الثقب الأسود العلمي. كيف ينشأون. الاستجابة للضوء المنبعث
بالنسبة لعلماء القرون الماضية والباحثين في عصرنا ، فإن أعظم لغز في الفضاء هو الثقب الأسود. ما هو داخل هذا النظام غير المألوف تمامًا للفيزياء؟ ما هي القوانين المطبقة هناك؟ كيف يمر الوقت في الثقب الأسود ، ولماذا لا يستطيع الضوء حتى الهروب من هناك؟ سنحاول الآن ، بالطبع ، من وجهة نظر النظرية ، وليس الممارسة ، أن نفهم ما هو داخل الثقب الأسود ، ولماذا ، من حيث المبدأ ، تم تشكيله ووجوده ، وكيف يجذب الأشياء التي تحيط به.
أولاً ، دعنا نصف هذا الكائن.
لذلك ، تسمى منطقة معينة من الفضاء في الكون بالثقب الأسود. من المستحيل تمييزه كنجم أو كوكب منفصل ، لأنه ليس جسمًا صلبًا ولا غازيًا. بدون فهم أساسي لما هو الزمكان وكيف يمكن لهذه الأبعاد أن تتغير ، من المستحيل فهم ما بداخل الثقب الأسود. الحقيقة هي أن هذه المنطقة ليست مجرد وحدة مكانية. مما يشوه الأبعاد الثلاثة المعروفة لنا (الطول والعرض والارتفاع) والخط الزمني. العلماء على يقين من أنه في منطقة الأفق (ما يسمى بالمنطقة المحيطة بالفتحة) ، يأخذ الوقت معنى مكانيًا ويمكن أن يتحرك للأمام وللخلف.
تعرف على أسرار الجاذبية
إذا أردنا فهم ما بداخل الثقب الأسود ، فسننظر بالتفصيل في ماهية الجاذبية. هذه الظاهرة هي المفتاح لفهم طبيعة ما يسمى بـ "الثقوب الدودية" ، والتي حتى الضوء لا يستطيع الهروب منها. الجاذبية هي التفاعل بين جميع الأجسام التي لها أساس مادي. تعتمد قوة هذه الجاذبية على التركيب الجزيئي للأجسام ، وعلى تركيز الذرات ، وكذلك على تكوينها. كلما زاد انهيار الجسيمات في منطقة معينة من الفضاء ، زادت قوة الجاذبية. يرتبط هذا ارتباطًا وثيقًا بنظرية الانفجار العظيم ، عندما كان كوننا بحجم حبة البازلاء. كانت حالة من التفرد الأقصى ، ونتيجة لوميض كمات الضوء ، بدأ الفضاء في التوسع بسبب حقيقة أن الجسيمات تنافر بعضها البعض. وصف العلماء العكس تمامًا بأنه ثقب أسود. ماذا يوجد داخل هذا الشيء وفقًا لـ TBZ؟ التفرد ، وهو ما يعادل المؤشرات المتأصلة في كوننا وقت ولادته.
كيف تدخل المادة في ثقب دودي؟
هناك رأي مفاده أن الشخص لن يكون قادرًا على فهم ما يحدث داخل الثقب الأسود. منذ ذلك الحين ، بمجرد وصوله ، سيتم سحقه حرفيًا بالجاذبية والجاذبية. في الواقع، وهذا ليس صحيحا. نعم ، في الواقع ، الثقب الأسود هو منطقة تفرد ، حيث يتم ضغط كل شيء إلى أقصى حد. لكن هذه ليست "مكنسة فضائية" على الإطلاق ، قادرة على جذب كل الكواكب والنجوم إلى نفسها. أي كائن مادي موجود في أفق الحدث سوف يلاحظ تشويهًا قويًا للمكان والزمان (حتى الآن ، هذه الوحدات منفصلة). سيبدأ النظام الهندسي الإقليدي في التعثر ، وبعبارة أخرى ، سوف يتقاطعون ، وستتوقف الخطوط العريضة للأشكال المجسمة عن أن تكون مألوفة. أما بالنسبة للوقت ، فسوف يتباطأ تدريجياً. كلما اقتربت من الحفرة ، كلما كانت الساعة أبطأ بالنسبة إلى وقت الأرض ، لكنك لن تلاحظ ذلك. عند الاصطدام بـ "الثقب الدودي" ، سيسقط الجسم بسرعة صفر ، لكن هذه الوحدة ستساوي اللانهاية. الانحناء ، الذي يساوي اللانهائي بالصفر ، والذي يوقف الزمن في منطقة التفرد في النهاية.
الاستجابة للضوء المنبعث
الشيء الوحيد في الفضاء الذي يجذب الضوء هو الثقب الأسود. ما بداخلها وشكلها غير معروف ، لكنهم يعتقدون أن هذا ظلام دامس ، يستحيل تخيله. الكميات الخفيفة ، للوصول إلى هناك ، لا تختفي فقط. تتضاعف كتلتها في كتلة التفرد ، مما يجعلها أكبر وتضخمها ، وبالتالي ، إذا قمت بتشغيل مصباح يدوي داخل الثقب الدودي للنظر حولك ، فلن يتوهج. سوف تتضاعف الكميات المنبعثة باستمرار في كتلة الثقب ، وبتقريب ، لن تؤدي إلا إلى تفاقم حالتك.
الثقوب السوداء في كل مكان
كما اكتشفنا بالفعل ، فإن أساس التعليم هو الجاذبية ، التي قيمتها أكبر بملايين المرات مما هي عليه على الأرض. الفكرة الدقيقة لما قدمه الثقب الأسود للعالم من كارل شوارزشيلد ، الذي اكتشف في الواقع أفق الحدث ونقطة اللاعودة ، وأثبت أيضًا أن الصفر في حالة التفرد يساوي اللانهاية . في رأيه ، يمكن أن يتشكل الثقب الأسود في أي مكان في الفضاء. في هذه الحالة ، يجب أن يصل جسم مادي معين له شكل كروي إلى نصف قطر الجاذبية. على سبيل المثال ، يجب أن تتناسب كتلة كوكبنا مع حجم حبة حبة البازلاء لتصبح ثقبًا أسود. ويجب أن يبلغ قطر الشمس 5 كيلومترات بكتلتها - ثم تصبح حالتها مفردة.
