24.5: الثقوب السوداء
- Page ID
- 197718
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- شرح أفق الحدث المحيط بالثقب الأسود
- ناقش لماذا تعتبر الفكرة الشائعة عن الثقوب السوداء كوحوش ماصة رائعة يمكنها استيعاب المواد على مسافات بعيدة منها خاطئة.
- استخدم مفهوم الزمكان المشوه بالقرب من الثقب الأسود لتتبع ما يحدث لأي جسم قد يقع في ثقب أسود.
- تعرف على السبب الذي يجعل مفهوم التفرد - بكثافته اللانهائية وحجمه الصفري - يمثل تحديات كبيرة لفهمنا للمادة
دعونا الآن نطبق ما تعلمناه عن الجاذبية وانحناء الزمكان على المشكلة التي بدأنا بها: النواة المنهارة في نجم ضخم جدًا. لقد رأينا أنه إذا كانت كتلة النواة أكبر من حوالي 3\(M_{\text{Sun}}\)، فإن النظرية تقول أنه لا شيء يمكن أن يوقف النواة من الانهيار إلى الأبد. سوف ندرس هذا الموقف من منظورين: أولاً من وجهة نظر ما قبل أينشتاين، ثم بمساعدة النسبية العامة.
الانهيار الكلاسيكي
لنبدأ بتجربة فكرية. نريد أن نعرف السرعات المطلوبة للهروب من قوة الجاذبية للأجسام المختلفة. يجب إطلاق صاروخ من سطح الأرض بسرعة عالية جدًا إذا كان يريد الهروب من جاذبية الأرض. في الواقع، أي جسم - صاروخ، كرة، كتاب علم الفلك - يتم إلقاؤه في الهواء بسرعة أقل من 11 كيلومترًا في الثانية سيعود قريبًا إلى سطح الأرض. فقط تلك الأجسام التي تم إطلاقها بسرعة أكبر من سرعة الهروب هذه يمكنها الابتعاد عن الأرض.
إن سرعة الهروب من سطح الشمس أعلى حتى الآن - 618 كيلومترًا في الثانية. تخيل الآن أننا نبدأ في ضغط الشمس، مما يجبرها على تقليص قطرها. تذكر أن سحب الجاذبية يعتمد على كل من الكتلة التي تسحبك والمسافة التي تفصلك عن مركز جاذبية تلك الكتلة. إذا كانت الشمس مضغوطة، فستظل كتلتها كما هي، لكن المسافة بين نقطة على سطح الشمس والمركز ستصبح أصغر وأصغر. وهكذا، عندما نضغط النجم، ستصبح قوة الجاذبية لجسم ما على السطح المتقلص أقوى وأقوى (الشكل\(\PageIndex{1}\)).
عندما تصل الشمس المتقلصة إلى قطر نجم نيوتروني (حوالي 20 كيلومترًا)، ستكون السرعة المطلوبة للهروب من قوة الجاذبية حوالي نصف سرعة الضوء. لنفترض أننا نواصل ضغط الشمس إلى قطر أصغر وأصغر. (رأينا أن هذا لا يمكن أن يحدث لنجم مثل شمسنا في العالم الحقيقي بسبب انحطاط الإلكترون، أي التنافر المتبادل بين الإلكترونات المعبأة بإحكام؛ هذه مجرد «تجربة فكرية» سريعة للحصول على محاملنا).
في النهاية، مع تقلص الشمس، ستتجاوز سرعة الهروب بالقرب من السطح سرعة الضوء. إذا كانت السرعة التي تحتاجها للابتعاد أسرع من أسرع سرعة ممكنة في الكون، فلا شيء، ولا حتى الضوء، قادر على الهروب. لا يصدر جسم بسرعة الهروب الكبيرة هذه أي ضوء، وأي شيء يسقط فيه لا يمكن أن يعود أبدًا.
