كيف تعكس الثقوب السوداء كوننا؟ علماء يحولون الثقوب السوداء إلى معادلات رياضية لفهمها

عناصر الفضاء تتكون من معادلات يمكنها أن تصف بدقة انعكاسات الكون التي تظهر في الضوء المشوه حول الثقب الأسود.

يعتمد قرب كل انعكاس على معدل دوران الثقب الأسود وزاوية مراقبته، وفقًا لحل رياضي ابتُكر بواسطة طالب الفيزياء ألبرت سنيبن من معهد نيلز بوهر في الدنمارك في يوليو 2021.

كانت هذه ليست مجرد أمور رائعة، ولكنها قدمت أيضًا أداة جديدة قد تفتح لنا أفقًا جديدًا لاستكشاف البيئة الجاذبة حول الكائنات الشاذة.

قال سنيبن في بيان عام 2021: «الآن، هناك شيء جميل ورائع في فهم سبب تكرار الصور بهذه الصورة الأنيقة، وعلاوة على ذلك، يوفر فرصًا جديدة لاختبار فهمنا للجاذبية والثقوب السوداء».

إذا كان هناك شيء واحد تشتهر به الثقوب السوداء، فإن ثقوبها ذات جاذبية متطرفة. تحديدًا أنه بعد نقطة معينة، تصبح أقصى سرعة يمكن تحقيقها في الكون، هي سرعة الضوء في الفراغ، غير كافية لتحقيق سرعة الهروب.

هذه النقطة التي لا عودة فيها تعرف بأفق الحدث، المحددة بما يسمى شوارتزشيلد.

على الجانب الخارجي لحدث الأفق، ومع ذلك، تكون البيئة أيضًا غريبة بوجه خطير. الحقل الجاذب قوي لدرجة أن انحناء الزمكان تقريبًا دائري.
سيكون على الفوتونات التي تدخل الفضاء أن تتبع هذا الانحناء. ويعني أن مسار الضوء يظهر، من وجهة نظرنا كأنه مشوه وملتوي.

في الحافة الداخلية جدًا للفضاء، وبالقرب من أفق الحدث، يمكننا رؤية ما يسمى بحلقة الفوتون، إذ تسافر الفوتونات في مدار حول الثقب الأسود عدة مرات قبل أن تسقط نحو الثقب الأسود، أو تهرب إلى الفضاء.

ويعني أنه يمكن تكبير وتشويه الضوء القادم من الأجسام البعيدة خلف الثقب الأسود، ويمكن انعكاسه عدة مرات. نشير إلى هذا باسم عدسة الجاذبية؛ يمكن رؤية هذا التأثير أيضًا في سياقات أخرى، وهو أداة مفيدة لدراسة الكون.

امتلكنا معلومات عن هذا التأثير لبعض الوقت، وكان العلماء قد اكتشفوا أنه كلما نظرت أقرب نحو الثقب الأسود، زادت عدد الانعكاسات التي تظهر لك للأجسام البعيدة.

وللانتقال من صورة إلى أخرى، عليك أن تنظر إلى الحافة البصرية للثقب الأسود بمعدل يصل إلى 500 مرة أقرب، أو الدالة الأسية لـ اثنين باي ((e^(2π)، ولكن من الصعب شرح ذلك رياضيًا.

طريقة سنيبن، هي إعادة صياغة مسار الضوء وكمال استقراره الخطي، باستخدام معادلات تفاضلية من الدرجة الثانية. واكتشف أن حلها لا يصف رياضيًا فقط بسبب تكرار الصور عند مسافات ((e^(2π)، ولكن يمكن أيضًا أن يعمل لثقب أسود يدور، وأن المسافة المتكررة تعتمد على الدوران.

قال سنيبن: «اتضح أنه عندما يدور بسرعة كبيرة حقًا، فإنه لم يعد عليك الاقتراب من الثقب الأسود بمعامل 500، ولكن بصورة أقل».

ويضيف: «في الواقع، الآن ننظر إلى كل صورة على حدة بمعامل 50، أو 5، أو حتى يمكن أن يكون أقل بمرتين من الحافة الخارجية للثقب الأسود».

عمليًا، سيكون من الصعب رؤية ذلك، على الأقل في أي وقت قريب، انظر إلى الكم الكبير من العمل الذي أجري في التصوير الذي لم يحل حتى الآن حول حلقة الضوء حول الثقب الأسود فائق الكتلة Pōwehi M87.

ومع ذلك، فنظريًا يجب أن تكون هناك حلقات لا نهاية لها من الضوء حول ثقب أسود؛ نظرًا لأننا قد صورنا ظل ثقب أسود فائق الكتلة مرة واحدة، فإنه من المؤمل أن يأتي اليوم الذي نستطيع فيه الحصول على صور أفضل، وهناك بالفعل خطط لتصوير حلقة الفوتون.

يومًا ما، يمكن أن تكون الصور اللانهائية بالقرب من ثقب أسود أداة ليس لدراسة فيزياء الزمكان حول الثقوب السوداء فقط، ولكن أيضًا الكائنات خلفها، متكررة في انعكاسات لا نهاية لها بصورة مدارية.

للمرة الأولى: رصد ثقب اسود خامل داخل عنقود نجمي

ترجمة: حمداش رانية

تدقيق: غفران التميمي

المصدر