ملتقى الفيزيائيين العرب - الثقوب السوداء

الثقوب السوداء

--------------------------------------------------------------------------------

الثقوب السوداء هي أكثر الاسماء غرابةً في عالم الفيزياء وأكثر الظواهر إخافةً وهي نقاط رعب في السماء وكان سبب ظهور هذه الظاهره هو إكتشاف "رومر" أن للضوء سرعة محدوده وهذا الاكتشاف يطرح تساؤل لماذا لاتزيد سرعة الضوء الى سرعة أكبر كانت الأجابه لأنه قد تكون للجاذبيه تأثير على الضوء ومن هذا الأكتشاف كتب "جون مينشل " عام 1783 مقالاً أشار فيه إلى أنه قد يكون لنجم الكثيف المتراص جاذبيه شديدة جداً ،إلى أن الضوء لا يمكنه الإفلات منها . فأي ضوء ينبعث من سطح النجم تعيده هذه الجاذبية، واقترح أيضاً وجود نجوم عديدة من هذه النجوم ،مع أننا لا يمكننا أن نرى الضوء لأنها لا تبعثه إلا أننا نستطيع تلمس جاذبيتها. وهذه النجوم ما نسميه "بالثقوب السوداء " . فهي فجوات في الفضاء، وأهملت هذه الأفكار لان نظريه الموجات للضوء كانت سائدة في ذلك الوقت لأنها تتوافق مع فيزياء "نيوتن " ولم تأت نظريه متماسكة عن كيفية تأثر الضوء بالجاذبية إلا يوم عرض" آينشتاين " النسبية العامة 1915 م . ولم يفهم ما تحتويه النسبية من مضامين إلا بعد فترة طويلة بالنسبة لنجوم الكبيرة .

حيــــــــــــاة النجوم

في البداية سنوضح الدورة الحياتية لنجوم .فالنجم يتكون عندما تأخذ كم كمية من الغازات غالباً تكون من الهيدروجين بالتجمع والتهافت والانخساف على بعضها البعض تحت جاذبية ومع هذا التقلص يزداد تصادم الغازات فيما بينها بسر عات كبيره و يسخن الغاز حتى يصبح حار جداً إلى درجة أن تندمج ذرات الهيدروجين عند تصادمها لتكونّ الهليوم ،وهذا التفاعل يشبه القنبلة الهيدروجينية وهي التي تجعل النجم مشع وان هذه الحرارة تزيد من ضغط الغازات إلى أن يصبح كافياً لتوازن مع التجاذب التثاقلي فيتوقف الغاز عن التقلص وتبقى النجوم مستقرة فترة طويلة حيث تعادل حرارة التفاعلات النووية مع قوة التجاذب التثاقلي(أي انه يكون في حالة توازن توقفه عن الانخساف مثل التوازن بين الجاذبيه والقوه الطارده المركزيه) ولكن في النهاية ينضب الهيدروجين من النجم وغيره من الوقود الأخر . فكلما كانت كمية الوقود كبيرةً عند ولادة النجم كان نضوبه أسرع لأنه كلما كانت كتلة النجم كبيره وجب أن تكون حرارته عالية من أجل مقاومة تجاذبه التثاقلي وكلما كانت حرارته عالية كان أسرع استهلاك للوقود . ولأن شمسنا من النجوم المتوسطة فإنه على الأقل يوجد بها وقود يكفي خمسة آلاف مليون سنه فقط !! وعندما ينضب الوقود فإن النجم يبدأ في التبرد وبالتالي بالتقلص . حسب " تشاندرا زيخار" كم يمكن أن يكون حجم النجم ضخم ويستطيع مقاومة جاذبيته الذاتية بعد أن يكون قد استهلك كامل وقوده. فعندما يكون النجم صغيراً تقترب جسيمات المادة من بعضها البعض كثيراً ووفقاً لمبدأ "باولي " في الاستبعاد يجب أن تكون سر عات الجسيمات متفاوتة جداً وهذا يجعلها تتنافر وبالتالي يتمدد النجم وهكذا يستقر النجم على حجم (( نصف قطره )) ثابت وهكذا تتعادل الجاذبية كما كانت عند بداية النجم أدرك (تشاندرا زيخار)أن هناك حدود للتنافر الذي يقدمه مبدأ الاستبعاد.فالنسبية تحدد الفارق الأقصى بين السر عات التي بين الجسيمات في النجم بسرعة الضوء وبذلك يصبح النجم كثيفا بما فيه الكفاية و يكون التنافر اقل من قوة الجاذبية حسب (تشاندرا زيخار)الكتلة التي لا يمكن للنجم مقاومة جاذبيته وتعرف بحدود (تشاندرا زيخار)وكانت هذه ألا فكار لها مفاهيم حول مصير النجوم

