكون ١٠٠٠ مرة فقط (بعدما كانت في السابق أعلى من ذلك بنحو ١٠٠ أو ١٠٠٠ مرة)، تكون طاقاتها مُكافئة تمامًا للقدْر الذي يجعلها تُشتِّت فوتونات إشعاع الخلفية الكونية الميكروي وترتقي بها إلى فوتوناتٍ في نطاق الأشعة السينية. تجدُر الإشارة هنا إلى أنَّ تفاعُل أحد الإلكترونات العالية الطاقة مع فوتون مُنخفِض الطاقة لإنتاج فوتون عالي الطاقة يتشابَهُ بعض الشيء مع ما يحدُث في لعبة السنوكر حين تصطدم الكرة البيضاء (تخيل أنَّ هذه إلكترون) بإحدى الكرات الحمراء، وتكتسب الكرة الحمراء قدرًا كبيرًا من الطاقة على حساب انخفاض طاقة الكرة البيضاء (من أجل أن يكون هذا المثال التوضيحي مُناسبًا، يرجى التغاضي عن حقيقة أنَّ هذه الكرة لا تتحرك بسرعة الضوء!). وفي حين أنَّ المطاف ينتهي بالكرة الحمراء (حسبما يأمُل اللاعب) داخل أحد جيوب طاولة السنوكر، فإنَّ الفوتون (الذي كان طوله الموجي الأصلي يبلُغ نحو ملِّيمتر واحد) يكتسِب قدرًا من الطاقة يساوي طاقته قبل الاصطدام نحو مليون مرة؛ ولذا يُصبح طوله الموجي أقصر مليون مرة.

يتَّسِم قمر تشاندرا الصناعي، الذي أطلقَتْه وكالة ناسا في عام ١٩٩٩، بأنه حساسٌ للأطوال الموجية الموجودة في نطاق الأشعة السينية، ويستطيع في الواقع اكتشاف أزواجٍ من فصوصٍ على شكل أثقال التمارين (الدمبل) من إشعاعاتٍ في نطاق الأشعة السينية تمامًا كما يستطيع التلسكوب الراديوي اكتشاف هذه البِنَى المزدوجة عند أطوال موجية تُقدَّر بالسنتيمترات. تَظهر بعض البِنى المزدوجة التي رُصدت عند أطوالٍ موجية في النطاق الراديوي على هيئة مخططات كنتورية في شكلَي ٢٠ و٢١، بينما تَظهر فيهما تلك البنى المزدوجة في نطاق الأشعة السينية على هيئة تدرُّج رمادي.

