تكوين الثقب الأسود

عندما تسمع عبارة "الثقب الأسود" ، فمن شبه المؤكد أنها تثير إحساسًا بالغموض والتعجب ، ربما يشوبه عنصر من عناصر الخطر. في حين أن مصطلح "الثقب الأسود" أصبح مرادفًا في اللغة اليومية لـ "مكان يذهب إليه شيء ما ، لا يمكن رؤيته أبدًا مرة أخرى ، "معظم الناس على دراية باستخدامه في عالم علم الفلك ، إن لم يكن بالضرورة مع ميزات دقيقة و تعريفات.

لعقود من الزمان ، من بين أكثر الامتناع شيوعًا في تلخيص الثقوب السوداء كان على غرار "مكان تكون فيه الجاذبية قوية جدًا ، ولا حتى يمكن للضوء أن يفلت. "في حين أن هذا ملخص دقيق بما يكفي للبدء به ، فمن الطبيعي أن نتساءل كيف يمكن أن يحدث شيء كهذا ليبدأ مع.

أسئلة أخرى كثيرة. ماذا يوجد بداخل الثقب الأسود؟ هل توجد أنواع مختلفة من الثقوب السوداء؟ وما هو الحجم النموذجي للثقب الأسود ، بافتراض وجود مثل هذا الشيء ويمكن قياسه؟ أحدث إطلاق تلسكوب هابل ثورة في كيفية دراسة الثقوب السوداء.

قبل التعمق في موضوع الثقوب السوداء - والتورية السيئة - من المفيد مراجعة المصطلحات الأساسية المستخدمة لتحديد خصائص وهندسة الثقوب السوداء.

والجدير بالذكر أن كل ثقب أسود له مركزه الفعال ، أ

بالطبع ، لا يفسر أي من هذا من أين أتت الثقوب السوداء بالفعل. هل تظهر بشكل عفوي وفي أماكن عشوائية في جميع أنحاء الكون؟ إذا كان الأمر كذلك ، فهل هناك أي إمكانية للتنبؤ بمظهرهم؟ بالنظر إلى قوتهم المتفائلة ، سيكون من المفيد معرفة ما إذا كان الثقب الأسود يخطط لإنشاء متجر في المنطقة المجاورة العامة للنظام الشمسي للأرض.

تم اقتراح وجود الثقوب السوداء لأول مرة في القرن الثامن عشر ، لكن العلماء في ذلك الوقت كانوا يفتقرون إلى الأدوات اللازمة لتأكيد أي مما اقترحوه. في أوائل القرن العشرين ، استخدم عالم الفلك الألماني كارل شوارزشيلد (نعم ، هذا واحد) نظرية أينشتاين العامة. النسبية لتأسيس السلوك الأكثر بروزًا ماديًا للثقوب السوداء - قدرتها على "حبس" الضوء.

من الناحية النظرية ، استنادًا إلى عمل شوارزشيلد ، يمكن لأي كتلة أن تكون بمثابة أساس للثقب الأسود. الشرط الوحيد هو أن نصف قطرها بعد الضغط لا يتجاوز نصف قطرها Schwarzchild.

قدم وجود الثقوب السوداء لعلماء الفيزياء معضلة ، وإن كانت لغزًا مغريًا لمحاولة حله. يُعتقد أنه بفضل انحناء الزمكان الناتج عن قوة الجاذبية غير العادية في محيط الثقب الأسود ، فإن قوانين الفيزياء في الواقع تتفكك ؛ نظرًا لأن أفق الحدث لا يمكن الوصول إليه من التحليل البشري ، فإن هذا الصراع في الواقع ليس صراعًا بالنسبة لعلماء الفيزياء الفلكية.

إذا فكر المرء في حجم الثقب الأسود باعتباره الكرة التي تشكلها أفق الحدث ، فإن الكثافة تختلف كثيرًا عما لو كان الأسود يتم التعامل مع الثقب بدلاً من ذلك فقط على أنه النجم الصغير المنهار بشكل مثير للسخرية والكتلة التي تشكل التفرد (المزيد حول هذا في الوقت الحاضر).

يعتقد العلماء أن الثقوب السوداء يمكن أن تكون صغيرة مثل بعض الذرات ، لكنها تمتلك كتلة تعادل كتلة جبل على الأرض. من ناحية أخرى ، يمكن أن يصل حجم بعضها إلى حوالي 15 مرة أو أكثر من كتلة الشمس بينما لا يزال صغيرًا (ولكن ليس ذريًا في الحجم). هؤلاءالثقوب السوداء النجميةتوجد في جميع المجرات ، بما في ذلك درب التبانة ، حيث توجد الأرض والنظام الشمسي.

