بالرغم من كون تعبير الثقب الأسود Black Hole هو تعبيرا حديثا نسبياً
فإن أولى الأفكار للإشارة إلى جرم سماوي من هذا النوع قد بدأت منذ أكثر من قرنين من
الزمن.
إلا أن تلك الأفكار كانت نظرية فقط, ولم يكن هناك أي من الأرصاد
العلمية القادرة على الاستدلال على وجود أجرام سماوية من هذا النوع.
أولى تلك الأفكار جاء بها أحد الأساتذة الإنجليز عام 1783 م وهو جون
ميتشل, حيث أشار إلى أنه قد يكون للنجم الكثيف المتراص حقل شديد من الجاذبية يجعل
الضوء غير قادر على الإفلات منه, وأطلق على هذا النوع من النجوم اسم النجوم
الخفية.
ومع أن نجمًا كهذا لا يمكن رؤيته لأن الضوء المنبعث منه لا يصل إلينا
فإنه يمكن التعرف عليه من خلال جاذبيته.
ونظريات كهذه لم تحظ بأي تقدير خلال القرن التاسع عشر الميلادي, لأن
النظرية الموجية للضوء هي التي كانت مقبولة وسائدة في ذلك الوقت, ولم يكن واضحاً
حسب هذه النظرية تأثر الضوء بالجاذبية.
بقيت الحال هكذا حتى عام 1915م عندما جاء أينشتاين بنظرية النسبية,
التي كان من ضمنها أنها تشير إلى أن هذا النوع من الأجرام هو (نجم ضخم تقلص إلى حجم
صغير, مقارنةً بحجمه السابق, وهو ذو كتلة ضخمة تجعله يمنع حتى الضوء من الإفلات
ومغادرة مجال الجاذبية له, كما تتحول المادة المنجذبة إليه إلى مقدار هائل من
الطاقة).
ولكي نفهم كيف يتكون الثقب الأسود حسب نظرية النسبية يجب أن نفهم
التصور السائد عن الدورة الحياتية للنجوم, فالنجم عند بداية حياته يكون غنياً
بالهيدروجين, ونتيجة للضغط الكبير في مركز النجم يسخن هذا الغاز لتندمج ذراته,
وتكوّن الهيليوم, والحرارة الناتجة عن هذا التفاعل تجعل النجم مشعاً.
ولكن وفي نهاية عمر النجم ينضب الهيدروجين من النجم ويتم نضوب
الهيدروجين بدرجة أكبر كلما كبر النجم, ولم يكن هناك تصور لما يحدث للنجم عند
ذاك.
في عام 1928م أشار باحث هندي هو هيماشاندرا سيخار إلى أن هناك حدودًا
معينة لحجم النجم الذي يمكن أن يتقلص إلى حجم صغير جداً, بينما يتقلص النجم ذو
الحجم الأصغر إلى حجم ثابت فقط.
أشعة تبوح بالسر
وحدد شاندرا سيخار - اعتماداً على قوى التجاذب الناتجة عن الكتلة
والتنافر الناتجة عن التسخين - حجم النجم بأكبر من الشمس بمرة ونصف المرة على
الأقل, ليصبح كثيفاً جداً عند استنفاد الوقود فيه.
وفي فترة قريبة من ذلك أشار الباحث الروسي ليف لاندو إلى أن النجم
بحجم كتلة الشمس أو أصغر من ذلك يمكنه أن يتوقف عن التقلص ليستقر في وضع نهائي
محتمل على شكل قزم أبيض بنصف قطر لا يتجاوز عدة آلاف من الأميال.
وأشار لاندو إلى أن هناك حالة نهائية أخرى محتملة للنجم ضمن كتلة
محددة تساوي كتلتها مرتين إلى أربع مرات كتلة الشمس تتقلص فيها إلى حجم أصغر من
القزم الأبيض, ولم يكن بالإمكان في ذلك الوقت رصد هذا النوع من النجوم.
