علوم

ترجمة وإعداد د. جواد بشارة

الثقوب السوداء والثقوب الدودية وفرضية السفر عبر الزمن

درس المؤلفون ثقبًا أسود مشحونًا كهربائيًا محاطًا بنوع معين من الفضاء، يُعرف باسم "الفضاء المضاد دي سيتر". بدون التعمق في الموضوع، هذا النوع من الفضاء له انحناء هندسي سلبي ثابت، مثل سرج الحصان، والذي نعرف أنه ليس وصفًا جيدًا لكوننا. (سيكون للكون المضاد دي سيتر ثابت كوني سلبي، مما يعني أن كل المادة تميل إلى التكثف في ثقب أسود، مقارنة بالتوسع المتسارع الذي نراه في كوننا).

نحو فهم أفضل للظواهر الفيزيائية لكوننا:

حتى لو لم تتناسب مع كوننا المرئي، فقد اتضح أن هذه الثقوب السوداء الغريبة لا تزال تحتوي على بعض الهياكل المعقدة بشكل مدهش والتي تستحق الاستكشاف. أحد الأسباب التي تجعل هذا الاستكشاف مرحبًا به هو أن الثقوب السوداء المشحونة تشترك في العديد من أوجه التشابه مع الثقوب السوداء الدوارة، الموجودة في كوننا المرئي، لكن الثقوب السوداء المشحونة يسهل إدارتها رياضياتياً. لذلك، من خلال دراسة الثقوب السوداء المشحونة، يمكننا الحصول على معلومات حول دوران الثقوب السوداء في العالم الحقيقي. بالإضافة إلى ذلك، وجد علماء الفيزياء أنه عندما تصبح هذه الثقوب السوداء باردة نسبيًا، فإنها تخلق "ضبابًا" من الحقول الكمومية حول أسطحها. يلتصق هذا الضباب بالسطح، مرسومًا إلى الداخل بفعل جاذبية الثقب الأسود نفسه، لكنه يدفع للخارج بفعل التنافر الكهربائي من نفس الثقب الأسود.

يُعرف أيضًا ضباب المجال الكمومي المستقر الذي يعمل على السطح باسم الموصل الفائق. الموصلات الفائقة لها تطبيقات في العالم الحقيقي، لذا فإن رؤية الدور الذي تلعبه الموصلات الفائقة في هذه السيناريوهات الغريبة يساعدنا على فهم هياكلها الرياضياتية، والتي يمكن أن تؤدي إلى معرفة جديدة باستخدام تطبيقات العالم الحقيقي. في دراسة نُشرت على موقع arXiv preprint ، استخدم فريق من الباحثين بالتالي لغة الموصلية الفائقة لاكتشاف ما يكمن تحت سطح هذه الثقوب السوداء الافتراضية.

ثقب دودي مركزي غير سالك:

الثقوب السوداء المشحونة لها هيكل داخلي غريب نوعًا ما. أولاً، ما وراء أفق الحدث هو الأفق الداخلي، وهي منطقة ذات طاقات كمومية مكثفة. أبعد من ذلك، هناك ثقب دودي، جسر إلى ثقب أبيض في قسم آخر من الكون (على الأقل، وفقًا للرياضيات).

لا نعرف حقًا ما إذا كانت مثل هذه الثقوب الدودية موجودة بالفعل، لأن رياضيات الثقوب السوداء المشحونة تضعف في الأفق الداخلي، ولا يمكن تعلم أي شيء آخر حتى نطور فيزياء جديدة. لحسن الحظ، تتجنب الثقوب السوداء المشحونة والمحاطة بفضاء مضاد دي سيتر، هذه المشكلة، والذي سنسميه الآن الثقوب السوداء فائقة التوصيل.

الخبر السار هو أن الأفق الداخلي للثقب الأسود فائق التوصيل ينهار، مما يسمح بالمرور خلاله بسلاسة دون أن تكون "سباغيتي" كما هو الحال في الثقب الأسود العادي. الأخبار السيئة هي أن الثقب الدودي الموجود داخل الثقب الأسود فائق التوصيل يتمزق أيضًا، لذا لا يمكنك استخدامه للسفر.

زمكان فوضوي وكون فركتلي univers fractal:

لكن هذا لا يعني أنه لا يوجد شيء مثير للاهتمام يحدث داخل الأفق الداخلي، يتألق الجزء الداخلي من الثقب الأسود فائق التوصيل قليلاً. عادة، يمكن للجسيمات الموجودة في الموصل الفائق الفعلي أن تتأرجح، مما يدعم الموجات التي تتأرجح في تأثير يُعرف باسم اهتزازات جوزيفسون. وفي أعماق هذه الثقوب السوداء، يهتز الفضاء ذهابًا وإيابًا. إذا وقع فيه المرء جسديًا، فسيخضع لامتداد فوضى شديدة.