في المصطلحات الحديثة، نسمي كائنًا لا يستطيع الضوء الهروب منه بالثقب الأسود، وهو الاسم الذي روج له العالم الأمريكي جون ويلر بدءًا من أواخر الستينيات (الشكل\(\PageIndex{2}\)). ومع ذلك، فإن فكرة احتمال وجود مثل هذه الأشياء ليست فكرة جديدة. كتب أستاذ كامبريدج وعالم الفلك الهواة جون ميشيل ورقة بحثية في عام 1783 حول احتمال وجود نجوم ذات سرعات هروب تتجاوز سرعة الضوء. وفي عام 1796، أجرى عالم الرياضيات الفرنسي بيير سيمون، ماركيز دي لابلاس، حسابات مماثلة باستخدام نظرية نيوتن للجاذبية؛ وأطلق على الكائنات الناتجة اسم «الأجسام المظلمة».
في حين أن هذه الحسابات المبكرة قدمت تلميحات قوية بأنه يجب توقع شيء غريب إذا انهارت أجسام ضخمة جدًا تحت جاذبيتها الخاصة، فإننا نحتاج حقًا إلى نظرية النسبية العامة لإعطاء وصف مناسب لما يحدث في مثل هذه الحالة.
الانهيار مع النسبية
تخبرنا النسبية العامة أن الجاذبية هي في الحقيقة انحناء الزمكان. مع زيادة الجاذبية (كما هو الحال في الشمس المنهارة في تجربتنا الفكرية)، يصبح الانحناء أكبر وأكبر. في النهاية، إذا تمكنت الشمس من الانكماش إلى قطر يبلغ حوالي 6 كيلومترات، فلن تفلت سوى أشعة الضوء المرسلة عموديًا على السطح. كل الآخرين سيعودون إلى النجم (الشكل\(\PageIndex{3}\)). إذا تمكنت الشمس بعد ذلك من الانكماش قليلاً، فلن يتمكن حتى شعاع الضوء المتبقي من الهروب.
ضع في اعتبارك أن الجاذبية لا تسحب الضوء. وقد انحنى تركيز المادة الزمكان، والضوء (مثل النملة المدربة في مثالنا السابق) «يبذل قصارى جهده» للسير في خط مستقيم، لكنه يواجه الآن عالمًا أصبحت فيه الخطوط المستقيمة التي كانت تتجه إلى الخارج مسارات منحنية تؤدي إلى الداخل مرة أخرى. النجم المنهار هو ثقب أسود في هذا المنظر، لأن مفهوم «الخروج» ذاته ليس له معنى هندسي. أصبح النجم محاصرًا في جيبه الصغير من الزمكان، والذي لا مفر منه.
تقطع هندسة النجم الاتصال ببقية الكون في اللحظة التي تصبح فيها سرعة الهروب، في صورتنا السابقة، مساوية لسرعة الضوء. يحدد حجم النجم في هذه اللحظة السطح الذي نسميه أفق الحدث. إنه اسم وصفي رائع: تمامًا كما لا يمكن رؤية الأشياء التي تغرق تحت أفقنا على الأرض، لذلك لا يمكن لأي شيء يحدث داخل أفق الحدث أن يتفاعل مع بقية الكون.
تخيل مركبة فضائية مستقبلية حمقاء بما يكفي للهبوط على سطح نجم ضخم بمجرد أن تبدأ في الانهيار بالطريقة التي وصفناها. ربما كان القبطان نائمًا عند مقياس الجاذبية، وقبل أن يتمكن الطاقم من قول «ألبرت أينشتاين»، فقد انهار النجم داخل أفق الحدث. بشكل محموم، يرسلون كبسولة الهروب مباشرة إلى الخارج. لكن المسارات إلى الخارج تلتف لتصبح مسارات إلى الداخل، ويستدير الجراب ويسقط باتجاه مركز الثقب الأسود. يرسلون رسالة إذاعية إلى أحبائهم، يطلبون فيها الوداع. لكن موجات الراديو، مثل الضوء، يجب أن تنتقل عبر الزمكان، والزمكان المنحني لا يسمح بأي شيء بالخروج. رسالتهم الأخيرة لا تزال غير مسموعة. لا يمكن للأحداث داخل أفق الحدث أن تؤثر مرة أخرى على الأحداث خارجها.
