رصد «الثقوب السوداء».. وحلم السفر أسرع من الضوء

ظلت البشرية تطارد «الثقوب السوداء» فى الفضاء طوال قرنين، كانت خلالهما ضربًا من الخيال وجزءًا من نظرية، حتى يوم 10 أبريل 2019، حين كشف فريق من العلماء النقاب عن أول صورة فى التاريخ لثقب أسود، فلماذا كانت هذه الرحلة وما ثمارها؟ وما هى الخطوات المستقبلية بعد أن هدأت العاصفة التى واكبت الاكتشاف؟
إذ أعلن مشروع «مرصد أفق الحدث»، المعنى برصد الثقوب السوداء فى الفضاء، عن نجاحه فى تصوير ثقب أسود فائق الكتلة فى مركز مجرة «»M87 التى تبعد عن الأرض 55 مليون سنة ضوئية وهو أول ما يثبت أن الثقوب السوداء حقيقة.
والثقوب السوداء كما يصفها العالم شعبان خليل، مدير ومؤسس مركز الفيزياء الأساسية بمدينة زويل للعلوم والتكنولوجيا، هى أجسام تتجمع فى مراكز المجرات، تتمتع بمجال جاذبية هائل لاتستطيع الأشياء الإفلات منه حتى أشعة الضوء ولذلك تظهر معتمة تمامًا، وتعادل قوة جاذبية الثقوب السوداء أكثر من مليون نجم مثل الشمس.
وعن نشأة الثقوب السوداء، يذكر د.شعبان خليل إنها تكونت من نجوم إنهارت وكونت أجسام ذات كثافة لانهائية، فمن المعروف دورة حياة النجوم أن تشهد عمليات اندماج نووى فى مركزها ينجم عنها إشعاع كهرومغناطيسى يولد ضغطًا هائلًا للخارج يعادل قوى السحب للداخل الناتجة عن الجاذبية مما يسبب اتزان النجم.
ومع نفاذ الوقود النووى تبدأ القوى الطاردة للخارج فى التلاشى، مما يؤدى إلى تفوق قوى الجاذبية التى تضغط النجم إلى الداخل، هذا الانقباض يسبب زيادة درجة حرارة النجم، فيستهلك المواد النووية المتبقية للحفاظ على استقراره، وهكذا تتكرر هذه العملية إلى أن ينفذ الوقود النووى تمامًا، وعندها ينهار النجم كليًا.
و بالنسبة للنجوم التى تصل كتلتها الى حوالى 20 ضعف كتلة الشمس فإنها تنهار إلى ما يعرف بالنجوم النيوترونية ومنها معلقة شاى واحدة تزن حوالى 100 مليون طن، وحتى الآن لم نتمكن من اكتشاف أى من تلك النجوم النيوترونية فى الكون. وإذا زادت كتلة النجم عن هذا الحد يتحول بعد الانهيار إلى ثقب أسود.
فماذا عن الشمس.. هل يمكن أن تتحول لثقب أسود يبتلع الأرض؟
يصف د. محمد غريب أستاذ علوم الشمس فى معهد البحوث الفلكية والجيوفيزيقية الشمس بأنها نجم تبلغ كتلته 333 ألف مرة مثل كتلة الأرض وتتكون أساسًا من غازات أبرزها الهيدروجين والأكسجين وعبر اندماج ذرات الهيدروجين يتكون غاز الهيليوم فتتعادل قوى الجذب فى مركزها مع قوى الضغط الخارجى وهو ما يحافظ على استقرارها.
ويؤكد العالم أشرف شاكر، أستاذ علوم الفلك ورئيس معمل المجرة بالمعهد القومى للبحوث الفلكية والجيوفيزيقية، بأن الشمس من النجوم متوسطة الكتلة لا تسمح بوجود قوة جذب إلى الداخل تكفى لتتحول لثقب أسود.
ويوضح د.أشرف شاكر أن الثقوب السوداء تتكون من جزئين: الأول «أفق الحدث» وهى المنطقة التى تتعادل فيها قوة الجاذبية مع قوة الإشعاع المنبعث منه والجزء الثانى هو قلب الثقب الأسود.
