يشير بحث جديد إلى أن الصور المستقبلية للثقوب السوداء يمكن أن تكون دقيقة بما يكفي للسماح للعلماء بتحديد ما إذا كانت هذه الأجسام موصوفة بدقة من خلال نظرية ألبرت أينشتاين للجاذبية أو النسبية العامة – أو إذا تم تصميمها بشكل أفضل من خلال نظريات بديلة.
إن مثل هذه الأبحاث حول الثقب الأسود ممكنة بسبب الإنجازات في تصوير الثقب الأسود التي ابتكرها العالم تلسكوب أفق الحدث (EHT)، الذي كشف عن أول صورة لثقب أسود في عام 2019. ركزت هذه الصورة على ثقب أسود هائل في قلب المجرة البعيدة M87. في الواقع، تحتوي مجرتنا على ثقب أسود مركزي فائق الكتلة يسمى Sagittarius A* (Sgr A*) – وقد كشف تعاون EHT عن صورة لذلك الثقب أيضًا، في عام 2022.
“لقد طورنا طريقة عملية مدعومة بالمحاكاة لمقارنة صور الغاز الساخن حول الثقوب السوداء التي تنبأت بها النسبية العامة لأينشتاين مع الصور التي تنبأ بها الانحراف عن النسبية العامة” هذا ما قاله المؤلف الرئيسي للبحث أخيل أونيال من جامعة شنغهاي جياو تونغ في الصين لموقع Space.com. “إن إجراء محاكاة واقعية ثلاثية الأبعاد للمجالات الغازية والمغناطيسية للعديد من الزمكانات الافتراضية للثقب الأسود قد أنتج صورًا اصطناعية ومقاييس مقارنة الصور المحددة التي تحدد مدى اختلاف الصورتين.
“النتيجة الرئيسية هي أنه في حين أن العديد من البدائل تبدو مشابهة جدًا للثقب الأسود “القياسي” في جودة الصورة الحالية، فإن الاختلافات تنمو بشكل متوقع مع تحسن دقة التصوير ودقته، مما يثبت أن التصوير الأفقي من الجيل التالي يمكن أن يميز الثقوب السوداء لأينشتاين عن الثقوب السوداء غير الخاصة بأينشتاين”.
وصفة أينشتاين للثقب الأسود
في عام 1915، أي قبل أكثر من 100 عام من التقاط EHT صورة لثقب أسود، صاغ أينشتاين “نظريته الهندسية للجاذبية”، المعروفة باسم النسبية العامة. حتى هذه اللحظة، أفضل وصف لدينا للجاذبية هو وصف إسحاق نيوتن.
على عكس نيوتن، اقترح أينشتاين أن الأجسام ذات الكتلة تشوه نسيج المكان والزمان، موحدين ككيان واحد يسمى “الزمكان”. وما نختبره على أنه “جاذبية” ينبثق من هذا الالتواء. كلما زادت كتلة الجسم، زاد تشوه الزمكان الذي يسببه، وزاد تأثير جاذبيته.
ظهر مفهوم الثقوب السوداء من النسبية العامة في عام 1916 عندما ابتكر عالم الفيزياء الفلكية كارل شوارزشيلد، الذي كان يخدم على الجبهة الشرقية في الحرب العالمية الأولى في ذلك الوقت، حلاً للمعادلات التي قامت عليها النسبية العامة (وهو ما فاجأ أينشتاين كثيرًا). كشفت هذه الحلول أن النسبية العامة تتنبأ بأنه في منطقة صغيرة متناهية الصغر من الزمكان حيث تصبح الكتلة كثيفة بشكل لا نهائي، تنهار قوانين الفيزياء. وهذه النقطة هي نقطة التفرد في قلب الثقب الأسود. كشف هذا الحل أيضًا عن ضرورة وجود حد حول المتفردة يسمى نصف قطر شوارزشيلد حيث تتجاوز سرعة الهروب لهذه المنطقة من الفضاء سرعة الضوء. وسيُعرف هذا باسم الحد الخارجي للثقب الأسود الذي يحبس الضوء، أو أفق الحدث.
ومع ذلك، فقد تكهن العلماء منذ فترة طويلة بأن النسبية العامة قد لا تكون الوصفة الصحيحة للثقوب السوداء. وهذا احتمال جذاب لأن النظريات الأخرى للثقوب السوداء قد لا تحتوي على التفرد المركزي المثير للقلق الذي تنهار عنده الفيزياء، بما في ذلك النسبية العامة.
