عرض المقال 'ثقب أسود مشكوك فيه' الترجمة الفرنسية: D

عرض المقال
الثقب الأسود المشكوك فيه

الترجمة الفرنسية:

شكوك حول وجود الثقوب السوداء.

المؤلفان:

جان بيير بيتي، مرصد مرسيليا

بيير ميدي، مركز الأبحاث في أورسيه (CRI).

للانتقال مباشرة إلى الورقة العلمية.

يمثل هذا العمل نتائج عشر سنوات من الجهد. على مدى الثلاثين عاماً الماضية، لم يكن لدى الفيزيائيين الفلكيين سوى مصطلح واحد على ألسنتهم: "الثقوب السوداء". يجذب هذا الموضوع انتباه الجمهور، وقد خُصصت له عدة كتب بالفعل. ومع ذلك، لا يزال التأكيد الرصدي غائباً: فالثقوب السوداء "تلمع بغيابها". ومع ذلك، فإن الكون واسع. فمجرّتنا وحدها تحتوي على ما لا يقل عن 100 إلى 200 مليار نجم.

لقد تم إثبات وجود بعض الأجسام عن طريق الرصد، مثل الكوازارات (النجوم الزائفة) على سبيل المثال. نحن نعرف الآن أكثر من أربعة آلاف منها. وهذا لا يعني أننا نفهم هذه الأجسام فهماً كاملاً، أو كيف تتكون، أو كيف تتطور، أو عمرها الافتراضي. في الواقع، نحن لا نعرف شيئاً عنها. فهي مجرد مفهرسة بنفس الطريقة التي كانت تُفهرس بها "السدم" في زمن عالم الفلك ميسييه.

يبدو أن بعض الكوازارات تعيش في مركز تكوينات من نوع المجرات. تمتلك هذه المجرات "نواة نشطة"، وهو تعبير قد يعني كل شيء ولا شيء في آن واحد؛ فنحن لا نعرف شيئاً عن طبيعة النشاط، أو ما هو مصدر طاقته على سبيل المثال.

يبدو أن الفيزياء الفلكية المعاصرة تكتفي بالقليل. فعند السؤال:

• ما هو الكوازار؟
  يجيب الفيزيائي الفلكي:
• إنه نواة مجرة نشطة.
  وعند السؤال:
• ما هي المجرة النشطة؟
  يجيب:
• إنها مجرة تحتوي على كوازار في مركزها...

مؤخراً، قبل بضع سنوات، اكتشفنا "ومضات غاما"، بمعدل ومضة واحدة في اليوم. حمل غلاف مجلة "السماء والفضاء" (Ciel et Espace) الفرنسية عنواناً رئيسياً ذات مرة: "ومضات غاما: لغز يحل أخيراً". ورداً على ذلك، في أعمدة المجلة: لقد لوحظت للتو بقعة صغيرة ساطعة في موقع ومضة غاما المكتشفة. المعنى: حل اللغز يعني معرفة أن مناطق السماء التي تبعث ومضات تبعث أيضاً ضوءاً....

أليس هذا قليلاً.. فقيراً؟

في المقابل، توجد أجسام أخرى كان وجودها مستنتجاً، غالباً بدقة جيدة، قبل رصدها. المثال النموذجي هو المستعر الأعظم (السوبرنوفا)، الذي وصفه الفيزيائي الفلكي الأمريكي (من أصل سويسري) فريتز زفيكي في عام 1931 خلال مؤتمر شهير في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) بالولايات المتحدة. أوضح زفيكي في ذلك الوقت أن النجوم الضخمة بما يكفي، أي تلك التي تزيد كتلتها عن عشرين كتلة شمسية، يجب أن تنتهي نهاية باروكسيزمية (مفرطة) بزيادة في الطاقة خلال بضعة أيام، حيث تستغرق الظاهرة بأكملها عشرين يوماً تقريباً. كان هذا تنبؤاًremarkable، رغم أنه لم يؤخذ على محمل الجد في ذلك الوقت. ومع ذلك، اكتشف زفيكي، بإصراره، أول المستعرات العظمى. نحن نعرف الآن عدة مئات منها. وينطبق الشيء نفسه على النجوم النيوترونية، التي حددت لاحقاً مع النجوم النابضة (النجوم النيوترونية الدوارة) والأقزام البيضاء. وقد تم تحديد عدة مئات من أفراد هذا النوع أيضاً.