حبة الفستق وإناء العسل
ولتقريب الصورة نتخيل أن نسيج الكون «الزمان والمكان» فى الفضاء عبارة عن إناء هائل من العسل تتجمع على سطحه حبات من «الفستق» تختلف فى أحجامها وكتلتها ونشاطها النووى، وفى لحظة ما دارت أثقلها حول نفسها فى حركة سريعة وسقطت فى أعماق الإناء مخلفة ورائها حفرة، جوانب هذه الحفرة هى ما أطلق عليه العلماء «أفق الحدث».
إذن منطقة أفق الحدث هى الدائرة المحيطة بالثقب الأسود مثل الحافة المحيطة بحبة «الفستق» التى سقطت داخل إناء العسل، وهى المنطقة الفاصلة بين داخل الثقب وخارجه، وهى دائمًا مضيئة بعكس قلب الثقب الأسود.
أذن كيف عرف البشر «الثقوب السوداء؟
كانت الشرارة التى ألهمت العلماء لفكرة وجود «الثقوب السوداء» حيرتهم فى تفسير أن سرعة الضوء البالغة 300 ألف كيلو متر فى الثانية أعلى سرعة فى الكون، وكان السؤال لماذا لا يمكن تجاوزها؟ وفى عام 1783 قدم عالم الفيزياء البريطانى «جون مينشل» تفسيرًا للظاهرة حين تخيل وجود نجوم كثيفة ذات جاذبية شديدة تبتلع كل شيء حتى الضوء المنبعث منها.
ويشرح عالم الفلك د.أشرف شاكر دور النظرية النسبية لأينشتاين عام 1915 التى تنبأت بانحناء الضوء نتيجة قوة الجاذبية العالية وتم إثبات ذلك فى 29 مايو عام 1919 عندما رصد عالم الفلك البريطانى السير «آرثر إدنجتون» انحناء ضوء النجوم القريبة من الشمس أثناء ظاهرة الكسوف الكلى للشمس من جزيرة «بيرنسيت» فى الساحل الشرقى من إفريقيا بنفس النسبة التى توقعتها معادلات أينشتاين. وهو ما أثبتته الكسوفات الكلية أعوام 1922 و1953و 1972.
وتنبأت تلك المعادلات أيضا بالثقب الأسود النجمى منذ عام 1916 ولكنها ظلت محل خلاف بين العلماء إلى أن تم رصد أول أثر لثقب أسود بعد ترجيح أن يكون نجمًا «لدجاجة إكس1» ثقبًا أسود محتملًا سنة 1971.
مشروع تليسكوب أفق الحدث
ويستعرض د.شعبان خليل، الذى يعرف بإسهاماته البارزة لفهم ظواهر جديدة وراء النموذج القياسى لفيزياء الجسيمات، تجربة رصد الثقب الأسود، إذ كشف تلسكوب «هابل» عام 1994 وجود ثقب أسود فى مركز المجرة «M87» حيث أشارت السرعات العالية للغازات فى هذه المنطقة عن حتمية وجود جسم تبلغ كتلته من 2.5 الى 3.5 بليون مرة من كتلة الشمس. وظل التحدى هو كيف يمكننا رؤية الثقوب السوداء؟ كيف تلتقط صورة له مع استحالة رؤيتها بسبب تأثير جاذبيته حتى على أشعة الضوء؟
لذ كان إعلان الفريق العلمى لمشروع «تلسكوب أفق الحدث» بإصدار أول صورة حقيقية لثقب أسود فى مركز المجرة M87 «تأكيدًا لنتائج تلسكوب هابل»، هذا الفريق مكون من 200 باحث من 40 دولة.
