مقدمة عن جائزة نوبل في الفيزياء 2020

مُنِحَ ثلاثةٌ من العلماء جائزة نوبل في الفيزياء لهذا العام، لاكتشافاتهم حول واحدةٍ من أكثر الظواهر غرابة في الكون، ألا وهي الثقوب السوداء. فقد أظهر الفائز بنصف الجائزة الأول روجر بنروز أنّ الثقوب السوداء تُجسِّد بوضوح توقعات نظرية النسبية العامة. والفائزان بنصف الجائزة الآخر العالِمان راينهارد جنزيل، وأندريا جيز قد اكتشفا أنّ جسمًا غيرَ مرئيٍّ عالي الكثافة يتحكّم في مسارات النجوم في مركز مجرّتنا؛ مجرّة درب التبّانة، وحسب معرفتنا الحاليّة، ذاك الجسم هو ثقبٌ أسود.

ابتكر روجر بنروز طرقًا رياضيّة لاستكشاف نظريّة النسبيّة العامة لألبرت أينشتاين، وأوضح أن الثقوب السوداء هي نتيجة مباشرة للنظرية النسبية، تلك الوحوش في الزمكان (spacetime) التي تلتهم كل ما يدخل إليها، ولا شيء يمكنه الهروب منها، حتّى الضوء نفسه!

وقد قاد كلٌّ من راينهارد جنزيل، وأندريا جيز فريقين من علماء الفلك الذين ركّزوا على منطقةٍ في مركز مجرّة درب التبانة تسمى القوس أ* (*Sagittarius A)، وذلك منذ أوائل التسعينيات. استطاع الفريقان تعيين مدارات ألمع النجوم الأقرب إلى المركز، وقد وجد الفريقان شيئًا فائق الكتلة وغير مرئيّ، ممّا أجبر هذا الخليط من النجوم على الدوران، تحتوي هذه الكتلة غير المرئيّة على ما يساوي نجو أربعة ملايين كتلة شمسية مدموجة معًا في منطقة حجمها مقارب لنظامنا الشمسي.

فما الذي يجعل النجوم في قلب مجرة ​​درب التبانة تتأرجح بمثل هذه السرعات المذهلة؟

وللإجابة، فأنه وفقًا لنظرية الجاذبية الحالية، هناك احتمالٌ واحدٌ فقط يُفسِّر ذلك، ألا وهو وجودُ ثقبٍ أسود فائق الكتلة.

تقدمٌ هائل لم يعتقد حتى ألبرت أينشتاين نفسه وهو أبو النسبية العامة، أنَّ الثقوب السوداء يمكن أن توجد بالفعل ومع ذلك بعد مرور عشر سنوات على وفاة أينشتاين، أوضح الفيزيائي النظري البريطاني روجر بنروز أنَّ الثقوب السوداء يمكنها أن تتكون وقام أيضا بوصف خصائصها فهي تُخفي بين طياتها تميزََا فريدََا من نوعه تتحطم عنده كل قوانين الطبيعة المعروفة.

ولإثبات أنَّ تَشَكَّل الثقب الأسود عملية مستقرة، احتاج بنروز إلى توسيع الأساليب المستخدمة لدراسة النظرية النسبية ومعالجة مشاكل النظرية بمفاهيم رياضية جديدة وقد نُشرت تلك الدراسات في مقالة بنروز الرائدة في يناير 1965 والتي مازالت تعتبر أهم مساهمة في نظرية النسبية العامة منذ أينشتاين.

الكون في قبضة الجاذبية

ربما تكون الثقوب السوداء هي أغرب نتيجة للنظرية النسبية العامة. فعندما قدم ألبرت أينشتاين نظريته في تشرين الثاني (نوفمبر) 1915 ، قلبت هذه النظرية جميع المفاهيم السابقة عن المكان والزمان و قدمت النظرية أساسًا جديدًا تمامًا لفهم الجاذبية، والتي تشكل الكون على نطاق واسع ومنذ ذلك الحين، قدمت هذه النظرية الأساس لجميع دراسات الكون، ولها أيضًا استخدام عملي في واحدة من أكثر أدوات التنقل شيوعًا لدينا الآن، وهي تقنية ال GPS.