وفي الواقع إذا استطعْنا مُراقبة دورة حياة أحد أشباه النجوم هذه خلال كل تلك المراحل التطوُّرية (على غرار الطريقة التي قد يُراقِب بها عالِم الأحياء دورة تطور حياة الضفدع من طورِ بيض الضفادع إلى شراغيف إلى شراغيف بسيقان صغيرة، إلى ضفادع صغيرة بذيول قصيرة، إلى ضفادع أكبر، ثم إلى ضفادع ميتة) فسنرصد تحوُّلًا من تألُّق البِنى المزدوجة بإشعاعٍ ذي أطوال موجية في النطاق الراديوي إلى أنها تُصبح مُهيمنة بدرجةٍ متزايدة في نطاق الأشعة السينية. أولًا، ستتلاشى البِنى ذات الإشعاع الراديوي إلى أن تُصبح غير قابلة للاكتشاف، ثم تتلاشى البِنى ذات الأشعة السينية إلى أن تُصبح غير قابلةٍ للاكتشاف. وبالطبع إن كان ممكنًا أن تبدأ النفثات من جديد، لو كان ممكنًا أن يحصل الثقب الأسود على مزيدٍ من الوقود مثلًا، فعندئذٍ ستزوِّد النفثات فصوصًا مزدوجة جديدة باعثة للإشعاع الراديوي بالوقود، ثم تزوِّد فصوصًا باعِثة للأشعة السينية بالوقود مُجددًا. وكما رأينا في الشكلَين ٨-٢ و٨-٣، في بعض أشباه النجوم، نستطيع أن نرى كلًّا من البِنى المزدوجة ذات الإشعاع الراديوي والبِنى المزدوجة ذات الأشعة السينية في آنٍ واحد، ولكن في البعض الآخر، إمَّا أن نرى هذه أو تلك (شكل ٨-٤). وفي حالتَين لافتتَين، نرى أنَّ البنية المزدوجة ذات الأشعة السينية تتوافق مع تجسيدٍ سابق لنشاط النفثات، ولكن مع نشاط راديوي جديد أيضًا، بزاوية مختلفة لأنَّ الاتجاه الذي تُطلَق بطوله النفثات المتعاكسة التوجيه قد تأرجَح؛ أي تغيَّر موضعه الزاوي، ويظهر مثال لهذه الظاهرة في شكل ٨-٣.
fig20
شكل ٨-٢: يمتد شِبه النجم (الكوازار) العملاق هذا على مسافةٍ مقدارها نصف مليون سنة ضوئية، ويتضمن بِنية مزدوجة الفصوص عند كلٍّ من نطاق الأطوال الموجية الراديوية (الموضح في هيئة خطوط كنتورية) ونطاق الأطوال الموجية للأشعة السينية (الموضح في هيئة تدرُّج رمادي).
fig21
شكل ٨-٣: البنية المزدوجة الفصوص التي رُصدَت في شبه النجم هذا عند أطوالٍ موجية راديوية [خطوط الكنتور] توضح أنَّ اتجاه النشاط الأحدث مختلف تمامًا عن ذلك الذي يظهر عند طاقات نطاق الأشعة السينية [التدرُّج الرمادي] (بقايا الانبعاث الذي كشفَه تشتُّت كومبتون العكسي لفوتونات إشعاع الخلفية الكونية الميكروي) ما يُشير إلى أنَّ الموضع الزاوي لمحور النفثة ربما يكون قد تغير كما يتغير الموضع الزاوي لمحاور النفثات في أشباه النجوم الميكروية.

يُعَد ثبات محور النفثة في العديد من أشباه النجوم والمجرات الراديوية مؤشرًا على ثبات الزخم الزاوي للثقب الأسود الفائق الضخامة، فيُعتبَر هكذا بمثابة جيروسكوب. ولا يُمكن معرفة السبب الذي يجعل الموضع الزاوي لبعض محاور النفثات هذه يتغيَّر دون غيرها من المحاور الأخرى إلَّا عند اكتشاف العوامل التي تحكم الزخم الزاوي للنفثات عند نقطة الإطلاق بالقُرب من الثقب الأسود. ولم يتضِح بعدُ ما إذا كان هذا هو محور دوران الثقب الأسود نفسه، أم مُتَّجه الزخم الزاوي للجزء الداخلي من القرص التراكُمي، وما يُفاقِم هذا الغموض بالتأكيد تأثير لينز-ثيرينج أو تأثير باردين-بيترسون، اللذين ذكرتهما في الفصلَين الثالث والسابع على الترتيب، ويَلزم وجود مزيد من البيانات لتفسير السلوك المرصود تفسيرًا تامًّا. ولكن ثمة خيوط إرشادية من أجسام أصغر أقرب إلى كوكب الأرض ربما تُشير إلى أنَّ تغير الموضع الزاوي لمحاور النفثات يرتبط ارتباطًا تامًّا بالزخم الزاوي للقُرص التراكمي.

fig22
شكل ٨-٤: هذه صورة مُلتقطة بالأشعة السينية وتُظهِر البنية المزدوجة الفصوص التي تمتدُّ عبر هذه المجرة والتي لا يمكن اكتشافها إلَّا عند الأطوال الموجية الواقعة في نطاق الأشعة السينية.