هذه الصورة ليست صورة فوتوغرافية بل تم إنشاؤها بواسطة مشروع «تلسكوب أفق الحدث»، عبر استخدام شبكة من ثمانى تلسكوبات أرضية حول العالم لالتقاط أشعة راديوية، وقام الفريق بجمع بيانات الرصد وتحليلها لإنتاج الصورة، التى تُظهر الثقب الأسود مظلمًا مقابل توهج محيط أفق الحدث وهو المنطقة المحيطة بالثقب الأسود التى تمثل الحد الذى لا يمكن لأى شىء داخلها من الإفلات من جاذبية الثقب الأسود، ويتم سحب كل شيء إلى وسط الثقب الأسود حيث يوجد ما يعرف بالGravitational Singularity أو نقطة التفرد الثقالى، حيث يتم سحق كل المواد فى مساحة صغيرة لا متناهية.
والتجربة فى حد ذاتها تطبيقًا لتكنولوجيا «قياس التداخل» لرصد موجات الأشعة السينية المنبعثة فى منطقة أفق الحدث من الأرض وتصويرها من زاويا توفر أعلى درجات الدقة، ويتطلب الأمر بناء مرصد قطره بحجم قطر الكرة الأرضية لأن دقة قياس التداخل بين موجات الأشعة تتناسب طرديًا مع قطر التليسكوب وهو ما يستلزم تكلفة باهظة، لذا لجأ العلماء فى مشروع أفق الحدث على ربط عدة تليسكوبات صغيرة فى أماكن متفرقة بشبكة واحدة تصور الثقب الأسود فى وقت واحد واستغرق المشروع سبع سنوات.
يذكر أن الثقب الأسود الذى تم رصده يقع على بعد 55 مليون سنة ضوئية من الأرض، وتزيد كتلته على الشمس بمقدار 6.5 مليار مرة. والسنة الضوئية هى المسافة التى يقطعها الضوء خلال سنة واحدة.
ولتصور كيف يبعد عنا الثقب الأسود المكتشف يجب أن نعلم أن سرعة الضوء تبلغ 300 ألف كيلو متر فى الثانية الواحدة أى 9.6 تريليون كيلو متر فى العام، وتبعد الشمس عن الأرض حوالى ثمانى دقائق ضوئية.
ويصف د.أشرف شاكر، بالمعهد القومى للبحوث الفلكية مجرة «M87» بأنها مجرة ذات شكل حبة «العدس» تخرج منها أذرع لولبية مثل الأخطبوط تبعد نحو 55 مليون سنة ضوئية عن الأرض.
ثمار رصد الثقب الأسود
يؤكد د. شعبان خليل بمدينة زويل للعلوم والتكنولوجيا أن الثمرة المباشرة هى إثبات أن عالم الفيزياء «ألبرت أينشتاين» كان محقًا فى نبوءة الثقوب السوداء، التى وضعها عام 1915 فى نظرية النسبية العامة.
ويوضح د.شعبان خليل أن القوى والتفاعلات الأساسية فى الطبيعة تخضع للنظرية النسبية العامة لأينشتاين، التى تحكم الكتل الضخمة ذات الجاذبية الهائلة، ولنظرية ميكانيكا الكم التى تحكم العالم الغريب للجزيئات دون الذرية. وتعمل كل نظرية منهما بشكل رائع فى المجال الخاص بها، ولا يمكن التوافق بينهما بالنسبة للثقوب السوداء، لأن الثقوب السوداء ذات أحجام تضاهى المقياس الذرى وجاذبية هائلة ولذا يسعى علماء الفيزياء للخروج بنظرية توحد بين قوى الجاذبية وقوى الطبيعة الأخرى٬ الكهرومغناطيسية والنووية.
وذكرت مجلة «الفيزياء الفلكية» التابعة لمعهد الفيزياء بالولايات المتحدة أن علماء الفلك يأملون فى الحصول على صور أفضل للثقب الأسود فى مجرة «M87» بإضافة تليسكوبات فى أجزاء جديدة من العالم مثل قارة إفريقيا العام القادم.