تصف نظرية أينشتاين كيف أن كل شيء وكل شخص في الكون يقع في قبضة الجاذبية و تحملنا الجاذبية على الأرض، فهي تتحكم في مدارات الكواكب حول الشمس ومدار الشمس حول مركز مجرة ​​درب التبانة. كما إنها تؤدي إلى ولادة النجوم من السحب البينجمية، وفي النهاية تؤدي إلى موت النجوم بعد انهيارها.

جاء أول وصف نظري لما نسميه الآن بالثقب الأسود بعد أسابيع قليلة من نشر النظرية العامة للنسبية. على الرغم من المعادلات الرياضية المعقدة للغاية للنظرية، تمكن عالم الفيزياء الفلكية الألماني كارل شوارزشيلد من تزويد أينشتاين بحل يصف كيف يمكن للكتل الثقيلة أن تثني الزمكان.

أظهرت دراسات لاحقة أنه بمجرد تكوين الثقب الأسود، فإنه يحيط به أفق يدور حول الكتلة في مركزه ويظل الثقب الأسود مختبئًا إلى الأبد داخل أفق الحدث. وكلما زادت الكتلة زاد حجم الثقب الأسود وأفقه. وبالنسبة لكتلة تكافئ كتلة الشمس يبلغ قطر ذلك الأفق ثلاثة كيلومترات تقريبًا، أما بالنسبة لكتلة تكافئ كتلة الأرض يبلغ قطره تسعة ملليمترات فقط.

حل يفوق الكمال

وجد مفهوم “الثقب الأسود” معنى جديدًا في العديد من أشكال التعبير الثقافي، ولكن بالنسبة لعلماء الفيزياء، فإنَّ الثقوب السوداء هي نقطة النهاية الطبيعية لتطور النجوم العملاقة. وقد تم إجراء أول حساب للانهيار الدراماتيكي لنجم هائل في نهاية الثلاثينيات من قبل الفيزيائي روبرت أوبنهايمر، الذي قاد فيما بعد مشروع مانهاتن الذي بنى أول قنبلة ذرية. عندما ينفد الوقود من النجوم العملاقة ، التي تكون أثقل من الشمس عدة مرات، فإنها تنفجر أولاً على شكل مستعر أعظم ثم تنضغط لتكوين كتلة ثقيلة للغاية شديدة الكثافة جاذبيتها هائلة تسحب كل شيء بداخلها حتى الضوء.

فكرة “النجوم المظلمة” موجودة منذ فترة طويلة حتى نهاية القرن الثامن عشر، في أعمال الفيلسوف وعالم الرياضيات البريطاني جون ميشيل والعالم الفرنسي الشهير بيير سيمون دي لابلاس وكلاهما استنتج أنَّ الأجرام السماوية يمكن أن تصبح كثيفة لدرجة أنها ستكون غير مرئية ولا حتى سرعة الضوء ستكون سريعة بما يكفي للهروب من جاذبيتها.

بعد أكثر من قرن بقليل عندما نشر ألبرت أينشتاين نظريته العامة عن النسبية، وصفت بعض الحلول لمعادلات النظرية الصعبة للغاية هذه النجوم المظلمة. واستمر اعتبار هذه الحلول تكهنات نظرية بحتة حتى الستينيات، كما وصفت المواقف المثالية التي تكون فيها النجوم وثقوبها السوداء مستديرة ومتماثلة تمامًا. ولكن لا يوجد شيء مثالي في الكون، وكان روجر بنروز أول من نجح في إيجاد حل واقعي لجميع المواد المنهارة، بما تحتويه من فقاعات وثغور وعيوب طبيعية.

سر الكوازارات

عادت مسألة وجود الثقوب السوداء إلى الظهور في عام 1963، مع اكتشاف الكوازارات وهي ألمع الأجسام في الكون. منذ ما يقرب من عقد من الزمان كان علماء الفلك في حيرة من أمرهم بسبب الأشعة الراديوية من مصادر غامضة، وقد كشف الإشعاع في الضوء المرئي أخيرًا عن موقعه الحقيقي الذي كان بعيدا جدًا لدرجة أنَّ الأشعة تستغرق أكثر من مليار سنة لتنتقل نحو الأرض .

حينما يكون مصدر الضوء بعيدًا جدًا، فإنَّ شدته تساوي ضوء عدّة مئات من المجرّات.