1-.إذا كانت كتلة النجم دون حدود(تشاندرا زيخار)قد يتوقف في النهاية عن التقلص ليستقر على شكل (قزم ابيض) و يكون ذا كثافة عالية مئات الأطنان في الانش الواحد ونشاهد عددا كبيرا من هذه النجوم البيضاء وكان أحد أول ما ا كتشف نجم يدور حول الشعرى اسطع نجم في السماء .

2- وكانت هناك نهاية أخرى محتملة لنجم عندما تكون كتلة النجم ضعف كتلة شمسنا ولكن اصغر بكثير من القزم الأبيض وتحقق هذه النجوم مبدأ تنافر الاستبعاد بين النيترونات والبروتونات اكثر منه بين الإلكترونات ولذلك سميت نجوم نيوترونية قد لا يتعدى نصف قطرها عشرة أميال أو نحوه مع كثافة عالية تعد بمئات الملايين من الأطنان في الانش الواحد ويتم التنبؤ بوجودها ولم يتمكن من مشاهدتها ولم تكتشف إلا بعد فترة طويلة .

هــــــــل يــعــقـــل؟؟؟

ولكن النجوم التي تتجاوز كتلتها حدود(تشاندرا زيخار) تواجه مشكلة كبيرة عند نفاذ وقودها قد تنفجر أو تقذف بعض المادة لتخفيف كتلتها إلى مادون الحدود كي تتفادى الانسحاق بالجاذبية .كانت النتيجة مذهلة حيث أن النجم يتحول إلى نقطة حتى آينشتاين كتب مقالا أعلن فيه انه لا يمكن للنجوم أن تتقلص إلى الصفر وأهملت هذه الفكرة إلى ما بعد الحرب العالمية الثانية . وكان تصورنا لأعمال (أوبنها يمر) المكلف بالنووية في الحرب العالمية كالآتي:

اعمل اوبينهايمر

يغير حقل جاذبية النجم مسارات أشعة الضوء في الزمكان ومخاريط الضوء التي تشير إلى المسارات التي تتبعها الضوء في الزمكان ومضات ضوئية تكون منحنية قليلا نحو الداخل وهذا ما اثبت عندما شُهِد انحناء الضوء عند كسوف الشمس ومع تقلص النجم تزداد الجاذبية على سطحه فتنحني المخاريط نحو الداخل بشكل كبير حتى يصعب على الضوء الإفلات من الجاذبية وبحسب النظرية النسبية لا يمكن لأي جسم السير بأسرع من الضوء إذاً لاشي يمكنه الإفلات من حقل الجاذبية إذاً لدينا منطقة من لزمان والمكان لا يمكن الإفلات منها وهذه المنطقة نسميها الثقوب السوداء وتسمى حدودها ( أفق الحدث ) .