ودراسات شاندرا سيخار ولاندو النظرية واجهت الكثير من المعارضة من قبل
الباحثين المتخصصين في ذلك الوقت مما جعل شاندرا سيخار يتحول إلى دراسات أخرى.
وهذه الدراسات بدأت تدعمها دراسات أخرى, فقد أشارت دراسات الباحث
الأمريكي روبرت أوبنهايمر عام 1934م إلى وجود أجرام سماوية ذات جاذبية هائلة أطلق
عليها اسم النجوم النيوترونية.
لكن النجوم النيوترونية هذه بقيت غير مكتشفة حتى عام 1967 م عندما
اكتشفت الباحثة البريطانية جوسلين بل أجراماً سماوية تنبض بموجات لاسلكية منتظمة,
ظنت في البداية أنها واردة من حضارة غريبة في المجرة لكنها في النهاية خلصت مع
المختصين في هذا المجال إلى أن هذا الجرم هو عبارة عن نجم نابض وهو في الواقع عبارة
عن نجم نيوتروني دوار.
وفي عام 1967 م أطلق الباحث الأمريكي جون ويلر المختص في الفيزياء
النظرية اسم الثقب الأسود على الجرم الذي لا يمكن للضوء الإفلات منه.
وخلال السبعينيات والثمانينيات تم الاستدلال على وجود الثقب الأسود من
خلال رصد أحد النجوم في المجرة التي تقع فيها الأرض والمجموعة الشمسية وهي درب
التبانة, فمن خلال رصد هذا النجم تم رصد أشعة سينية منه مما أثار استغراب الباحثين
في أن يكون هذا النجم العادي مصدراً لأشعة سينية بهذه الشدة الأمر الذي فسره
الباحثون بوجود ثقب أسود قريب منه.
وبناء على تعريف الثقب الأسود فإنه من المستحيل تصوير هذه الأجرام
مباشرةً وعلى الباحثين عوضاً عن ذلك النظر إلى الدلائل عن تأثير الثقب الأسود على
ما يحيطه من غبار وغاز ونجوم.
لكن جميع تلك الأرصاد لم تصل إلى مستوى كبير من الثبات والثقة في
استدلال دقيق على وجود الثقوب السوداء حتى بداية التسعينيات من القرن الماضي.
ثقوب سوداء تشع بالضوء!
بفضل المراصد الحديثة وخاصة الفضائية منها أصبح الثقب الأسود أمراً
مؤكداً, ففي عام 1994 م ومن خلال رصد تلسكوب الفضاء هابل للمجرة البيضاوية المسماة
M87 تم رصد قرص من المادة والغبار الذي تدور بسرعة هائلة في مركز تلك المجرة.
ومن خلال رصد الأطياف الواردة من ذلك القرص تم قياس سرعة دوران تلك
المواد التي جعلت الباحثين يقدرون كتلة الجرم في مركز القرص بحوالي 2.4 بليون مرة
كتلة الشمس, الأمر الذي يجعل تعريف الثقب الأسود ينطبق عليه.
وجاء كشف الثقب الأسود الثاني في العام نفسه من خلال أحد التلسكوبات
اللاسلكية حيث رصدت قرصاً متحركاً من الجزيئات في مركز المجرة اللولبية 4258NGC
وقدرت كتلته بـ 40 مليون مرة كتلة الشمس.
وفي عام 1995 م تم اكتشاف ثقب أسود جديد بواسطة تلسكوب الفضاء هابل في
المجرة المعروفة باسم NGC 4261 في المجموعة النجمية المسماة بالعذراء.
تم اكتشاف هذا الثقب الأسود من خلال قياس سرعة الغاز الذي يلف
كالدوامة حول الثقب ومن خلال هذه السرعة كذلك تم تقدير كتلة الثقب بحوالي 1.2 بليون
مرة كتلة الشمس في حجم يقارب حجم المجموعة الشمسية.
إلا أن أرصاد الثقب الأسود في المجرة NGC 4261 أشارت إلى انحراف موقع
هذا الثقب عن مركز المجرة بحوالي 20 سنة ضوئية, ما جعل الباحثين يقدمون تفسيرات
لهذا, منها أن العمليات الجارية في هذا الثقب الأسود هي عبارة عن محرك نفاث يدفع
الثقب الأسود كالصاروخ.