أفق تشكيل العالم الجديد
تعمل قوانين الفيزياء والهندسة بشكل مثالي على الأرض وفي الفضاء الخارجي ، حيث يكون الفضاء قريبًا من الفراغ. لكنهم يفقدون أهميتهم تمامًا في أفق الحدث. لهذا السبب ، من وجهة نظر رياضية ، من المستحيل حساب ما بداخل الثقب الأسود. الصور التي يمكنك الحصول عليها إذا كنت تنحني المساحة وفقًا لأفكارنا حول العالم هي بالتأكيد بعيدة كل البعد عن الحقيقة. لقد ثبت فقط أن الوقت هنا يتحول إلى وحدة مكانية ، وعلى الأرجح ، تتم إضافة بعض الأبعاد الأخرى إلى الأبعاد الموجودة. هذا يجعل من الممكن تصديق أن عوالم مختلفة تمامًا تتشكل داخل الثقب الأسود (الصورة ، كما تعلم ، لن تظهر ذلك ، لأن الضوء يأكل نفسه هناك). قد تتكون هذه الأكوان من مادة مضادة ، وهو أمر غير مألوف للعلماء حاليًا. هناك أيضًا إصدارات تفيد بأن مجال اللاعودة هو مجرد بوابة تقود إما إلى عالم آخر أو إلى نقاط أخرى في كوننا.
الولادة والموت
أكثر بكثير من مجرد وجود ثقب أسود ، هو ميلاده أو اختفائه. إن الكرة التي تشوه الزمكان ، كما اكتشفنا بالفعل ، تتشكل نتيجة الانهيار. قد يكون هذا انفجار نجم كبير ، أو اصطدام جسمين أو أكثر في الفضاء ، وما إلى ذلك. ولكن كيف أصبحت المادة ، التي يمكن الشعور بها نظريًا ، مجالًا لتشويه الزمن؟ اللغز قيد التقدم. لكن يتبعه سؤال ثان - لماذا تختفي مجالات اللاعودة هذه؟ وإذا تبخرت الثقوب السوداء ، فلماذا لا يخرج منها الضوء وكل المواد الكونية التي سحبت منها؟ عندما تبدأ المادة في منطقة التفرد في التوسع ، تنخفض الجاذبية تدريجياً. نتيجة لذلك ، يتحلل الثقب الأسود ببساطة ، ويبقى الفراغ الخارجي العادي في مكانه. يتبع هذا لغز آخر - أين ذهب كل شيء؟
الجاذبية - مفتاحنا لمستقبل سعيد؟
الباحثون واثقون من أن مستقبل الطاقة للبشرية يمكن أن يتشكل من خلال ثقب أسود. لا يزال ما بداخل هذا النظام مجهولًا ، لكن كان من الممكن إثبات أنه في أفق الحدث ، يتم تحويل أي مادة إلى طاقة ، ولكن ، بالطبع ، جزئيًا. على سبيل المثال ، الشخص ، الذي يجد نفسه بالقرب من نقطة اللاعودة ، سيعطي 10 في المائة من مادته لمعالجتها إلى طاقة. هذا الرقم هو ببساطة هائل ، فقد أصبح ضجة كبيرة بين علماء الفلك. الحقيقة هي أنه على الأرض ، عندما يتم معالجة المادة إلى طاقة بنسبة 0.7 في المائة فقط.
الثقوب السوداء من أغرب الظواهر في الكون. على أي حال ، في هذه المرحلة من التنمية البشرية. هذا جسم له كتلة وكثافة لا حصر لهما ، وبالتالي جاذبية ، لا يمكن للضوء أن يهرب بعدها - وبالتالي فإن الثقب أسود. يمكن للثقب الأسود الهائل أن يسحب مجرة بأكملها إلى داخلها دون أن يختنق ، وبعد أفق الحدث ، تبدأ الفيزياء المألوفة في الصرير والالتواء في عقدة. من ناحية أخرى ، يمكن أن تصبح الثقوب السوداء "جحورًا" انتقالية محتملة من عقدة في الفضاء إلى أخرى. السؤال هو ، ما مدى قربنا من الثقب الأسود ، وهل سيكون محفوفًا بالعواقب؟
الثقب الأسود الهائل Sagittarius A * ، الموجود في مركز مجرتنا ، لا يمتص الأجسام القريبة فحسب ، بل يطرح أيضًا انبعاثات راديوية قوية. حاول العلماء منذ فترة طويلة رؤية هذه الأشعة ، لكن الضوء المتناثر المحيط بالثقب تعرقلهم. أخيرًا ، تمكنوا من اختراق ضوضاء الضوء بمساعدة 13 تلسكوبًا ، تم دمجهم في نظام واحد قوي. بعد ذلك ، اكتشفوا معلومات مثيرة للاهتمام حول الأشعة التي كانت غامضة في السابق.
قبل أيام قليلة ، في 14 مارس ، غادر أحد أبرز علماء الفيزياء في عصرنا هذا العالم ،
24 يناير 2013
من بين جميع الأجسام الافتراضية في الكون التي تنبأت بها النظريات العلمية ، فإن الثقوب السوداء تترك الانطباع الأكثر غرابة. وعلى الرغم من أن الافتراضات حول وجودها بدأ يتم التعبير عنها قبل قرن ونصف تقريبًا من نشر أينشتاين للنظرية النسبية العامة ، فقد تم الحصول على دليل مقنع على حقيقة وجودها مؤخرًا.
