اسلام
10-25-2006, 11:51 PM
استنتاج الثقوب السوداء
يعتقد عدد من العلماء أن المادة المظلمة كانت تتكون من جسيمات ثقيلة نشأت وقت الانفجار الأعظم عند خلق الكون، أطلق عليها الجسيمات الكتلية ضعيفة التفاعل. ولقد تنبأت بها نظرية «التوتر الفائق» والتي تنص على أن كل قوى الكون (أي الكهرومغناطيسية والجاذبية والقوة القوية والقوة الضعيفة) كانت موحدة في اللحظات الأولى من خلق الكون. وتبعا لهذه النظرية، فإن الجسيمات الكتلية ضعيفة التفاعل مستقرة ولا تزال موجودة حتى وقتنا هذا في شكل بقايا للانفجار الأعظم. ولكن يصعب جدا اكتشاف هذه الجسيمات لضعف تفاعلاتها المتبادلة مع المادة العادية ومن ثم ربما تكون هي التي تشكل المادة السوداء في الكون.
أوضح الفيزيائيون أنه يمكن تزويد المختبرات المقامة تحت سطح الأرض بمختلف أنواع أجهزة الكشف للتعرف على هذه الجسيمات. ووجدوا أنه إذا تم تبريد بلورة من مادة «السيليكون» النقي إلى درجة حرارة منخفضة جدا تقترب من الصفر المطلق (ـ15،273 درجة مئوية)، فإن اصطدام جسيم واحد من الجسيمات الكتلية ضعيفة التفاعل بنواة ذرة السليكون قد ترفع حرارة البلورة إلى قيمة يمكن قياسها. ومازال الفيزيائيون يقومون ببناء أجهزة كشف عن الجسيمات الكتلية ضعيفة التفاعل للتحقق من مدى صحة أن تكون هي المادة المظلمة الغامضة في الكون.
ولكن أحدا لم يتمكن حتى الآن من اكتشاف المادة السوداء. ولعل ذلك لا يثير دهشتنا، فالحسابات النظرية تبين لنا أن تفاعلات المادة العادية مع الجسيمات الكتلية ضعيفة. ولدفع قضية البحث عن المادة السوداء إلى الأمام، فإنه يتعين على علماء الفلك القيام بتصميم جيل جديد من الكشافات التي يمكنها العمل بأقل قدر من الطاقة لكل عملية كشف واحدة وهذا أمر بالغ الصعوبة.
ولقد تم اكتشاف ثقب أسود عابر معروف باسم GRO J1655-40. وقتئذ استطاع الفلكيون مشاهدة تغيرات في السرعة المدارية لنجمه الرفيق، وهو ما أدى إلى الحصول على قياسات دقيقة لكتلة الجسم المتراص، كما شاهدوا دلائل على أن الثقب الأسود يلف بسرعة، وأن هناك اهتزازات قريبة من الثقب ودفقات من المادة تنبثق بسرعة تقترب من سرعة الضوء. وهذا ما هو غير موجود بالنسبة للأجسام الشبيهة بالثقوب السوداء، مثل الأقزام البيضاء والنجوم النيترونية، ناهيك عن الأجسام السماوية المرئية والتي نعرفها على صفحة السماء.
وقد توصل الفلكيون إلى طريقة للتفرقة بين الثقوب السوداء والأجسام المشابهة لها. وهذه الطريقة تعتمد على اختلاف واضح بين النجوم النيترونية والثقوب السوداء. فالنجوم النيترونية لها سطوح قياسية يمكن أن تتراكم عليها المادة المنجذبة نحو الجسم أما المادة التي تسقط على الثقوب السوداء فتبتلع وتختفي إلى الأبد. ويؤدي هذا الاختلاف إلى تغيير دقيق في الأشعة المنبعثة من المنطقتين المحيطتين بهذين الجسمين مما يتيح للفلكيين أن يبرهنوا على أن الثقب الأسود ـ الجسم الأكثر غرابة في الكون ـ هو حقيقة واقعة.
إن الجاذبية الشديدة داخل الثقوب السوداء هي التي تجعل منها محركات فعالة، وتتعرض في طريقها للتصادم بأجسام أخرى وتتحطم، مما يؤدي إلى تسخين المواد قرب الثقب. ولما كانت هذه الأجسام تتحرك بسرعة عالية تقارب سرعة الضوء، فإن الطاقة الملازمة للكتلة الساكنة تساوي حاصل ضرب الكتلة في مربع سرعة الضوء، وحتى يعود الجسم إلى موقعه الأول بعيدا عن الثقب سيحتاج إلى أن يتنازل عن جزء كبير من كتلته محولا إياها إلى طاقة. وهكذا فان الثقوب السوداء تستطيع تحويل الكتلة الساكنة إلى طاقة حرارية.