تم تحديد خصائص أفق الحدث لأول مرة من قبل عالم الفلك وعالم الرياضيات كارل شوارزشيلد (الشكل\(\PageIndex{4}\)). كان عضوًا في الجيش الألماني في الحرب العالمية الأولى، وتوفي عام 1916 بسبب مرض أصيب به أثناء قيامه بحسابات قذائف المدفعية على الجبهة الروسية. كانت ورقته حول نظرية آفاق الأحداث من بين آخر الأشياء التي أنهاها عندما كان يحتضر؛ وكانت أول حل دقيق لمعادلات أينشتاين للنسبية العامة. يُطلق على نصف قطر أفق الحدث اسم نصف قطر شوارزشيلد في ذاكرته.
إن أفق الحدث هو حدود الثقب الأسود؛ وتظهر الحسابات أنه لا يصبح أصغر بمجرد انهيار النجم بأكمله بداخله. إنها المنطقة التي تفصل الأشياء المحاصرة بداخلها عن بقية الكون. أي شيء قادم من الخارج يكون محاصرًا أيضًا بمجرد دخوله إلى أفق الحدث. تبين أن حجم الأفق يعتمد فقط على الكتلة الموجودة بداخله. إذا تحولت الشمس، بكتلتها البالغة 1\(M_{\text{Sun}}\)، إلى ثقب أسود (لحسن الحظ، لا تستطيع - هذه مجرد تجربة فكرية)، فسيكون نصف قطر شوارزشيلد حوالي 3 كيلومترات؛ وبالتالي، سيكون الثقب الأسود بأكمله حوالي ثلث حجم نجم نيوتروني من نفس الكتلة. قم بتغذية الثقب الأسود ببعض الكتلة، وسوف ينمو الأفق - ولكن ليس كثيرًا. مضاعفة الكتلة ستجعل الثقب الأسود نصف قطره 6 كيلومترات، ولا يزال صغيرًا جدًا على النطاق الكوني.
آفاق الحدث للثقوب السوداء الأكثر ضخامة لها أنصاف أقطار أكبر. على سبيل المثال، إذا كان من الممكن أن تنهار مجموعة كروية من 100000 نجم (كتل شمسية) إلى ثقب أسود، فسيكون نصف قطرها 300000 كيلومتر، أي أقل بقليل من نصف قطر الشمس. إذا كانت المجرة بأكملها يمكن أن تنهار إلى ثقب أسود، فسيكون نصف\(10^{12}\) قطرها حوالي كيلومترات فقط - حوالي عُشر السنة الضوئية. تمتلك الكتل الصغيرة آفاقًا أصغر في المقابل: لكي تصبح الأرض ثقبًا أسود، يجب ضغطها إلى دائرة نصف قطرها 1 سم فقط - أقل من حجم حبة العنب. الكويكب النموذجي، إذا تم سحقه إلى حجم صغير بما يكفي ليكون ثقبًا أسود، سيكون له أبعاد نواة ذرية.
مثال\(\PageIndex{1}\): الثقب الأسود في درب التبانة
يعتمد حجم أفق الحدث للثقب الأسود على كتلة الثقب الأسود. كلما زادت الكتلة، زاد نصف قطر أفق الحدث. تُظهر حسابات النسبية العامة أن صيغة نصف قطر Schwarzschild (\(R_S\)) لأفق الحدث هي
\[R_S=\dfrac{2GM}{c^2} \label{RS}\]
أين\(c\) سرعة الضوء،\(G\) هو ثابت الجاذبية، و M هي كتلة الثقب الأسود. لاحظ أن في هذه الصيغة، 2\(G\)، و،\(c\) وكلها ثابتة؛ فقط الكتلة تتغير من الثقب الأسود إلى الثقب الأسود.