تخيل كيف ينفجر نجم أو كيف يموت أو كيف يولد؟ بإختصار كيف يتكون ثقب اسود؟

وكي نفهم ما يحدث عند الانسحاق ونحن نراقب الحدث لابد لنا من تذكر أن الزمان ليس مطلق كما أشارت النسبية وكي نتصور ما يحدث تخيل أن مجموعة من رواد الفضاء كانوا في مركبة تدور حول نجم قبيل انسحاقه ووضعوا أحدهم على سطح النجم وكان هذا الرائد يطلق إشارات كل ثانية وكان النجم ينسحق الساعة (2) فإن أخر الثواني التي يطلق فيها الإشارات تكون أطول بالنسبة لرواد المركبة الفضائية إلا أنهم سوف ينتظرون الإشارة التي تدل على الساعة (2) إلى الأبد وهي التي تعلن انسحاق النجم لكنها لن تفلت من الجاذبية . يتدرج اللون الإشعاعي من النجم أحمر فأكثر احمرار إلى أن يعتم ولا يبقى منه إلا ثقب اسود في الفضاء إلا أن النجم يستمر في ممارسة قوة الجاذبية . ومن المعلوم أن الجاذبية تضعف كلما ابتعدنا عن النجم أي أن الجاذبية على قدمي رائد الفضاء أكبر منها على رأسه وهذا سوف يمط الرائد بشكل كبير أو يقطعه أو بالأصح سوف يكون عبارة عن مسبح من الذرات واصغر فتتابع هذه الجزيئات الصغرى في دخولها لثقب الأسود مثل " مسبحة مقطوعة " .

أعمال روجربنروز

وكانت أعمال" روجر بنروز" بحسب النسبية العامة لابد أن يكون هناك تفرد ( singunarity ) ذو كثافة لا متناهيه وكذلك إنحاء في الزمكان داخل الثقب الأسود أنه أشبه بالانفجار العظيم في بداية النشأة وبداية الزمان وستكون نهاية الزمان ونهاية هذا النجم المنسحق وفي هذا التفرد ولا يمكن للمعلومات أن تأتينا لأنها قد تعطلت إلا أن أي مشاهد خارج التفرد لا يتأثر بتعطيل هذه القوانين (وهذا يعني ان قوانين الفيزياء التي نعرفها لاتعمل داخل الثقب الاسود لانها تكون معطله مثل النفجار العظيم تتعطل فيه القوانين لكن نحن خارج الثقب الاسود لا نتاثر بهذا التعطيل). الثقوب السوداء الدوديه

وهناك حلول أخرى لنسبية العامة تحمي رائد الفضاء كي يتفادى الإصطدام بالتفرد وهي أن يقع وسط ثقب دودي ويخرج في منطقة أخرى للكون هذه الحلول تفتح إمكانات كبيرة في السفر عبر الفضاء والزمان ولكن هذه الأحداث ليست مستقرة فوجود أي شي قد يغيرها والشخص الموجود في التفرد لا يمكن أن يكون إلا في مستقبلة لان قوانين الرقابة الكونية تنص على أنة لا يمكن أن يكون التفرد إلا في الماضي السحيق (الانفجار العظيم ) أو في المستقبل ويحتمل أن تثبت أي صيغة لرقابة الكوني أنه قد يكون ممكن السفر عبر الماضي على مقربة بالتفرد العادي .

الثقوب السوداءوالكموميه والنوافير التي تخرج منهاوكيف تشع هذه الثقوب؟

أفق الحدث هي حدود منطقة من الزمان والمكان التي لا يمكن الإفلات منها وتعمل على شكل غشاء ذو اتجاه واحد وهو داخل الثقب لا خارجة وهو مسار الضوء في الزمكان وهو يحاول الإفلات من الثقوب السوداء وبما انه لا شي يمكنه السير بأسرع من الضوء فإن أي شي يقع في هذه المنطقة سوف يبلغ بسرعة منطقة ذات كثافة عالية ونهاية الزمان . وتتنبأ النسبية العامة بأن الأجسام الثقيلة المتحركة سوف تتسبب ببث موجات جاذبية وهي تموجات في انحناء الفضاء( هذه التموجات على حسب فهمي هي ليست مثل موجات الراديوا بل هي موجات في الزمكان تخيل انك تمشي في بركة ماء سوف تتكون موجات من الماء بسبب حركة في البركه هي هذه الموجات الناشئه) تنتقل بسرعة الضوء وتشبه موجات الضوء التي هي تموجات الحقل الكهرمغناطيسي إلا أنها يصعب اكتشافها وهي كالضوء تأخذ الطاقة من الأجسام التي تبثها وبالتالي يتوقع أن ينهار نظام من الأجسام الضخمة ويعود في النهاية إلى وضع مستقر لان الطاقة في أي حركة سوف تحمل بعيداً "مثل أي قطعة فلينية في الماء فإنها تغطس وتطفوامرات عدة ولكن بما أن التموجات تحمل طاقتها بعيداً فإنها تستقر أخيرا " وعلى سبيل المثال دوران الأرض حول الشمس يولد موجات جاذبية ويكون تأثير مسارات الطاقة في تغير مدار الأرض حول الشمس الذي يؤدي في آخر المطاف إلى أن الأرض تقترب من الشمس حتى تستقر داخلها ومعدل ضياع الطاقة ضئيل جداً .وشوهد هذا التأثير في نظام النجم النابض وهو نوع خاص من النجوم النيترونية تبث نبضات منتظمة من موجات الراديو ويضم هذا النظام نجمين نيترونيين يدوران حول بعضهما البعض .