لنبدأ بكيفية تناول النسبية العامة لمسألة طبيعة الجاذبية. ينص قانون نيوتن للجاذبية الكونية على وجود قوة جذب متبادل بين أي جسمين ضخمين في الكون. بسبب هذا الجاذبية ، تدور الأرض حول الشمس. تجبرنا النسبية العامة على النظر إلى نظام الشمس والأرض بشكل مختلف. وفقًا لهذه النظرية ، في وجود مثل هذا الجسم السماوي الضخم مثل الشمس ، ينهار الزمكان ، كما كان ، تحت ثقله ، ويضطرب تماثل نسيجه. تخيل ترامبولين مرنًا توضع عليه كرة ثقيلة (على سبيل المثال ، من صالة بولينج). النسيج المشدود يتدلى تحت ثقله ، مما يؤدي إلى حدوث خلخلة حوله. بنفس الطريقة ، تدفع الشمس الزمكان حول نفسها.
وفقًا لهذه الصورة ، تتدحرج الأرض ببساطة حول القمع المتشكل (باستثناء أن كرة صغيرة تتدحرج حول كرة ثقيلة على الترامبولين ستفقد حتماً السرعة وتدور باتجاه كرة كبيرة). وما نعتبره عادةً قوة الجاذبية في حياتنا اليومية ليس أكثر من تغيير في هندسة الزمكان ، وليس قوة بالمعنى النيوتوني. حتى الآن ، لم يتم اختراع تفسير أكثر نجاحًا لطبيعة الجاذبية مما تقدمه لنا النظرية النسبية العامة.
تخيل الآن ماذا يحدث إذا قمنا - في إطار الصورة المقترحة - بزيادة كتلة كرة ثقيلة وزيادة أبعادها المادية؟ نظرًا لكونه مرنًا تمامًا ، فسوف يتعمق القمع حتى تتقارب حوافه العلوية في مكان ما فوق الكرة الأثقل تمامًا ، ثم يتوقف عن الوجود ببساطة عند النظر إليه من السطح. في الكون الحقيقي ، بعد أن تراكمت كتلة وكثافة كافية من المادة ، ينتقد الجسم مصيدة الزمكان حول نفسه ، وينغلق نسيج الزمكان ، ويفقد الاتصال ببقية الكون ، ويصبح غير مرئي له. هذه هي الطريقة التي يتكون بها الثقب الأسود.
اعتقد شوارزشيلد ومعاصروه أن مثل هذه الأجسام الكونية الغريبة لا وجود لها في الطبيعة. لم يلتزم أينشتاين نفسه بوجهة النظر هذه فحسب ، بل اعتقد خطأً أيضًا أنه تمكن من إثبات رأيه رياضيًا.
في الثلاثينيات من القرن الماضي ، أثبت عالم الفيزياء الفلكية الهندي الشاب ، Chandrasekhar ، أن النجم الذي استنفد وقوده النووي يتخلص من غلافه ويتحول إلى قزم أبيض بارد ببطء فقط إذا كانت كتلته أقل من 1.4 كتلة شمسية. سرعان ما خمن الأمريكي فريتز زويكي أن أجسامًا شديدة الكثافة من المادة النيوترونية تنشأ في انفجارات المستعر الأعظم. في وقت لاحق ، توصل ليف لانداو إلى نفس النتيجة. بعد عمل Chandrasekhar ، كان من الواضح أن النجوم التي تزيد كتلتها عن 1.4 كتلة شمسية فقط هي التي يمكن أن تخضع لمثل هذا التطور. لذلك ، نشأ سؤال طبيعي - هل هناك حد أقصى لكتلة المستعرات الأعظمية التي تتركها النجوم النيوترونية وراءها؟
في أواخر الثلاثينيات من القرن الماضي ، أثبت الأب المستقبلي للقنبلة الذرية الأمريكية ، روبرت أوبنهايمر ، أن مثل هذا الحد موجود بالفعل ولا يتجاوز عدة كتل شمسية. ثم لم يكن من الممكن إعطاء تقييم أكثر دقة ؛ من المعروف الآن أن كتل النجوم النيوترونية يجب أن تكون في النطاق 1.5-3 Ms. ولكن حتى من الحسابات التقريبية لأوبنهايمر وتلميذه المتخرج جورج فولكوف ، فقد تبع ذلك أن أحفاد المستعرات الأعظمية الضخمة لا تصبح نجوماً نيوترونية ، بل تدخل في حالة أخرى. في عام 1939 ، أثبت أوبنهايمر وهارتلاند سنايدر في نموذج مثالي أن نجمًا هائلًا منهارًا يتقلص إلى نصف قطر جاذبيته. من صيغهم ، في الواقع ، يترتب على ذلك أن النجم لا يتوقف عند هذا الحد ، لكن المؤلفين المشاركين امتنعوا عن مثل هذا الاستنتاج الجذري.
09.07.1911 - 13.04.2008
تم العثور على الإجابة النهائية في النصف الثاني من القرن العشرين من خلال جهود مجرة من علماء الفيزياء النظرية اللامعين ، بما في ذلك السوفييت. اتضح أن مثل هذا الانهيار يضغط دائمًا على النجم "حتى النهاية" ، ويدمر جوهره تمامًا. نتيجة لذلك ، تنشأ التفرد ، "مركز فائق" لحقل الجاذبية ، مغلق في حجم صغير للغاية. بالنسبة للثقب الثابت ، هذه نقطة ، بالنسبة للثقب الدوار ، فهي حلقة. يميل انحناء الزمكان ، وبالتالي قوة الجاذبية بالقرب من التفرد ، إلى اللانهاية. في أواخر عام 1967 ، كان الفيزيائي الأمريكي جون أرشيبالد ويلر أول من أطلق على مثل هذا الانهيار النجمي النهائي ثقبًا أسود. وقع المصطلح الجديد في حب علماء الفيزياء وأفرح الصحفيين الذين نشروه في جميع أنحاء العالم (على الرغم من أن الفرنسيين لم يعجبهم في البداية ، لأن تعبير ترو نوير اقترح ارتباطات مريبة).
