علوم

ما هو الحجم الفعلي للثقب الأسود؟

الحجم الفعلي للثقب الأسود؟ كرة فوتون؟ الحد الأدنى من المدار المستقر؟ أفق الحدث؟ التفرد؟ ايهم الاصح؟

الحجم الفعلي للثقب الأسود٫ يوضح هذا الرسم التوضيحي كيف تنحني الفوتونات حول ثقب أسود بفعل جاذبيته. يختلف حجم ظل الثقب الأسود عن حجم أفق الحدث، وكلاهما يختلف عن حجم التفرد المركزي، والذي لا يزال مختلفًا عن المسار الذي ترسمه الجسيمات في مدار مستقر حول الثقب الأسود. . “الحجم” في هذا السياق له العديد من التعريفات.
المصدر: Nicolle R. Fuller/NSF

عندما يتعلق الأمر بالحجم الفعلي للثقب الأسود، فإن العامل المهيمن في تحديد جميع خصائصه تقريبًا هو ببساطة كتلته، حيث يلعب “الدوران” و “الشحنة” دورًا أصغر. ومع ذلك، هذا لا يعني بالضرورة أن الجميع يتفقون على ما يتحدثون عنه عندما يذكرون حجم الثقب الأسود، على الرغم من أننا نستخدم هذا المصطلح طوال الوقت. عندما نتحدث عن الحجم الفعلي للثقب الأسود، ما هو بالتحديد الذي يجب أن نتحدث عنه؟ يعتمد ذلك على من يطرح الأسئلة.

مقالة ذات صلة: أول ثقب أسود مائل على الإطلاق يدور على جانبه تم إكتشافه حديثاً

ما هو الحجم الفعلي للثقب الأسود؟

المصدر: كريستوفر فيتالي للشبكات ومعهد برات

هناك أهمية للحجم في الكون. يمكن لنجم عملاق أحمر متطور وشمسنا وقزم أبيض أن يكون لهما نفس الكتلة، لكن فرق الحجم بين هذه الفئات الثلاث من الأجسام هائل. في حين أنه قد تكون هناك بعض التأثيرات الكمية التي تلعب دورًا للأشياء الصغيرة جدًا – في طاقتها وموضعها وعمرها وما إلى ذلك – إلا أن هناك بعض الخصائص التي تظل كما هي بغض النظر عن أي شكوك.

يتم وصف الكائنات المستقرة، سواء من الناحية المجهرية أو الماكروسكوبية، بخصائص قابلة للقياس مثل الكتلة والحجم والشحنة الكهربائية والزخم الدوراني/الزاوي.

لكن “الحجم الفعلي للثقب الأسود” صعب بعض الشيء، خاصة إذا كان الشيء صغيرًا للغاية. أكثر الأجسام تطرفاً من حيث الكثافة هي الثقوب السوداء، لكن بالنسبة لها، الحجم ليس بالضرورة خاصية محددة جيدًا. بعد كل شيء، إذا كانت كل الكتلة والطاقة التي تدخل في صنع ثقب أسود تنهار حتمًا إلى تفرد مركزي، فماذا يعني مفهوم “الحجم” حتى؟ كما اتضح ، يوجد في الواقع أكثر من تعريف واحد لحجم الثقب الأسود ، ولكل منهم استخداماته. من الخارج إلى الداخل ، دعنا نلقي نظرة على ما يمكن أن يخبرنا به حجم الثقب الأسود.

أول شيء يجب أن تعرفه عن الحجم الفعلي للثقب الأسود هو هذا: من حيث آثاره الجاذبية، خاصةً على مسافات كبيرة بعيدة عنه، لا يختلف الثقب الأسود عن أي كتلة أخرى. إذا أردنا بطريقة ما استبدال شمسنا بجسم زخم متساوي الكتلة ومتساوي الزوايا كان:

نجم عملاق منتفخ ،

عملاق أحمر كبير بحجم مدار كوكب الزهرة ،

قزم أبيض منحط ،

نجم نيوتروني مضغوط للغاية ،

أو ثقب أسود ،

لن تتغير تأثيرات الجاذبية التي نشعر بها هنا على الأرض على الإطلاق.