اقترح الثقب الأسود كإجابة على مشكلة: ماذا يحدث لنجم نيوتروني يتجاوز "كتلة حرجة" معينة؟ هذه النجوم النيوترونية، المحددة بوضوح، تشبه أنوية ذرات ضخمة، بدون بروتونات. لماذا تتكون هذه الأجسام حصرياً من النيوترونات؟

نعتبر النجوم النيوترونية ما تبقى من نواة الحديد لنجم ضخم بعد انفجاره. النجم الضخم هو نجم تحدث فيه أنواع متعددة من الاندماج خلال عمره. ينتهي بإنتاج الحديد الذي لا يمكنه المشاركة في أي تفاعل اندماجي طارد للطاقة إضافي. يسقط هذا الحديد، الثقيل، إلى مركز النجم إذن، مثل الرماد في المدفأة. عندما ينفد وقود النجم فجأة (كما فهم زفيكي)، ينهار على نفسه بسرعة 80,000 كيلومتر في الثانية (مع هامش خطأ كيلومتر في الثانية بالطبع). عند السقوط على نواة الحديد، يضغط هذا الغاز بشدة. لا يرتد فحسب، بل تحدث عدة تفاعلات اندماجية لم تعد بحاجة إلى أن تكون طاردة للطاقة لأن الطاقة تأتي من الانكماش العنيف للنجم على نفسه. تخلق جميع أنواع الأنواع النووية، بما في ذلك العديد من الذرات المشعة ذات الأعمار الافتراضية المتغيرة للغاية. في عام 1987، أعطى انفجار نجم ساندوليك (Sanduleak)، في سحابة ماجلان، تأكيداً قاطعاً لوجود مثل هذه الظواهر (على بعد 150,000 سنة ضوئية فقط).

يسحق هذه الظاهرة نواة الحديد تماماً عن طريق تفكيك ذراتها. تصبح مضغوطة على نفسها لدرجة أن الإلكترونات لم تعد تملك مساحة كافية للتحرك بين النيوكليونات. محاصرة، تندمج إذن مع البروتونات لتعطي نيوترونات ونيوترينوات.

عادةً، عندما نضغط غازاً، فإن ظاهرة تعرف بالضغط تعاكس الانضغاط. هذا صحيح أيضاً للسائل أو الصلب (كل شيء قابل للانضغاط). هذا ما يحدث عندما يولد نجم شاب. النجم الأولي هو كتلة من الغاز تستقر على نفسها. ولكن في فعل ذلك، يسخن وقوة الضغط تحد من الانكماش. إنه مشع ضعيف لكنه يجب أن يفقد الطاقة بالإشعاع (الأشعة تحت الحمراء) قبل أن ينكمش بما يكفي ليصبح نجماً حقيقياً. ومع ذلك، إذا كانت كتلته غير كافية، فسيصبح "مشترياً كبيراً" (هذا الكوكب العملاق يستمر في إشعاع طاقة أكثر مما يتلقاه من الشمس لكنه لن يصبح نجماً أبداً).

عندما يضغط انفجار المستعر الأعظم نواة الحديد، فإن الأخيرة تتخلص من طاقتها بإطلاق كمية هائلة من... النيوترينوات. هنا يتغير السيناريو تماماً: التبريد الإشعاعي فوري لأن النيوترينوات يمكنها الهروب دون صعوبة. لا يوجد ضغط معاكس إذن. يسحق كتلة الحديد بشكل مأساوي. لا يبقى سوى كومة من النيوترونات، مضغوطة بجانب بعضها البعض مثل اليابانيين في مترو الأنفاق خلال ساعة الذروة.

لماذا كتلة حرجة؟ لأن النيوترونات لا يمكنها تحمل ضغط أكبر من قيمة قصوى. مثل مصابيح الإضاءة الكهربائية المكدسة في منجم. بعد مستوى معين من المصابيح، ينكسر الزجاج وتسقط كومة من الزجاج المكسور إلى قاع المنجم.