كما سنرى في الفصل الخاص بمجرة درب التبانة، قام علماء الفلك بتتبع مسارات عدة نجوم بالقرب من مركز مجرتنا ووجدوا أنها تبدو وكأنها تدور حول جسم غير مرئي - يطلق عليه اسم Sgr A* (يُلفظ «القوس A-star») - بكتلة تبلغ حوالي 4 ملايين كتلة شمسية. ما حجم نصف قطر شوارزشيلد؟
الحل
يمكننا استبدال البيانات بـ\(G\)\(M\) و\(c\) (من الملحق E) مباشرة في المعادلة\ ref {RS}:
\[\begin{aligned} R_S & =\dfrac{2GM}{c^2}=\dfrac{2 \left( 6.67 \times 10^{−11} \text{ N} \cdot ·\text{ m}^2/\text{kg}^2 \right) \left( 4 \times 10^6\right) \left( 1.99 \times 10^{30} \text{ kg} \right)}{ \left( 3.00 \times 10^8 \text{ m}/\text{s} \right)^2} \\ = 1.18×10^{10} \text{ m} \end{aligned} \nonumber\]
تبلغ هذه المسافة حوالي خمس نصف قطر مدار عطارد حول الشمس، ومع ذلك يحتوي الجسم على 4 ملايين كتلة شمسية ولا يمكن رؤيته باستخدام أكبر التلسكوبات لدينا. يمكنك أن ترى لماذا يعتقد علماء الفلك أن هذا الكائن هو ثقب أسود.
التمارين\(\PageIndex{1}\)
ماذا سيكون حجم الثقب الأسود الذي يحتوي فقط على نفس الكتلة التي تحتوي عليها شاحنة بيك أب نموذجية (حوالي 3000 كجم)؟ (لاحظ أن شيئًا ذا كتلة صغيرة جدًا لا يمكن أبدًا أن يشكل ثقبًا أسود، ولكن من المثير للاهتمام التفكير في النتيجة.)
- إجابة
-
يعطي استبدال البيانات في معادلتنا
\[ \begin{aligned} R_S=\dfrac{2GM}{c^2}=\dfrac{2 \left( 6.67 \times 10^{−11} \text{ N} \cdot \text{ m}^2/\text{kg}^2 \right) \left( 3000 \text{ kg} \right)}{ \left( 3.00 \times 10^8 \text{ m}/\text{s} \right)^2}=1.33 \times 10^{−23} \text{ m.} \end{aligned} \nonumber\]
للمقارنة، عادةً ما يُعتبر حجم البروتون حوالي\(8 \times 10^{−16} \text{ m}\)، وهو أكبر بحوالي عشرة ملايين مرة.
أسطورة الثقب الأسود
الكثير من الفولكلور الحديث عن الثقوب السوداء مضلل. إحدى الأفكار التي ربما سمعتها هي أن الثقوب السوداء تمتص الأشياء بجاذبيتها. في الواقع، لا تظهر التأثيرات الغريبة التي كنا نناقشها إلا قريبًا جدًا من الثقب الأسود. جاذبية الجاذبية البعيدة عن الثقب الأسود هي نفس جاذبية النجم الذي انهار لتشكيله.
تذكر أن جاذبية أي نجم على بعد مسافة معينة تعمل كما لو كانت كل كتلته مركزة عند نقطة في المركز، والتي نسميها مركز الجاذبية. بالنسبة للنجوم الحقيقية، نتخيل فقط أن كل الكتلة تتركز هناك؛ بالنسبة للثقوب السوداء، تتركز كل الكتلة حقًا عند نقطة في المركز.
لذلك، إذا كنت نجمًا أو كوكبًا بعيدًا يدور حول نجم يتحول إلى ثقب أسود، فقد لا يتأثر مدارك بشكل كبير بانهيار النجم (على الرغم من أنه قد يتأثر بأي خسارة في الكتلة تسبق الانهيار). من ناحية أخرى، إذا كنت تغامر بالاقتراب من أفق الحدث، فسيكون من الصعب جدًا عليك مقاومة «سحب» الزمكان المشوه بالقرب من الثقب الأسود. يجب أن تقترب حقًا من الثقب الأسود لتجربة أي تأثير كبير.
