كيف تولد الثقوب السوداء

كيف ينهار لبّ نجم عملاق على نفسه وينغلق عن الكون

خطوة بخطوة

عملاق محكوم عليه

النجوم التي تزيد كتلتها على نحو 20 ضعف كتلة الشمس تنهي حياتها بألباب كبيرة وكثيفة إلى حد قد يعسر معه انطلاق المستعر الأعظم المعتاد. وتشير النماذج الحاسوبية إلى أن نسبة كبيرة منها لا تنفجر أصلًا.

صُمّم هذا النجم على غرار N6946-BH1، عملاق أحمر فائق كتلته نحو 25 شمسًا في المجرة NGC 6946، على بعد 22 مليون سنة ضوئية. وقد ضبطه عام 2009 فلكيون كانوا يراقبون آلاف النجوم المماثلة بحثًا عن حالات اختفاء.

يبدو من الخارج كأي عملاق فائق منتفخ بارد: لا شيء ينذر بما يوشك لبّه أن يفعل.

اللب يستسلم

كما في المستعر الأعظم، ينهار لبّ الحديد في ربع ثانية ويرتد، مكوّنًا نجمًا نيوترونيًا عرضه نحو 30 كم. تنطلق موجة صدمة، ثم تتوقف.

يبدأ كل شيء كما في مستعر أعظم عادي: لبّ الحديد، الأثقل من أن تحمله إلكتروناته، ينهار على نفسه ويتصلّب حين يبلغ كثافة نواة الذرة. والنجم النيوتروني الجديد ما يزال منتفخًا حارًا يقذف النيوترينوات.

تنفد طاقة موجة الصدمة الناتجة عن الارتداد خلال أجزاء من مئة من الثانية فتتوقف على بعد نحو 150 كم، كما في كل انهيار من هذا النوع. وما يحدث بعد ذلك يحدد إن كان النجم سينفجر.

أثقل من أن يُحمل

هنا لا تستطيع النيوترينوات إحياء الصدمة. ويظل الغاز يمطر على النجم النيوتروني، فتزداد كتلته من 1.8 إلى 2.3 ضعف كتلة الشمس في نحو ثانية.

في أكثف الألباب يسقط الغاز بسرعة كبيرة إلى حد أن تسخين النيوترينوات لا يستطيع دفع الصدمة إلى الخارج من جديد. فتنحسر الصدمة، وتنهمر الطبقات الداخلية للنجم على النجم النيوتروني بسرعة تقارب نصف سرعة الضوء.

يحمل النجمَ النيوتروني ضغطُ نيوتروناته المرصوصة بإحكام كأنوية الذرات. ولهذا الضغط حد: فأثقل نجم نيوتروني معروف، PSR J0952-0607، كتلته 2.35 ضعف كتلة الشمس، ولا يُتوقع وجود ما هو أثقل منه بكثير.

كل عُشر ثانية يضيف مزيدًا من الكتلة. والوقت ينفد من النجم النيوتروني.

تجاوز الحد

لم تعد أي قوة قادرة على حمله: ينهار في نحو جزء من عشرة آلاف من الثانية. يظهر أفق في مركزه وينمو إلى الخارج، فيلحق بالسطح المنهار في اللحظة التي يعبر فيها هذا السطح حجم الأفق النهائي.

هذا أبسط انهيار تصفه النسبية العامة وصفًا دقيقًا، وقد حسبه روبرت أوبنهايمر وهارتلاند سنايدر عام 1939. فالأفق ليس شيئًا تصنعه مادة النجم عند سطحها: إنه حد المنطقة التي لم يعد الضوء يستطيع الخروج منها، ويبدأ نقطةً في المركز.

وحين يصير السطح في الداخل، لا يمكن رؤية أي شيء من النجم بعد ذلك أبدًا. وتواصل مادته السقوط نحو المركز، حيث تتنبأ النسبية العامة بمتفرّدة: نقطة تتوقف عندها قوانين الفيزياء الحالية عن العمل.

في حالة نجم نيوتروني كتلته 2.3 شمس، ينتهي عرض الأفق إلى نحو 14 كم.

متجمّد، محمرّ، زائل

من بعيد يبدو السطح وكأنه يتباطأ كلما اقترب من الأفق فلا يبلغه أبدًا. يصير ضوؤه أحمر وأخفت، وفي غضون جزء من ألف من الثانية لا يبقى ما يُرى.

قرب الأفق يتمدد الزمن، كما يُرى من بعيد، بلا حدود، ويفقد الضوء الصاعد منه طاقة متزايدة. لذلك يرى المراقب البعيد الانهيار يتباطأ حتى يكاد يتوقف، والنجم متجمّد خارج أفقه مباشرة. لكن النجم المتجمّد غير مرئي: فضوؤه يخفت نحو ثلاث مرات كل ستين جزءًا من المليون من الثانية.

هذه هي الحقيقة وراء زعم شائع، مفاده أن من يسقط في ثقب أسود سيرى مستقبل الكون كله يمرّ مسرعًا أمامه. لن يرى ذلك: فالمسافر الساقط يعبر الأفق في لحظة من زمنه هو ولا يرى هناك شيئًا مميزًا. المراقبون البعيدون وحدهم لا يرونه يعبر أبدًا.