أهم خاصية للثقب الأسود هي أنه بغض النظر عما يدخله ، فلن يعود مرة أخرى. وهذا ينطبق حتى على الضوء ، ولهذا السبب حصلت الثقوب السوداء على اسمها: فالجسم الذي يمتص كل الضوء الذي يسقط عليه ولا ينبعث منه يبدو أسودًا تمامًا. وفقًا للنسبية العامة ، إذا اقترب جسم ما من مركز الثقب الأسود على مسافة حرجة - تسمى هذه المسافة بنصف قطر شوارزشيلد - فلن يتمكن أبدًا من الرجوع. (قام عالم الفلك الألماني كارل شوارزشيلد (1873-1916) في السنوات الأخيرة من حياته ، باستخدام معادلات نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، بحساب مجال الجاذبية حول كتلة بحجم صفر). نصف قطرها 3 كيلومترات ، أي لتحويل شمسنا إلى ثقب أسود ، تحتاج إلى تكثيف كل كتلتها إلى حجم مدينة صغيرة!
داخل نصف قطر شوارزشيلد ، تتنبأ النظرية بظواهر أكثر غرابة: تتجمع كل المادة في الثقب الأسود في نقطة متناهية الصغر من الكثافة اللانهائية في مركزه - يطلق علماء الرياضيات على مثل هذا الجسم اضطرابًا فرديًا. في الكثافة اللانهائية ، أي كتلة محدودة من المادة ، من الناحية الرياضية ، تحتل صفرًا من الحجم المكاني. ما إذا كانت هذه الظاهرة تحدث بالفعل داخل الثقب الأسود ، فإننا بالطبع لا نستطيع التحقق تجريبيًا ، لأن كل ما سقط داخل نصف قطر شوارزشيلد لا يعود مرة أخرى.
وبالتالي ، بدون القدرة على "رؤية" الثقب الأسود بالمعنى التقليدي لكلمة "نظرة" ، يمكننا مع ذلك اكتشاف وجوده من خلال إشارات غير مباشرة لتأثير مجال الجاذبية الفائق القوة وغير المعتاد تمامًا على المادة المحيطة به. .
الثقوب السوداء الهائلة
يوجد في مركز مجرتنا درب التبانة والمجرات الأخرى ثقب أسود ضخم بشكل لا يصدق أثقل من الشمس بملايين المرات. تم اكتشاف هذه الثقوب السوداء الهائلة (كما يطلق عليها) من خلال مراقبة طبيعة حركة الغاز بين النجوم بالقرب من مراكز المجرات. تدور الغازات ، وفقًا للملاحظات ، على مسافة قريبة من الجسم الفائق الكتلة ، وتظهر الحسابات البسيطة باستخدام قوانين ميكانيكا نيوتن أن الجسم الذي يجذبها ، بقطر ضئيل ، له كتلة وحشية. فقط الثقب الأسود يمكنه أن يدور الغاز البينجمي في مركز المجرة بهذه الطريقة. في الواقع ، وجد علماء الفيزياء الفلكية بالفعل عشرات الثقوب السوداء الضخمة في مراكز المجرات المجاورة لنا ، وهم يشكون بقوة في أن مركز أي مجرة هو ثقب أسود.
الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية
وفقًا لفهمنا الحالي لتطور النجوم ، عندما يموت نجم كتلته أكبر من حوالي 30 كتلة شمسية في انفجار مستعر أعظم ، تتباعد غلافه الخارجي ، وتنهار الطبقات الداخلية بسرعة نحو المركز وتشكل ثقبًا أسود في مكان النجمة التي استهلكت احتياطياتها من الوقود. من المستحيل عمليا تحديد ثقب أسود من هذا الأصل معزول في الفضاء بين النجوم ، لأنه في فراغ متخلخل ولا يظهر بأي شكل من الأشكال من حيث تفاعلات الجاذبية. ومع ذلك ، إذا كان مثل هذا الثقب جزءًا من نظام نجمي ثنائي (نجمان ساخنان يدوران حول مركز كتلتهما) ، فسيظل للثقب الأسود تأثير جاذبي على نجم شريكه. يمتلك علماء الفلك اليوم أكثر من اثني عشر مرشحًا لدور الأنظمة النجمية من هذا النوع ، على الرغم من عدم الحصول على أدلة صارمة لأي منها.
في النظام الثنائي مع وجود ثقب أسود في تكوينه ، فإن مادة النجم "الحي" سوف "تتدفق" حتمًا في اتجاه الثقب الأسود. وستدور المادة التي يمتصها الثقب الأسود بشكل حلزوني عند سقوطها في الثقب الأسود ، وتختفي عند عبور نصف قطر شوارزشيلد. ومع ذلك ، عند الاقتراب من الحدود القاتلة ، فإن المادة الممتصة في قمع الثقب الأسود سوف تتكثف وتسخن حتمًا بسبب الاصطدامات المتكررة بين الجسيمات التي يمتصها الثقب ، حتى يتم تسخينها إلى طاقة إشعاع الموجة في نطاق الأشعة السينية من طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي. يمكن لعلماء الفلك قياس تواتر هذا النوع من تغير شدة الأشعة السينية وحساب الكتلة التقريبية لجسم ما "يسحب" مادة على نفسه ، بمقارنتها مع البيانات الأخرى المتاحة. إذا تجاوزت كتلة الجسم حد Chandrasekhar (1.4 كتلة شمسية) ، فلا يمكن أن يكون هذا الجسم قزمًا أبيض ، حيث يتجه نجمنا إلى الانحطاط. في معظم حالات الملاحظات المرصودة لنجوم الأشعة السينية المزدوجة ، يكون النجم النيوتروني جسمًا ضخمًا. ومع ذلك ، كانت هناك أكثر من اثنتي عشرة حالة كان التفسير المعقول الوحيد فيها هو وجود ثقب أسود في نظام نجمي ثنائي.