رسم بياني يظهر تذبذبات جوزيفسون في نظام التوصيل الفائق. نفس التذبذبات ستؤثر على الزمكان في الثقوب السوداء المشحونة. ائتمانات: Sean A. Hartnoll et al. 2020

graphique oscillations Josephson supraconducteur

ولكن بمجرد أن تتخطى اهتزاز الزمكان، فإن ما يأتي بعد ذلك سيكون مفاجئًا حقًا. وجد الباحثون أن المناطق الأعمق من الثقب الأسود فائق التوصيل يمكن أن تتميز بكون مصغر متوسع، وهو مكان يمكن أن يمتد فيه الفضاء ويلتوي بسرعات مختلفة في اتجاهات مختلفة.

بالإضافة إلى ذلك، اعتمادًا على درجة حرارة الثقب الأسود، يمكن لبعض مناطق الفضاء هذه إطلاق دورة جديدة من الاهتزازات، والتي تخلق بعد ذلك مساحة جديدة متوسعة من الفضاء، وما إلى ذلك، على نطاقات أصغر باستمرار.

سيكون كونًا فركتليًا صغيرًا، يعيد نفسه إلى ما لا نهاية، من المقاييس الأكبر إلى الأصغر. من المستحيل وصف ما سيكون عليه السير في مثل هذا المشهد الطبيعي، لكنه بالتأكيد سيكون غريبًا جدًا. في قلب هذه الفركتلة الغامضة والفوضى العشوائية أو الفوضوية يكمن التفرد أو الفرادة singularité: نقطة الكثافة اللانهائية، المكان الذي توجد فيه كل قطعة من المادة سقطت في الثقب الأسود.

في العام الماضي، كشف تعاون تلسكوب أفق الحدث Event Horizon Telescope (EHT) عن أول تصور فلكي لثقب أسود فائق الكتلة: M87 *. دفعت هذه الصورة المذهلة بعض علماء الفيزياء الفلكية إلى دراسة الرؤية بمزيد من التفصيل ومقارنتها بالأجسام الكونية النظرية الأخرى. هذا هو الحال بشكل خاص مع النجوم البوزونية، أي الأجسام المدمجة المكونة من البوزونات ولها خصائص فيزيائية معينة. من خلال محاكاة ديناميكيات نجوم البوزون، أظهر فريق من الباحثين أنها تشبه الثقوب السوداء من نواح كثيرة. تشير هذه النتائج الجديدة إلى أنه إذا تم تأكيد وجود هذه الأجسام الكونية، فإن نجوم البوزون يمكن أن تسكن الكون تمامًا مثل الثقوب السوداء.

طرح فريق بقيادة عالم الفيزياء الفلكية هيكتور أوليفاريس من جامعة رادبود في هولندا وجامعة غوته في ألمانيا السؤال التالي: كيف نعرف أن M87 * عبارة عن ثقب أسود؟ يقول أوليفاريس: "بينما تتوافق الصورة مع توقعاتنا لما سيبدو عليه الثقب الأسود، من المهم التأكد من أن ما نراه هو حقًا ما نفكر فيه".

"مثل الثقوب السوداء، تنبأت النسبية العامة بالنجوم البوزونية، وهي قادرة على النمو إلى ملايين الكتل الشمسية وتحقيق ضغط عالٍ جدًا. حقيقة أنها تشترك في هذه الخصائص مع الثقوب السوداء فائقة الكتلة دفعت بعض العلماء إلى اقتراح أن بعض الأجسام المدمجة فائقة الكتلة الموجودة في مركز المجرات قد تكون في الواقع نجوم بوزونية  d’étoiles à bosons.

النجوم البوزونية: أجسام مضغوطة ذات خصائص خاصة:

في مقال نُشر في مجلة MNRAS، قام أوليفاريس Olivares  وفريقه بحساب الشكل الذي قد يبدو عليه نجم بوزون لأحد تلسكوباتنا وكيف سيختلف عن الصورة المباشرة لثقب أسود متزايد. النجوم البوزونية هي من أغرب الأشياء النظرية. لا تبدو مثل النجوم التقليدية ظاهرة لعيان سهولة ولكن حيث تتكون النجوم في الغالب من جسيمات تسمى الفرميونات - الإلكترونات والكواركات وما إلى ذلك. -، ستتكون نجوم البوزونات بالكامل من ... البوزونات. تخضع الفرميونات لمبدأ استبعاد باولي *، مما يعني أنه لا يمكنك الحصول على جسيمين متطابقين يشغلان نفس المساحة. ومع ذلك، يمكن تكديس البوزونات؛ عندما يجتمعون، فإنهم يعملون كجسيم واحد كبير أو موجة من المادة. تم إثبات ذلك بشكل تجريبي باستخدام مكثفات بوز-آينشتاين.

