ماهي الثقوب السوداء!

الثقوب السوداء! يا لها من كيانات ساحرة وغامضة حقًا! ومن الحسن الحظ أنها سوداء… فاللون الأسود أكثر غموضًا بالطبع! تخيلوا معي لو كانت حمراء، أو … لكن لحظة واحدة! هل هي سوداء حقًا؟ نحن نصفها بالسوداء لأنها “تمتص” كل شيء بما في ذلك كل أطياف اللون المرئي، ولأنها غير ظاهرة كذلك لنا، أي أنها “مظلمة” بلا لون أو طيف ظاهر نستطيع تمييزها به بالرصد المباشر.
لكن حتى لو كان لها لون أسود صريح واضح، هل تعتقد أننا نستطيع رؤيتها أو رصد صورتها الحقيقية من على بعد آلاف السنين الضوئية؟ دعكم حتى من الثقوب السوداء المخادعة، ولنتكلم عن شيء قريب واضح صريح كالشمس … إحم بل هي الشمس فعلًا! هل تعتقد أن الشمس لونها أصفر كما يفترض بها أن تكون؟ أو حتى حمراء كما نراها في الصور أو الأفلام؟ في الواقع، قد تبدو لنا الشمس صفراء، أو برتقالية أو حمراء لأن ألوان أشعتها قصيرة الموجة كالأخضر، والأزرق، والبنفسجي تتناثر وتتشعشع في غلافنا الجوي فلا يصل إلينا منها إلا الأحمر، والأصفر والبرتقالي. ما لون الشمس إذن؟ مزيج من كل الألوان بالطبع! أي أن لون الشمس أبيض ساطع بلا لون معين، ونحن نتحدث مرة أخرى عن لون الشمس هناك، في الفضاء المظلم قارس البرودة والوحدة!
فإذا كان تحديد لون شيء بهذا القرب والضخامة والاستقامة كالشمس بهذه الصعوبة لنا، فما بالكم بتلك الكيانات المراوغة، المظلمة، الأكثر تعقيدًا والقصية كالثقوب السوداء؟ لا غرو إذن أننا لم نستطع إلى الآن تصويرها أو حتى تخيلها بشكل قاطع حتى الآن. لكن هذا قد يتغير وإلى الأبد في شهر إبريل القادم عندما يحاول مرصد أفق الحدث (Event Horizon Telescope (EHT التقاط أول صورة في تاريخنا البشري الحديث لثقب أسود وأفق حدثه كذلك!

وهو لا يحاول التقاط صورة أي ثقب أسود، بل هو ثقب مميز للغاية بالنسبة لنا: ثقب القوس أ Sagittarius، ذلك الوحش الذي يقبع في مركز مجرتنا درب التبانة! حيث سيقضي مرصد EHT ما يقارب 10 أيام كاملة لتجميع البيانات الواردة إليه، لكن الصورة الحقيقية للثقب الأسود لن تكون جاهزة لمشاهدتها إلا بعد تحليل ومعالجة تلك البيانات بالكامل، الأمر الذي سيستغرق من أعتى أجهزة الحاسب وأسرعها حاليًا في العالم حتى عام 2018 لتحقيق هذا! لا داعي للإحباط على الإطلاق هنا، فالأمر ليس بالببساطة التي قد يبدو عليها الأمر للوهلة الأولى كما سنرى في السطور المقبلة!

كيف يعمل مرصد أفق الحدث (Event Horizon Telescope (EHT؟

مرصد EHT لا يتكون من تليسكوب واحد في الواحد، بل هو أقرب لما يمكن أن نصفه بـ “تجميعة” أو “تعاون” عدد من التليسكوبات الراديوية حول العالم واتصالها معًا لتعمل كمرصد واحد أقوي بكثير. فلرصد شيء مراوغ وبالغ البعد كثقب أسود، يتوجب علينا إما بناء تليسكوب راديو هائل بحجم قارة، وهو أمر مستحيل بالطبع، أو الربط بين ما لدينا من تليسكوبات متباعدة لتعمل معًا ككيان واحد! وهو ما كان بالفعل مع مرصد EHT، حيث يضم أسماءً لامعة في عالم الفلك والرصد مثل مصفوف مرصد أتاكاما المليمتري الكبير Atacama Large Millimeter Array ALMA وتليسكوب القطب الجنوبي South Pole Telescope SPT ومرصد very-long-baseline-interferometry VLBI. هكذا، يصير لدينا مرصد عملاق بحجم كوكبنا نفسه!