إقرأ أيضاً: الثقب الأسود الهائل يثبت صحة تنبؤ أينشتاين

الثقوب السوداء لها قوة جاذبية لا تقاوم

المصدر: AlexAntropov86/Pixabay

ما لم تكن متخصصًا في الفيزياء الفلكية، فقد يفاجئك هذا! بعد كل شيء، لقد علمنا أن الثقوب السوداء لها قوة جاذبية لا تقاوم، وأنها تمتص أي مادة تقترب جدًا من جوارها بشكل لا رجوع فيه. لكن الحقيقة هي أن الثقوب السوداء لا “تمتص” المادة أكثر من أي كتلة أخرى.

في الواقع، الاختلاف الرئيسي الوحيد بين الثقب الأسود وأي من هذه الأجسام الأخرى هو الكثافة: يمكن أن يكون للثقب الأسود نفس الكتلة والزخم الزاوي مثل أي جسم آخر، ولكن حجمه المادي الصغير يعني أنه يمكنك الاقتراب منه، و هذا هو المكان الذي تظهر فيه تأثيرات الجاذبية الغريبة.

يعرف معظمنا عن أفق الحدث للثقب الأسود، والذي يمثل الحد الفاصل بين المكان الذي يمكن فيه لجسم ما أن يهرب نظريًا من جاذبيته وحيث سيتم سحب أي جسم بلا هوادة إلى التفرد المركزي، بغض النظر عما يفعله. إذا كان الثقب الأسود يتكون من كتلة بمفردها – بدون شحنة، ولا زخم زاوي، ولا توجد مكونات “غريبة” أخرى متأصلة فيه – فإن حجم أفق الحدث يتم تحديده من خلال ما يُعرف باسم نصف قطر شوارزشيلد: نصف القطر الذي يتم عنده سرعة الهروب يساوي سرعة الضوء.

ومع ذلك، في الواقع، فإن معظم (إن لم يكن كل) الثقوب السوداء الموجودة ماديًا لديها نوع من الزخم الزاوي المتأصل فيها: دليل على أنها تدور حول بعض محاور الدوران. عندما يدور الثقب الأسود، لم يعد له سوى سطح واحد ذي معنى يمثل الحد الفاصل بين ما يمكنه الهروب وما لا يمكنه الهروب؛ بدلاً من ذلك، هناك عدد من الحدود المهمة التي تنشأ، ويمكن للعديد منها أن يدعي أنها بحجم الثقب الأسود، اعتمادًا على ما تحاول القيام به. من الخارج إلى الداخل، دعنا نذهب من خلالهم.

مقالة ذات صلة: أول صورة للثقب الأسود، الضوء منها يكشف تفاصيل جديدة

1.) هل يمكن للأجسام عمل مدار مستقر دائري حول الثقوب السوداء؟

المصدر: Event Horizon Telescope

هذا هو حلم أي شيء يريد أن يقضي وقته في الدوران حول جسد آخر: القيام بذلك دون الحاجة باستمرار إلى إضافة طاقة أو دفع لإبقائك في المدار. تمامًا كما سيتم سحب القمر الصناعي الذي يدور حول الأرض على مسافة قريبة جدًا إلى كوكبنا بسبب قوة الاحتكاك لغلافنا الخارجي الهش، فإن الجسم الذي يدور حول ثقب أسود، داخله على مسافة معينة، سوف يدور في الثقب الأسود، ويعبر أفق الحدث، وانجذب إلى مركز التفرد. تُعرف تلك المسافة، حيث يمكنك الحصول على مدار مستقر، باسم ISCO: للمدار الدائري المستقر الداخلي.

هذا أبعد بكثير من أفق الحدث نفسه: ثلاثة أضعاف مسافة شوارزشيلد، والتي تنطبق على ثقب أسود غير دوار. إذا كان الثقب الأسود يدور، فعليك أن تذهب أبعد من ذلك: حتى 4.5 أضعاف نصف قطر شوارزشيلد إذا تحركت إلى الوراء (في الاتجاه المعاكس) بالنسبة لدوران الثقب الأسود لأقصى معدل دوران مسموح به. من ناحية أخرى، على الرغم من ذلك، فإن الحركة التقدمية أسهل، مع السماح لنصف قطرك بالانخفاض قليلاً مع اقتراب الدوران من الحد الأقصى. ومع ذلك، فإن هذه الحدود أكبر بكثير، من حيث الحجم، من أفق الحدث للثقب الأسود نفسه، وعلى الرغم من أنه يمكنك البقاء محصورًا داخل حجم معين من الفضاء ، فلن تبقى ببساطة في مدار دائري مستقر.