جميع الأنواع الأخرى من الثقوب السوداء هي أكثر تخمينًا وتعتمد فقط على البحث النظري - لا يوجد تأكيد تجريبي لوجودها على الإطلاق. أولاً ، هذه ثقوب سوداء صغيرة كتلتها مماثلة لكتلة الجبل ومضغوطة بنصف قطر البروتون. فكرة أصلهم في المرحلة الأولى من تكوين الكون مباشرة بعد الانفجار العظيم اقترحها عالم الكونيات الإنجليزي ستيفن هوكينج (انظر المبدأ الخفي لعدم رجوع الزمن). اقترح هوكينج أن انفجارات الثقوب الصغيرة يمكن أن تفسر الظاهرة الغامضة حقًا للانفجارات المحفور لأشعة جاما في الكون. ثانيًا ، تتنبأ بعض نظريات الجسيمات الأولية بوجود في الكون - على المستوى الجزئي - منخل حقيقي للثقوب السوداء ، وهي نوع من الرغوة من قمامة الكون. يُفترض أن يبلغ قطر هذه الثقوب الدقيقة حوالي 10-33 سم - فهي أصغر بمليارات المرات من البروتون. في الوقت الحالي ، ليس لدينا أي أمل في التحقق التجريبي من حقيقة وجود مثل هذه الجسيمات من الثقوب السوداء ، ناهيك عن التحقيق بطريقة أو بأخرى في خصائصها.
وماذا سيحدث للمراقب إذا وجد نفسه فجأة على الجانب الآخر من نصف قطر الجاذبية ، أو ما يسمى بأفق الحدث. هنا تبدأ الخاصية المدهشة للثقوب السوداء. ليس عبثًا ، عند الحديث عن الثقوب السوداء ، فقد ذكرنا دائمًا الوقت ، أو بالأحرى الزمكان. وفقًا لنظرية النسبية لأينشتاين ، فكلما تحرك الجسم بشكل أسرع ، زادت كتلته ، لكن الوقت يبدأ في التباطؤ! عند السرعات المنخفضة في الظروف العادية ، يكون هذا التأثير غير محسوس ، لكن إذا تحرك الجسم (سفينة الفضاء) بسرعة قريبة من سرعة الضوء ، تزداد كتلته ، ويبطئ الوقت! عندما تكون سرعة الجسم مساوية لسرعة الضوء تتحول الكتلة إلى ما لا نهاية ويتوقف الزمن! يتضح هذا من خلال الصيغ الرياضية الصارمة. دعنا نعود إلى الثقب الأسود. تخيل موقفًا رائعًا عندما تقترب مركبة فضائية على متنها رواد فضاء من نصف قطر الجاذبية أو أفق الحدث. من الواضح أن أفق الحدث سمي بهذا الاسم لأنه يمكننا ملاحظة أي أحداث (ملاحظة شيء بشكل عام) فقط حتى هذه الحدود. أننا لسنا قادرين على مراقبة هذه الحدود. ومع ذلك ، كونك داخل سفينة تقترب من ثقب أسود ، فإن رواد الفضاء سيشعرون بنفس الشعور كما كان من قبل ، لأن. وفقا لساعتهم ، فإن الوقت سوف يمر "بشكل طبيعي". سوف تعبر المركبة الفضائية بهدوء أفق الحدث وتتقدم. ولكن نظرًا لأن سرعتها ستكون قريبة من سرعة الضوء ، فإن المركبة الفضائية ستصل إلى مركز الثقب الأسود ، حرفياً ، في لحظة.
وبالنسبة لمراقب خارجي ، ستتوقف المركبة الفضائية ببساطة عند أفق الحدث ، وستبقى هناك إلى الأبد تقريبًا! هذه هي مفارقة الجاذبية الهائلة للثقوب السوداء. السؤال طبيعي ، لكن هل سيبقى رواد الفضاء الذين يذهبون إلى اللانهاية وفقًا لساعة مراقب خارجي على قيد الحياة. رقم. وهذه النقطة ليست على الإطلاق في الجاذبية الهائلة ، ولكن في قوى المد والجزر ، والتي تختلف اختلافًا كبيرًا في مثل هذا الجسم الصغير والهائل على مسافات صغيرة. مع نمو رائد فضاء 1 م 70 سم ، ستكون قوى المد والجزر في رأسه أقل بكثير مما عند قدميه ، وسوف يتمزق ببساطة بالفعل في أفق الحدث. لذلك ، اكتشفنا بشكل عام ما هي الثقوب السوداء ، لكننا حتى الآن نتحدث عن الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية. حاليًا ، تمكن علماء الفلك من اكتشاف الثقوب السوداء الهائلة ، والتي يمكن أن تصل كتلتها إلى مليار شمس! لا تختلف خصائص الثقوب السوداء الهائلة عن نظيراتها الأصغر حجمًا. هم فقط أكثر ضخامة ، وكقاعدة عامة ، يقعون في مراكز المجرات - الجزر النجمية في الكون. يوجد أيضًا ثقب أسود هائل في مركز مجرتنا (درب التبانة). ستجعل الكتلة الهائلة لهذه الثقوب السوداء من الممكن البحث عنها ليس فقط في مجرتنا ، ولكن أيضًا في مراكز المجرات البعيدة الواقعة على مسافة ملايين ومليارات السنين الضوئية من الأرض والشمس. أجرى علماء أوروبيون وأمريكيون بحثًا عالميًا عن ثقوب سوداء فائقة الكتلة ، والتي وفقًا للحسابات النظرية الحديثة ، يجب أن تكون موجودة في مركز كل مجرة.