عندما تكون كتلة النجم النيوتروني أكبر قليلاً من ضعف كتلة الشمس، يصبح الضغط في نواته كبيراً جداً. لا تستطيع النيوترونات تحمله بعد الآن. من المفترض إذن أن ينهار على نفسه ولا توجد ظاهرة فيزيائية معروفة قادرة على مقاومة هذا "الانهيار الجاذبي". منظور محزن للفيزيائي الفلكي.

حتى قبل أن ينفجر، يكون النجم النيوتروني "نسبياً"، على عكس جسم "نيوتوني". يظهر هذا من خلال مظهر مسارات "الجسيمات المرجعية" بالقرب من كتلة m (ذرة، على سبيل المثال). نعلم أن ظاهرة انحناء الزمكان تسبب حركة اعتلال (precession) للمدار الإهليلجي لعطارد. لكن الاعتلال ضئيل. ومع ذلك، يوضح الشكل التالي، المستمد من حسابات الحاسوب، الاعتلال المهم لمسار شبه إهليلجي حول نجم نيوتروني.

إذن، لا مجال لوصف نجم نيوتروني بـ "مواد نيوتونية".

برنامج الحساب بسيط نسبياً، وذات يوم، عندما يكون لدي الوقت، سأضعه على الموقع حتى تتمكنوا من اللعب به، وإظهار ظاهرة العدسة الجاذبية (مبالغ فيها جداً فيما يلي):

إذن، بما أن الأمر يتعلق بوصف مصير نجم نيوتروني يصل إلى الحالة الحرجة، يجب استخدام "معادلة مجال"، معادلة أينشتاين.

S = c T

T هو "موتر" يصف المحتوى المحلي لـ "طاقة المادة". الموتر معدوم في الخارج وغير معدوم في الداخل. يجب إذن استنتاج الحل الهندسي من معادلتين.
للداخل:

S = c T

للداخل

S = 0

تسمى الحلول لهذا النوع من المعادلات "المقاييس" (metrics). ومع ذلك، لا يهم الشكل الذي تتخذه الأجسام. بالإضافة إلى ذلك، فهي "موترات"، وللفهم ما هو الموتر، حظاً موفقاً... استغرقني الأمر وقتاً طويلاً.

ترتبط الشمس بـ "هندسة" محلية، وهي الحل للمعادلتين. تصف الأولى داخل الشمس والثانية الفراغ حولها. ومع ذلك، يمكننا فقط وصف نوع من "الشمس المثالية" التي تتكون من كرة مملوءة بمادة ذات كثافة ثابتة. لكن هذا أفضل من لا شيء. لهذه الحلول تعبيرات رياضية لن نخوض فيها هنا. لن تعني لكم شيئاً. لكل منها "مرضها الشخصي". لنسمِّ rn نصف قطر النجم، ذي الكثافة الثابتة r. من هذه الكثافة r، وقيمة c لسرعة الضوء، يمكننا حساب نصف قطر مميز أول، "R circumflex":

الحل الهندسي الداخلي "غير مريض" إذا وفقط إذا كانت قيمة نصف القطر rn أقل من هذه القيمة الحرجة.

بنفس البيانات، يمكننا حساب نصف القطر المميز الثاني:

والذي نسميه "نصف قطر شوارزشيلد" Rs. الحل الخارجي، الذي يشير إلى "الفراغ" المحيط بنجمنا ذي الكثافة الثابتة ونصف القطر الثابت، سيكون غير مريض إذا وفقط إذا كانت قيمة نصف قطر النجم rn أكبر من هذا الطول المميز. عند تجميع الاثنين، يجب أن يكون:

تعتمد الكمية على اليمين على كثافة النجم (بين 10^15 و 10^16 غرام لكل سنتيمتر مكعب). عند كثافة ثابتة، تزيد الكمية على اليسار مع مكعب نصف قطر النجم Rn.

