مقدمة للثقوب السوداء

الثقوب السوداء هي أشياء في الكون مع كتلة كبيرة محاصرة داخل حدودها بحيث يكون لها حقول جاذبية قوية بشكل لا يصدق. في الواقع ، قوة الجاذبية للثقب الأسود قوية جدًا بحيث لا يمكن لأي شيء الهروب بمجرد دخوله. حتى الضوء لا يستطيع الهروب من الثقب الأسود ، فهو محاصر في الداخل مع النجوم والغاز والغبار. تحتوي معظم الثقوب السوداء على عدة أضعاف كتلة شمسنا والأكثر ثقوبًا يمكن أن تحتوي على ملايين الكتل الشمسية.

على الرغم من كل تلك الكتلة ، فإن التفرد الفعلي الذي يشكل جوهر الثقب الأسود لم يتم رؤيته أو تصويره أبدًا. إنها ، كما توحي الكلمة ، نقطة صغيرة في الفضاء ، ولكن لديها الكثير من الكتلة. إن الفلكيين قادرون فقط على دراسة هذه الأشياء من خلال تأثيرها على المواد المحيطة بها. تشكل المادة الموجودة حول الثقب الأسود قرصًا دوارًا يقع خلف منطقة تسمى "أفق الحدث" ، وهي نقطة الجاذبية اللاعودة.

إن "اللبنة" الأساسية للثقب الأسود هي التفرد: منطقة دقيقة من الفضاء تحتوي على كل كتلة الثقب الأسود. حولها منطقة من الفضاء لا يمكن للضوء أن يهرب منها ، مع إعطاء اسم "الثقب الأسود". الحافة الخارجية لهذه المنطقة هي ما يشكل أفق الحدث. إنه الحد غير المرئي حيث يساوي سحب مجال الجاذبية سرعة الضوء. وهي أيضًا متوازنة بين الجاذبية وسرعة الضوء.

يعتمد موقع أفق الحدث على سحب الجاذبية للثقب الأسود. يحسب الفلكيون موقع أفق الحدث حول الثقب الأسود باستخدام المعادلة R_س = 2 جم / ج². ص هو نصف قطر التفرد ، ز هي قوة الجاذبية ، م هي الكتلة ، ج هي سرعة الضوء.

هناك أنواع مختلفة من الثقوب السوداء ، وهي تحدث بطرق مختلفة. يُعرف النوع الأكثر شيوعًا بالثقب الأسود ذي الكتلة النجمية. هذه تحتوي على ما يقرب من عدة أضعاف كتلة شمسنا ، وتتكون عندما تكون كبيرة التسلسل الرئيسي النجوم (10 - 15 ضعف كتلة شمسنا) ينفد الوقود النووي في قلوبهم. والنتيجة هائلة انفجار المستعر الأعظم التي تنفجر الطبقات الخارجية للنجوم إلى الفضاء. ما ترك وراءه ينهار لخلق ثقب أسود.

النوعان الآخران من الثقوب السوداء هما الثقوب السوداء الهائلة (SMBH) والثقوب السوداء الدقيقة. يمكن أن يحتوي SMBH واحد على كتلة الملايين أو المليارات من الشموس. الثقوب السوداء الدقيقة ، كما يوحي اسمها ، صغيرة جدًا. ربما لديهم فقط 20 ميكروغرام من الكتلة. في كلتا الحالتين ، آليات إنشاءهم ليست واضحة تمامًا. توجد ثقوب سوداء صغيرة من الناحية النظرية ولكن لم يتم اكتشافها بشكل مباشر.

تم العثور على الثقوب السوداء الهائلة الموجودة في نوى معظم المجرات ولا تزال أصولها موضع جدل ساخن. انه ممكن تلك الثقوب السوداء الهائلة هي نتيجة الاندماج بين الثقوب السوداء الأصغر حجماً وذات الكتلة النجمية وغيرها شيء. يقترح بعض الفلكيين أنه قد يتم إنشاؤها عندما ينهار نجم واحد ضخم للغاية (مئات المرات كتلة الشمس). في كلتا الحالتين ، فهي ضخمة بما يكفي للتأثير على المجرة بطرق عديدة ، بدءًا من التأثيرات على معدلات ولادة النجوم إلى مدارات النجوم والمواد الموجودة بالقرب منها.

