اندماج ثقبين أسودين

كيف يقترب ثقبان أسودان في حلزون، ويهزّان المكان نفسه، وسُمعا على الأرض بعد 1.3 مليار سنة

خطوة بخطوة

زوج من الثقوب السوداء

كل منهما هو ما تبقّى من نجم ضخم. يبلغ عرض أفق الأكبر نحو 210 كم وأفق الأصغر نحو 170 كم، ليس أوسع من مدينة؛ ومع ذلك ينحني حول كل منهما ضوء النجوم الواقعة خلفه في أقواس وحلقات. لا يزال الجدل قائمًا حول كيف يصبح ثقبان كهذين زوجًا: ربما وُلدا زوجًا من النجوم العملاقة، أو التقيا في عنقود نجمي مزدحم.

لا شيء يدفعهما من الخارج. يفقد مدارهما طاقة في التموجات التي يُحدثها في المكان نفسه، فينكمش، ببطء أولًا ثم بسرعة متزايدة. عند هذه المسافة تبقّى لهما نحو خمسين دقيقة.

تموّجات في المكان

وهما يدوران يهزّان المكان نفسه. تنتشر الأمواج الثقالية بسرعة الضوء، فتمطّ المكان في اتجاه وتضغطه في الآخر، مرتين في كل دورة.

تنبّأت نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين بهذه الأمواج عام 1916. كل كتلة تتغير حركتها تُطلقها، لكن الكتل الهائلة المتحركة بسرعة كبيرة وحدها تصنع أمواجًا قوية بما يكفي لتُحسب. هنا رُسمت على مستوى المدار: بالذهبي حيث يُمطّ المكان وبالأزرق حيث يُضغط؛ ويُظهر كل جزء ما كان الزوج يفعله حين انطلق ذلك الجزء من الموجة.

تحمل الأمواج طاقة بعيدًا، وتأتي هذه الطاقة من المدار. ومع ذلك، حتى على بُعد مليون كيلومتر، لا تمطّ المكان إلا بنحو جزء واحد من مليون. هذه الأمواج البطيئة، التي ترتفع وتنخفض نحو مرة في الثانية، أبطأ من أن يشعر بها أي كاشف على الأرض.

أسرع فأسرع

الزمن مُسرَّع: كلما انكمش المدار ازدادت سرعته واشتدت الأمواج. في دقائقهما الخمسين الأخيرة يقترب الثقبان من 10,000 كم إلى نحو 900 كم، ويدوران 17 مرة في الثانية.

كلما اقترب الثقبان تحركا أسرع واشتدت الأمواج التي يُطلقانها، فيفقد المدار طاقته أسرع فأسرع. يتسارع الحلزون من تلقاء نفسه: تمضي معظم هذه الدقائق الخمسين في دورات واسعة بطيئة، أما الألف كيلومتر الأخيرة فتستغرق أقل من ثلث ثانية.

طبقة الأمواج ضعف عدد دورات المدار في الثانية. وحين تتجاوز نحو 30 ذبذبة في الثانية، وهي سرعة كافية لتشعر بها كواشف LIGO، يكون الثقبان متحركين أحدهما بالنسبة إلى الآخر بثلث سرعة الضوء.

الخُمس الأخير من الثانية

مُبطَّأ نحو سبعين مرة: في الخُمس الأخير من الثانية يدور الثقبان خمس دورات أخرى ويقتربان حتى نحو 320 كم، بأكثر من نصف سرعة الضوء.

هذا هو الجزء من الأمواج الذي سمعه LIGO: نحو عشر ذبذبات في خُمس ثانية، ترتفع طبقتها من نحو 35 إلى 150 ذبذبة في الثانية وتشتد قوتها طوال الوقت. وحين تُحوَّل إلى صوت تعلو كزقزقة طائر، ولذلك يسميها العلماء «chirp» (زقزقة).

وهما بهذا القرب يحني الثقبان المكان بشدة تجعل الصيغ البسيطة للحلزون تتوقف عن العمل. لا تستطيع متابعتهما حتى النهاية إلا الحواسيب الفائقة التي تحلّ معادلات أينشتاين. وجد العلماء الكتلتين، 36 و29 شمسًا، بمقارنة ما قاسه LIGO بآلاف من هذه المحاكاة.

يصير الاثنان واحدًا

يتلامس الأفقان ويندمجان. صارت كتلة ثلاث شموس الآن أمواجًا ثقالية، معظمها في الخُمس الأخير من الثانية؛ وفي ذروتها تحمل قدرة أكبر من قدرة جميع نجوم الكون المرئي.