والأهم هو رصد الثقب الأسود فائق الضخامة «Sagittarius A» الواقع فى مركز مجرتنا «درب التبانة» وتبلغ كتلته 4.1 مليون كتلة شمسية، وتكمن صعوبة ذلك فى وجود غبار كثيف وتكاثر النجوم قربه وتغير شكله فى غضون دقائق فقط وليس أيام نظرًا لأن كتلته أقل 1000 مرة من الثقب الأسود الذى تم تصويره.
وكذلك تساعد أبحاث الثقوب السوداء فى سبر أغوار ظاهرة الجسيمات التى تقذفها فى الفضاء بين المجرات بسرعة مقاربة لسرعة الضوء، وتأخذ هذه الجسيمات شكل ذيل الطائرات النفاثة أو ذيل انطلاق الصاروخ، إذ يأمل العلماء فى اكتشاف العلاقة بين هذه الجسيمات وتطور الكون، إذ يعتقد أنها المسئولة بسبب الحرارة المنبعثة منها عن وقف نمو المجرات.
والأهم.. هل اقترب الإنسان من اختراق حاجز سرعة الضوء؟
فى كتابه «فيزياء المستحيل» الصادر عام 2008، ذكر عالم الفيزياء النظرية «ميتشيو كاكو» أن «الزمان – والمكان» هو أشبه بالنسيج يمكن أن يتمدد ويتقلص وتحت ظروف معينة يمكن أن يتمدد أسرع من سرعة الضوء مثل لحظة «الانفجار العظيم» عندما بدأ الكون منذ 13.7 مليار سنة. ما يعنى نظريًا إمكان السفر إلى نجوم بعيدة فى طرفة عين مع انحرافات المجالات الكهرومغناطيسية فى الكون.
ويمكن السفر عبر الزمان والمكان من خلال ما أطلق عليه «أينشتاين» عام 1935 «الممرات الدودية» فى الفضاء وهى المسافة من منطقة أفق الحدث إلى أعماق الثقوب السوداء وعندها تتحرك الأشياء بسرعة أكبر من سرعة الضوء يقود إلى أكوان أخرى.
هذه الرحلة تحتاج لسفينة «نجمية» أو ما يطلق عليه محركات «دودية» تسير بسرعة أكبر من الضوء وتطوى الزمان والمكان وتحتاج لكمية هائلة من الطاقة السلبية بحجم نجم أو كوكب.
أذن تتمثل التحديات أمام السفر بسرعة الضوء أو تجاوزها فى أن فوهة الثقب السود تغلق بفعل قوة الجاذبية داخله لذا من الصعب تجاوزها، وكما أن مخاطر الأشعة المتولدة عند نقطة أفق الحدث لا تزال مجهولة.
وأيضًا تتطلب الطاقة اللازمة لتمزيق نسيج الزمان والمكان ضغط المادة لتعود لمستوى الذرة بواسطة أشعة الليزر وهذا ما يتجاوز قدرات العلم الحديث أو تكوين ثقب أسود بواسطة محطم الجزيئات أكبر من قدرة «المصادم الهدرونى الكبير» التابع للمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية «سيرن».
ويرى د.أشرف شاكر أن على الإنسان أن يحلم أولًا بالسفر بسرعات قريبة من سرعة الضوء، موضحًا أن قطر مجرتنا 100 ألف سنة ضوئية وقطر مجموعتنا المجرية 10 ملايين سنة ضوئية، ويحتاج الإنسان إلى معجزتين للسفر أبعد من مجرة «درب التبانة»: أولهما أن يظل حيًا مدة خمسين ألف سنة ويسير بسرعة الضوء وما مجرتنا إلا نقطة فى هذا الكون العظيم الذى يبلغ مداه على الأقل 15 مليار سنة ضوئية.
وإذا تمكن أحفادنا من السفر أسرع من الضوء، ما الذى ينتظرهم داخل أعماق الثقوب السوداء؟
حتى اللحظة الراهنة لم نصل لأدلة ملموسة لما يحدث وراء هذا الثقب وإلى أين يقود، فهو مثل المصيدة الفضائية من يقع فيها لابد أن يسافر بأسرع من الضوء للفكاك منها وهو من المستحيلات حاليًا.