الأقزام البيضاء
النجوم المتجهة للشيخوخة قد تضيء ملايين السنين في انقباض وانبساط منتظمين أو ينزع عنها سحب الغاز، وقد يشتعل الهليوم الموجود في قلب النجم مكونا الكربون والنيتروجين والأكسجين ونتيجة لذلك يوفر طاقة تمكن النجم من البقاء لفترة أطول. وحين ينفث غلافه الخارجي في الفضاء ينتهي إلى التمدد إلى قلبه المتكون من الأكسجين ـ الكربون.
وبعد هذه الفترة من النشاط المعقد، فإن النجوم ذات الكتل الصغيرة والمتوسطة لابد أن تستسلم للجاذبية فتتقلص بشكل كبير، ويستمر تقلصها إلى أن ينضغط النجم إلى حجم كوكب صغير ويصبح جسما يسميه الفلكيون القزم الأبيض. ولما كانت الأقزام البيضاء صغيرة جدا، فهي تعتبر شديدة العتامة. على الرغم من حقيقة أن درجة حرارة أسطحها تكون أكبر كثيرا من درجة حرارة سطح الشمس. ولا يمكن رؤية أي من الأقزام البيضاء إلا بالاستعانة بتلسكوب. وإذا كانت هذه النجوم المسماة بالأقزام البيضاء هي الشبيه الأول للثقوب السوداء، فإن الشبيه الثاني هو النجوم النيترونية.
النجوم النيترونية
يمثل هذا الجسم حالة متطرفة من حالات المادة ـ مرصوصة بفعل الجاذبية إلى كثافات هائلة. وهي تشبه نواة ذرية ولكن بحجم مدينة كاملة. وتمثل هذه الحالة نهاية الحياة للعديد من النجوم ذات الكتل العالية. إن نصف قطر نجم نيتروني ذي كتلة تساوي كتلة الشمس يبلغ نحو 30 كيلو مترا. وهذا يعادل أفق الحدث الذي يعين تخوم ثقب أسود ذي كتلة تعادل عشرة أضعاف كتلة الشمس. ولكن الخصائص المرصودة مثل درجة حرارة المادة التي تسقط نحو الجسم لا تستطيع التمييز بين الجسمين، الثقب السود والنجم النيتروني.
وأفق الحدث هو سطح يحيط بالثقب، ولا يسمح بهروب أي شيء منه حتى لو بلغت سرعة هذا الشيء سرعة الضوء وتنجذب الأجسام نحو الأفق بسرعة عالية مناسبة وأفق الحدث هو ببساطة سطح اللاعودة، وأي شيء يسقط عبره يختفي من كوننا إلى الأبد.
يعتقد عدد من العلماء أن المادة المظلمة كانت تتكون من جسيمات ثقيلة نشأت وقت الانفجار الأعظم عند خلق الكون، أطلق عليها الجسيمات الكتلية ضعيفة التفاعل. ولقد تنبأت بها نظرية «التوتر الفائق» والتي تنص على أن كل قوى الكون (أي الكهرومغناطيسية والجاذبية والقوة القوية والقوة الضعيفة) كانت موحدة في اللحظات الأولى من خلق الكون. وتبعا لهذه النظرية، فإن الجسيمات الكتلية ضعيفة التفاعل مستقرة ولا تزال موجودة حتى وقتنا هذا في شكل بقايا للانفجار الأعظم. ولكن يصعب جدا اكتشاف هذه الجسيمات لضعف تفاعلاتها المتبادلة مع المادة العادية ومن ثم ربما تكون هي التي تشكل المادة السوداء في الكون.
أوضح الفيزيائيون أنه يمكن تزويد المختبرات المقامة تحت سطح الأرض بمختلف أنواع أجهزة الكشف للتعرف على هذه الجسيمات. ووجدوا أنه إذا تم تبريد بلورة من مادة «السيليكون» النقي إلى درجة حرارة منخفضة جدا تقترب من الصفر المطلق (ـ15،273 درجة مئوية)، فإن اصطدام جسيم واحد من الجسيمات الكتلية ضعيفة التفاعل بنواة ذرة السليكون قد ترفع حرارة البلورة إلى قيمة يمكن قياسها. ومازال الفيزيائيون يقومون ببناء أجهزة كشف عن الجسيمات الكتلية ضعيفة التفاعل للتحقق من مدى صحة أن تكون هي المادة المظلمة الغامضة في الكون.
ولكن أحدا لم يتمكن حتى الآن من اكتشاف المادة السوداء. ولعل ذلك لا يثير دهشتنا، فالحسابات النظرية تبين لنا أن تفاعلات المادة العادية مع الجسيمات الكتلية ضعيفة. ولدفع قضية البحث عن المادة السوداء إلى الأمام، فإنه يتعين على علماء الفلك القيام بتصميم جيل جديد من الكشافات التي يمكنها العمل بأقل قدر من الطاقة لكل عملية كشف واحدة وهذا أمر بالغ الصعوبة.