في حالة النجوم البوزونية، يمكن أن تتراكم الجسيمات في فضاء يمكن وصفه بقيم مميزة، أو نقاط على مقياس. بالنظر إلى النوع الصحيح من البوزونات في الترتيبات الصحيحة، يمكن أن يشكل هذا "الحقل القياسي" ترتيبًا مستقرًا نسبيًا. على الأقل هذه هي النظرية. لم يتم رصد البوزونات ذات الكتلة اللازمة لتشكيل مثل هذا الهيكل، ناهيك عن كتلة الثقب الأسود الهائل (SMBH).

"من أجل تكوين بنية كبيرة مثل مرشحات SMBH ، يجب أن تكون كتلة البوزون صغيرة للغاية (أقل من 10-17 إلكترون فولت). تظهر بوزونات ذات السبين الدوار 0 وذات كتل متشابهة أو أصغر في العديد من النماذج الكونية ونظريات الأوتار، وقد تم اقتراحها كمادة مظلمة مرشحة تحت أسماء مختلفة (المادة المظلمة للحقل القياسي matière noire de champ scalaire، الآكسيونات الخفيفة للغاية axions ultralégers، المادة المظلمة الضبابية matière noire floue، المادة المظلمة لموجة الكموم matière noire d’onde quantique). قد يكون من الصعب للغاية اكتشاف مثل هذه الجسيمات الافتراضية، لكن مراقبة جسم يشبه نجم بوزون يشير إلى وجودها "، كما يقول أوليفاريس.

مظهر هيكلي مشابه لمظهر الثقوب السوداء:

لا تدمج النجوم البوزونية النوى ولا تصدر أي إشعاع. على عكس الثقوب السوداء، يقال إنها شفافة - ليس لديها سطح ماص يوقف الفوتونات أو أفق الحدث. يمكن للفوتونات الهروب من نجوم البوزونات، على الرغم من أن مسارها قد ينحرف قليلاً عن طريق الجاذبية.

accretion magnitude trou noir etoile bosons

رسم بياني يقارن معدل التراكم (أ) والقدر المطلق (ب) لثقب أسود دوار (أحمر) ، النوع أ (أسود) ونوع ب (أزرق) نجم بوزون. ائتمانات: هيكتور أوليفاريس وآخرون. 2020

لكن يمكن أن تُحاط بعض نجوم البوزونات بحلقة دوارة من البلازما - تشبه إلى حد كبير قرص التراكم الذي يحيط بالثقب الأسود. أجرى أوليفاريس وفريقه محاكاة لديناميكيات حلقات البلازما هذه، وقارنوها بما قد نتوقع رؤيته من ثقب أسود. "تكوين البلازما الذي نستخدمه لا يتم اختياره عشوائيًا، ولكنه ينتج من محاكاة ديناميكيات البلازما. هذا يسمح للبلازما بالتطور بمرور الوقت وتشكيل هياكل كما لو كانت في الطبيعة، كما "يقول أوليفاريس.

وبهذه الطريقة، يمكننا ربط حجم المنطقة المظلمة في صور نجم البوزون (الذي يحاكي ظل الثقب الأسود) بنصف القطر حيث يتوقف عدم استقرار البلازما عن العمل. بدوره، هذا يعني أن حجم المنطقة المظلمة ليس عشوائيًا - فهو يعتمد على خصائص الزمكان لنجم البوزون - ويسمح لنا أيضًا بالتنبؤ بحجمه بالنسبة لنجوم البوزونات الأخرى. لم نقم بمحاكاته ".

apparence trou noir etoile bosons

المظهر المحاكي لثقب أسود ثابت (أ) وثقب أسود دوار (ب) ونجم بوزون (ج). الاعتمادات:

هيكتور أوليفاريس وآخرون. 2020 سوف يتم بتأكيد أو إنكار وجود نجوم بوزونات باستخدام EHT

وجد الباحثون أن ظل نجم البوزون سيكون أصغر بكثير من ظل ثقب أسود له كتلة مماثلة. وبالتالي، يمكن استبعاد M87 * كنجم بوزون ؛ على الأقل حسب نموذج الفريق. "تتوافق كتلة M87 * المستخلصة من الديناميكيات النجمية مع التوقعات المتعلقة بحجم ظلها لحالة الثقب الأسود، وبالتالي فإن المنطقة المظلمة كبيرة جدًا بحيث لا تتوافق مع نجم بوزوني غير دوار مشابه لذلك الذي درسناه ".