ومن ناحية أخرى، فإن هذه النظريات البديلة غالبًا ما تدعو إلى وجود مادة ذات خصائص خاصة جدًا أو حتى أنواع أخرى من الانتهاكات لقوانين الفيزياء.
“بشكل عام، هناك الثقوب السوداء الدوارة القياسية التي وصفها الجنرال
قال أونيال: “النسبية، تسمى ثقوب كير السوداء، ثم هناك مجموعة متنوعة من البدائل المدفوعة بنظريات مختلفة. كل هذه البدائل أكثر تعقيدًا أو تعقيدًا من تلك التي اقترحها أينشتاين، ولكنها تظل قابلة للتطبيق من الناحية النظرية حتى يتم دحضها”.
أحد العوائق الرئيسية أمام اختبار النظريات البديلة هو أفق الحدث، الذي يمنع أي معلومات من داخل الثقب الأسود من الوصول إلى مراقب خارجي. مع وجود تصوير الثقب الأسود كعامل الآن، ومع إدخال تحسينات على هذا التصوير في الأفق، بدأ يونيال وزملاؤه في تحديد ما يمكن أن يراه العلماء في هذه الصور وفي ظلال الثقوب السوداء التي يمكن أن تشير إلى انحراف عن النسبية العامة.
“إن ظل الثقب الأسود هو الصورة الظلية المظلمة التي تشكلت عن طريق التقاط الفوتون والجاذبية القوية
وقال يونيال: “إن الانحرافات المترية الصغيرة تُترجم إلى تغييرات صغيرة ومنهجية في حجم الظل وشكله وفي كيفية تشكل حلقات الضوء حوله، لذا فإن قياس الظل بدقة يوفر تشخيصًا مباشرًا لما إذا كانت الجاذبية الأساسية تتطابق مع تنبؤات أينشتاين”.
تابع يونيال: “نظرًا لأن الزمكان المحيط بالثقب الأسود يتحكم في مدارات الجسيمات ومسارات الضوء، فإن التغييرات المترية الصغيرة تغير مكان مدارات الغاز وكيفية إشعاعه، مما يمكن أن يغير ديناميكيات التراكم، ومناطق إطلاق الطائرات، والكفاءة الإشعاعية وأنماط السطوع والاستقطاب التي يراها المراقبون البعيدون. وفي الحالات القصوى، يمكن أن يؤدي وجود بنية داخلية مختلفة، مثل غياب أفق الحدث الحقيقي، إلى توقيعات رصد مختلفة نوعيًا أيضًا”.
وأضاف الباحث أنه يمكن تقييم صورة مستقبلية مفصلة بما فيه الكفاية للثقب الأسود لتحديد ما إذا كانت البيانات أكثر توافقًا مع الثقب الأسود “أ”، على سبيل المثال، الذي وصفته النسبية العامة، أو الثقب الأسود “ب”، الذي وصفته نظرية بديلة.
وقال يونيال: “ما تظهره نتائجنا هو أنه بغض النظر عن الثقوب السوداء “أ” أو “ب”، فإن الاختلافات ستكون صغيرة وبالتالي هناك حاجة إلى قياسات دقيقة للغاية. ولحسن الحظ، ستكون هذه الملاحظات ممكنة في المستقبل غير البعيد”. “هناك نتيجتان مشجعتان ومثيرتان للدهشة إلى حد ما، وهما أن الاختلافات بين النماذج تنمو بشكل منهجي ويمكن التنبؤ به مع تحسن دقة التصوير، مما يعني أن الصور عالية الدقة ستزيد حقًا من قوة الاختبار، وأنتجت الدراسة فهمًا رقميًا ملموسًا على مستوى النسبة المئوية لعدم تطابق الصورة حيث تصبح النماذج قابلة للتمييز، مما يعطي أهدافًا واضحة للمراصد المستقبلية.”
تتضمن الخطوات التالية لهذا البحث السعي المستمر لتحسين جودة تصوير الثقب الأسود عن طريق إضافة تلسكوبات إضافية إلى شبكة مكونة من 11 أداة تشكل EHT، بالإضافة إلى استكشاف أدوات قياس التداخل الفضائية المحتملة ذات خط الأساس الطويل جدًا.
وقال يونيال: “إن اتباع سيناريوهات فيزيائية فلكية مختلفة يمكن أن يضع قيودًا كمية على الانحرافات عن ثقوب كير السوداء، أو، إذا كان موجودًا، اكتشاف توقيعات نظريات بديلة بمساعدة الملاحظات المستقبلية”.
نُشر بحث الفريق يوم الخميس (30 أكتوبر) في المجلة علم الفلك الطبيعة.
التعليقات