الثقوب السوداء و هل صحيح أن القوانين الفيزيائية تنهار داخل الثقوب السوداء؟ لماذا هي سوداء و ماذا يحدث لنا إذا دخلنا في ثقب أسود.
في هذه المقالة سأجيب على هذه التساؤلات و سأعمل على توضيح الأمور الغامضة التي تتعلق بالثقوب السوداء.
تنويه: في هذا المقال أنا أحاول بشكل متواضع أن أوصف هذه الظاهرة الطبيعية ضمن امكانياتي لكن يتوجب معرفة أن موضوع
الثقوب السوداء مازال قيد البحث و معلوماتنا حول الموضوع في تطور مستمر.
أتمنى أن يكون هذا المقال ممتع و مفيد وأرجو تصنيفه ضمن نشر الثقافة العامة عن الثقوب السوداء و ليس مقال بحثي عن الموضوع.
ما هو الثقب الأسود؟
النجوم عبارة عن مفاعلات ذرية كبيرة جداً تتفجر فيها مليارات التريليونات من الذرات و تتم عمليات انصهار نووية ينتج عنها كل ما نراه من حولنا من مادة.
نعم أنت و أنا و الأشجار و المياه و الجبال كلنا نتشكل من عناصر انصهرت داخل النجوم، لكن لماذا لا ينفجر النجم مرة واحدة و تتبعثر ذراته في الفضاء و يتبخر؟ السبب أن كتلة النجم الهائلة تشكل قوة جاذبية كبيرة تبقي النجم متماسك مع بعضه.
لنتخيل نجم ما لا على التعيين و نتصور الإنفجارات الهائلة الحاصلة فيه.
فلتكن كتلة هذا النجم أكبر من الشمس بعشر مرات ، في الواقع كتلة الشمس أكبر من كتلة الأرض بـ 333,000 مرة ممّا يعني أن النجم المذكور في المثال كتلته أكبر من كتلة الكرة الأرضية 3,3 مليون مرة تقريباً.
في مرحلة الطفولة للنجم يقوم بعمليات صهر نووي للهيدروجين و لكن بسبب الكتلة الهائلة للنجوم يتكون صراع بين الإنصهارات النووية التي في طبيعته تنبثق من نواة النجم إلى السطح و بين القوة الجاذبية للنجم.
مع مررور الزمن يحرق النجم كمية كبيرة من الهيدروجين مما يخفف من وطئة قوة انصهاراته و يعزز من قوة الجاذبية.
بعد فترة تتمكن الجاذبية من السيطرة على النجم و تصبح هي القوة المسيطرة ثم يبدأ النجم بالإنهيار على نفسه.
إذا توفرت شروط معينة في هذا الإنهيار (حجم الكتلة مع قوة الجاذبية) يتحول النجم إلى نقطة من الجاذبية اللامتناهية بحيث أن كل شيء يمر بالقرب من النجم ينجذب مباشرة و يتحلل داخله يسمي العلماء هذه العملية بالتأثيرات المعكرونية Spaghettification
من المهم أن نذكر أن لاشيء يستطيع الخروج من تأثير الجاذبية للنجم المنهار.
حتى الضوء لا يستطيع الخروج و لذلك نحن لا نستطيع رؤية مافي داخل هذا الإنهيار.
لهذا السبب نحن نسمي هذه النجوم المنهارة بـ “الثقوب السوداء ” و ذلك نسبة لعدم قدرتنا على رؤية ما يوجد في داخله.
إذاً على الرغم من عدم قدرتنا على رؤية الثقب الأسود بشكل مباشر إلا أننا نستطيع رصد أثر الثقوب السوداء على كل ما هو قريب منها بسبب قوة الجاذبية
سأعود للثقوب السوداء لتفسير المزيد من الظواهر و لكن لنعود قليلاً إلى الوراء و نتحدث عن بعض الأمور الفيزيائية التي يتوجب فهمها قبل المتابعة في هذا المقال.