وبعد تحديث الأجهزة العلمية في تلسكوب الفضاء هابل عام 1997 م وإضافة
جهاز جديد تم رصد ثقب أسود جديد في مركز المجرة M84.
وبفضل قياس سرعة المواد الدوارة في القرص على بعد 26 سنة ضوئية عن
مركز هذه المجرة والتي سجلت بـ 400 كيلو متر/ثانية حسب المختصون كتلة الثقب الأسود
بـ 300 مليون مرة كتلة الشمس (حيث يمكن تقدير كتلة الشمس من قطر المدارات وسرعة
الكواكب).
وخلص فريق علمي في عام 1997م - عكف على دراسة المجرات القريبة بحثاً
عن الثقوب السوداء باستخدام تلسكوب الفضاء هابل والتلسكوب البصري الكبير في جزر
هاواي - إلى أن الثقب الأسود هو عنصر مشترك تتناسب كثافته مع كتلة المجرة.
وفي منتصف عام 2000 م تبين بالدلائل المؤكدة وجود أكثر من 30 من
الثقوب السوداء.
وعند دراسة هذه الثقوب من قبل فريق علمي من جامعة تكساس الأمريكية
توصل الفريق العلمي إلى علاقة بين عمر المجرة, وحجمها وكتلة الثقب الأسود الذي
تحتويه.
وبناء على هذه الأبحاث قدم هذا الفريق العلمي دراسة إلى مؤتمر الجمعية
الفلكية الأمريكية في عام 2000 م, أشارت الدراسة إلى أن هذا الفريق العلمي يرجح
الفكرة القائلة إن الثقوب السوداء لم تكن بهذه الكتلة في بداية عمر المجرة لكنها
نمت بصورة مشتركة مع المجرة من خلال الإيقاع بنسبة ثابتة للكتلة في المحور القريب
من مركز المجرة.
وتدعم نتائج هذه الدراسة الآراء القائلة بكون الكوازارات ( من أكثر
مصادر الضوء شدة في السماء وهي موجودة على مسافات هائلة من الأرض ) هي عبارة عن
ثقوب سوداء.
إلا أن تلك الدراسة قد ركزت على نوع معين من المجرات وهي تلك المجرات
التي تحتوي على جزء مركزي مكتظ بالنجوم مثل مجرة درب التبانة ولا تنطبق على مجرة
قريبة من مجرتنا تدعى (33 Messier) فهي ربما لا تحتوي على ثقب أسود, أو أنها ذات
ثقب أسود صغير لا يتمكن تلسكوب الفضاء هابل من رصده.
ولم تسلط هذه الدراسة الضوء على أصل الثقب الأسود, وهي تفترض أن الثقب
الأسود يشع مقداراً هائلاً من الضوء في المراحل الأولى من عمر المجرة بما يعرف
بالكوازار, كما لم تضع تفسيراً لسبب العلاقة بين كتلة الثقب الأسود وكتلة
المجرة.
جرم يشفط جرمًا
يعد الرصد بالأشعة السينية من أفضل أنواع الرصد للكشف عن الفعاليات
العنيفة في الكون, ومنها الاستدلال على وجود الثقوب السوداء.
إلا أن الرصد بالأشعة السينية غير ممكن من سطح الأرض نظراً لانحجاب
هذا النوع من الطيف الكهرومغناطيسي من الغلاف الجوي.
لذلك فإن رصدًا كهذا يجب أن يتم بواسطة مركبات فضائية تدور بمدارات
بعيدة عن الأرض وعن الأحزمة المشعة المحيطة بها.
وتكمن أهمية الأرصاد بالأشعة السينية لدراسة الثقوب السوداء نظراً
لكون الثقب الأسود حسب المعلومات الحالية يقع في مركز قرص دوار وتزداد سخونة القرص
كلما اتجهنا نحو المركز, ويشع القرص بالضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية قرب حافته
الخارجية, وبأشعة جاما قرب اختفاء المادة في الثقب الأسود.