لكن الفريق أخذ في الاعتبار أيضًا القدرات التقنية وقيود تلسكوب أفق الحدث، الذي قدم هذه الصورة الأولى لثقب أسود. لقد شرعوا عن عمد في تصور نتائجهم لأنهم اعتقدوا أن نجوم البوزون قد تبدو مثل تلك الموجودة على تلسكوب أفق الحدث EHT. هذا يعني أنه يمكن مقارنة نتائجهم بملاحظات EHT المستقبلية، لتحديد ما إذا كان ما نفحصه هو ثقب أسود هائل.

إذا لم يكن الأمر كذلك، بالطبع، فإن هذا لا يعني أن SMBHs غير موجودة، ولكنه سيدعم وجود النجوم البوزونية. وهذا يعني أن الحقول العددية الكونية موجودة وتلعب دورًا مهمًا في تكوين الهياكل في الكون. لا يزال نمو الثقوب السوداء فائقة الكتلة غير مفهوم جيدًا، وإذا اتضح أن بعضًا على الأقل من النجوم المرشحة هم في الواقع نجوم بوزونية، فسنحتاج إلى التفكير في آليات مختلفة لتشكيل الحقول العددية champs scalaires.

تأكيد إشعاع هاوكينغ: الثقوب السوداء ليست سوداء تمامًا!:

rayonnement hawking trou noir pas si noir

الثقوب السوداء، بحكم التعريف، هي أجرام سماوية مضغوطة للغاية بحيث تمنع قوة مجالات الجاذبية الخاصة بها أي شكل من أشكال المادة أو الإشعاع من الهروب منها. وبالتالي لا يمكنها إصدار أو عكس الضوء منه وعنها، وبالتالي فهي سوداء (غير مرئية). هذا هو أبسط تفسير للثقب الأسود. ولكن بمجرد إضافة الديناميكا الحرارية la thermodynamique والآليات الكمومية les mécanismes quantiques إلى هذا المزيج، تصبح الأمور أكثر تعقيدًا.

مع وضع كل هذه الأمور في الاعتبار، افترض الفيزيائي ستيفن هوكينغ (في عام 1974) أن الثقوب السوداء ليست سوداء في الواقع (على الأقل، ليس تمامًا): بدلاً من ذلك، فإنها تصدر إشعاعات، تفقدها الطاقة وتتراجع بمرور الوقت. ومع ذلك، فإن كمية الإشعاع صغيرة جدًا بحيث لا يمكن ملاحظتها، فكيف تختبر هذه الفكرة؟ كان البروفيسور جيف ستينهاور Jeff Steinhauer من معهد إسرائيل للتكنولوجيا هو من وجد طريقة لاختبار ذلك! في تقرير نُشر في مجلة Nature Physics، كشف عن دليل على أن إشعاع هوكينغ حقيقي.

في البداية، كان يتوجب عمل ثقب أسود في المختبر، وهو أول إنجاز بحد ذاته لأنه في المجرات، تمتلك هذه الأجسام كتل تصل إلى مليارات المرات من كتلة الشمس، وتجذب كل ما يمر بقربها أو في متناول أيديها وقبل كل شيء، تمنع المادة وحتى الضوء من الخروج منها. لحسن الحظ، ثقب التكنيون الأسود (المعهد الإسرائيلي للتكنولوجيا، حيفا Technion) هو مجرد نظير لهذه العمالقة الكونية. في الواقع، بدلاً من التقاط الضوء أو المادة، فإنها تحبس الصوت (لكن من الواضح أنها ليست غرفة عازلة للصوت بسيطة).

إنه فخ حقيقي له تردد معين أكبر بكثير من طاقة جسيمات "الصوت" (الفونونات les phonons)، والتي لا يمكنها التحرك إلا بسرعة الصوت. في أسطوانة يبلغ طولها 100 ميكرومتر، تم تبريد حوالي مليون ذرة روبيديوم من خلال الليزر، مما جعلها تقترب من الصفر المطلق (أو حوالي -273 درجة مئوية) لصنع نوع من التركيبة تشبه الدبس mélasse تسمى مكثف بوز-آينشتاين. Condensat de Bose-Einstein. الذرات تتصرف بطريقة موحدة. ثم "قسم" الموضوع إلى منطقتين. في إحداها، تمتلك الموجات الصوتية الفرصة للانتشار بشكل طبيعي في كلا الاتجاهين. من ناحية أخرى، يقول جيف ستينهاور Jeff Steinhauer ، "إنها مثل سباح يحاول سحب تيار أقوى منه". لذلك، لا يمكن للصوت الهروب، كما هو الحال في الثقب الأسود.