المادة و الجاذبية:
في عام ٢٠١٢ تم اكتشاف عنصر من العناصر الأساسية و التي يسمى الهيغز.
حقل الهيغز هو المسؤول عن إعطاء المادة كتلتها لكننا لن ندخل في هذه التفاصيل ضمن هذا المقال.
كل مانراه في الكون مكون من عناصر أساسية لن أدخل في تفاصيلها في هذا المقال إلى أن هذه العناصر (كوارك) لها شحنات كهربائية و هذه الشحنات الكهربائية تحدد نوع و حجم النواة في كل مادة.
حجم المادة مرتبط مباشرة مع تفاعل هذه المادة مع الجاذبية.
لكن ما هي الجاذبية؟
الجاذبية ليست كما يتصورها البعض على انها طاقة تجذب الأجسام إلى بعضها البعض.
الجاذبية عبارة عن انحناء في الفضاء بسبب كتلة الأجسام.
إذاً حجم النواة يؤثر بشكل مباشر على مقدار الإنحناء في الزمكان.
لكن ما هو الزمكان؟
لنتخيل أن لدينا غطاء قماشي كبير موضوع على فوهة برميل كبير.
إذا وضعنا كرة معدنية في منتصف الغطاء سيتشكل لدينا انحناء دائري في هذا الغطاء.
الآن إذا وضعنا عدة كرات و جعلناها تدور حول الكرة المعدنية ستدور هذه الكرات عدة دورات ثم تتجه في الإنحناء المتشكل في الغطاء إلى أن ترتطم جميع الكرات مع بعضها البعض و تجتمع في وسط الغطاء.
سبب انجذاب الكرات إلى بعضها البعض ليس ناتج عن طاقة جذب بينهم و إنما انحناء في الغطاء القماشي.
الغطاء القماشي يمثل الزمكان…
الآن لنتخيل أن هذا الغطاء هو المساحة الفضائية في مجموعتنا الشمسية و أن الشمس هي الكرة المعدنية الموجودة في المنتصف و أن الكرات المعدنية الصغيرة هي الكواكب في مجموعتنا الشمسية.
كتلة الشمس الكبيرة هي سبب انحناء القماشة الفضائية و الكرة الأرضية و بقية الكواكب تدور حول الشمس بسبب الإنحناء في المساحة الفضائية.
طبعاً في الفضاء لا يوجد احتكاك بين الأجسام فتبقى الأجسام تسبح بنفس المدار دون أن تبطئ سرعتها.
هذه الفكرة هي أهم انجازات العالم ألبرت أنشتاين و تسمى بنظرية النسبية العامة
الزمكان- الزمان و الوقت:
تخيل معي أننا على جزيرة في المحيط الهادي و نريد الإنتقال إلى جزيرة أخرى.
نحن نعلم أن رحلة السفر من جزيرتنا إلى الجزيرة الأخرى سوف تستغرق وقت محدد و أن مدة الرحلة تعتمد على مقدار السرعة.
على فرض أننا نستطيع الطيران بسرعة ٣٤٠ متر في الثانية (سرعة الصوت تقريباً).
هذا يعني أننا سنقطع المسافة بين الجزيرتين (٦ كيلومتر) في ١٨ ثانية تقريباً.
لنأخذ مثال ثاني…
على فرض أننا رصدنا عاصفة رعديه قادمة باتجاه جزيرتنا.
نشاهد البرق و بعد مدة زمنية محددة نسمع صوت الرعد.
إذا أردنا معرفة المسافة بيننا و بين العاصفة فعلينا القيام بعملية حسابية بسيطة (ذهنية).
كل ماعلينا فعله هو توقيت الفرق في الوقت بين البرق و الرعد.
الصوت يتحرك بسرعة ١ كيلومتر كل ٣ ثوان تقريباً.
في اللحظة التي شاهدنا فيها البرق نبدأ بالعد بالثواني حتى نسمع الصوت الرعد.
على فرض أننا سمعنا صوت الرعد بعد ٩ ثوان من مشاهدت البرق.