ولقد تم اكتشاف ثقب أسود عابر معروف باسم GRO J1655-40. وقتئذ استطاع الفلكيون مشاهدة تغيرات في السرعة المدارية لنجمه الرفيق، وهو ما أدى إلى الحصول على قياسات دقيقة لكتلة الجسم المتراص، كما شاهدوا دلائل على أن الثقب الأسود يلف بسرعة، وأن هناك اهتزازات قريبة من الثقب ودفقات من المادة تنبثق بسرعة تقترب من سرعة الضوء. وهذا ما هو غير موجود بالنسبة للأجسام الشبيهة بالثقوب السوداء، مثل الأقزام البيضاء والنجوم النيترونية، ناهيك عن الأجسام السماوية المرئية والتي نعرفها على صفحة السماء.
وقد توصل الفلكيون إلى طريقة للتفرقة بين الثقوب السوداء والأجسام المشابهة لها. وهذه الطريقة تعتمد على اختلاف واضح بين النجوم النيترونية والثقوب السوداء. فالنجوم النيترونية لها سطوح قياسية يمكن أن تتراكم عليها المادة المنجذبة نحو الجسم أما المادة التي تسقط على الثقوب السوداء فتبتلع وتختفي إلى الأبد. ويؤدي هذا الاختلاف إلى تغيير دقيق في الأشعة المنبعثة من المنطقتين المحيطتين بهذين الجسمين مما يتيح للفلكيين أن يبرهنوا على أن الثقب الأسود ـ الجسم الأكثر غرابة في الكون ـ هو حقيقة واقعة.
إن الجاذبية الشديدة داخل الثقوب السوداء هي التي تجعل منها محركات فعالة، وتتعرض في طريقها للتصادم بأجسام أخرى وتتحطم، مما يؤدي إلى تسخين المواد قرب الثقب. ولما كانت هذه الأجسام تتحرك بسرعة عالية تقارب سرعة الضوء، فإن الطاقة الملازمة للكتلة الساكنة تساوي حاصل ضرب الكتلة في مربع سرعة الضوء، وحتى يعود الجسم إلى موقعه الأول بعيدا عن الثقب سيحتاج إلى أن يتنازل عن جزء كبير من كتلته محولا إياها إلى طاقة. وهكذا فان الثقوب السوداء تستطيع تحويل الكتلة الساكنة إلى طاقة حرارية.
الأقزام البيضاء
النجوم المتجهة للشيخوخة قد تضيء ملايين السنين في انقباض وانبساط منتظمين أو ينزع عنها سحب الغاز، وقد يشتعل الهليوم الموجود في قلب النجم مكونا الكربون والنيتروجين والأكسجين ونتيجة لذلك يوفر طاقة تمكن النجم من البقاء لفترة أطول. وحين ينفث غلافه الخارجي في الفضاء ينتهي إلى التمدد إلى قلبه المتكون من الأكسجين ـ الكربون.
وبعد هذه الفترة من النشاط المعقد، فإن النجوم ذات الكتل الصغيرة والمتوسطة لابد أن تستسلم للجاذبية فتتقلص بشكل كبير، ويستمر تقلصها إلى أن ينضغط النجم إلى حجم كوكب صغير ويصبح جسما يسميه الفلكيون القزم الأبيض. ولما كانت الأقزام البيضاء صغيرة جدا، فهي تعتبر شديدة العتامة. على الرغم من حقيقة أن درجة حرارة أسطحها تكون أكبر كثيرا من درجة حرارة سطح الشمس. ولا يمكن رؤية أي من الأقزام البيضاء إلا بالاستعانة بتلسكوب. وإذا كانت هذه النجوم المسماة بالأقزام البيضاء هي الشبيه الأول للثقوب السوداء، فإن الشبيه الثاني هو النجوم النيترونية.
النجوم النيترونية
يمثل هذا الجسم حالة متطرفة من حالات المادة ـ مرصوصة بفعل الجاذبية إلى كثافات هائلة. وهي تشبه نواة ذرية ولكن بحجم مدينة كاملة. وتمثل هذه الحالة نهاية الحياة للعديد من النجوم ذات الكتل العالية. إن نصف قطر نجم نيتروني ذي كتلة تساوي كتلة الشمس يبلغ نحو 30 كيلو مترا. وهذا يعادل أفق الحدث الذي يعين تخوم ثقب أسود ذي كتلة تعادل عشرة أضعاف كتلة الشمس. ولكن الخصائص المرصودة مثل درجة حرارة المادة التي تسقط نحو الجسم لا تستطيع التمييز بين الجسمين، الثقب السود والنجم النيتروني.
وأفق الحدث هو سطح يحيط بالثقب، ولا يسمح بهروب أي شيء منه حتى لو بلغت سرعة هذا الشيء سرعة الضوء وتنجذب الأجسام نحو الأفق بسرعة عالية مناسبة وأفق الحدث هو ببساطة سطح اللاعودة، وأي شيء يسقط عبره يختفي من كوننا إلى الأبد.