مقالة ذات صلة: الثقوب البيضاء: التوأم الغامض للثقب الأسود

2.) ماذا سأرى عندما أنظر إلى الثقب الأسود؟

هذا متناقض قليلاً، بسبب النجاح غير المسبوق لـ”Event Horizon Telescope”. عندما أنشأنا الصور الأولى للثقب الأسود مباشرة، لم نقم بتصوير أفق الحدث تمامًا. بدلاً من ذلك، ما صورناه هو تأثيرات الفوتونات بالقرب من الثقب الأسود عندما تنحني بسبب الانحناء الشديد للفضاء. ثم تنطلق هذه الفوتونات في اتجاهات مختلفة، حيث نلاحظ تلك التي تنتقل في خط مستقيم إلى أعيننا. يمكننا أن نرى تدفق الفوتون هذا وتحديد مكانه بدقة، ونرى أنه يصنع شكلاً منتشرًا وممتدًا يشبه الحلقة، مع وجود ظلام فقط في الداخل.

لكن هذا الخاتم ليس بحجم أفق الحدث. بدلاً من ذلك، نظرًا لبعض التأثيرات الأكثر تعقيدًا للنسبية العامة، فهي كبيرة بنحو 250٪: أصغر قليلاً من ISCO، لكنها أكبر بكثير من نصف قطر شوارزشيلد. هذه الفوتونات ليست في مدارات مستقرة، بل على مدارات قطعية، حيث تهرب من جاذبية الثقب الأسود. ومع ذلك، فإن ما يصل إلى أعيننا لا يمثل الحجم المادي لأفق الحدث، ولكنه قطر أكبر 2.5 مرة من القطر الفعلي لأفق الحدث: “ظل” الثقب الأسود أكبر من الثقب الأسود نفسه.

3.) هل هناك أي شيء آخر مثير للاهتمام خارج أفق الحدث؟

الظل (الأسود) ، والآفاق والأجوسفير (الأبيض) لثقب أسود دوار. كمية a، الموضحة في الصورة، لها علاقة بعلاقة الزخم الزاوي للثقب الأسود بكتلته. لاحظ أن ظل الثقب الأسود (الحد الأحمر)، كما يراه Event Horizon” Telescope” ، أكبر بكثير من أفق الحدث أو الغلاف الجوي (باللون الأبيض) للثقب الأسود نفسه.
المصدر: Yukterez (Simon Tyran, Vienna)/Wikimedia Commons

نعم! يوجد موقع بالخارج – 1.5 مرة نصف قطر شوارزشيلد لثقب أسود غير دوار ويتصاعد حتى ضعف نصف قطر شوارزشيلد للحصول على أقصى دوران – يُعرف باسم كرة الفوتون: حيث سيبقى الفوتون في مدار حول الثقب الأسود. لكن هذا ليس لفترة غير محددة من الزمن. مدار الفوتون غير مستقر وسيسقط في الثقب الأسود. هذا لا ينتهك ISCO ، لأن “S” تعني الاستقرار؛ هذا مدار غير مستقر.

ولكن إذا كان ثقبك الأسود يدور، فإن شيئًا آخر مثيرًا للاهتمام يأتي معك أثناء الرحلة: ما يُعرف باسم الغلاف الخارجي. بسبب دوران الثقب الأسود، يتم سحب الفضاء الخارجي منه أيضًا. بالتأكيد، يتم سحب الفضاء دائمًا بواسطة كتلة دوارة، لكن الغلاف الجوي خاص لأنه يسحب الفضاء بسرعات مساوية لسرعة الضوء.