لا يزال من الممكن أن تكون الثقوب السوداء الأخرى أكبر بكثير. هؤلاءالثقوب السوداء الهائلةيمكن أن تكون أكبر بمليون مرة من كتلة الشمس ، ويعتقد أن كل مجرة ​​لها واحدة في مركزها. واحد في وسط مجرة ​​درب التبانة ، مُدبلجالقوس أ، كبير بما يكفي لاحتواء بضعة ملايين من الأرض ، لكن هذا الحجم يتضاءل مقارنةً بكتلة الجسم - المقدرة بنحو 4 ملايين شمس.

بدلاً من التكون والظهور بشكل غير متوقع ، كان التهديد الذي تم التلميح إليه قليلاً في السابق ، يُعتقد أن الثقوب السوداء تتشكل في نفس الوقت الذي تتشكل فيه الأجسام الأكبر التي هم يعيشون." يُعتقد أن بعض الثقوب السوداء الصغيرة قد تشكلت في نفس الوقت الذي ظهر فيه الكون نفسه ، في وقت الانفجار العظيم ، ما يقرب من 14 مليار سنة منذ.

في المقابل ، تتشكل الثقوب السوداء الهائلة داخل المجرات الفردية في الوقت الذي تتحد فيه هذه المجرات إلى الوجود من مادة بين النجوم. تتشكل الثقوب السوداء الأخرى كنتيجة لحدث عنيف يسمى أسوبرنوفا​.

المستعر الأعظم هو الموت الانفجاري أو "الصادم" لنجم ، على عكس النجم الذي يحترق مثل جمرة سماوية عملاقة. تحدث مثل هذه الأحداث عندما يستنفد النجم الكثير من وقوده بحيث يبدأ في الانهيار تحت كتلته. ينتج عن هذا الانفجار الداخلي انفجار ارتدادي يلقي بمعظم ما تبقى من النجم ، تاركًا التفرد في مكانه.

واحدة من المشاكل المذكورة أعلاه للفيزيائيين هي أن كثافة جزء الثقب الأسود تعتبر التفرد لا يمكن حسابه على أنه أي شيء آخر غير اللانهائي ، لأنه من غير المؤكد مدى ضآلة الكتلة في الواقع (على سبيل المثال ، حجمها الصغير تحتل). لحساب كثافة الثقب الأسود بشكل مفيد ، يجب استخدام نصف قطر شوارزشايلد.

تبلغ كثافة الثقب الأسود ذي الكتلة الأرضية حوالي 2 × 10²⁷ ز / سم³ (للإشارة ، تبلغ كثافة الماء مجرد 1 جم / سم³). من المستحيل عملياً وضع مثل هذا الحجم في سياق الحياة اليومية ، لكن النتائج الكونية فريدة من نوعها بشكل متوقع. لحساب هذا ، تقسم الكتلة على الحجم بعد "تصحيح" نصف القطر باستخدام الكتل النسبية للثقب الأسود والشمس ، كما هو موضح في المثال التالي.

​مشكلة العينة:كتلة الثقب الأسود حوالي 3.9 مليون (3.9 × 10⁶) شموس ، وكتلة الشمس 1.99 × 10³³ جرام ، ويفترض أنه كرة بنصف قطر شفارتزشيلد 3 × 10⁵ سم. ما هي كثافته؟

أولاً ، ابحث عن ملفنصف القطر الفعال للكرة التي تشكل أفق الحدثبضرب نصف قطر شفارتشيلد في نسبة كتلة الثقب الأسود إلى كتلة الشمس ، وهي 3.9 مليون:

ثم احسب حجم الكرة ، الموجود من الصيغة V = (4/3) πr³:

أخيرًا ، اقسم كتلة الكرة على هذا الحجم للحصول على الكثافة. نظرًا لأنك حصلت على كتلة الشمس وحقيقة أن كتلة الثقب الأسود أكبر بمقدار 3.9 مليون مرة ، يمكنك حساب هذه الكتلة على النحو التالي (3.9 × 10).⁶)(1.99 × 10³³ ز) = 7.76 × 10³⁹ ز. لذلك فإن الكثافة هي:

أنتج علماء الفلك أنظمة تصنيف مختلفة للثقوب السوداء ، يعتمد أحدها على الكتلة وحدها والآخر يعتمد على الشحن والدوران. كما هو مذكور أعلاه ، فإن معظم (إن لم يكن كل) الثقوب السوداء تدور حول محور ، مثل الأرض نفسها.