أشباه النجوم الميكروية

تُعَد أشباه النجوم التي ناقشناها حتى الآن كلها عبارة عن ثقوب سوداء فائقة الضخامة تقع في مراكز المجرات النشطة. ولكن اتضح وجود فئةٍ أخرى من الأجسام تسلك سلوكًا مُشابهًا جدًّا ولكن على نطاقٍ أصغر بكثير. ويمكن رصد هذه الثقوب السوداء ذات الكتلة الأقل عند مسافاتٍ أقرب إلى كوكب الأرض، بل وتقع داخل مجرتنا درب التبانة، ويُطلَق عليها «أشباه النجوم الميكروية». ومع أنَّ الاختلاف في الحجم هائل، فإنَّ كلًّا من أشباه النجوم الميكروية الموجودة في مجرَّتنا والموجودة خارجها عند مراكز المجرات الأخرى يُصدِر نفثاتٍ من البلازما ذات خصائص فيزيائية مُتشابهة. يُعتقد أنَّ كِلا النوعَين يستمدُّ الطاقة من سقوط المادة نحو ثُقبٍ أسود تحت تأثير الجاذبية. وفي حالة أشباه النجوم العادية، تكون كتلة الثقب الأسود مشابهةً لكتلة الشمس. أمَّا في حالة أشباه النجوم القوية الواقعة خارج المجرة، فيمكن أن تكون كتلة ثقوبها السوداء أكبر من كتلة شمسِنا بمائة مليون مرة. ويرى علماء الفيزياء الفلكية أنَّ إحدى الميزات المُهمَّة لأشباه النجوم المحلية الواقعة في مجرتنا تتمثَّل في أنها أصغر كتلة ولذا تتطوَّر بسرعةٍ أكبر بكثيرٍ على نطاقاتٍ زمنية تُقدَّر بأيام بدلًا من ملايين السنين في حالة أشباه النجوم. لكنَّ النفثات التي تتدفَّق خارجًا من على مقربةٍ من مركز النشاط كله تُطلَق من خارج أُفق الحدث، كما يحدث في حالة أشباه النجوم، ومن المرجَّح جدًّا أنها تُطلَق من أقرب حواف القرص التراكمي الداخلية إلى مركزه.

ثمة آليات مُعقدة تؤثر في هذه العمليات، ولا تُوجَد عَلاقة بسيطة بين السرعة التي تُطلَق بها النفثة وكتلة الثقب الأسود الذي ترتبط به. ففي أثناء مراقبة النفثات في شبه النجم الميكروي الذي يُحيط بثقبٍ أسود ويُسمَّى «سيجنوس إكس-٣»، تَظهر حالات وُجِد فيها أنَّ السرعات التي تتحرك بها نفثات البلازما بعيدًا عن الثقب الأسود تتباين. وقد قِيسَ ذلك بقياساتٍ فلكية مُتتالية الأزمنة تتضمَّن إجراء أرصادٍ عند أزمنةٍ متتالية، وهذه الأرصاد تُتيح تحديد مقدار سرعة اندفاع نفثة البلازما بعيدًا عن مُحيط الثقب الأسود. وقد أظهرت هذه القياسات في إحدى المرات أنَّ سرعة النفثة تساوي ٨١٪ من سرعة الضوء، في حين أنها وصلت بعد ذلك بأربع سنوات إلى ٦٧٪ من تلك السرعة. ولا يُوجَد ما يوحي بأن سرعة النفثة تتناقص فقط مع مرور الوقت؛ لأنَّ تحرُّك النفثة في شِبه النجم الميكروي هذا بسرعاتٍ سريعة وسرعات أبطأ منذ اكتشافه قد شُهد في عددٍ من المرات. ويبدو أنَّ تبايُن سرعات النفثة يُميِّز شبه نجمٍ ميكرويًّا آخر معروفًا جيدًا في مجرَّتنا، يُسمَّى «إس إس٤٣٣»، وسأصِفه بمزيدٍ من التفصيل أدناه. ويبدو أنَّ سرعة النفثة في شبه النجم الميكروي هذا تتبايَن بدرجةٍ كبيرة أيضًا، بل يمكن أن تساوي أي مقدار يتراوح بين ٢٠٪ و٣٠٪ من سرعة الضوء خلال أيام قليلة فقط.