تتيح التكنولوجيا الحديثة اكتشاف وجود هذه الانهيارات في المجرات المجاورة ، ولكن تم العثور على القليل جدًا منها. هذا يعني أن الثقوب السوداء إما تختبئ ببساطة في غيوم كثيفة من الغاز والغبار في الجزء المركزي من المجرات ، أو أنها تقع في زوايا أبعد من الكون. لذلك ، يمكن اكتشاف الثقوب السوداء بواسطة الأشعة السينية المنبعثة أثناء تراكم المادة عليها ، ومن أجل إجراء إحصاء لهذه المصادر ، تم إطلاق الأقمار الصناعية مع تلسكوبات الأشعة السينية على متنها إلى الفضاء القريب من الأرض. بحثًا عن مصادر الأشعة السينية ، اكتشف مرصد الفضاء شاندرا وروسي أن السماء مليئة بإشعاع الخلفية للأشعة السينية ، وأنها أكثر إشراقًا بملايين المرات من الأشعة المرئية. يجب أن يأتي الكثير من انبعاث الأشعة السينية في الخلفية من السماء من الثقوب السوداء. عادة في علم الفلك يتحدثون عن ثلاثة أنواع من الثقوب السوداء. الأول هو الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية (حوالي 10 كتل شمسية). تتشكل من نجوم ضخمة عندما ينفد وقود الاندماج. والثاني هو الثقوب السوداء الهائلة في مراكز المجرات (كتل من مليون إلى مليارات كتلة الشمس). وأخيرًا ، تشكلت الثقوب السوداء البدائية في بداية حياة الكون ، وكتلتها صغيرة (تعادل كتلة كويكب كبير). وبالتالي ، فإن مجموعة كبيرة من كتل الثقوب السوداء المحتملة تظل شاغرة. لكن أين هذه الثقوب؟ ملء الفراغ بالأشعة السينية ، ومع ذلك ، لا يريدون إظهار "وجههم" الحقيقي. ولكن من أجل بناء نظرية واضحة للعلاقة بين إشعاع الخلفية بالأشعة السينية والثقوب السوداء ، من الضروري معرفة عددهم. في الوقت الحالي ، لم تتمكن التلسكوبات الفضائية من اكتشاف سوى عدد قليل من الثقوب السوداء فائقة الكتلة ، والتي يمكن اعتبار وجودها مثبتًا. تجعل الأدلة غير المباشرة من الممكن رفع عدد الثقوب السوداء المرصودة المسؤولة عن إشعاع الخلفية إلى 15٪. علينا أن نفترض أن بقية الثقوب السوداء الهائلة تختبئ ببساطة خلف طبقة سميكة من غيوم الغبار التي تسمح فقط للأشعة السينية عالية الطاقة بالمرور أو بعيدة جدًا عن الكشف عن طريق وسائل المراقبة الحديثة.
ثقب أسود هائل (حي) في وسط مجرة M87 (صورة الأشعة السينية). طائرة نفاثة مرئية من أفق الحدث. صورة من www.college.ru/astronomy
يعد البحث عن الثقوب السوداء المخفية أحد المهام الرئيسية لعلم فلك الأشعة السينية الحديث. ومع ذلك ، فإن أحدث الاختراقات في هذا المجال ، المرتبطة بالبحث باستخدام تلسكوبات شاندرا وروسي ، لا تغطي سوى نطاق الطاقة المنخفضة من إشعاع الأشعة السينية - ما يقرب من 2000 إلى 20000 إلكترون فولت (للمقارنة ، تبلغ طاقة الإشعاع الضوئي حوالي 2 إلكترون فولت). فولت). يمكن إجراء تعديلات مهمة على هذه الدراسات من خلال التلسكوب الفضائي الأوروبي Integral ، القادر على اختراق منطقة الأشعة السينية التي لا تزال غير مدروسة بشكل كافٍ بطاقة تتراوح بين 20000 و 300000 إلكترون فولت. تكمن أهمية دراسة هذا النوع من الأشعة السينية في حقيقة أنه على الرغم من أن خلفية الأشعة السينية للسماء منخفضة الطاقة ، تظهر قمم (نقاط) متعددة من الإشعاع بطاقة حوالي 30 ألف إلكترون فولت على هذه الخلفية. لا يزال يتعين على العلماء كشف الغموض الذي يولد هذه القمم ، ويعتبر Integral أول تلسكوب حساس بدرجة كافية للعثور على مصادر الأشعة السينية هذه. وفقًا لعلماء الفلك ، تؤدي الحزم عالية الطاقة إلى ظهور ما يسمى بأجسام كومبتون السميكة ، أي الثقوب السوداء الهائلة المحاطة بقشرة من الغبار. إن كائنات كومبتون هي المسؤولة عن قمم الأشعة السينية البالغة 30000 إلكترون فولت في مجال إشعاع الخلفية.
لكن استمرارًا في بحثهم ، توصل العلماء إلى استنتاج مفاده أن أجسام كومبتون تشكل 10٪ فقط من عدد الثقوب السوداء التي يجب أن تخلق قممًا عالية الطاقة. هذه عقبة خطيرة أمام مزيد من تطوير النظرية. هل هذا يعني أن الأشعة السينية المفقودة لا يتم توفيرها بواسطة ثقوب سوداء عملاقة عادية؟ ثم ماذا عن شاشات الغبار للأشعة السينية منخفضة الطاقة.؟ يبدو أن الإجابة تكمن في حقيقة أن العديد من الثقوب السوداء (كائنات كومبتون) لديها الوقت الكافي لامتصاص كل الغاز والغبار الذي يلفها ، ولكن قبل ذلك أتيحت لها الفرصة لإعلان نفسها بأشعة سينية عالية الطاقة. بعد امتصاص كل المادة ، لم تكن هذه الثقوب السوداء قادرة بالفعل على توليد الأشعة السينية في أفق الحدث. يتضح سبب عدم إمكانية اكتشاف هذه الثقوب السوداء ، ويصبح من الممكن أن نعزو المصادر المفقودة لإشعاع الخلفية إلى حساباتهم ، لأنه على الرغم من أن الثقب الأسود لم يعد يشع ، فإن الإشعاع الذي تم إنشاؤه سابقًا به يستمر في السفر عبر الكون. ومع ذلك ، فمن المحتمل تمامًا أن تكون الثقوب السوداء المفقودة مخفية أكثر مما يقترحه علماء الفلك ، لذا لمجرد أننا لا نستطيع رؤيتها لا يعني أنها غير موجودة. كل ما في الأمر أنه ليس لدينا قوة رصد كافية لرؤيتهم. وفي الوقت نفسه ، يخطط علماء ناسا لتوسيع نطاق البحث عن الثقوب السوداء المخفية في الكون. هناك يقع الجزء تحت الماء من الجبل الجليدي ، كما يعتقدون. في غضون بضعة أشهر ، سيتم إجراء البحث كجزء من مهمة Swift. سيكشف اختراق الكون العميق عن الثقوب السوداء المختبئة ، والعثور على الحلقة المفقودة لإشعاع الخلفية وإلقاء الضوء على نشاطها في العصر المبكر للكون.