في الغلاف الجوي الخارجي، تُجبر الجسيمات التي تدخل تلك المنطقة على الدوران بشكل أسرع، وبالتالي تكتسب الطاقة. إذا اكتسبوا طاقة كافية، فيمكنهم حتى الهروب من الثقب الأسود تمامًا، ويتم طردهم والتسبب في دفع الثقب الأسود تكلفة: فقدان الطاقة. عادةً ما يأتي هذا من طاقة الدوران، وليس طاقة الكتلة، وهي إحدى الطرق المعروفة لاستخراج الطاقة من الثقب الأسود. تُعرف باسم عملية بنروز، ويُعتقد أنها مسؤولة عن بعض الجسيمات عالية الطاقة الموجودة في الكون.

مقالة ذات صلة: ثقوب سوداء بدائية بحجم الذرة تم إكتشاف دلائل على وجودها

4.) ماذا عن أفق الحدث؟

داخل وخارج أفق الحدث لثقب شوارزشيلد الأسود، يتدفق الفضاء مثل ممر متحرك أو شلال، اعتمادًا على الطريقة التي تريد أن تتخيلها. في أفق الحدث، حتى لو ركضت (أو سبحت) بسرعة الضوء، فلن يكون هناك تجاوز لتدفق الزمكان، الذي يسحبك إلى التفرد في المركز. خارج أفق الحدث، على الرغم من ذلك، يمكن للقوى الأخرى (مثل الكهرومغناطيسية) أن تتغلب في كثير من الأحيان على سحب الجاذبية، مما يتسبب في هروب حتى المادة المتساقطة.
المصدر: Andrew Hamilton/JILA/University of Colorado

كما ذكرنا سابقًا، الثقوب السوداء الواقعية ليست غير قابلة للدوران؛ يدورون بكمية كبيرة من الزخم الزاوي. هذا الدوران له تأثير رياضي رائع: فبدلاً من أن يؤدي إلى أفق حدث واحد، تحصل على حلين يقابلان أفق حدث “خارجي” و “داخلي”. على الرغم من أن الفيزيائيين يجادلون حول ما يعنيه هذان الحلان، يبدو أن الإجماع العام هو أن الأفق الخارجي موجود بالتأكيد ماديًا، في حين أن الأفق الداخلي قد لا يكون كذلك.

يعمل الأفق الخارجي مثل أفق الحدث القياسي في الحالة غير الدوارة ، لكن الدوران يدفعه بعيدًا: أبعد بشكل ملحوظ على طول “خط الاستواء” للثقب الأسود منه عند “القطبين”. كلما كان الثقب الأسود يدور بشكل أسرع، زاد التشوه، حتى يصل إلى أقصى معدل نظري. ومع ذلك، كما ناقشنا سابقًا، فإن الثقوب السوداء التي تدور بسرعة كبيرة ستطلق طاقة الدوران هذه من عملية بنروز، وتدور لأسفل نحو حالة أبطأ وأكثر استقرارًا على المدى الطويل، مما يقلل حجم أفق الحدث.

5.) ولكن ماذا عن داخل أفق الحدث الخارجي للثقب الأسود؟

بالقرب من الثقب الأسود، يتدفق الفضاء مثل ممر متحرك أو شلال، اعتمادًا على الطريقة التي تريد أن تتخيلها بها. على عكس الحالة غير الدوارة، ينقسم أفق الحدث إلى قسمين، بينما يتم تمديد التفرد المركزي إلى حلقة أحادية البعد. لا أحد يعرف ما يحدث عند التفرد المركزي.
المصدر: Andrew Hamilton/JILA/University of Colorado

الآن، هنا حيث تصبح الأشياء مثيرة للاهتمام حقًا لفيزيائي مهتم بالتفاصيل. إذا لم يكن ثقبنا الأسود يدور، فبمجرد أن تعبر أفق الحدث، ستسقط بلا هوادة نحو التفرد المركزي، دون أي بديل آخر. ومع ذلك، لن تكون قادرًا على رؤية كل شيء يأتي من كل اتجاه آخر في الفضاء؛ بدلاً من ذلك، فإن الأجزاء الداخلية من الثقب الأسود المرتبطة سببيًا تشكل شكلًا رياضيًا معينًا: منحنى على شكل قلب يُعرف باسم القلب.