جمال التناظُر

يُظهر شكل ٨-٥ صورة مُلتقَطة بالأشعة الراديوية لشِبْه النجم «إس إس٤٣٣»، الذي يقع في المجرة ويبعُد عنَّا ١٨ ألف سنة ضوئية فقط. ويُمثِّل هذا النمط اللافت الذي يمزج بين نمطٍ مُتعرِّج وآخر لولبي بِنية نفثات البلازما كما تظهر لنا على مستوى السماء. تتحرك الشُّهُب المتفجِّرة المفردة من البلازما التي تُكوِّن تلك النفثات بسرعاتٍ هائلة تتراوح بين ٢٠٪ و٣٠٪ من سرعة الضوء. وتتبايَن محاور الاتجاهات التي تتحرك على طولها الشُّهُب المتفجِّرة مع مرور الزمن تباينًا دوريًّا باستمراريةٍ ثابتة. وفي الواقع، فإنَّ الموضع الزاوي للمحور الذي تُطلَق النفثات على طوله يتغير بالطريقة نفسها التي يتغير بها الموضع الزاوي لمجداف قائد أحد قوارب الكاياك، في الإطار المرجعي لقارب الكاياك، باستثناء أنَّ ذلك يحدُث على نطاقٍ زمني مُدته ستة أشهر بدلًا من عدة ثوانٍ. ويبدو أنَّ هذا السلوك نفسه يحدث في بعض أشباه النجوم على الأقل (انظر شكل ٨-٣)، وإن كان حدوثه في تلك الحالة يكون بحركةٍ بطيئة جدًّا إلى حدٍّ يُعجِزنا عن أخذ عيناتٍ زمنية مناسبة تُعبِّر عن مُدد التغيرات التي تحدث.
fig23
شكل ٨-٥: النفثتان المنبعِثتان من شِبه النجم «إس إس٤٣٣» كما تظهران عند أطوالٍ موجية راديوية.
ويعتمِد المظهر التفصيلي للنمَط الذي يمزج بين نمطٍ مُتعرِّج وآخر لولبي في السماء اعتمادًا مباشرًا على الحركات المادية للشهب المتفجِّرة، بالإضافة إلى الزمن الذي يُجرى عنده الرصد. وتتمثل إحدى السمات اللافتة للنفثات في تناظُرها؛ فالحركات المادية للمُكونات الموجودة في النفثة الشرقية مساوية لتلك الموجودة في النفثة الغربية ومُعاكسة لها؛ فعندما تكون سرعة أحد الشهب المتفجِّرة من البلازما ٢٨٪ من سرعة الضوء، تكون سرعة نظيره في النفثة ذات الاتجاه المعاكس مساويةً لهذه القيمة أيضًا؛ وإذا كانت سرعة شهاب متفجِّر آخر من البلازما تساوي ٢٢٪ من سرعة الضوء، فستكون سرعة نظيره في النفثة ذات الاتجاه المعاكس مساويةً لهذه القيمة أيضًا. وتجدُر الإشارة هنا إلى أنَّ ظهور إحدى النفثتَين ببنيةٍ مُتعرِّجة وظهور النفثة الثانية بنمطٍ لولبي مختلف بعض الشيء يحدثُ نتيجةَ أنَّ نفثة البلازما دائمًا ما تتحرك بسرعاتٍ مقاربة لسرعة الضوء، وللانحرافات النسبوية المعروفة التي تحدث في مثل هذه الظروف. صحيح أنَّ الطاقة التي يُشعُّها شِبه النجم الميكروي هذا متواضعة بعض الشيء مُقارنةً بالطاقة التي تُشعُّها أشباه النجوم الواقعة خارج المجرة، لكنها ما تزال هائلةً مُقارنة بطاقة الشمس التي تبدو ضئيلةً بعض الشيء؛ إذ يبلغ إجمالي شدة إضاءتها ٤ × ١٠٢٦ وات فقط، وهذه القيمة أقل بمائة ألف مرة من شدة الإشعاع الذي يُصدِره شبه النجم الميكروي الموضح في شكل ٨-٥.