هذا يعني أن العاصفة تبعد عن مكاننا حوالي ٣ كيلومتر من اتجاه البرق.
في هذا الكون يوجد حقيقة كونية و هي أن الإنتقال بين نقطتين مهما كان حجم كتلة المادة لابد وأن يستغرق هذا الإنتقال زمن معين مهما كانت السرعة الإنتقال.
لايوجد شيء اسمه انتقال فوري بين مكانين مختلفين.
إذا الزمن هو جزء لايتجزأ من المكان.
دون المكان لا يوجد زمن و دون الزمن لا يوجد مكان.
الزمن و المكان في الفيزياء يمثلان بعد واحد لا يتجزء و لهذا نسميه الزمكان (Space-time)
بحكم أن سرعة الضوء هي السرعة القصوى في الكون، هذا يعني أن الإنتقال من مكان إلى مكان مرتبط بسرعة الضوء و لهذا تستخدم سرعة الضوء في قياس المسافات الفضائية.
الزمان و المكان قسمين من بعد واحد.
سرعة الإفلات من الجاذبية:
أنا ذكرت سابقاً أن الجاذبية ليست طاقة تؤثر على الأجسام عن بعد و إنما انحناء في الزمكان.
أيضاً فسرت ماهو الزمكان بشكل مبسط و فسرت العلاقة بين السرعة و الزمن و المكان.
الآن أود أن أشرح كيف تستطيع الأجسام الإفلات من الحاذبية أو كيفية الخروج من الإنحناء الزمكاني.
إذا تخّيلنا أنفسنا عالقين داخل حفرة و أن علينا الخروج من هذه الحفرة.
الطريقة الوحيدة للخروج هي عبر التسارع خارج الحفرة.
إذا كانت السرعة غير مناسبة نصعد قليلاً على جدران الحفرة ثم نتوقف و نعود إلى أسفل الحفرة.
الآن لنتخيل أن الجاذبية الأرضية هي الحفرة و نريد الخروج من الحفرة.
ملاحظة: الإنحناء الزمكاني ليس حفرة من الأسفل إلى الأعلى و إنما انحراف يجعل المسافة اللازمة للخروج أطول…
علينا أولاً حساب مدى تحدب جدران الحفرة و ثم استنتاج السرعة اللازمة للخروج من الحفرة.
تحدب الجدران يعود لكتلة المادة التي شكلت التحدب أصلاً (الجاذبية).
اذاً للخروج من حفرة الزمكان المتشكلة بسبب الأرض (الجاذبية الأرضية) علينا الإنطلاق بسرعة = أو تزيد عن 11 كيلومتر في الثانية.
جميع المركبات الفضائية عليها الإنطلاق بهذه السرعة للخروج من الغلاف الجوي الأرضي إلى الفضاء الخارجي.
- السرعة اللازمة للإفلات من جاذبية القمر ٣ كيلومتر في الثانية
- السرعة اللازمة للإفلات من جاذبية المريخ ٥ كيلومتر في الثانية
- السرعة اللازمة للافلات من جاذبية زحل ٣٦ كيلومتر في الثانية
- السرعة اللازمة للافلات من جاذبية الشمس (من على سطحها) ٦١٨ كيلومتر في الثانية
- في الثقب الأسود نحتاج لسرعة أكثر من ٣٠٠ ألف كيلومتر في الثانية (سرعة الضوء) للإفلات من جاذبية الثقب الأسود و لهذا لا شيء يستطيع الإفلات من جاذبية الثقوب السوداء.
- سرعة اللإفلات من جاذبية مذنب 67P الذي حطت عليه وكالة الفضاء الأوروبية هي 1 متر في الثانية.
(قطر شفارتزشيلد) Schwarzschild Radius:
كما ذكرت سابقاً أن الثقب الأسود هو عبارة عن نجوم انهارات القوى الإنصهارية في داخلها و تغلبت الجاذبية عليها بسبب كتلتها الهائلة.