لكن هناك عمليات أخرى تحجب أشعة جاما, لذلك يُعدّ أقرب إشعاع واضح
يمكن استشعاره هو الأشعة السينية المنبعثة من مسافة تقارب ثلاث مرات الثقب
الأسود.
وجاءت الأرصاد المعتمدة على المركبة الفضائية اليابانية - الأمريكية
لرصد الأجرام السماوية بالأشعة السينية ASCA بمعلومات جديدة لأول مرة, فأرصاد هذه
المركبة للجرم المسمى V404 Cyg في المجموعة النجمية المسماة بكوكبة الدجاجة بالأشعة
السينية أظهرت أن هذا الجرم يشفط المادة من النجم الثنائي والغاز المتعجل تصل درجة
حرارته إلى مليون مليون درجة مطلقة.
وكان الباحثون قبل هذه الأرصاد يشكون في أن الجرم المقصود هو نجم
نيوتروني, لكن هذه الأرصاد أثبتت أن هذا الجرم هو ثقب أسود لعدم قدرة النجم
النيوتروني على إيصال درجة الحرارة إلى هذا المستوى.
وقد وفرت المركبة اليابانية الأمريكية ASCA معلومات جيدة في هذا
المجال إلا أنها لم تصل إلى الدقة المطلوبة لإجراء دراسات واسعة حول هذا
الموضوع.
وفي عام 1999 م تم إطلاق مركبتي رصد فضائيتين بالأشعة السينية تتمتعان
إمكانات تتفوق كثيراً عن سابقاتهما, الأولى هي المرصد الفضائي الأمريكي شاندرا
والثانية هي المرصد الفضائي الأوربي XMM- نيوتن.
وجاءت أرصاد هاتين المركبتين لتقدم معلومات جديدة عن الثقوب السوداء,
فقد التقط المرصد الفضائي الأوربي صوراً بالأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية
لمركز المجرة الحلزونية M81 أظهرت دلائل قوية لوجود ثقب أسود فيها.
وتقع المجرة M81 (3031 NGC) في مجموعة الدب الأكبر النجمية وهي على
بعد 12 مليون سنة ضوئية, وهي من أكثر المجرات سطوعاً في نصف الكرة الأرضية
الشمالي.
إلا أن تلك الأرصاد أظهرت هذا الثقب الأسود على شكل كوازار صغير بشكل
نقطة شديدة اللمعان بيضاء تقع في نواة المجرة, الأمر الذي يراه عدد من الباحثين
دعماً للآراء القائلة أن الكوازار هو ثقب أسود في المراحل الأولى من عمر
المجرة.
وكانت آخر الأرصاد بواسطة المرصد الفضائي الأوربي قد أجراها فريق من
الباحثين يقودهم د. يورن فلمز من جامعة توبنجن في ألمانيا على المجرة الحلزونية
المسماة 15-30 MCG على بعد 100 مليون سنة عن المجموعة الشمسية.
فبفضل التحليل الدقيق للطيف الذي يوفره هذا المرصد توصل الفريق إلى
وجود الحديد في القرص الدوار المحيط بالثقب الأسود في تلك المجرة.
ويذكر أن مركز هذه المجرة قد تم رصده عام 1995 م بواسطة المركبة
ASCAلكن الأرصاد السابقة لم تكن واضحة للوصول إلى هذه النتيجة.
ومن تحليل وجود الحديد استنتج الفريق العلمي أن الطيف الواسع من
الأشعة السينية يأتي من الجزء الأكثر داخلية من القرص الدوار قبل أن تختفي المادة
في الثقب الأسود, لكن قياس شدة الإشعاع بواسطة المرصد XMM- نيوتن تبين أنها تزيد
كثيراً مما كان متوقعاً من قرص المادة حول الثقب الأسود حسب النظرية النسبية, وكان
من الواضح لهذا الفريق أن هناك شيئاً ما يزيد طاقة ذرات الحديد لتشع بهذا القدر
الكبير من الأشعة السينية.