ينتج عن تصنيف الثقوب السوداء بناءً على الكتلة النظام التالي:

• ​الثقوب السوداء البدائية:هذه لها كتل مماثلة لتلك الموجودة في الأرض. هذه هي افتراضية بحتة وربما تكون قد تشكلت من خلال اضطرابات الجاذبية الإقليمية في أعقاب الانفجار العظيم مباشرة.
• ​الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية:ذكرنا سابقًا أن كتلتها تتراوح بين حوالي 4 و 15 كتلة شمسية وهي ناتجة عن الانهيار "التقليدي" لنجم أكبر من المتوسط ​​عند نهاية عمره الافتراضي.
• ​ثقوب سوداء متوسطة الكتلة:غير مؤكدة اعتبارًا من عام 2019 ، قد توجد هذه الثقوب السوداء - حوالي بضعة آلاف من كتلة الشمس - في بعض التجمعات النجمية ، وقد تتفتح أيضًا في وقت لاحق في ثقوب سوداء فائقة الكتلة.
• ​الثقوب السوداء الهائلة:كما ذكرنا سابقًا ، تتباهى هذه الكتلة بما يتراوح بين مليون إلى مليار كتلة شمسية وتوجد في مراكز المجرات الكبيرة.

في مخطط بديل ، يمكن تصنيف الثقوب السوداء وفقًا لدورانها وشحنها بدلاً من ذلك:

• ​ثقب شوارزشيلد الأسود:يُعرف أيضًا باسم aثقب أسود ثابت، هذا النوع من الثقب الأسود لا يدور ولا يحتوي على شحنة كهربائية. لذلك فهي تتميز بكتلتها وحدها.
• ​ثقب كير الأسود:هذا ثقب أسود دوار ، لكن مثل ثقب شوارزشيلد الأسود ، لا يحتوي على شحنة كهربائية.
• ​الثقب الأسود المشحون:هذه تأتي في نوعين. مشحونة ،غير الدوريةيُعرف الثقب الأسود باسم aالثقب الأسود Reissner-Nordstrom، أثناء الشحن ،لفالثقب الأسود يسمىثقب أسود كير نيومان​.

قد تكون محقًا في أنك بدأت تتساءل كيف توصل العلماء إلى العديد من الاستنتاجات الواثقة حول الأشياء التي لا يمكن تصورها بحكم التعريف. تم الاستدلال على الكثير من المعرفة بالثقوب السوداء من خلال سلوك وظهور الأجسام القريبة نسبيًا. عندما يكون ثقب أسود ونجم قريبين من بعضهما البعض ، ينتج نوع خاص من الإشعاع الكهرومغناطيسي عالي الطاقة ويمكن أن ينبه علماء الفلك في حالة تأهب.

يمكن في بعض الأحيان رؤية نفاثات غازية كبيرة تنبثق من "نهايات" الثقب الأسود ؛ في بعض الأحيان ، يمكن أن يتحد هذا الغاز في شكل دائري غامض يُعرف باسمقرص التراكم. يُفترض أيضًا أن الثقوب السوداء تصدر نوعًا من الإشعاع يسمى ، بشكل مناسب ،إشعاع الثقب الأسود(أوإشعاع هوكينغ). قد يفلت هذا الإشعاع من الثقب الأسود بسبب تكوين أزواج "مادة - مادة مضادة" (على سبيل المثال ،الإلكتروناتوالبوزيترونات) خارج أفق الحدث مباشرةً ، والانبعاث اللاحق للأعضاء الموجبة فقط من هذه الأزواج كإشعاع حراري.

قبل إطلاق برنامجتلسكوب هابل الفضائيفي عام 1990 ، حير علماء الفلك لفترة طويلة حول أجسام بعيدة جدًا سمواهاالنجوم الزائفة، ضغط "الأجسام شبه النجمية". مثل الثقوب السوداء الهائلة ، كان وجودها اكتشفت لاحقًا ، هذه الأجسام عالية الطاقة سريعة الدوران توجد في المراكز الكبيرة المجرات. يُنظر إلى الثقوب السوداء الآن على أنها الكيانات التي تحرك سلوك الكوازارات ، والتي توجد مسافات شاسعة فقط لأنها كانت موجودة في الطفولة النسبية للكون ؛ ضوءها يصل الآن إلى الأرض بعد حوالي 13 مليار سنة في العبور.

اقترح بعض علماء الفيزياء الفلكية أن المجرات التي تبدو وكأنها أنواع أساسية مختلفة عند النظر إليها من الأرض قد تكون في الواقع من نفس النوع ، ولكن مع جوانب مختلفة منها مقدمة نحو الأرض. في بعض الأحيان ، تكون طاقة الكوازار مرئية وتوفر نوعًا من تأثير "المنارة" فيما يتعلق بكيفية الأرض تسجل الأدوات نشاط الكوازار ، بينما تظهر المجرات أحيانًا أكثر "هدوءًا" بسببها اتجاه.