لكن هذا لا يعني أن الثقوب السوداء حصرية على النجوم و إنما أي جسم ممكن أن يتحول إلى ثقب أسود.
يوجد مرحلة معينة إذا ضغطنا المادة فيها بشكل ذري تصبح القوة الجاذبية للمادة أقوى من جميع القوى الأخرى الكامنة في داخلها فتستمر عملية الضغط إلى أن تنهار المادة و يتحول الجسم إلى ثقب أسود.
هذا يعني أننا نظرياً قادرين أن نحول أي شيء إلى ثقب أسود.
مثلاً إذا ضغطنا الكرة الأرضية إلى حجم مكعب من الليغو ستتحول الأرض إلى ثقب أسود لأن نسبة الضغط بين حجم الكرة الأرضية و مكعب الليغو هي نسبة قطر الشفارتزشيلد.
لكن ربما تسأل نفسك ما هو قطر الشفارتزشيلد؟
قطر الشفارتزشيلد هو مجرد عملية حسابية بين كتلة المادة و تأثير الجاذبية (دون الدخول في التفاصيل).
إذا كان حجم المادة أكبر من قطرها الشفارتزشليدي فهي لن تصبح ثقب أسود و إذا صار حجمها أصغر فهي ستنهار و تتابع الإنهيار حتى تتحول إلى ثقب أسود.
ملاحظة: نحن لانزيد على كتلة الجسم و إنما مجرد ضغط الجسم على نفسه.
مثلاً لو أخذنا نجم الشمس و ضغطناه بحجم ٣ كيلومتر ستتحول الشمس لثقب أسود.
هي عملية حسابية تساعدنا على التنبؤ بتشكل الثقوب السوداء.
فإذا رصدنا نجم في مرحلة الإنهيار و قمنا بحساب كتلته نسطيع معرفة مستقبله إذا كان سيتحول لثقب أسود أم لا.
فكرة جانبية: الثقوب السوداء ليست بلّاعة.
الكثير من الناس يتخيل الثقوب السوداء و كأنها تجذب كل شيء حولها.
في الواقع هذا غير صحيح و فقط المادة التي تعبر نقطة اللاعودة تدخل في مجال الجاذبية للثقب الأسود.
على سبيل المثال، إذا تحول كوكب الأرض إلى ثقب أسود هذا لن يؤثر على مدار القمر.
سيبقى القمر في مكانه لأن المسافة بين الأرض و القمر هي مسافة أمانة مقارنة مع سرعة دوران القمر (و إلا لكان ارتطم القمر بالأرض).
طبعاً الجاذبية الأرضية تبقى لها تأثير لكن كلما كنا بعيدين عن مركز الأرض كلما قلت سرعة الإفلات و كلما اقتربنا زادت.
عندما تقترب الشهب من الأرض بسرعة أقل من سرعة اللإفلات فإن هذا يعني أنها ستنجذب إلى الأرض.
إذاً نقطة اللاعودة بالنسبة للأرض تعتمد على سرعة الجسم الذي يدور حولها.
نقطة اللاعودة:
أود الإنتقال لمصطلح أفق الحدث أو The event horizon و هي النقطة في الفضاء حيث سرعة الإفلات من جاذبية الثقب الأسود تصبح أقصى من سرعة الضوء.
عند هذه النقطة يصبح الذهاب إلى مركز الثقب أمراً حتمياً.
يتم جذب الجسم إلى مركز الثقب و يتم تفتيته بسبب قوة الجاذبية.
أود أن أنوه لنقطة غريبة بعض الشيء لكنها مثيرة و هي أن داخل الثقب الأسود يتحلل الزمكان و يصبح لدينا زمان فقط (لا مكان).
عندما تدخل الثقب الأسود أنت لا تتجه نحو المركز و إنما تنتظر المركز.
تماماً كما تنتظر قدوم غداً، أنت لا تذهب إلى غداً و لا تستطيع الهروب من غداً.