هذا صالح للشمس، التي تعتبر نجماً ذا كثافة ثابتة كتقريب أول. ماذا نعني بـ "الأمراض"؟ كل شيء: كميات تحت الجذور تصبح سالبة، مقامات تصبح معدومة. يمكننا إذن أن نرى أن نجماً ذا كثافة ثابتة لا يمكن وصفه بالنوع التالي من الحلول المستقرة:

"نصف قطر شوارزشيلد" للشمس هو 3.7 كم: داخل (rn) بكثير. يمكنكم الاستمتاع بحسابه، نظراً لأن نصف قطره 695,000 كم، فإن قيمة نصف القطر الحرج الثاني "R circumflex" أعلى.

لو كان الأمر يتعلق بالشمس، وعلى مقياس الشكل، سيكون نصف قطر شوارزشيلد (3.7 كم) مجرد نقطة ونصف القطر "R circumflex" سيتجاوز الورقة بكثير. يشير الشكل أعلاه أكثر إلى "نجم نيوتروني دون حرج".

كيف تتم "الصعود نحو الحالة الحرجة"؟ يكفي إضافة طبقات من النيوترونات، بزيادة في الكثافة الثابتة (نشبه النجم النيوتروني، إن لم يكن صلباً، فبشكل قطرة سائل غير قابلة للانضغاط عملياً).

نحصل على المنحنيات أعلاه ببساطة باستخدام الصيغة المعروضة. يزداد نصف قطر النجم لكن "نصف قطر شوارزشيلد" يلحق به. ويلتقي الاثنان عندما تصل rn إلى قيمة "R circumflex". إذن، على سطح النجم، تصبح كمية ما تحت الجذور سالبة، وتصبح المقامات معدومة إلخ. هذا هو الترجمة الرياضية والهندسية للحالة الحرجة. والتي تعني ببساطة أنه من المستحيل وصف النجم باستخدام أي من الحلول الهندسية المجمعة المستمدة من معادلة أينشتاين مع الطرف الثاني غير معدوم (الداخلي) أو معدوم (الخارجي). القيمة القصوى المميزة لهذا نصف القطر هي حوالي 20 كيلومتراً. يمكن حساب كثافة النجم النيوتروني من هذا.

لكن هناك شيء غير معروف كثيراً، حتى بين "الرجال الكونيين"، رغم أنه يأتي من عمل تم إنجازه خلال الأربعينيات: هناك حالة حرجة أخرى، ذات طبيعة فيزيائية هذه المرة، تظهر قبل أن يصل نصف قطر النجم إلى هذه القيمة مباشرة. إنها قيمة قريبة جداً، أقل بنسبة 5% فقط. لكن عندما يصل نصف قطر النجم إليها، أو ما يعادل ذلك، عندما تصل الكتلة إلى قيمة ضعف كتلة الشمس، يصبح الضغط في مركز النجم لا نهائياً، بفضل نموذج "TOV" الذي طوره في الأربعينيات تولمان، وأوبنهايمر، وفولكوف (أوبنهايمر القنبلة).

الضغط داخل نجم نيوتروني حسب المسافة من المركز لقيم مختلفة لكتلة الجسم.

هذه قطعة أساسية من البيانات بالنسبة لنا.

فيما يلي تطور الضغط، داخل النجم النيوتروني، مقابل المسافة إلى مركزه، لكتل مختلفة:

...ربما العلماء، مثل الآخرين، لا يطرحون على أنفسهم أسئلة يعتقدون أنهم لا يستطيعون الإجابة عليها. كيف تجيب على السؤال:

• ماذا يحدث في وسط حيث، عند نقطة معينة، يصبح الضغط فجأة لا نهائياً؟

لكن لم يطرح أحد السؤال، على الأقل ليس بهذه الطريقة. يبدو أنه لم يلفت انتباه أحد. العديد من متخصصي علم الكونيات الذين تحدثت معهم كانوا غير مدركين لهذا الجانب.

لنعد إلى "قصة الثقب الأسود". يمكننا القول: ظاهرة الانهيار الداخلي لنجم نيوتروني غير مستقر هي ظاهرة غير مستقرة. لنبن إذن حلاً غير مستقر لمجموعة المعادلتين أعلاه. ومع ذلك، نحن لا نعرف كيف نفعل ذلك، بطريقة معقولة. لذا اتجه النظريون نحو "الحل الخارجي" (الذي يصف، على سبيل المثال، الهندسة خارج الشمس والذي يصبح "مريضاً" عند نصف قطر شوارزشيلد البالغ 3.7 كم).

