الثقب الأسود: ما هو وكيف يتم تكوينه والنظريات

الثقب الأسود هو ظاهرة مكانية ذات أبعاد عالية للغاية (عادة أكبر من الشمس) وذات كتلة مضغوط للغاية ، مما ينتج عنه مجال جاذبية قوي جدًا بحيث لا توجد جزيئات أو إشعاع تمكن من الخروج.

بما أنه حتى الضوء يُمتص ، فإن وجود الثقب الأسود يتضح من خلال عواقب الجاذبية التي يمكن ملاحظتها. في محيطه ، لا سيما من خلال التغيرات المدارية للأجرام السماوية القريبة ، والتي تبدأ في الانجذاب إلى الحفرة أسود.

بالإضافة إلى ذلك ، يدعي علماء الفلك والعلماء أن الثقب الأسود يمكن رؤيته بسبب انبعاث الضوء منه.

أول صورة لثقب أسود

أول صورة لثقب أسود قطره 40 مليار كيلومتر يقع في المجرة M87 ، على بعد 50 مليون سنة ضوئية من الأرض. الصورة: حدث Horizont Telescope.

تم نشر أول صورة لثقب أسود في أبريل 2019 في مؤتمر عقد في بروكسل. تم العثور عليها ، بعد عامين من المراقبة والبحث ، من خلال المشروع الدولي المسمى Event تلسكوب هورايزون (EHT) ، الذي يجمع ما يقرب من اثني عشر تلسكوبًا لاسلكيًا في العالم ، من أوروبا إلى القطب جنوب.

الجزء المرئي الوحيد من الثقب الأسود في الصورة هو الدائرة الذهبية ، التي دعاها علماء الفلك "أفق الحدث" (أفق الحدث بالبرتغالية) أو "نقطة اللاعودة".

في وسط أفق الحدث ، توجد كثافة كتلة لا تُحصى ، تسمى التفرد. جاذبية هذه النقطة قوية جدًا بحيث لا يمكن لأي أجسام محيطة الهروب.

من الناحية النظرية ، لا يمكن إلا لشيء يتحرك أسرع من سرعة الضوء أن يقاوم مجال الجاذبية للثقب الأسود. لهذا السبب ، ليس من الممكن أن نعرف على وجه اليقين ما يحدث للمسألة التي تم حلها.

كيف يتكون الثقب الأسود؟

تتكون الثقوب السوداء من انهيار الجاذبية للأجرام السماوية. تحدث هذه الظواهر عندما يكون الضغط الداخلي للجسم (عادة النجوم) غير كافٍ للحفاظ على كتلته. لذلك عندما ينهار قلب النجم بسبب الجاذبية ، ينفجر الجسم السماوي ويطلق كميات هائلة من الطاقة في حدث يعرف باسم سوبرنوفا.

صورة تمثيلية لمستعر أعظم.

أثناء المستعر الأعظم ، في جزء من الثانية ، يتم ضغط الكتلة الكاملة للنجم في قلبه أثناء انتقاله إلى ما يقرب من 1/4 سرعة الضوء (في الواقع ، في هذه اللحظة بالذات هي أثقل العناصر في الكون خلقت).

ثم الانفجار سوف يؤدي إلى النجم النيوتروني أو ، إذا كان النجم كبيرًا بما يكفي ، فستكون النتيجة تكوين ثقب أسود ، تخلق كتلته الفلكية من كتلته المركزة مجال الجاذبية المذكور أعلاه. في ذلك ، يجب أن تكون سرعة الهروب (السرعة اللازمة لبعض الجسيمات أو الإشعاع لمقاومة الجذب) أكبر من سرعة الضوء على الأقل.

ما هو حجم الثقب الأسود؟

تأتي الثقوب السوداء بأحجام مختلفة. يُطلق على أصغر الثقوب السوداء المعروفة للعلم اسم الثقوب السوداء البدائية ويعتقد أنها بحجم ذرة ولكن مع الكتلة الكلية للجبل.

تسمى الثقوب السوداء المتوسطة (التي تصل كتلتها إلى 20 ضعف الكتلة الكلية للشمس) بالنجوم. في هذه الفئة ، يبلغ أصغر ثقب أسود تم اكتشافه 3.8 أضعاف كتلة الشمس.

يُطلق على أكبر الثقوب السوداء المفهرسة اسم supermassives ، غالبًا ما توجد في مركز المجرات. على سبيل المثال ، يوجد في مركز درب التبانة القوس A ، وهو ثقب أسود كتلته تعادل 4 ملايين مرة كتلة الشمس.

حتى الآن ، يُطلق على أكبر ثقب أسود معروف اسم S50014 + 81 ، الذي تبلغ كتلته أربعين مليار ضعف كتلة الشمس.

أنواع الثقوب السوداء

صاغ عالم الفيزياء النظرية الألماني ألبرت أينشتاين مجموعة من الفرضيات المتعلقة بالجاذبية والتي كانت بمثابة الأساس لظهور الفيزياء الحديثة. تم تسمية هذه المجموعة من الأفكار نظرية النسبية العامة، حيث قام العالم بالعديد من الملاحظات الرائدة حول تأثيرات الجاذبية للثقوب السوداء.

بالنسبة لأينشتاين ، الثقوب السوداء هي "تشوهات في الزمكان ناتجة عن الكمية الهائلة من المادة المركزة". عززت نظرياته التقدم السريع في المنطقة ومكنت من تصنيف أنواع مختلفة من الثقوب السوداء:

شوارزشيلد بلاك هول

ثقوب شوارزشيلد السوداء هي تلك التي لا تحتوي على شحنة كهربائية وأيضًا ليس لها زخم زاوي ، أي أنها لا تدور حول محورها.

ثقب أسود كير

لا تحتوي ثقوب كير السوداء على شحنة كهربائية ولكنها تدور حول محورها.

ثقب أسود من Reissner-Nordstrom

تحمل الثقوب السوداء Reissner-Nordstrom شحنة كهربائية لكنها لا تدور حول محورها.

كير نيومان بلاك هول

تحمل الثقوب السوداء Kerr-Newman شحنة كهربائية وتدور حول محورها.

من الناحية النظرية ، تصبح جميع أنواع الثقوب السوداء ثقوب شوارزشيلد (ثابتة وغير مشحونة) عندما تفقد طاقة كافية وتتوقف عن الدوران. تُعرف هذه الظاهرة باسم عملية بنروز. في مثل هذه الحالات ، الطريقة الوحيدة للتمييز بين ثقب أسود من نوع Schwarzschild وآخر هو قياس كتلته.

هيكل الثقب الأسود

الثقوب السوداء غير مرئية لأن مجال جاذبيتها لا مفر منه حتى بالنسبة للضوء. وبالتالي ، فإن الثقب الأسود له مظهر سطح مظلم لا ينعكس منه أي شيء ولا يوجد دليل على ما يحدث للعناصر التي يتم امتصاصها فيه. ومع ذلك ، بدءًا من ملاحظة التأثيرات التي تسببها في محيطهم ، يقوم العلم بتكوين الثقوب السوداء في أفق الحدث والتفرد والغلاف الجوي.

أفق الحدث

يُطلق على حدود مجال جاذبية الثقب الأسود التي لا يُلاحظ منها أي شيء اسم أفق الحدث أو أفق الحدث نقطة اللا عودة.

تمثيل رسومي لأفق الحدث ، مقدم من وكالة ناسا ، حيث يتم ملاحظة كرة مثالية لا ينبعث منها ضوء.

على الرغم من كونه ، في الواقع ، مجرد عواقب جاذبية ، فإن أفق الحدث يعتبر جزءًا من بنية الثقب الأسود لأنه بداية المنطقة المرصودة للظاهرة.

من المعروف أن شكله كروي تمامًا في الثقوب السوداء الساكنة ومائل في الثقوب السوداء الدوارة.

لأن تمدد زمن الجاذبية، فإن التأثير الذي تمارسه كتلة الثقب الأسود على الزمكان يتسبب في أن يكون لأفق الحدث ، حتى خارج نطاقه ، التأثيرات التالية:

• بالنسبة لمراقب بعيد ، فإن الساعة القريبة من أفق الحدث ستتحرك ببطء أكثر من ساعة واحدة على بعد. وبالتالي ، فإن أي جسم يتم امتصاصه في الثقب الأسود يبدو أنه يتباطأ حتى يبدو أنه مشلول في الوقت المناسب.
• بالنسبة للمراقب البعيد ، فإن الكائن الذي يقترب من أفق الحدث يفترض لونًا ضارب إلى الحمرة ، نتيجة ظاهرة فيزيائية تُعرف باسم الانزياح الأحمر ، حيث يتم تقليل وتيرة الضوء بواسطة مجال الجاذبية للثقب أسود.
• من وجهة نظر الكائن ، سيمر الوقت بمعدل متسارع للكون بأسره ، بينما بالنسبة لك ، سيمر الوقت بشكل طبيعي.

التفرد

النقطة المركزية للثقب الأسود ، حيث أصبحت كتلة النجم مركزة بشكل لا نهائي ، تسمى التفرد ، والتي لا يُعرف عنها إلا القليل. من الناحية النظرية ، تحتوي التفرد على الكتلة الكلية للنجم المنهار ، بالإضافة إلى كتلة جميع الأجسام التي امتصها مجال الجاذبية ، ولكن ليس لها حجم أو سطح.

إيرجوسفير

الغلاف الجوي هو منطقة تحيط بأفق الحدث في الثقوب السوداء الدوارة ، حيث يستحيل على أي جرم سماوي أن يظل ثابتًا.

أيضًا وفقًا لنسبية أينشتاين ، فإن أي كائن دوار يميل إلى سحب الزمكان بالقرب منه. في الثقب الأسود الدوار ، يكون هذا التأثير قويًا لدرجة أنه يتطلب حركة جرم سماوي في الاتجاه المعاكس بسرعة أكبر من سرعة الضوء ليظل ثابتًا.

من المهم عدم الخلط بين تأثيرات ergosphere وتأثيرات أفق الحدث. لا يجذب ergosphere الأجسام مع مجال الجاذبية. وبالتالي ، فإن أي شيء يتلامس معه سيتم إزاحته فقط في الزمكان ولن ينجذب إلا إذا تجاوز أفق الحدث.

نظريات الثقوب السوداء لستيفن هوكينج

كان ستيفن هوكينج من أكثر الفيزيائيين وعلماء الكون تأثيرًا في القرنين العشرين والحادي والعشرين. من بين مساهماته العديدة ، حل هوكينج العديد من النظريات التي اقترحها أينشتاين ساهم في النظرية القائلة بأن الكون بدأ في حالة فردية ، مما زاد من تعزيز يتصل نظرية الانفجار الكبير.

يعتقد هوكينج أيضًا أن الثقوب السوداء ليست سوداء تمامًا ولكنها تنبعث منها كميات صغيرة من الإشعاع الحراري. كان هذا التأثير معروفًا في الفيزياء باسم إشعاع هوكينغ. تتنبأ هذه النظرية بأن الثقوب السوداء ستفقد كتلتها مع إطلاق الإشعاع ، وفي عملية بطيئة للغاية ، سوف تتقلص حتى تختفي.

نرى أيضا:

• نظرية النسبية
• الجاذبية
• الانفجار العظيم