في الذروة تحمل الأمواج نحو 3.6 × 10⁴⁹ واط، أي نحو خمسين ضعف ضوء كل نجوم الكون المرئي مجتمعة، وإن لم يدم ذلك سوى بضعة أجزاء من الألف من الثانية. وإجمالًا صار 36 و29 شمسًا ثقبًا كتلته 62: الثلاث الناقصة رحلت أمواجًا.

الاندماج نفسه مرسوم هنا ببساطة. تُظهر محاكاة الحواسيب الفائقة ما يحدث فعلًا: يتّحد الأفقان في أفق واحد غير منتظم سرعان ما يستقر على شكله. وطوال ذلك لا يفلت شيء سوى الأمواج: ثقبان أسودان يندمجان في فضاء خالٍ لا يُطلقان أي ضوء على الإطلاق.

ثقب أسود واحد

يبقى ثقب أسود واحد كتلته 62 شمسًا، يدور أفقه نحو 100 مرة في الثانية. رنّ كجرس مقروع، بنحو 250 ذبذبة في الثانية، ثم صمت على الفور تقريبًا.

هذا الرنين هو الأفق الجديد وهو يستقر على شكله. طبقته وسرعة خفوته لا تعتمدان إلا على كتلة الثقب ودورانه، تمامًا كما تتنبأ النسبية العامة، وما سمعه LIGO يطابق ذلك.

أثبت ستيفن هوكينغ عام 1971 أن المساحة الكلية لآفاق الثقوب السوداء لا يمكن أن تتناقص أبدًا. هنا كانت مساحة الأفقين معًا نحو 230,000 كم²، ومساحة الجديد نحو 370,000 كم²، أي أكثر، مع أن كتلة ثلاث شموس قد فُقدت. وفي عام 2025 أكّد اندماج أوضح صوتًا، GW250114، ذلك بجلاء لم يسبق له مثيل.

نحو الكون

تنطلق الأمواج بسرعة الضوء، وتضعف كلما انتشرت. في ما يزيد قليلًا على ثانية تقطع ما بين الأرض والقمر، وفي ثماني دقائق ما بين الأرض والشمس.

تتناقص قوتها بتناسب مع المسافة: أبعد بعشر مرات، أضعف بعشر مرات. وعلى خلاف الضوء تعبر النجوم والغاز والغبار كأن لا شيء هناك، فتصل كما انطلقت، لكن أضعف.

سافرت 1.3 مليار سنة. حين انطلقت كانت الحياة على الأرض لا تزال في معظمها وحيدة الخلية. وفي الطريق تمدّد الكون ومطّها معه: وصلت أطول بنسبة 9% وأخفض طبقة مما انطلقت، وهو ما يأخذه العلماء في الحسبان عند حساب الكتل.

LIGO يسمع

في 14 سبتمبر 2015 عند الساعة 09:50:45 بالتوقيت العالمي، اجتاحت الأمواج الأرض قادمة من السماء الجنوبية. أحسّ بها كاشف LIGO في ليفينغستون بولاية لويزيانا أولًا، ثم الكاشف في هانفورد بولاية واشنطن، على بعد 3000 كم، بعد 7 أجزاء من الألف من الثانية.

كل كاشف من كواشف LIGO حرف L من ذراعين طول كل منهما 4 كم، يجري فيهما ضوء ليزر ذهابًا وإيابًا. تمطّ الموجة العابرة ذراعًا وتضغط الأخرى؛ وفي الذروة تغيّر طول هذين الذراعين بنحو جزء من الألف من عرض البروتون، وقاس LIGO ذلك.

لأن الأمواج تسير بسرعة الضوء، حدّدت الـ7 ميلي ثانية بين الكاشفين موقع المصدر على حلقة في السماء الجنوبية؛ ولم يكن بوسع كاشفين قول أكثر. كان الليل يخيّم على أمريكا: الساعة 4:50 فجرًا في لويزيانا. هنا يجري الزمن أبطأ بنحو ستين مرة.

مئات أخرى

كانت تلك أول مرة يرصد فيها أحد أمواجًا ثقالية، بعد قرن من تنبؤ أينشتاين بها. وبحلول عام 2025 كانت الكواشف قد سمعت نحو 300 اندماج لثقوب سوداء، واحدًا كل بضعة أيام.

نال راينر فايس وباري باريش وكيب ثورن بهذا الاكتشاف جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2017. يستمع LIGO اليوم مع Virgo في إيطاليا وKAGRA في اليابان: بثلاثة كواشف أو أكثر يمكن تحديد موقع المصدر في السماء بدقة أكبر بكثير.

أثقل زوج سُمع حتى الآن، GW231123، كوّن ثقبًا أسود كتلته نحو 225 شمسًا. وفي عام 2017 سُمع اصطدام نجمين نيوترونيين، ثم التقطت التلسكوبات ضوء الانفجار الذي تتكوّن فيه عناصر ثقيلة كالذهب.