نجم يختفي

يسقط باقي اللب خلال ساعة، وينمو الثقب إلى نحو عشر شموس. وتبتعد الطبقات الخارجية للنجم، المشدودة إليه بضعف، متوهّجة بخفوت لأشهر؛ ثم لا يبقى ما يُرى.

تحمل النيوترينوات قدرًا هائلًا من الطاقة حتى إن النجم يخف فجأة ببضعة أعشار من كتلة الشمس. وتشعر طبقاته الخارجية، التي بالكاد تمسكها الجاذبية، بارتخاء الشد فتبتعد متوهّجة بخفوت: العلامة الوحيدة من الخارج على أن شيئًا قد حدث.

هذا ما رآه الفلكيون عام 2009: سطع N6946-BH1 كمليون شمس تقريبًا لبضعة أشهر، ثم خفت. وبحلول 2015 لم يجده هابل في الضوء المرئي حيث كان نجم كتلته 25 شمسًا. ولم يبقَ إلا توهّج خافت بالأشعة تحت الحمراء لغبار دافئ.

إنها أفضل حالة حتى الآن لنجم ينهار مباشرة إلى ثقب أسود، وإن كان الفلكيون ما زالوا يتحققون من أن لا شيء آخر يمكن أن يفسّرها.

ثقب أسود

القرص الأسود هو ظله، أعرض من الأفق بنحو مرتين ونصف، لأن الضوء الذي يقترب أكثر مما ينبغي يُؤسر. وخارجه مباشرة ينحني ضوء النجوم التي خلفه في حلقات؛ والحلقة الرفيعة الساطعة الملاصقة للظل ضوء دار حول الثقب قبل أن يفلت.

لا يبقى من النجم إلا كتلته ودورانه وشحنته الكهربائية: فليس للثقب الأسود سطح ولا شيء آخر يميزه. وثقبان أسودان لهما الكتلة والدوران نفساهما متطابقان تمامًا.

يُتوقع أن تضم مجرتنا نحو مئة مليون ثقب أسود وُلدت بهذه الطريقة. معظمها منفرد ومظلم، ويكاد يستحيل العثور عليه.

التغذّي على جار

يستطيع ثقب أسود له رفيق قريب أن يسحب منه الغاز إلى قرص. وإذ يسخن القرص إلى ملايين الدرجات فإنه يسطع بالأشعة السينية: هكذا كشف الدجاجة X-1، أول ثقب أسود اكتُشف، عن نفسه.

الدجاجة X-1 ثقب أسود كتلته 21 شمسًا يدور حول عملاق أزرق فائق كتلته نحو 41 شمسًا، على بعد 7200 سنة ضوئية. اكتُشفت أشعته السينية عام 1964، وفي مطلع السبعينيات أظهر مدار الرفيق أن الشريك غير المرئي أثقل من أن يكون شيئًا غير ثقب أسود.

يسخن الغاز الهابط في دوّامة بالاحتكاك بنفسه، ويتحرك قرب الثقب بجزء كبير من سرعة الضوء. ويبدو جانب القرص المقترب منا أسطع من الجانب المبتعد، وتحني جاذبية الثقب الجانب البعيد من القرص فيظهر.

في عام 2024 عثرت المركبة غايا على Gaia BH3، ثقب أسود كتلته 33 شمسًا على بعد 1926 سنة ضوئية فقط، من طريقة تأرجح نجمه الرفيق حوله. إنه لا يتغذى على شيء، ومظلم.

من المدن إلى العمالقة

تزن الثقوب السوداء التي تصنعها النجوم بين بضع شموس وبضع عشرات منها. وفي مراكز المجرات عمالقة: القوس A* كتلته أربعة ملايين شمس، وM87* ستة مليارات ونصف، وأفقه أعرض من نظامنا الكوكبي.

ينمو الأفق بالنسبة نفسها التي تنمو بها الكتلة: نحو 6 كم عرضًا لكل كتلة شمس. أفق القوس A* عرضه نحو 25 مليون كم، وأفق M87* نحو 38 مليار كم، أعرض من مدار نبتون بعدة مرات.

أي شيء يُضغط إلى حجم صغير بما يكفي يصبح ثقبًا أسود. سيتعيّن سحق الشمس في كرة عرضها 6 كم، والأرض في كرة عرضها 18 مم فقط، بحجم كرة زجاجية صغيرة.

ما يزال العلماء يدرسون كيف صار العمالقة بهذا الحجم. إنها تنمو بابتلاع الغاز وبالاندماج بعضها ببعض، لكن تلسكوب جيمس ويب الفضائي عثر على ثقوب سوداء كتلتها ملايين الشموس بعد أقل من 500 مليون سنة من الانفجار العظيم، ربما وُلدت كبيرة منذ البداية: من انهيار سحب غاز، بلا أي نجم.

حين يندمج ثقبان أسودان يهزّان الفضاء نفسه ويطلقان موجات جاذبية. ومنذ 2015 التقطت أجهزة كشف على الأرض مئات من هذه الاندماجات.