• بمعنى آخر "خذ الشمس بعيداً" ودعنا نستكشف خصائص هذه الهندسة. هكذا...

• لكن هذا حل يشير إلى كون فارغ؟!

• لا تهتم، دعنا نرى ما نحصل عليه...

بدأت الدراسة على المسارات الشعاعية للأجسام في سقوط حر نحو ما سيكون، تحت هذه الظروف، "ثقب أسود بكتلة شمسية" بقطر 3.7 كم. احتُفظ بالمتغير t، وكان المقصود منه الإشارة إلى الوقت الذي يختبره "مراقب خارجي"، كائن أرضي جيد ينظر إلى الشمس التي استحضروها للتو. اكتشف أن وقت السقوط الحر لكل جسيم اختبار، مقاساً وفقاً لهذا الوقت، يصبح لا نهائياً. ومع ذلك، إذا قمنا بتثبيت ساعة بالجسيم المذكور، فسيصل إلى المركز الهندسي للجسم في فترة زمنية محدودة.

اقترح النظريون إذن الرؤية التالية:

• هذا الحل الخارجي المستقر يجد وظيفة جديدة، providential (مقدرة). في الواقع، يحدث الانهيار الجاذبي في فترة وجيزة جداً (حوالي جزء من عشرة آلاف من الثانية لنجم نيوتروني غير مستقر). ومع ذلك، بما أن الظاهرة تبدو وكأنها تستمر لوقت لا نهائي لـ "مراقب خارجي"، يمكن استخدام حل مستقر لوصف ظاهرة غير مستقرة بامتياز.

إذا لم يكن هناك طيهوج، سنأكل السمنور (الطيور السوداء)....

انطلاقاً من هذه الفكرة، بدأ النظريون يتساءلون ماذا سيحدث للمادة عندما تعبر سطح شوارزشيلد. وهناك وجدوا كل الفظائع المذكورة سابقاً. أصبح وقت الجسيم... خيالاً بحتاً. تجاوزت سرعة الجسيم سرعة الضوء. يصبح تاكيوناً (tachyon)، كتلته... خيالية إلخ، إلخ.

اقترح البعض حتى (ويمكنكم العثور على ذلك في العديد من الكتب) أنه في داخل الكرة، يتحول المتغير r إلى وقت والمتغير t إلى... مسافة شعاعية.

كما كان يقول جان هايدمان، عالم الكونيات في مودون، المتقاعد الآن:

• عندما يدور الحديث حول الثقوب السوداء، يجب أن تترك عقلك السليم في غرفة الملابس...

تحت هذه الظروف، إذا قررنا نسيان العقل السليم، فأين حد اللامعقول؟ كيف نقرر بناء "فيزياء غير قابلة للملاحظة". هذا هو الحال بالنسبة لـ "المادة المظلمة" التي يُقال ويُكتب عنها أي شيء وكل شيء، غالباً بمعدل عشرات الأوراق البحثية في اليوم. لا يبدو أن أحداً قد نظر في نموذج التوأم (gemellary model)، المطور بكثرة على موقعي. ومع ذلك، يبدو أن بعض الباحثين الأجانب (الصين، اليابان) قد التقطوا الفكرة جيداً.

هناك أخبار في هذا المجال. في عامي 88-89، نشرت ثلاث مقالات في Modern Physics Letters A (معاد نشرها على الموقع) أطلقت الفكرة، غير المسبوقة، لعلم كونيات يمكن أن تتغير فيه الثوابت الفيزيائية، بما في ذلك سرعة الضوء c المقدسة. "أعيد اكتشاف" الفكرة في عام 1993. نُشرت أوراق بحثية عديدة منذ ذلك الحين في مراجع انتقائية جداً مثل Physical Review، و Classical and Quantum Gravity. هناك بالفعل مجموعة كبيرة من "مغيري الثوابت". اكتشف بعضهم عملي على موقع الإنترنت. كان العديد منهم مذهولين، وأكثر من ذلك بحقيقة أن العمل صدر من فرنسا، البلد الذي لم يلفت الانتباه أبداً من خلال ابتكار مهم في علم الكونيات، أو حتى في الفيزياء الفلكية (مجالات نموذجية ألمانية، روسية، أمريكية أو بريطانية). أقيم الاتصال بطريقة ودية جداً. قال الصينيون، ليس بدون حس فكاهي، إنه كان عليهم إحضار أطلسهم للعثور على مكان مرسيليا وكان لديهم "انطباع باكتشاف منطقة مجهولة من الكرة الأرضية".