من ناحية أخرى ، يمكن إنشاء ثقوب سوداء دقيقة أثناء اصطدام جزيئين عاليي الطاقة. يقترح العلماء أن هذا يحدث باستمرار في الغلاف الجوي العلوي للأرض ومن المرجح أن يحدث خلال تجارب فيزياء الجسيمات في أماكن مثل CERN.

بما أن الضوء لا يمكن أن يهرب من المنطقة حول ثقب أسود متأثر بأفق الحدث ، فلا أحد يستطيع حقًا "رؤية" ثقب أسود. ومع ذلك ، يمكن لعلماء الفلك قياسهم وتمييزهم من خلال التأثيرات التي يحيطون بها. الثقوب السوداء القريبة من الأجسام الأخرى لها تأثير جاذبي عليها. لسبب واحد ، يمكن أيضًا تحديد الكتلة بواسطة مدار المواد حول الثقب الأسود.

من الناحية العملية ، يستنتج الفلكيون وجود الثقب الأسود من خلال دراسة كيفية تصرف الضوء حوله. الثقوب السوداء ، مثل جميع الأجسام الضخمة ، لديها قوة جاذبية كافية لثني مسار الضوء أثناء مروره. مع تحرك النجوم خلف الثقب الأسود بالنسبة له ، سيبدو الضوء المنبعث منها مشوهًا ، أو ستظهر النجوم تتحرك بطريقة غير معتادة. من هذه المعلومات ، يمكن تحديد موضع الثقب الأسود وكتلته.

هذا واضح بشكل خاص في عناقيد المجرات حيث الكتلة المجمعة من العناقيد ، مادتها المظلمة ، و تعمل الثقوب السوداء على إنشاء أقواس وحلقات بشكل غريب عن طريق ثني ضوء الأجسام البعيدة أثناء مروره.

يمكن للفلكيين أيضًا رؤية الثقوب السوداء من الإشعاع الذي تطلقه المواد الساخنة حولهم ، مثل الراديو أو الأشعة السينية. وتعطي سرعة تلك المادة أيضًا أدلة مهمة لخصائص الثقب الأسود الذي تحاول الهروب منه.

الطريقة الأخيرة التي يمكن للفلكيين من خلالها اكتشاف الثقب الأسود هي من خلال آلية تعرف باسم إشعاع هوكينج. سميت للفيزيائي النظري الشهير وعلم الكونيات ستيفن هوكينج، إشعاع هوكينج هو نتيجة الديناميكا الحرارية التي تتطلب هروب الطاقة من الثقب الأسود.

الفكرة الأساسية هي أنه بسبب التفاعلات الطبيعية والتقلبات في الفراغ ، سيتم إنشاء المادة على شكل إلكترون ومضاد للإلكترون (يسمى بوزيترون). عندما يحدث هذا بالقرب من أفق الحدث ، سيتم طرد أحد الجسيمات بعيدًا عن الثقب الأسود ، بينما يقع الآخر في بئر الجاذبية.

بالنسبة للمراقب ، كل ما "يُرى" هو جسيم ينبعث من الثقب الأسود. سوف ينظر إلى الجسيم على أنه يمتلك طاقة إيجابية. هذا يعني ، بالتناظر ، أن الجسيم الذي سقط في الثقب الأسود سيكون له طاقة سلبية. والنتيجة هي أنه مع تقدم العمر في الثقب الأسود ، يفقد الطاقة ، وبالتالي يفقد الكتلة (بواسطة معادلة آينشتاين الشهيرة ، E = MC²، أين هـ= الطاقة ، م= الكتلة و ج هي سرعة الضوء).

تم التعديل والتحديث بواسطة كارولين كولينز بيترسن.