ماهو شكل النجوم التي تكون منها الثقب الاسود هل يجب ان تكون مكوره ؟؟

أن الطاقة التي يفقدها النجمين في بث موجات الجاذبة تجعلهما يتلو لبان الواحد تجاه الأخر . وفي عام 1967 ، حدثت ثورة في دراسة الثقوب السوداء على يد العالم "إزرائيل " - وهو عالم كندي ولد في برلين – لقد بين أن الثقوب السوداء غير الدوار ، وفقاً لنسبية العامة لابد أن تكون بسيطة جداً فهي كروية تماماً . ولا يتوافق حجمها إلا على كتلتها وان أي ثقبين سوداوين ، بكتلة متساوية هما متساويتان . وقد أمكن وضعهما عن طريق حل خاص لمعادلات " آينشتاين " قبل النسبية العامة بقليل كان من المعتقد به أن الثقب الأسود لا يتكون إلا عن انسحاق جسم كروي تماماً . وان النجوم ليست كروية تماماً ، لا يمكن بالتالي أن يسحق إلا بشكل تفرداً عارياً ، لكن هتاك تفسيرات مختلفة لنتيجة " إزرائيل " تبناها " روجربيزور " و " جون هويلر " فقد أبديا أن الحركات السريعة في انسحاق النجم يعني أن موجات الجاذبية المنبعثة منه تجعله اكثر كروية والى أن يستقر في وضع ثابت ويصبح كروياً بشكل دقيق ، وعلى حسب هذه النظرية أي نجم دوار يصبح كروياً مهما كان شكله وبنيته الداخلية معقدتين . سوف ينتهي بعد انسحاقه بالجاذبية إلى ثقب أسود كروي تماماً يتوقف حجمه على كتلته وقد أثبت وثبت بشكل عام . وفي عام 1963 وجد "دوي كير " مجموعة من الحلول لمعادلات النسبية العامة نصف الثقوب السوداء الدوارة التي أغفلها "إزرائيل " . فإذا كانت الدورات صفر يكون الثقب الأسود كروي تماماً ويصبح الحل مماثلاً لحل "شوار زشيلد" . إذا كان الدوران غير صفر ينتفخ الثقب الأسود نحو الخارج قرب مستوى خط استوائه تماماً مثل ((الأرض منتفخة من تأثير دورانها )) فقد افترض إزرائيل أن أي جسم ينسحق ليكون ثقبلاً أسوداً سوف ينتهي إلى وضع مستقر كما يصف حل كير . على ماذا يعتمد حجم الثقب الاسود؟

وفي عام 1970 بين "براندون كارتر " أن حجم وشكل أي ثقب اسود ثابت الدوران يتوقف فقط على كتلة ومعدل دورا نه بشرط يكون له محور تناظر ، وبعد فترة اثبت "ستيف هوكنغ "أن أي ثقب اسود ذو دوران ثابت سوف يكون له محور تناظر . واستخدم "رو بنسون " هذه النتائج ليثبت أنة بعد انسحاق الجاذبية بان الثقب الأسود من الاستقرار على وضع يكون دوار ولكن ليس نابضاً،وأيضا حجمه وشكله يتوقفان على كتلته ومعدل دور انه دون الجسم الذي انسحق ليكونه .