لماذا هذا الاستطراد؟ لأنه، في رأينا، يجب أن يغير الارتفاع الدوار في الضغط في نواة النجم النيوتروني ثوابت الفيزياء ويخلق "جسراً طوريًا فائقاً" (hypertoric bridge) بين الكون وتوأمه. إنها فكرة تحتاج إلى مزيد من الدراسة. ومع ذلك، إذا كانت هناك حاجة إلى مساعدة في هذا المسعى، فمن المرجح أن تأتي من "مغيري الثوابت" الذين عبروا الخط بالفعل. في الوقت الحالي، نحن الوحيدون "التوأميون" (gemellarists) لكن الأمور قد لا تبقى كذلك دائماً.

في رأينا إذن، يجب أن يغير سياق التوأم السيناريو تماماً لنجم نيوتروني غير مستقر. ومع ذلك، قبل أن نتمكن من اقتراح نموذج منافس، يجب علينا دراسة النموذج الكلاسيكي للثقب الأسود. هذا ما يتم في هذه الورقة الطويلة. لا يتم التعامل مع الأمور "بالترتيب". في قسم واحد، نظرنا بعناية في عمل كروسكال، موضحين العيوب في نهجه.

كل شيء مبرر. في عام 1960، لاحظ كروسكال أنه في النموذج الأولي ("مقياس شوارزشيلد") كانت سرعة الضوء معدومة على الكرة المعنية، "كرة الأفق"، المستعارة "كرة شوارزشيلد"، وشرع في علاج هذا "المرض".

لكن كيف تعمل على الحلول الهندسية؟ هل يمكن اختراع أخرى؟ الجواب لا. أعتقد أن المقال يوضح بوضوح الطابع التعسفي لاختيار الإحداثيات. بطبيعته، الحل الهندسي هو من "إحداثيات ثابتة" (invariant coordinates)، فهو لا يعتمد على الإحداثيات المختارة. تخيل فقاعة صابون. إنها سطح. بمعنى ما، هي حل لمعادلة مجال تتوافق مع حقيقة أن الطاقة المستخدمة في التوتر، لموازنة ضغط ثابت داخل الفقاعة، ثابتة على كامل سطحها. للسؤال:

• ما هو السطح الذي يتفاعل ميكانيكياً بطريقة يمكنها تحمل ضغط داخلي زائد؟

الجواب هو:

• إنها كرة.

لكن هذه الكرة، كائن هندسي، موجودة بشكل مستقل عن نظام الإحداثيات المستخدم لتحديد نقاطها. الآن نعلم أنه عند استخدام نظام من خطوط الطول والعرض، نخلق تفردات قطبية، نقاط تفردية ظاهرياً بينما في الواقع ليست كذلك. إنها تفردات ناتجة عن اختيار الإحداثيات. في حالة الكرة، بالمناسبة، هذه التفردات حتمية. يوضح الشكل أدناه كرة ونظام وسمها بإحداثيات خط العرض وخط الطول.

ملاحظة: يمكننا رسم خريطة لكرة، وإعطائها نظام وسم بمعاملين باستخدام قطب واحد فقط. انظر الأشكال التالية:

الوسم الأول، العائلة الأولى من المنحنيات ذات المعامل a، obtained by cutting the sphere in planes through a straight line tangent to one of its points.

يتم الجمع هذا مع العائلة الثانية من المنحنيات obtained by cutting the same sphere along another straight line tangent to the sphere at the same point, for example, orthagonal to the first.

الكرة، كما تم رسم خريطتها، ترى من زاوية أخرى تخفي تفردتها الفريدة.