إذا مر نجم آخر أو سفينة فضائية بنصف قطر شمسي أو اثنين من الثقب الأسود، فإن قوانين نيوتن ستكون كافية لوصف ما سيحدث له. فقط بالقرب من أفق حدث الثقب الأسود تكون الجاذبية قوية جدًا لدرجة أن قوانين نيوتن تتعطل. ستكون بقايا الثقب الأسود لنجم ضخم قادم إلى جوارنا أكثر أمانًا بكثير من تجسيده السابق كنجم لامع وساخن.
آلات الجاذبية والوقت
آلات الزمن هي واحدة من الأجهزة المفضلة للخيال العلمي. سيتيح لك هذا الجهاز التنقل عبر الزمن بوتيرة مختلفة أو في اتجاه مختلف عن أي شخص آخر. تشير النسبية العامة إلى أنه من الممكن، نظريًا، بناء آلة زمنية باستخدام الجاذبية التي يمكن أن تأخذك إلى المستقبل.
دعونا نتخيل مكانًا تكون فيه الجاذبية قوية جدًا، مثل بالقرب من الثقب الأسود. تتنبأ النسبية العامة بأنه كلما كانت الجاذبية أقوى، كانت وتيرة الوقت أبطأ (كما يراه مراقب بعيد). لذا، تخيل رائد فضاء مستقبلي، مع سفينة فضائية سريعة وقوية البناء، يتطوع للذهاب في مهمة إلى مثل هذه البيئة ذات الجاذبية العالية. يغادر رائد الفضاء في عام 2222، بعد تخرجه من الكلية في سن 22. إنها تستغرق، على سبيل المثال، 10 سنوات بالضبط للوصول إلى الثقب الأسود. وبمجرد وصولها إلى هناك، تدور حول مسافة ما منها، مع الحرص على عدم سحبها.
إنها الآن في عالم عالي الجاذبية حيث يمر الوقت ببطء أكثر مما يمر على الأرض. هذا ليس مجرد تأثير على آلية ساعاتها - الوقت نفسه يعمل ببطء. وهذا يعني أن كل طريقة لديها لقياس الوقت ستعطي نفس القراءة البطيئة عند مقارنتها بالوقت الذي يمر على الأرض. سوف ينبض قلبها ببطء أكثر، وسينمو شعرها بشكل أبطأ، وستضع ساعة اليد العتيقة الخاصة بها ببطء أكثر، وهكذا. إنها لا تدرك هذا التباطؤ لأن جميع قراءاتها للوقت، سواء كانت مصنوعة من خلال وظائفها الجسدية أو باستخدام معدات ميكانيكية، تقيس نفس الوقت - الأبطأ -. وفي الوقت نفسه، عند العودة إلى الأرض، يمر الوقت كما هو الحال دائمًا.
تخرج رائدة الفضاء الآن من منطقة الثقب الأسود، وانتهت مهمتها الاستكشافية، وتعود إلى الأرض. قبل المغادرة، لاحظت بعناية أنها (وفقًا لساعاتها) أمضت حوالي أسبوعين حول الثقب الأسود. ثم تستغرق 10 سنوات بالضبط للعودة إلى الأرض. تخبرها حساباتها أنه منذ أن كانت في الثانية والعشرين من عمرها عندما غادرت الأرض، سيكون عمرها 42 زائد أسبوعين عند عودتها. لذا، تعتقد أن العام على الأرض يجب أن يكون 2242، ويجب أن يقترب زملاؤها الآن من أزمات منتصف العمر.
لكن كان يجب على رائدة الفضاء أن تولي المزيد من الاهتمام في فصل علم الفلك! نظرًا لأن الوقت تباطأ بالقرب من الثقب الأسود، فقد مر وقت أقل بكثير بالنسبة لها مقارنة بالأشخاص على الأرض. بينما كانت ساعاتها تقيس أسبوعين تقضيها بالقرب من الثقب الأسود، كان من الممكن أن يمر أكثر من 2000 أسبوع (اعتمادًا على مدى قربها) على الأرض. وهذا يعادل 40 عامًا، مما يعني أن زملاءها في الصف سيكونون من كبار السن في الثمانينيات من العمر عندما تعود (تبلغ من العمر 42 عامًا فقط). لن يكون الرقم على الأرض 2242، بل 2282 - وستقول إنها وصلت في المستقبل.
هل هذا السيناريو حقيقي؟ حسنًا، هناك بعض التحديات العملية: لا نعتقد أن أي ثقوب سوداء قريبة بما يكفي لنصل إليها في غضون 10 سنوات، ولا نعتقد أن أي سفينة فضائية أو إنسان يمكنه البقاء بالقرب من الثقب الأسود. لكن النقطة الأساسية في تباطؤ الوقت هي نتيجة طبيعية لنظرية النسبية العامة لأينشتاين، ورأينا أن تنبؤاتها قد تأكدت من خلال تجربة تلو الأخرى.
مثل هذه التطورات في فهم العلوم تصبح أيضًا مصدر إلهام لكتاب الخيال العلمي. في الآونة الأخيرة، أظهر فيلم Interstellar بطل الرواية وهو يسافر بالقرب من ثقب أسود ضخم؛ التأخير الناتج في شيخوخته مقارنة بعائلته الأرضية هو جزء أساسي من المؤامرة.
كما تستفيد روايات الخيال العلمي، مثل Gateway للكاتب فريدريك بوهل و A World out of Time للكاتب لاري نيفن، من تباطؤ الوقت بالقرب من الثقوب السوداء كنقاط تحول رئيسية في القصة. للحصول على قائمة بقصص الخيال العلمي المبنية على علم الفلك الجيد، يمكنك الانتقال إلى www.astrosociety.org/scifi.
رحلة إلى الثقب الأسود
حقيقة أن العلماء لا يستطيعون الرؤية داخل الثقوب السوداء لم تمنعهم من محاولة حساب شكلها. من أول الأشياء التي أظهرتها هذه الحسابات أن تكوين الثقب الأسود يمحو تقريبًا جميع المعلومات حول النجم الذي انهار لتشكيله. يحب الفيزيائيون أن يقولوا «الثقوب السوداء ليس لها شعر»، مما يعني أنه لا يوجد شيء يخرج من الثقب الأسود لإعطائنا أدلة حول نوع النجم الذي أنتجه أو المادة التي سقطت بداخله. المعلومات الوحيدة التي يمكن أن يكشفها الثقب الأسود عن نفسه هي كتلته ودورانه (دورانه) وما إذا كان يحتوي على أي شحنة كهربائية.
ماذا يحدث لنواة النجوم المنهارة التي صنعت الثقب الأسود؟ تتنبأ أفضل الحسابات التي أجريناها بأن المادة ستستمر في الانهيار تحت وزنها، لتشكل نقطة ضغط لا نهائية - مكان الحجم الصفري والكثافة اللانهائية - التي نطلق عليها اسم التفرد. عند التفرد، يتوقف الزمكان عن الوجود. تتعطل قوانين الفيزياء كما نعرفها. ليس لدينا حتى الآن الفهم المادي أو الأدوات الرياضية لوصف التفرد نفسه، أو حتى في حالة حدوث التفردات بالفعل. ولكن من الخارج، يمكن وصف الهيكل الكامل للثقب الأسود الأساسي (الذي لا يدور) بأنه تفرد محاط بأفق الحدث. بالمقارنة مع البشر، تعتبر الثقوب السوداء أشياء بسيطة جدًا حقًا.
قام العلماء أيضًا بحساب ما سيحدث إذا سقط رائد فضاء في ثقب أسود. دعونا نأخذ موقعًا للمراقبة على مسافة طويلة وآمنة من أفق الحدث ونشاهد رائد الفضاء هذا يسقط نحوه. في البداية سقط بعيدًا عنا، ويتحرك بشكل أسرع من أي وقت مضى، تمامًا كما لو كان يقترب من أي نجم ضخم. ومع ذلك، مع اقترابه من أفق حدث الثقب الأسود، تتغير الأمور. إن مجال الجاذبية القوي حول الثقب الأسود سيجعل ساعاته تعمل ببطء أكثر، عند رؤيتها من منظورنا الخارجي.
إذا قام، عند اقترابه من أفق الحدث، بإرسال إشارة مرة واحدة في الثانية وفقًا لساعته، فسوف نرى المسافات بين إشاراته تنمو لفترة أطول وأطول حتى تصبح طويلة بلا حدود عندما يصل إلى أفق الحدث. (بالإشارة إلى مناقشتنا حول الانزياح الأحمر للجاذبية، يمكننا القول أنه إذا استخدم رائد الفضاء الهابط ضوءًا أزرقًا لإرسال إشاراته كل ثانية، فسوف نرى الضوء يزداد احمرارًا واحمرارًا حتى يصبح طوله الموجي غير محدود تقريبًا.) مع اقتراب المسافة بين دقات الساعة من اللانهاية، سيظهر لنا أن رائد الفضاء يتوقف ببطء، ويتجمد بمرور الوقت في أفق الحدث.
وبنفس الطريقة، ستظهر جميع المواد التي تسقط في الثقب الأسود أيضًا لمراقب خارجي للتوقف عند أفق الحدث، وتتجمد في مكانها وتستغرق وقتًا غير محدود للسقوط من خلالها. لكن لا تعتقد أن المادة التي تسقط في الثقب الأسود ستكون مرئية بسهولة في أفق الحدث. إن التحول الأحمر الهائل سيجعل من الصعب جدًا ملاحظة أي إشعاع من ضحايا الثقب الأسود «المتجمدين».
لكن هذه فقط هي الطريقة التي نرى بها الأشياء، بعيدًا عن الثقب الأسود. بالنسبة لرائد الفضاء، يمضي وقته بمعدله الطبيعي ويسقط مباشرة عبر أفق الحدث إلى الثقب الأسود. (تذكر أن هذا الأفق ليس حاجزًا ماديًا، ولكنه مجرد منطقة في الفضاء حيث انحناء الزمكان يجعل الهروب مستحيلًا.)
قد تواجه مشكلة في فكرة أنك (تشاهد من بعيد) ورائد الفضاء (يسقط) لديهما أفكار مختلفة حول ما حدث. هذا هو سبب تسمية أفكار أينشتاين حول المكان والزمان بنظريات النسبية. يعتمد ما يقيسه كل مراقب عن العالم على (يتعلق بـ) الإطار المرجعي الخاص به. يقيس الراصد ذو الجاذبية القوية الزمان والمكان بشكل مختلف عن الذي يجلس في جاذبية ضعيفة. عندما اقترح أينشتاين هذه الأفكار، واجه العديد من العلماء أيضًا صعوبة في فكرة أن وجهتي نظر مختلفتين عن نفس الحدث يمكن أن تكونا صحيحتين، كل منهما في «عالمه» الخاص، وحاولوا العثور على خطأ في الحسابات. لم تكن هناك أخطاء: نحن ورائد الفضاء سنراه حقًا يسقط في ثقب أسود بشكل مختلف تمامًا.
بالنسبة لرائد الفضاء، ليس هناك عودة إلى الوراء. بمجرد دخول أفق الحدث، سيظل رائد الفضاء، إلى جانب أي إشارات من جهاز الإرسال اللاسلكي الخاص به، مخفيًا إلى الأبد عن الكون الخارجي. ومع ذلك، لن يكون لديه وقت طويل (من وجهة نظره) ليشعر بالأسف على نفسه وهو يقترب من الثقب الأسود. لنفترض أنه يسقط قدميه أولاً. إن قوة الجاذبية التي تمارسها التفرد على قدميه أكبر من قوة رأسه، لذلك سيتم تمديده قليلاً. نظرًا لأن التفرد هو نقطة، سيتم سحب الجانب الأيسر من جسده قليلاً نحو اليمين، واليمين قليلاً نحو اليسار، مما يجعل كل جانب أقرب إلى التفرد. لذلك سيتم ضغط رائد الفضاء قليلاً في اتجاه واحد وتمديده في الاتجاه الآخر. يحب بعض العلماء تسمية هذه العملية بتمدد وتضييق السباغيتي. تعتمد النقطة التي يصبح فيها رائد الفضاء ممتدًا لدرجة أنه يموت على حجم الثقب الأسود. بالنسبة للثقوب السوداء التي تبلغ كتلتها مليارات المرات كتلة الشمس، مثل تلك الموجودة في مراكز المجرات، لا تصبح الإسباغيتي مهمة إلا بعد مرور رائد الفضاء عبر أفق الحدث. بالنسبة للثقوب السوداء ذات الكتل الشمسية القليلة، سيتم تمديد رائد الفضاء وتمزيقه حتى قبل أن يصل إلى أفق الحدث.
تمارس الأرض قوى المد والجزر المماثلة على رائد فضاء يقوم بالسير في الفضاء. في حالة الأرض، تكون قوى المد والجزر صغيرة جدًا لدرجة أنها لا تشكل أي تهديد لصحة وسلامة رائد الفضاء. ليس الأمر كذلك في حالة الثقب الأسود. عاجلاً أم آجلاً، مع اقتراب رائد الفضاء من الثقب الأسود، ستصبح قوى المد والجزر كبيرة جدًا بحيث يتم تمزيق رائد الفضاء، ثم اختزاله في نهاية المطاف إلى مجموعة من الذرات الفردية التي ستستمر في السقوط العنيد في التفرد.
من المناقشة السابقة، ربما توافق على أن القفز إلى الثقب الأسود هو بالتأكيد تجربة تحدث مرة واحدة في العمر! يمكنك أن ترى تفسيرًا جذابًا للموت بالثقب الأسود بقلم نيل ديجراس تايسون، حيث يشرح تأثير قوى المد والجزر على جسم الإنسان حتى يموت بسبب السباغيتي.
يمكن رؤية تفسير مماثل في مقتطف فيديو قناة Discovery هذا.
المفاهيم الأساسية والملخص
تشير النظرية إلى أن النجوم ذات النوى النجمية التي تزيد كتلتها عن ثلاثة أضعاف كتلة الشمس في الوقت الذي تستنفد فيه وقودها النووي ستنهار لتصبح ثقوبًا سوداء. يُطلق على السطح المحيط بالثقب الأسود، حيث تساوي سرعة الهروب سرعة الضوء، اسم أفق الحدث، ونصف قطر السطح يسمى نصف قطر شوارزشيلد. لا شيء، ولا حتى الضوء، يمكنه الهروب عبر أفق الحدث من الثقب الأسود. في وسطه، يُعتقد أن كل ثقب أسود له تفرد ونقطة كثافة لا نهائية وحجم صفري. يبدو أن المادة الساقطة في الثقب الأسود، كما يراها مراقب خارجي، تتجمد في موضعها عند أفق الحدث. ومع ذلك، إذا ركبنا على المادة الهابطة، فسوف نمر عبر أفق الحدث. عندما نقترب من التفرد، ستمزق قوى المد والجزر أجسادنا حتى قبل أن نصل إلى التفرد.
مسرد المصطلحات
- ثقب أسود
- منطقة في الزمكان تكون فيها الجاذبية قوية جدًا بحيث لا يمكن لأي شيء - ولا حتى الضوء - الهروب
- أفق الحدث
- حدود في الزمكان بحيث لا يكون للأحداث داخل الحدود أي تأثير على العالم خارجها - أي حدود المنطقة حول الثقب الأسود حيث لم يعد انحناء الزمكان يوفر أي مخرج
- تفرد
- نقطة الحجم الصفري والكثافة اللانهائية التي يجب أن ينهار فيها أي كائن يتحول إلى ثقب أسود، وفقًا لنظرية النسبية العامة