إطلاق النفثات

يُمثل عنقود العذراء المجرِّي عنقودًا مؤلَّفًا من أكثر بكثيرٍ من ألف مجرَّةٍ تبعُد أكثر من ٥٠ مليون سنة ضوئية عن مجرة درب التبانة. وتُوجَد في قلبه مجرة عملاقة تُسمَّى «إم٨٧» (اختصارًا لكلمة «مسييه ٨٧»، وهي مُدرجة في القائمة التي أنشأها عالم الفلك الفرنسي تشارلز مسييه). ويُوجَد في قلبها ثُقب أسود فائق الضخامة ذو كتلةٍ تَعدِل كتلة شمسنا ثلاثة مليارات مرة. وتنبثق من هذا الثقب نفثة مُستقيمة قوية، كما هو موضح في شكل ٨-٦.
fig24
شكل ٨-٦: نفثة من البلازما تتدفَّق خارجًا، بسرعاتٍ قريبة من سرعة الضوء، من الثقب الأسود الفائق الضخامة الموجود عند مركز مجرة «إم٨٧».

يمكن رؤية هذه النفثة بسهولة عند أطوالٍ موجية موجودة في نطاق الضوء المرئي، وأطوال موجية في نطاق الموجات الراديوية وأطوال موجية في نطاق الأشعة السينية. ويُظَن أن المادة المتساقِطة تتراكَم بمعدلٍ كُتَلي يتراوح بين كُتلتَين شمسيتَين وثلاث كتل شمسية سنويًّا، على النواة الموجودة عند المركز بالضبط حيث يُوجَد قرصٌ تراكُمي من النوع المذكور في الفصل السادس يؤثر في تلك العملية حسبما يُعتقَد. وتُعَد السرعة التي تتحرك بها هذه النفثة بعيدًا عن نقطة انطلاقها، التي تُوجَد على الأرجح في أقرب منطقةٍ من مركز القرص التراكمي، قريبة جدًّا من سرعة الضوء، ولذا توصَف بأنها نفثة نسبوية. وقد كُشِف عن سرعات النفثات القريبة من سرعة الضوء من خلال المراقبة المتتالية باستخدام أداة مصفوفة الخطِّ الأساسي الطويلة جدًّا التي قدَّمتُها في الفصل السابع، وتلسكوب هابل الفضائي والأقمار الصناعية التابعة لمرصد تشاندرا للأشعة السينية؛ إذ يُوجَد كلٌّ من ذلك التلسكوب وهذا المرصد فوق الغِلاف الجوي للأرض، ولذا يبلغان حساسية أعلى مما كانا سيبلغانها لو كانا على سطح الأرض. وعلى بعد ٥٠ مليون سنة ضوئية من الأرض، فإنَّ الجسم الذي يتحرك بسرعة الضوء سيكون متحركًا عبر السماء بمعدل أربعة ملِّي ثوانٍ قوسية في السنة. وعندما يوضع في الحسبان أنَّ الثانية القوسية تكافئ ١ / ٣٦٠٠ من الدرجة، فإنَّ جزءًا من أربعة آلاف منها قد تبدو زاوية بالِغة الصغر يستحيل قياسها، لكنَّ مثل هذه المسافات الدقيقة الفاصلة قابلة للاستبانة بسهولة باستخدام أداة مثل مصفوفة الخط الأساسي الطويلة جدًّا. وتجدُر الإشارة هنا إلى أنَّ مصفوفة الخط الأساسي الطويلة جدًّا قد تمكنت بالفعل من تصوير قاعدة هذه النفثة حتى مسافةٍ تقع في نطاقٍ يبلُغ أقل من نصف قطر شفارتزشيلد ٣٠ مرة من ثُقبها الأسود الفائق الضخامة.

يوضح شكل ٨-٧ مثالًا لفصوص وأعمدة ريشية الشكل من بلازما باعثة لإشعاع راديوي تُغذِّيها النفثات النسبوية المنبعثة من الثقب الأسود الفائق الضخامة في مجرة «إم٨٧».
ولتسليط مزيدٍ من الضوء على مسألة أنَّ ثمة فصوصًا ممتدَّة مرتبطة بالنفثات النسبوية، يُظهِر شكل ٨-٨ مثالًا يمتدُّ ستَّ درجات عبر السماء، ومُوضَّح أنه يُعطي فكرة عن الحجم بالنسبة إلى مصفوفة التلسكوبات المُستخدَمة لإجراء الرصد. وكانت مصفوفة التلسكوبات التي استخدمتها إيلان فين وزملاؤها هي مصفوفةُ التلسكوباتِ المتقارِبة في أُستراليا.