ستكون التفردات التي ستصل إليها في النهاية شبيهة بالنقطة، وستكون لها كثافة غير محدودة (وحجم صغير للغاية) كنتيجة لذلك. على الرغم من أننا لا نعرف ما يحدث عند التفرد – نحتاج إلى نظرية كمية للجاذبية لنتعرف على وجه اليقين – فمن الواضح جدًا أن قوانين الفيزياء المعروفة لدينا تنهار، ولا تقدم سوى إجابات غير منطقية.

ومع ذلك، إذا سمحت لثقبك الأسود بالدوران، مما يعني أنه لا يحتوي فقط على كتلة متأصلة فيه ولكن أيضًا الزخم الزاوي ، فكل شيء يتغير.

6.) ما هو شكل التفرد الواقعي للثقب الأسود؟

أولاً، إذا أضفت تناوبًا إلى المزيج، فإن تفردك لم يعد نقطة صفرية الأبعاد، بل ينتشر في هيكل أحادي البعد: حلقة. عندما تسقط في ثقب أسود دوار، فإنك تتجه نحو التفرد، لكن الطبيعة الدوارة للزمكان نوعًا ما تلطخك في شكل يشبه الدوامة؛ انها مثل “السباغيتيون” ولكن مع دوامة لها. سيقذف مسارك كل كم على حدة في جسمك إلى نقطة مختلفة ، موزعة على طول هذه الحلقة الخطية.

ولكن هناك تحذير ممتع: هناك بعض الدلائل النظرية على أنه عندما تتجاوز أفق الحدث الخارجي وتتجه نحو أفق الحدث الداخلي، فهذا يعادل ولادة كون جديد داخل هذا الثقب الأسود. يتجادل العديد من أنصار النسبية حول معنى عدد من الخصائص التي اشتقناها.

هل ينتهي بك الأمر بحالة مشابهة للحالة التي نتوقع حدوثها أثناء التضخم الكوني؟

وهل يبدو أن الحدود التي تصادفها يمكن رسمها على حدود تؤدي إلى انفجار عظيم آخر ساخن؟

هل هو شبيه بالثقب الدودي ، حيث “تخرج” من المساحة التي كنت تحتلها وتعاود الظهور في مكان آخر (ثم بعد ذلك) في مساحة جديدة؟

الاحتمالات رائعة، وتشير إلى أنك قد لا تصطدم أبدًا بهذه التفرد إذا دار الثقب الأسود، بعد كل شيء.

ومع ذلك، فبقدر حرص علماء الفيزياء عندما نتحدث عن كل هذه القضايا وجميع الطرق المختلفة لتحديد “حجم” الثقب الأسود، فإننا نميل إلى أن نكون كسالى عندما نتحدث بالعامية. عادةً ما يعني حجم الثقب الأسود، في فم الفيزيائي، نصف قطر شفارتزشيلد للثقب الأسود، بغض النظر عن الدوران، وإهمال أي من التأثيرات الأخرى للانحناء المكاني، أو الحجم الظاهر للظل، أو سلوك الجسيمات. تعامل مع الثقب الأسود على أنه كتلة شبيهة بالنقطة، واحسب في أي نصف قطر تساوي سرعة إفلاته سرعة الضوء، وهذا هو حجمك. حتى إذا كنت تستخدم الجاذبية النيوتونية فقط لمعرفة ذلك، فستكون نتائجك دقيقة بشكل ملحوظ.

بالطبع، هناك العديد من السيناريوهات المادية الأخرى التي نأخذها في الاعتبار طوال الوقت.

ماذا يحدث للجسيمات خارج الثقب الأسود؟

أين يمكن أن يدوروا بثبات، مقابل أين سيتم طردهم أو ابتلاعهم؟

ما الذي نراه جسديًا عندما ننظر إلى ثقب أسود؟

عندما يدور ثقب أسود ، ما هي تأثيرات سحب الفضاء على المادة خارج الثقب الأسود؟

وإذا تجاوزت أفق الحدث لثقب أسود ، فما الذي ستختبره أو ستواجهه؟

كل هذه الأسئلة لها إجابات مختلفة، مع تداعيات مختلفة على مسألة الحجم. عندما نتحدث عن هذه القضايا ، من المهم أن نستخدم دائمًا تعريف الحجم الذي يكون منطقيًا للتأثير الذي نستكشفه. أي شيء آخر يمكن أن يؤدي فقط إلى الارتباك.

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى