ما هي الكرة الفوتونية؟

تتمحورُ هذه المقالة حول منطقةٍ محيطةٍ بالثُقب الأسود حيث يمكن للفوتونات السفر في مدارات، وهذه المنطقة يُطلق عليها اسم الكرة الفوتونية (Photon sphere)، ولا يجب الخلط بين هذا المصطلح ومصطلح الغلاف الضوئي(photosphere) الذي هو الجزء الذي يصدر الضوء في أي نجم.

الكُرة الفوتونية، هي منطقةٌ كرويةٌ من الفضاء حيث تكون الجاذبيةُ قويةً بما يكفي لإجبارِ الفوتونات على الدوران في مدارات. يُحسب نصف قطر الكرة الفوتونية، والذي هو الحد الأدني لأي مدارٍ مستقرٍ، بالعلاقة التالية: r = 3 G M c 2 {\displaystyle r={\frac {3GM}{c^{2}}}}
حيث يرمز الحرف (r) إلى نصف القطر، مُقدرًا بالمتر، الحرف (G) إلى ثابت الجاذبية الكوني، الحرف (M) إلى الكتلة مقدرة بالكيلو غرام، ويشير الحرف (c) إلى سرعة الضوء في الخلاء. كما أنه من الجدير بالذكر أن نصف القطر هذا يساوي إلى مرة ونصف من نصف قطر شوارزتشايلد Schwarzschild radius. (وهي منطقة أخرى تحيط بالثقب الأسود).

تستلزم هذه المعادلة على وجود الكرة الفوتونية فقط في الفضاء المحيط بالأجسام المضغوطة جدًا، (مثل ثقب أسود، أو نجم نيتروني).

مع اقتراب الفوتونات من أفق الحدث (event horizon) الخاص بالثقب الأسود، تتجنب الفوتونات المزودة بالطاقة الكافية أن يتم سحبها إلى داخل الثقب الأسود بأن تتحرك باتجاه شبه مماسي والمعروف باسم مخروط الخروج (exit cone) . لا يمتلك الفوتون الذي يقع على المحيط الخارجي لهذا المخروط الطاقة الكافية للإفلات من بئر الجاذبية الخاص بالثقب الأسود. بدلًا من ذلك يقوم بالدوران في مدار حول الثقب الأسود. ومن النادر أن تكون هذه المدارات مستقرة على المدى الطويل.

تتموضع الكرة الفوتونية في مكان أبعد عن مركز الثقب الأسود من أفق الحدث والمنطقة المعروفة باسم كرة العمل (ergosphere) (وهي منطقة افتراضية حول الثقب الأسود، يمكن نظريًا استخراج الطاقة منها). ضمن الكرة الفوتونية، يمكنك تخيل فوتون يبدأ بالدوران حول الثقب الأسود في الجزء الخلفي من رأسك، ثم يتم اعتراضه من قبل عينيك، مما يسمح لك برؤية الجزء الخلفي من رأسك. لا يوجد أي مدارات مستقرة ( (free fall orbitضمن الكرة الفوتونية أو مدارات تتقاطع معها.وهذا يعني أن أي جسم يمر عبرها يتجه من الخارج إلى الثقب الأسود مباشرة وأي جسم يقطعها من الداخل، يتابع حركته في الفضاء بشكل نهائي. كما لا يوجد أي مسار مستقر على شكل قطع ناقص بمحور شبه رئيسي على مسافة أبعد من الكرة الفوتونية، ولكن ضمن حدود هذه الكرة، يمكن لتسارع ثابت أن يسمح لمركبة فضائية أو مكوك أن تطوف فوق أفق الحدث.

إحدى الخواص الأخرى المميزة للكرة الفوتونية هي انعكاسية قوة الطرد المركزي (centrifugal force)، مع الإنتباه أننا لا نعني القوة الجاذبة (centripetal force)، هذا يعني أن خارج الكرة الفوتونية، كلما زادت سرعة الدوران للجسم كلما زادت القوة الدافعة نحو الخارج التي يختبرها الجسم. ولكن هذه القوة تنعدم عند الكرة الفوتونية، وذلك يتضمن جميع مدارات العبور في أي سرعة كانت، على سبيل المثال، يبقى وزن الجسم في هذا المدار ثابتًا مهما كانت سرعته، وتتحول هذه القوة المؤثرة على الجسم إلى قيمة سالبة داخل الكرة الفوتونية. أي بكلمات أخرى كلما زادت سرعة دوران الجسم داخل الكرة الفوتونية يزيد وزنه أو تزيد القوة الجاذبة المؤثرة عليه والتي تجذبه نحو الداخل.

المدارات الفوتونية الكروية حول الثقب الأسود كير (Kerr)

على عكس الثقب الأسود من نوع سوارزتشايلد، لا يتمتع الثقب الأسود من نوع كير (الثقب الأسود الذي يدور) بتناظر كروي، وإنما يتمتع بمحور تناظر وحيد، مما يؤثر بشكل كبير على المدارات الفوتونية. حيث لا يمكن لمدار دائري أن يوجد إلا في مستوي استواء خاص بالثقب الأسود، ويوجد اثنان منهما بأنصاف أقطار مختلفة ويطلق عليهما: الدورانية أو المدارية (prograde) والمتراجعة (retrograde)، أما المدارات الأخرى ذات نصف القطر الثابت، تتأرجح مساراتها الأكثر تعقيدًا بشكل عرضي حول خط الاستواء.

إعداد: مازن ملص
تدقيق: جدل القاسم
المصدر