صحيح أنَّ الآليات التي تُسيِّر إطلاق النفثات النسبوية من المنطقة المحيطة بالثقب الأسود ما زالت أقربَ بكثيرٍ إلى أن تكون مجرد تخميناتٍ من أن تكون حقيقةً مقبولة بما لا يدع مجالًا للشك المنطقي. ولكن يبدو أنَّ عدة مسارات بحثية مُستقلة، تنتهجها فرق مستقلة تمامًا تستقر في بلدان مختلفة في أنحاء العالم، تُشير ضمنيًّا إلى أنَّ أغلب الأدلة تُرجح أنَّ التفاصيل الأساسية الناشئة صحيحة. ولكن بعيدًا عن الصورة العامة، فالآليات وكيفية عملها المفصلة قائمة على التخمينات، لكنها تُختَبر بصبرٍ وسط عدم كفاية الفوتونات وتأثيرات التحيُّز الانتقائي. لا تنتمي الإثباتات إلى العلم لكنَّ الأدلة تنتمي إليه بدرجةٍ كبيرة. وما يعوقنا مسألة أنه حتى التقنيات الأكثر تقدُّمًا بين تقنيات التصوير المستخدَمة حاليًّا لا تستطيع تمييز أصغر المناطق التي يُطلق عندها معظم الطاقة، وتوضيحها باستبانةٍ كافية، ولكن هذه هي الحالة الذي يمكن فيها أن تتجاوز المحاكاة العددية على الحواسيب القوية قيود التكنولوجيا الحالية. وفي الواقع، تُنشَر للتو نتائج من عملياتٍ لمُحاكاة إطلاق النفثات من الأقراص التراكمية تُفسِّر تأثيرات النسبية العامة تفسيرًا تامًّا. وتسمح عمليات المحاكاة هذه، مع عناصر إدخال ومُسلَّمات معروفة، بتطوُّر النفثات والأقراص إلى نطاقات مُعنية من الأحجام يمكن عندها مُقارنة خصائصها بالخصائص الواردة في أحدث عمليات الرصد.

fig25
شكل ٨-٧: الفصوص الباعثة للإشعاع الراديوي التي تُغذيها النفثات النسبوية المنبعثة من الثقب الأسود الفائق الضخامة الموجود عند مركز مجرة «إم٨٧».

فما الذي نعرفه الآن عن كُتَل الثقوب السوداء في الكون إذَن؟ يبدو أنها تندرِج تحت فئتَين رئيسيتين. أولاهما تضم تلك التي لها كُتَل مُقاربة لكتل النجوم. وتساوي كتلة هذه الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية مقدارًا يتراوح بين ثلاث كتل شمسية وثلاثين كتلة شمسية، وهي تتولَّد من نجوم أُحرِقَ كل وقودها.

fig26
شكل ٨-٨: صورة مركبة تُظهر صورةً بصرية للقمر ومصفوفة التلسكوبات المتقاربة في أستراليا، وصورة راديوية لمجرة «قنطورس أ».

ثم تأتي فئة الثقوب السوداء الفائقة الضخامة التي تصِل كتلتُها إلى نحو ١٠ مليارات كتلة شمسية. وكما ذُكِر، تُوجَد هذه النوعية في مراكز المجرات، بما فيها مجرَّتنا، وتُسبِّب الظواهر غير العادية في المجرات النشطة وأشباه النجوم.