قد يبدو هذا الرنين بسيطًا بعض الشيء، لكنه مع ذلك نموذج ملموس ودقيق، يشير إلى شيء حقيقي للغاية. من أجل زيادة سرعة التيار بقوة على جانب واحد، يرسل الباحث طلقة ليزر في منتصف القناة، كما لو كانت تصنع شلالًا، مما يؤدي إلى تسارع السائل: تيار النهر ثم يصبح قويًا جدًا بالنسبة لـ "الأسماك" الصوتية التي ترغب في الصعود أو الخروج. النتيجة: الثقب الأسود وحدوده الرهيبة، التي تسمى أفق الحدث، وكلاهما موجود.

تم تأكيد إشعاع هوكينغ Le rayonnement de Hawking confirmé

كانت فكرة هوكينغ "ضرورية" لأنه، كما نعلم، النسبية وميكانيكا الكموم لا تعملان معًا بشكل جيد. من ناحية أخرى، فإن استخدام العناصر المختلفة التي تقترحها هاتان النظريتان ضروري لمواصلة البحث عن الثقوب السوداء وبالتالي محاولة فهمها بشكل أفضل. وفي نهاية المطاف، "الغرض من دراسة الثقوب السوداء هو معرفة المزيد عن قوانين الفيزياء الجديدة، وليس فقط الثقوب السوداء نفسها! كما يضيف ستينهاور.

في الواقع، تنبأ ستيفن هوكينغ (بالفعل في عام 1974)، بأن الإشعاع يجب أن يهرب من أفق الأحداث، وهو "هروب" حقيقي شرحه على هذا النحو: الفراغ الكوني ليس فارغًا حقًا، باستمرار، بسبب ميكانيكا الكموم، تظهر أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة، وتفنى، وتظهر، وتفنى، إلخ. إذا سقط أحد أعضاء الزوج (من الجسيمات والجسيمات المضادة) في الثقب الأسود، تاركًا الآخر حراً، فإن الجسيمات المنبعثة تشكل ما يسمى بإشعاع هوكينغ. المشكلة هي أن هذا الإشعاع ضعيف جدًا وبالتالي سيكون من الصعب جدًا مراقبته.

ما لاحظه جيف ستينهاور لمدة ستة أيام متتالية بفضل ثقبه الأسود الصغير هو أن بعض الموجات الصوتية تنبعث في وقت واحد وفي أزواج، على جانبي الأفق،"كنت سعيدًا عندما لقد رأيت هذين الاستيقاظين sillages لأنني عملت بجد، بمفردي، لشهور "، يعترف الفيزيائي. "هذه أول تجربة مقنعة لرصد إشعاع هوكينغ! إنه اختراق حقيقي.»، كما يقول إياكوبو كاروسوتو Iacopo Carusotto ، الباحث في المركز القومي الإيطالي للبحوث في ترينتو Trente. "هذا تتويج لمشروع امتد لأكثر من عشرين عامًا وتأكيدًا لتوقعات هوكينغ! يقول رينو بارنتاني Renaud Parentani ، الأستاذ في جامعة أورساي ، مشيرًا إلى مقترحات ويليام أونروه William Unruh (في عام 1981 وخاصة في عام 1995) ، والتي أطلقت السباق على الثقوب السوداء الاصطناعية.

لكن مقال مجلة فيزياء الطبيعة Nature Physics يذهب إلى أبعد من ذلك ويظهر أن هذه الارتباطات بين جانبي "الثقب الأسود" ذات طبيعة كمومية! ويضيف إياكوبو كاروسوتو، تمامًا كما هو الحال في نموذج هوكينغ ، "إنه أكثر استثنائية". يشير أولف ليونهارت Ulf Leonhardt من معهد وايزمان (إسرائيل) ، أحد الرواد في هذا المجال ، إلى أن "تاريخ هذه النظائر يظهر أن الأشياء غالبًا ما تبدو أكثر تعقيدًا مما تبدو عليه في البداية". شيء واحد مؤكد، تاريخ هذا البحث والاكتشاف لم ينته بعد. إنه يفتح الكثير من وجهات النظر، ولا سيما الأمل في فهم أفضل لهذه الأجرام السماوية المعقدة للغاية والتي هي ثقوب سوداء.