يُعتقد أن بعض الثقوب السوداء أكثر نشاطًا من جيرانها الهادئين. تمتص الثقوب السوداء النشطة المادة المحيطة بها ، وإذا دخل نجم "بلا فجوة" في رحلة الجاذبية ، فمن المؤكد أنه سيتم "أكله" بأكثر الطرق بربرية (ممزق إلى أشلاء). يتم تسخين المادة الممتصة ، التي تسقط في الثقب الأسود ، إلى درجات حرارة هائلة ، وتواجه وميضًا في نطاقات جاما والأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية. يوجد أيضًا ثقب أسود هائل في مركز مجرة درب التبانة ، لكن دراسته أكثر صعوبة من دراسة الثقوب الموجودة في المجرات المجاورة أو حتى البعيدة. هذا بسبب الجدار الكثيف للغاز والغبار الذي يعترض طريق مركز مجرتنا ، لأن النظام الشمسي يقع تقريبًا على حافة قرص المجرة. لذلك ، فإن ملاحظات نشاط الثقب الأسود تكون أكثر فاعلية بالنسبة لتلك المجرات التي يكون قلبها مرئيًا بوضوح. عند مراقبة إحدى المجرات البعيدة ، الموجودة في كوكبة Boötes على مسافة 4 مليارات سنة ضوئية ، تمكن علماء الفلك لأول مرة من تتبع عملية امتصاص النجم من قبل ثقب أسود هائل ، وحتى النهاية تقريبًا. . لآلاف السنين ، ظل هذا الانهيار الهائل يكمن بهدوء في مركز مجرة إهليلجية غير مسماة حتى تجرأ أحد النجوم على الاقتراب منها بدرجة كافية.
مزقت الجاذبية القوية للثقب الأسود النجم. بدأت جلطات المادة تتساقط في الثقب الأسود ، وعند وصولها إلى أفق الحدث ، اندلعت بشكل ساطع في نطاق الأشعة فوق البنفسجية. تم التقاط هذه التوهجات بواسطة تلسكوب الفضاء الجديد التابع لناسا Galaxy Evolution Explorer ، والذي يدرس السماء في الضوء فوق البنفسجي. يستمر التلسكوب في مراقبة سلوك الكائن المميز حتى اليوم ، لأن لم تنته وجبة الثقب الأسود بعد ، وتستمر بقايا النجم في السقوط في هاوية الزمان والمكان. ستساعد ملاحظات مثل هذه العمليات في النهاية على فهم أفضل لكيفية تطور الثقوب السوداء مع المجرات الأم (أو على العكس من ذلك ، تتطور المجرات مع وجود ثقب أسود رئيسي). تظهر الملاحظات السابقة أن مثل هذه التجاوزات ليست شائعة في الكون. لقد حسب العلماء أنه في المتوسط ، يمتص ثقب أسود فائق الكتلة في مجرة نموذجية نجمًا مرة واحدة كل 10000 عام ، ولكن نظرًا لوجود عدد كبير من المجرات ، يمكن ملاحظة امتصاص النجوم كثيرًا.
مصدر
ربما تكون قد شاهدت أفلام خيال علمي حيث ينتهي الأبطال الذين يسافرون في الفضاء في عالم آخر؟ في أغلب الأحيان ، تصبح الثقوب السوداء الكونية الغامضة بابًا لعالم آخر. اتضح أن هناك بعض الحقيقة في هذه القصص. هكذا يقول العلماء.
عندما ينفد الوقود من قلب النجم ، تصبح كل جزيئاته ثقيلة جدًا. وبعد ذلك ، ينهار الكوكب كله في مركز نفسه. يتسبب هذا في موجة صدمة قوية تكسر الغلاف الخارجي للنجم الذي لا يزال مشتعلًا وينفجر في وميض يعمى. تزن ملعقة صغيرة من نجم صغير منقرض عدة مليارات من الأطنان. يسمى هذا النجم نيوترون. وإذا كان النجم أكبر من شمسنا بعشرين إلى ثلاثين مرة ، فإن تدميره يؤدي إلى تكوين أغرب ظاهرة في الكون - ثقب أسود.
الجاذبية في الثقب الأسود قوية جدًا لدرجة أنها تلتقط الكواكب والغازات وحتى الضوء. الثقوب السوداء غير مرئية ، ولا يمكن العثور عليها إلا من خلال قمع ضخم من الأجسام الكونية المتطايرة داخلها. فقط حول بعض الثقوب يتشكل توهج ساطع. بعد كل شيء ، سرعة الدوران عالية جدًا ، ترتفع درجة حرارة جسيمات الأجرام السماوية إلى ملايين الدرجات وتتوهج بشكل ساطع
ثقب أسود كونييجذب كل الأشياء ، ويلويها في دوامة. عند الاقتراب من الثقب الأسود ، تبدأ الأجسام في التسارع والتمدد مثل السباغيتي الضخمة. تنمو قوة الجذب تدريجيًا وتصبح في مرحلة ما وحشية جدًا بحيث لا يمكن لأي شيء التغلب عليها. هذه الحدود تسمى أفق الحدث. أي حدث يحدث خلفه سيبقى غير مرئي إلى الأبد.