تحدَّثنا عن سقوط الأشياء في ثقب أسود، ولكن ماذا يحدُث عند سقوط ثقبٍ أسود في ثقب أسود؟ هذا ليس سؤالًا مجردًا، لأنه من المعروف أنَّ الكون يُمكن أن يشهد وجود أنظمة ثنائية من ثُقبين أسودين. ويُوجَد في مثل هذه الأنظمة ثقبان أسودان يدور كلٌّ منهما في مدارٍ حول الآخر. ويُعتقَد، بسبب انبعاث الإشعاع القائم على موجات الجاذبية، أنَّ كِلا الثقبَين الأسودَين في تلك الأنظمة الثنائية سيبدأ في فُقدان الطاقة والدوران في مدار حلزوني نحو الداخل إلى أن يسقُط داخل الثقب الأسود الآخر. وفي المراحل الأخيرة من هذا الدوران في مسار حلزوني، تُدفَع النسبية العامة إلى نقطة الانهيار، ويندمج الثقبان فجأةً ليُكوِّنا ثقبًا أسود واحدًا ذا أفُق حدثٍ مُشترك. وتُعَد كمية الطاقة التي تُطلَق في اندماج ثقبَين أسودَين فائقَي الضخامة في نظامٍ ثنائي مُذهلة، ومن المحتمَل أن تكون أكبر من طاقة كل الضوء في كل النجوم في الكون المرئي. يتحوَّل معظم هذه الطاقة إلى موجاتِ جاذبية، أي تموُّجات في انحناء نسيج الزمكان، تنتقِل عبر الكون بسرعة الضوء. وجارٍ البحث عن أدلة على هذه الموجات. الفكرة أنَّه عندما تمر إحدى موجات الجاذبية بجسمٍ مادي، كقضيبٍ طويل مثلًا، يزيد طوله وينقُص بدرجةٍ طفيفة بينما تتدفَّق عبره التموُّجات في انحناء نسيج الزمكان. وإذا أمكن قياس هذه التغيُّرات البالِغة الصغَر في الطول، باستخدام تقنيةٍ كقياس التداخُل بالليزر، تُتاح بذلك طريقة لاكتشاف موجات جاذبية متولِّدة في مكانٍ آخر من الكون. وتتَّسِم كلٌّ من الأجهزةِ الأرضية والفضائية المستخدَمة في الكشف عن موجات الجاذبية — وهي أجهزةٌ أُنشِئت أمثلة لها بالفعل ويُعتزَم إنشاء المزيد منها — بالقدرة على التقاط إشاراتٍ من اندماجات الثقوب السوداء. وفي الواقع، فإن اكتشاف موجات الجاذبية صعبٌ جدًّا إلى حدٍّ يُحتِّم وجود مصدرٍ قوي جدًّا كي تسنح أي فرصة لنجاح مثل هذه التجارب، ويُعَد اندماج الثقوب السوداء من أبرز المصادر المُرشَّحة ليكون واحدًا من هذه المصادر القوية. وحتى وقت تأليف هذا الكتاب، لم يُكتشَف أيٌّ من موجات الجاذبية اكتشافًا مباشرًا بعد، لكنَّ التجارب مستمرة.

صَمَدت صحة أفضل نظرياتنا عن الجاذبية، المُستمَدة من نظرية النسبية العامة التي وضعها أينشتاين، أمام اختباراتٍ لا حصر لها منذ اكتشافها في عام ١٩١٥. فقد اتضح أنها تتَّفِق مع التجارب اتفاقًا أفضل بكثيرٍ من نظرية نيوتن التي حلَّت محلها. ولكن إذا كان سيُمكن على الإطلاق أن تُختبَر نظرية النسبية العامة حتى أقصى حدود صمودها، فلكُم أن تتوقَّعوا بكل ثقةٍ أنَّ الثقوب السوداء ستُثبت أنها أصعب اختبارٍ لصحة هذه النظرية التي تُعَدُّ من أركان الفيزياء الحديثة. فالحالات التي تكون فيها الجاذبية عند أشدِّ مستوياتها في أصغر حيِّزٍ في الفضاء، بحيث يُفترَض أن تكون التأثيرات الكمية مُهمة، هي بالضبط الحالات التي قد تنهار فيها النسبية العامة. ولكن ربما تنهار النسبية العامة على نطاقاتٍ كبيرة في الكون أيضًا. فمن الموضوعات التي يَكثُر النقاش بشأنها بالطبع مسألة كمال النسبية العامة لشرح التوسُّع المتسارِع للكون على أكبر النطاقات. إذ تدور نقاشاتٌ حول انحرافاتٍ مُحتملة عن النسبية العامة فيما يتعلق بالتوسُّع المتسارع والطاقة المظلمة. وإذا كُشِف عن موجات الجاذبية من اندماجات الثقوب السوداء، أو إذا عمَّقت عمليات الرصد فَهمَنا للظواهر والعمليات الفيزيائية الأساسية التي تحدث في المنطقة المحيطة بهذه الأجسام الرائعة، فستكون هناك فرصة جيدة لأن نتمكَّن من معرفة إلى أيِّ مدًى تظل نظرية أينشتاين صحيحة، أو ما إذا كان يلزم الاستغناء عنها واللجوء إلى نظريةٍ جديدة بديلة.