لتفسير ذلك يرى هذا الفريق العلمي الاستناد إلى نظرية قدمها اثنان من
الباحثين من جامعة كمبردج منذ 25 عاماً يريان فيها إمكان خروج الطاقة من الثقب
الأسود مما يوافق القوانين الفيزيائية للميكانيك الحرارية, التي تشير إلى أن الطاقة
المتحررة يجب امتصاصها من الغاز المحيط.
رئيس الفريق يورن فلمز يقول عن هذا : (ربما نرى الآن مولدًا كهربائيًا
لأول مرة في الثقب الأسود, فالطاقة تقتلع من الثقب الأسود, وتنتقل إلى الجزء
الداخلي من القرص الملتحم الدوار لتجعله أكثر سخونة وأكثر لمعاناً بالأشعة
السينية).
أما المرصد شاندرا فبفضل دقة صوره فقد تم توجيهه إلى مركز مجرتنا
للحصول على معلومات أكثر دقة للثقب الأسود فيها.
وأتاحت هذه الصور للباحثين تقدير حجم الثقب الأسود بقطر لا يزيد على
150 مليون كيلو متر أي المسافة بين الأرض والشمس.
الأرصاد الأخيرة
مكنت المراصد الفضائية بالأشعة السينية من تخطي رصد الثقوب السوداء
الضخمة في مراكز المجرات إلى الثقوب السوداء الأصغر حجماً.
فقد أشارت الأرصاد من المركبتين شاندرا وXMM - نيوتن إلى تأكيد أن
النجم في مركز كوكبة الدجاجة Cygnus النجمية هو ثقب أسود بينما كانت الأرصاد
السابقة تجعل منه متأرجحاً بين كونه ثقبًا أسود أو نجمًا نيوترونيًا.
والنجم Cygnus X-1 هو نظام نجمي ثنائي من أهم المصادر السماوية
للإشعاع بالأشعة السينية فهو مكون من نجم مرئي وآخر غير مرئي ذي جاذبية كبيرة قادرة
على جعل المادة المنجذبة تشع بالأشعة السينية لكن حساب هذه الجاذبية يشير إلى أن
كتلته تعادل ست مرات كتلة الشمس.
كما مكنت أرصاد المركبتين من تأكيد الاستنتاجات بوجود الثقوب السوداء
الدوارة من خلال رصد الطيف المميز لعنصر الحديد في الغاز الساخن الدوار حول ثلاثة
من الثقوب السوداء, فأرصاد المركبة شاندرا للجرم Cygnus X-1 تشير إلى تأثيرات جذب
قوية وبذرات تدور لمسافة تقترب من 100 ميل من الثقب الأسود, ولكن بلا دلائل
لدورانه.
أما أرصاد المركبة XMM-نيوتن للجرم 500-1650XTEJ فتشير إلى انبعاث
أشعة سينية لمسافة تقترب من 20 ميلاً من الثقب الأسود ومن مستوى غير مستوى عمل
الثقب الأسود, مما فسره الباحثون بدوران الثقب وهو التفسير نفسه الذي استنتجوه من
أرصاد شاندرا للجرم 4-339GX الذي أشاروا إلى أنه يدور.
أما سرعة الدوران المختلفة فقد تم تفسيرها بعدة تفسيرات من السابق
لأوانه ترجيح أي منها.
إن الثقب الأسود يُعدُّ أكثر الأفكار في الفيزياء الفلكية غموضاً, وهو
تركز الكتلة بدرجة تصبح فخاً للجاذبية يجعل كل المواد غير قادرة على الإفلات منه
حتى الضوء.
وبالإضافة إلى ما يعتقد أنها ثقوب ناشئة من انفجار مستعر أعظم تدعى
بالثقوب السوداء النجمية يحتوي الكون على ثقوب سوداء أخرى هائلة الحجم توجد عادةً
في مراكز بعض المجرات تدعى بالثقوب السوداء المجرية.
عن العربي
اتصل بنا
قصص على الهواء