وقدم عالم الفيزياء البريطانى «ستيفن هوكينج» نظرية «تأثير المعكرونة الأسباجيتى» Spaghettification لتفسير ما سيحدث للأجسام لحظة المرور من «أفق الحدث» حيث يدور الجسم مثل دوران راقصة الباليه ويتمدد الجسم بفعل قوة جاذبية الثقب الأسود مثل شرائط الأسباجيتى وتتمزق إلى مستويات أقل من الذرة وتختفى نهائيًا واقترح «هوكينج» أن الثقوب السوداء تصدر أشعة أُطلق عليها «إشعاع هوكينج» كما أن كتلتها تتبخر مع الزمن.
وعن حجم مشاركة العلماء العرب فى اكتشافات الفيزياء الأساسية مثل جزيء هيجز والثقوب السوداء، يعتبر د. شعبان خليل، الذى حصل على جائزة الدولة للتفوق فى العلوم الأساسية عام 2006، أن مساهمة العرب محدودة للغاية. فلا يوجد اهتمام حقيقى لدينا بأبحاث العلوم الأساسية ودعمها ولو حتى فى المجال النظرى الذى لا يتطلب دعمًا كبيرًا ويمكنه وضع الدولة على الخريطة العلمية العالمية سريعًا. للأسف معظم الجهات الداعمة للبحث العلمى توجه دعمها للأبحاث التطبيقية فقط وفى مجالات محددة لا تتغير مما يدل على عدم تحقيق أى تقدم فيها منذ زمن بعيد.
ويضيف د.خليل: «ولحسن الحظ تشترك مصر الآن فى إحدى تجارب «المصادم الهادرونى الكبير» بسيرن «المركز الأوروبى للأبحاث النووية» ونتمنى أن يكون لنا دور من خلال تلك المشاركة فى اكتشاف ومعرفة طبيعة المادة المظلمة والتى تعد التحدى القادم للعلماء».
فى حين يؤكد د.أشرف شاكر العالم بمعهد الفلك بأن مرصد حلوان من أوائل المراصد التى رصدت المجرات خاصة النشطة منذ عام 1909, وأن أ.د. محمد رضا مدور - أول مدير مصرى لمرصد حلوان عام 1934- من أوائل العلماء الذين تخصصوا فى هذا المجال.
ومنذ عام 1909، كلف المرصد بمراقبة جميع المجرات المعروفة آنذاك فى نصف الكرة الجنوبى، وتم نشر نتائج رصده فى دوريات الفلك العالمية وفى أشهر كتالوج أمريكى للمجرات اللامعة. وأسهم مرصد القطامية فى هبوط أول إنسان على سطح القمر فى برنامج «أبولو10»، حيث تم رصد سطح القمر لمدة خمس سنوات من مرصد القطامية واكتشف المرصد حديثًا التغير فى ضوء أحد عشر نجمًا كانوا مسجلين على أنهم نجوم عادية وتم رصد المجرات النشطة فى النطاق المرئى بالتعاون مع الجانب اليابانى وهى المجرات التى تشع فى نطاق «أشعة جاما» وهو ما يمكننا من فهم الكون وحل الكثير من ألغازه.
وختامًا، وحده المستقبل كفيل بالإجابة عن أسئلة عديدة: متى نستطيع نتغلب على جاذبية الثقب الأسود الهائلة والولوج داخله؟ هل ستتمكن الأجيال القادمة من اختراع مركبة حلزونية تدور بسرعة تفوق سرعة الضوء للسفر عبر الثقوب السوداء؟
وهى أسئلة تبدو ضربًا من الخيال، لكن من كان يظن منذ 100 عام فقط أن يجوب الإنسان الفضاء متغلبًا على الجاذبية الأرضية أو يخترع روبوتًا يتكلم ويفرق بين الوجوه؟
• هذا الموضوع جزء من مشروع الصحافة العلمية «العلم حكاية»لمعهد «جوتة» والأكاديمية الألمانية للتبادل العلمى (DAAD)، بدعم من وزارة الخارجية الألمانية الاتحادية.