هذه القوة المخيفة التي حازها مرصد EHT ضرورية للغاية ومبررة كذلك عندما نتعامل مع الثقب الأسود القوس أ Sagittarius A؛ فعلى الرغم من أن كتلته تبلغ 4 مليون ضعف كتلة شمسنا، فهو بقطر يبلغ 20 مليون كم فقط. لذا، على بعد يبلغ 26 ألف سنة ضوئية من الأرض، يبدو هذا الثقب الأسود ضئيلًا يصعب رصده على ضخامته المهولة في الواقع!
ولكي يعمل مرصد EHT بالدقة المطلوبة، يتم معايرة كل تليسكوب مشارك من خلال ساعة ذرية تضبط الوقت به بدقة تبلغ جزء من تريليون جزء من الثانية كل ثانية!
وكما لكم أن تتوقعوا، سيستقبل مرصد EHT كميات خيالية من البيانات في كل لحظة؛ لهذا تم تزويده بجيش من أقراص التخزين الصلبة، والتي سيتم نقلها جوًا إلى مرصد Haystack بمعهد معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا MIT لمعالجة البيانات التي تحويها، وهو ما يتطلب بالتبعية الاستعانة بحاسب شبكي grid computer أشبه بحاسب خارق يتكون من 800 وحدة معالجة مركزية تعمل في آن واحد!
مبهر كما ترون، لكن ما الذي سنراه بعد انتهائه من تحليل البيانات؟ هذا يعتمد بشكل كلي على ثلاثة من أشهر الأسماء في عالم الفيزياء في عصرنا الحديث…

آينشتاين، شوارزشيلد، وهوكينج!

ما سنراه في نهاية المطاف عندما نحصل أخيرًا على تلك الصورة السحرية قائم في الواقع على ما خلّفة لنا آينشتاين

وشوارزشيلد وما أتبعهما هوكينج مؤخرًا بشأن الثقوب السوداء.

بينما تقترب تكوينات الغاز والغبار الفضائي من ثقب أسود، فإنها تتسارع بحكم جاذبيته لها. ودعوني أخبركم أنها لا تسرع قليلًا، بل كثيرًا بلا هوادة إلى حتفها بكل حماس! هذا التسارع يجعلها تطلق مزيدًا من الطاقة يمَكنّنا نحن من رصدها ورؤيتها؛ وهو ما ترونه كهلال من الضوء في الصورة بالأعلى، أما الفقاعة السوداء في المنتصف فهي ظل الثقب الأسود الذي يرميه على ضوء الطاقة المنطلقة. يمكنكم إعادة قراءة الفقرة الماضية لفهم تركيبها ومعناها بالضبط…
لم يتنبأ آينشتاين بالضبط بوجود الثقوب السوداء، لكنها نظريته عن النسبية العامة هي ما أشارت لوجودها. فقد تنبأت النسبية العامة بأن النجوم فائقة الكتلة super massive stars يمكنها ثني أو طي نسيج الزمكان بما يكفي كي لا يهرب من جاذبيتها المهولة حتى الضوء نفسه. لا تنسوا هنا أن الثقب الأسود في النهاية مجرد نجم انهار على نفسه، فلا تستغربوا لفظة النجوم فائقة الكتلة السابقة لأنها مرادف لا أكثر للثقوب السوداء. وهنا يأتي دور أحد العلماء المعاصرين لآينشتاين وهو كارل شوارزشيلد Karl Schwarzschild ليشرح الطريقة التي يعمل بها الثقب الأسود حقًا.

شوارزشيلد كان أول من قال أنه بناءً على معادلات آينشتاين سيملك الثقب الأسود ما يسمى بأفق الحدث Event horizon. ويمكننا وصف أفق الحدث على أنه المنطقة القريبة التي تحيط تحيط بالثقب الأسود ولا يستطيع من في خارجه ملاحظة ما يجري في داخله مطلقًا؛ أي في داخل الثقب الأسود. كذلك يدعى أفق الحدث بـ “نقطة اللارجعة”، فمتى تجاوزت ذلك الأفق، لن تفلت من جاذبية الثقب الأسود… الضوء نفسه لا يستطيع تجاوز أفق الحدث، لذا يظل حبيسًا داخله ويظل الثقب الأسود … أسود.

لا أمل إذن في رؤية صورة للثقب الأسود! لكن هنا يأتي دور هوكينج في سبعينات القرن الماضي ليتنبأ بما صار يعرف بإشعاع هوكينج Hawking Radiation، وهو الإشعاعات التي يطلقها الثقب الأسود… الشيء الوحيد الذي يخرج عن تلك الكيانات المرعبة. هكذا ترون كيف ساهم الثلاثة العظماء السابقون معًا في التوصل للطريقة التي سيعمل بها مرصد EHT لمعالجة البيانات الآتية لنا عبر ملايين الأميال لتكوين أول صورة لثقب أسود.والمثير هنا أنه يجب أن تتوافق الصورة التي سنحصل عليها في النهاية مع معادلات نظرية النسبية العامة! يجب أن تظهر الصورة ما نتوقع أن تظهره في النهاية وإلا فهذا يعني أن هناك أمر ما خطأ بنظرية آينشتاين الأشهر والتي تم إثبات صحتها بالرصد المباشر وغير المباشر مرارًا وتكرارًا. ليس هذا فحسب، فأي صورة مفاجئة أو مخالفة لتوقعاتنا أو تخيلنا لما يبدو عليه الثقب الأسود يعني أننا لا نفهم الجاذبية كما ينبغي … أو لا نفهمها مطلقًا!
هناك ذلك المثل الشائع بين علماء الفيزياء: “ليس من الحكمة أبدًا أن تناطح آينشتاين أو أن تراهن على خطأ له” فقد برهن العلم على صحة ما قاله مرارًا وتكرارًا. لكن هل يصمد آينشتاين لجولة أخرى قريبة؟ سنضطر للأسف للانتظار حتى 2018!