يقترح العلماء أن الثقوب السوداء يمكنها إنشاء أنفاق في الفضاء - "الثقوب الدودية". إذا دخلت إليه ، يمكنك الذهاب عبر الفضاء وتجد نفسك في كون آخر ، حيث يوجد ثقب أبيض مقابل. ربما في يوم من الأيام سيتم الكشف عن هذا السر وعلى سفن الفضاء القوية سوف يسافر الناس إلى أبعاد أخرى.
حصل على هذا الاسم لأنه يمتص الضوء ، لكنه لا يعكسه مثل الأشياء الأخرى. في الواقع ، هناك العديد من الحقائق حول الثقوب السوداء ، واليوم سنتحدث عن بعض أكثرها إثارة للاهتمام. حتى وقت قريب نسبيًا ، كان يعتقد ذلك ثقب أسود في الفضاءيمتص كل ما هو قريب منه أو يطير به: الكوكب قمامة ، لكن العلماء بدأوا مؤخرًا في التأكيد على أنه بعد فترة "بصق" المحتويات مرة أخرى ، فقط في شكل مختلف تمامًا. إذا كنت مهتم الثقوب السوداء في الفضاء حقائق مثيرة للاهتمامسنتحدث عنها بمزيد من التفصيل اليوم.
هل هناك خطر على الأرض؟
هناك نوعان من الثقوب السوداء التي يمكن أن تشكل تهديدًا حقيقيًا لكوكبنا ، لكنهما ، لحسن الحظ بالنسبة لنا ، بعيدان على مسافة حوالي 1600 سنة ضوئية. تمكن العلماء من اكتشاف هذه الأجسام فقط لأنها كانت قريبة من النظام الشمسي ، وكانت الأجهزة الخاصة التي تلتقط الأشعة السينية قادرة على رؤيتها. هناك افتراض بأن قوة الجاذبية الهائلة يمكن أن تؤثر على الثقوب السوداء بطريقة تندمج في ثقوب واحدة.
من غير المحتمل أن يتمكن أي من معاصريه من اللحاق باللحظة التي تختفي فيها هذه الأشياء الغامضة. هكذا ببطء هي عملية موت الثقوب.
كان الثقب الأسود نجمًا في الماضي
كيف تتشكل الثقوب السوداء في الفضاء؟؟ النجوم لديها إمداد مثير للإعجاب من وقود الاندماج ، وهذا هو سبب توهجها اللامع. لكن كل الموارد تنفد ، والنجم يبرد ، ويفقد توهجه تدريجياً ويتحول إلى قزم أسود. من المعروف أن عملية الانضغاط تحدث في النجم البارد ، ونتيجة لذلك تنفجر ، وتنتشر جزيئاته على مسافات كبيرة في الفضاء ، وتجذب الأجسام المجاورة ، وبالتالي يزيد حجم الثقب الأسود.
الأكثر إثارة للاهتمام حول الثقوب السوداء في الفضاءلم ندرس بعد ، ولكن من المدهش أن كثافته ، على الرغم من حجمها المثير للإعجاب ، يمكن أن تكون مساوية لكثافة الهواء. يشير هذا إلى أنه حتى أكبر الأجسام في الفضاء يمكن أن يكون لها نفس وزن الهواء ، أي أن تكون خفيفة بشكل لا يصدق. هنا كيف تظهر الثقوب السوداء في الفضاء؟.
يتدفق الوقت في الثقب الأسود نفسه وبالقرب منه ببطء شديد ، لذا فإن الأجسام التي تطير بالقرب منه تبطئ حركتها. سبب كل شيء هو قوة الجاذبية الهائلة ، وهي حقيقة مدهشة أكثر ، كل العمليات التي تحدث في الحفرة نفسها لها سرعة لا تصدق. افترض إذا لاحظنا كيف يبدو الثقب الأسود في الفضاء، كونه خارج حدود الكتلة المستهلكة بالكامل ، يبدو أن كل شيء لا يزال قائما. ومع ذلك ، بمجرد دخول الجسم ، سيتمزق في لحظة. اليوم يظهر لنا كيف يبدو الثقب الأسود في الفضاء؟على غرار برامج خاصة.
تعريف الثقب الأسود؟
الآن نحن نعرف من أين تأتي الثقوب السوداء في الفضاء؟. لكن ما الذي يميزهم أيضًا؟ إن القول بأن الثقب الأسود هو كوكب أو نجم هو أمر مستحيل بداهة ، لأن هذا الجسم ليس غازيًا ولا صلبًا. هذا كائن يمكن أن يشوه ليس فقط العرض والطول والارتفاع ، ولكن أيضًا الخط الزمني. وهو ما يتحدى تماما القوانين الفيزيائية. يجادل العلماء بأن الوقت في منطقة أفق الوحدة المكانية يمكن أن يتحرك للأمام وللخلف. ماذا يوجد في الثقب الأسود في الفضاءمن المستحيل أن نتخيل أن الكميات الخفيفة التي تسقط هناك تتضاعف عدة مرات بكتلة التفرد ، هذه العملية تزيد من قوة الجاذبية. لذلك ، إذا أخذت مصباحًا يدويًا معك وذهبت إلى ثقب أسود ، فلن يتوهج. التفرد هو النقطة التي يميل فيها كل شيء إلى اللانهاية.
إن بنية الثقب الأسود فريدة وأفق حدث. داخل التفرد ، تفقد النظريات الفيزيائية معناها تمامًا ، لذلك لا يزال لغزًا للعلماء. عند عبور الحدود (أفق الحدث) ، يفقد الكائن المادي القدرة على العودة. نحن نعلم بعيدًا عن كل شيء عن الثقوب السوداء في الفضاءلكن الاهتمام بها لا يتلاشى.