أقرب تشبيه للثقب الأسود و عدم القدرة من الهروب منه هي مقارنة الوقت و كيف لا نستطيع الهروب من الوقت.
إذاً الوصول لزمن المركز هو أمر حتمي طالما أننا عبرنا نقطة الحدث (نقطة اللاعودة) على فرض أننا دخلنا داخل ثقب أسود و نحن نقود مركبة فضائية متطورة و حاولنا الهروب خارج الثقب و أطلقنا جميع المحركات في الإتجاه المعاكس من مركز الثقب سنجد أننا نقترب من المركز بشكل أسرع لأن الزمن بدأ يمر بشكل أسرع مع تزايد سرعتنا.
و بما أننا ننتظر الوصول إلى زمن الأحادية فإن أي تغير ايجابي في مرور الزمن يعني وصولنا للمركز بشكل أسرع.
أعلم أن هذه الأفكار تبدو أفكار غير منطقية لكن هذا ما يجعل موضوع الثقوب السوداء موضوع رائع و مثير للفضول.
سأسرد عليكم قصة افتراضية لكي أوضح ماذا يحدث للمادة لحظة دخولها إلى نقطة اللاعودة.
لنفترض وجود مركبتين فضائيتين برحلة استكشافية حول ثقب أسود.
قرر قبطاني المركبتين أن يتركا مسافة أمان في حال حدث أي خطأ أن لا يبتلع الثقب المركبتين.
طبعاً حول الثقب على المركبتين بالتحليق بسرعة عالية جداً بناء على سرعة الإفلات من الثقب.
في حال تجاوزت إحدى المركبتين نقطة اللاعودة فعليها التحليق بسرعة أسرع من الضوء و هذا مستحيل فيزيائياً.
المركبة (ألفا) تفقد الإتصال مع المركبة (ديلتا).
ألفا تلاحظ بطء شديد في سرعة أجهزتها الإلكترونية.
طاقم القيادة يلاحظون أن صوتهم يبدو غريب بعض الشيء.
إنه أبطئ بكثير…
فجأة يبدو كل شيء بشكل غريب الوقت يمر ببطئ كل شيئ يمر ببطئ.
تبدأ عملية Spaghettification حتى الضوء بدأ بالإنهيار.
القبطان ينظر إلى لوحة القيادة فتبدوا و كأنها تنصهر.
أي أن كل شيء في المركبة يبدأ بالإنهيار.
(في الواقع الأحياء تموت قبل الوصول إلى هذه النقطة/المثال مجازي)
المركبة (ديلتا) ترصد المركبة (ألفا) وكأنها تخفف سرعتها.
فجأة تتجمد المركبة ألفا بمكانها.
تحاول المركبة (ديلتا) التواصل معها لكنها تفقد الإتصال.
تبقى المركبة (ألفا) مجمدة في مكانها دون أي حركة.
عند دخول المركبة (ألفا) إلى لنقطة اللاعودة، المركبة (ديلتا) لا تستطيع رؤية مايحدث لأن الضوء لايستطيع الإفلات خارج نقطة الاعودة و لهذا لا يمكن وصول أي معلومات إلى الخارج.
ملاحظات:
- طبعاً موضوع الثقوب السوداء هو موضوع شيق جداً و مثير للفضول و نحن لا نعرف الكثير عن هذه الظواهر الطبيعية….
- يعتقد علماء الفلك أن الثقوب السوداء موجوده في مركز كل مجرة.
- يوجد عدة أنواع من الثقوب السوداء و أنا لم أتطرق لكافة الخصائص بسبب عدم فهمي لها و نتاقض المعلومات التي قرأتها.
- كل ماذكرته عن ماذا سيحدث عند الدخول لنقطة اللاعودة هي مجرد افتراضات مبنية على نظرية النسبية لكنها تبقى فرضيات غير موثقة و غير مؤكدة.
- الصورة: من فلم Interstellar و هي نتيجة معادلات رياضية عن الثقوب السوداء (تجسيد علمي).
- إعداد : مصطفى عابدين