لماذا ندرس الثقوب السوداء؟

تستند دراسة الثقوب السوداء إلى عدة أسباب: أحدُها أنها تُتيح استكشاف فضاءٍ من المقاييس الفيزيائية المُحدِّدة سيكون الوصول إليه بطريقةٍ أخرى مُستحيلًا حتى وإن سُخِّرت لذلك ميزانيات اتحاد دولي. إذ تُمثل أنظمة الثقوب السوداء أشدَّ البيئات التي يُمكننا استكشافها تطرُّفًا، وبذلك فنحن نستكشِف أشد الظواهر المتطرفة في الفيزياء. وتجمع تلك الثقوب السوداء بين النسبية العامة والفيزياء الكمِّية اللتَين لم يتحقَّق توحيدهما معًا بعد، وما زال بمثابة حدٍّ مُقيِّدٍ في الفيزياء لا يُمكن تجاوزه. وثاني الأسباب أنَّ محاولة فهم ظواهر الثقوب السوداء تُثير انبهارًا لدى العلماء والكثير من الأشخاص العادِيِّين المتأمِّلين، وتُتيح طريقة يُمكن بها تحفيز الكثيرين بالعلم وحثِّهم على معرفة عظمة الكون الهائلة من حولنا. ويتمثَّل سبب ثالث، وربما يكون مفاجئًا، في التأثيرات الفرعية التي تلحق بكوكب الأرض. فكيف يُمكن أن تُغيِّر الأبحاث التي تدرس الثقوب السوداء حياتنا يا تُرى؟ الإجابة أنها غيَّرَتها بالفعل. فبينما أكتب هذه الجمل الأخيرة من هذا الكتاب الصغير على حاسوبي المحمول، يُنشئ في نفس الوقت نسخةً احتياطية من عملي على خادم الجامعة الخاص بي عبر بروتوكول ٨٠٢١١ الخاص بالاتصال اللاسلكي بالإنترنت. وهذه التكنولوجيا المعقَّدة الذكية انبثقت مباشرةً من بحثٍ عن أثرٍ مُعيَّن، عند أطوالٍ موجية راديوية، لثقوب سوداء متفجرة، وكان هذا البحث قد أجري بقيادة رون إيكرز لاختبار نموذجٍ اقترحه مارتن ريس (الذي صار الآن عضوًا في مجلس اللوردات وصاحب منصب الفلكي الملكي). وقد أدرك بعض المهندِسين العباقرة المتخصِّصين في الأنظمة الراديوية في أستراليا، بقيادة جون أوسوليفان، في أثناء ابتكار خوارزميات لكبح التداخُل سعيًا إلى إنجاز المهمة الصعبة المتمثِّلة في اكتشاف الإشارات الدقيقة من الفضاء البعيد، أنَّ تلك الخوارزميات يمكن تطبيقُها على تحويل الاتصالات هنا على كوكب الأرض. وهكذا فإنَّ الثقوب السوداء لدَيها القدرة على إعادة صياغة الفيزياء وتنشيط خيالنا بل وإحداث طفراتٍ ثورية في تقنياتنا. أي إنَّ الثقوب السوداء لها تأثيرات فرعية كثيرة — تتجاوز مناطق أفق الحدث المحيطة بها بمسافة بعيدة.

جميع الحقوق محفوظة لمؤسسة هنداوي © ٢٠٢٢