الثقوب السوداء تتحكّم في مسارات النجوم

على الرغم من كوننا لا نستطيع رؤية الثقب الأسود، إلّا أنّه من الممكن تحديد خصائصه من خلال مراقبة كيفيّة توجيه جاذبيته الهائلة لحركات النجوم المحيطة به.

يقود كلّ من راينهارد جينزل وأندريا جيز مجموعاتٍ بحثيّة منفصلة تقوم باستكشاف مركز مجرّتنا، تتكوّن مجرّة درب التبّانة والتي تبدو على شكل قرص مسطّح يبلغ عرضه حواليّ 100 ألف سنة ضوئيّة من الغاز والغبار وبضع من مئات المليارات من النجوم؛ وتعدّ شمسنا إحدى هذه النجوم. ومن وجهة نظرنا على الأرض، تحجب السحب الهائلة من الغاز والغبار البيننجمي معظم الضوء المرئيّ القادم من مركز المجرّة. كانت التلسكوبات التي تعمل بالأشعّة تحت الحمراء، وتقنيات الراديو هي أولى الطرق التي مكّنت علماء الفلك من رؤية قرص المجرّة، وتصوير النجوم في المركز.

استخدم كلّ من جينزل، وجيز مدارات النجوم لإرشادهم كي  ينتجوا في النهاية الدليل الأكثر إقناعًا حتّى الآن على وجود جسم غير مرئيّ فائق الكتلة يختبئ هناك. والثقب الأسود هو التفسير الوحيد الممكن.

التركيز على المركز

اشتبه الفيزيائيّون لأكثر من خمسين عامًا في احتماليّة وجود ثقب أسود في مركز مجرة درب التبّانة، منذ اكتشاف الكوازارات في أوائل الستّينيّات من القرن الماضي، واستنتج الفيزيائيّون أنّ الثقوب السوداء الهائلة قد تتواجد داخل معظم المجرّات الكبيرة، بما في ذلك مجرّة درب التبّانة. ومع ذلك، لا أحد يستطيع حاليًا شرح كيفيّة تشكّل المجرّات وثقوبها السوداء، بين بضعة ملايين وعدّة مليارات من الكتل الشمسيّة.

كان عالم الفلك الأمريكيّ (هارلو شابلي) منذ مائة عام هو أوّل من حدّد مركز مجرّة درب التبّانة، في اتّجاه كوكبة القوس. وجد علماء الفلك لاحقا في ملاحظات مصدرًا قويًّا للموجات الراديويّة هناك، والذي أطلق عليه اسم «القوس «A*. وقرب نهاية الستّينيّات، بات من الجليّ أنّ القوس A* يحتّل مركز مجرّة درب التبّانة، حيث تدور حوله جميع النجوم في مدار المجرّة.

لم يكن هذا الأمر ممكنًا حتّى التسعينيّات من القرن الماضي حين سمحت التليسكوبات الأكبر، والمعدّات الأفضل بإجراء دراسات أكثر منهجيّة حول القوس A*. فبدأ كلّ من راينهارد جينزل، وأندريا جيز مشاريعًا لمحاولة الرؤية عبر سحب الغبار إلى قلب مجرّة درب التبّانة. وقد قاموا جنبًا إلى جنب مع مجموعاتهم البحثيّة بتطوير وصقل تقنياتهم، وبناء أدوات فريدة، والتزموا بالبحث طويل الأجل.

ستكون أكبر التلسكوبات في العالم هي فقط الكافية للتحديق في النجوم البعيدة، ففي علم الفلك كلّما كان التليسكوب أكبر، كلّما كان ذلك أفضل.
استخدم عالم الفلك الألمانيّ (راينهارد جينزل) ومجموعته في البداية تلسكوب التكنولوجيا الجديدة (NTT) على جبل لاسيلا في تشيلي. وفي النهاية نقلوا ملاحظاتهم إلى مرفق التلسكوب الكبير جدًّا (VLT) على جبل بارانال (في تشيلي أيضًا). حيث استخدموا أربعة تليسكوبات عملاقة يبلغ حجمها ضعف حجم (NTT) من نوع تليسكوبات (VLT) التي تمتلك أكبر مرايا متجانسة في العالم يبلغ قطر كلّ منها أكثر من 8 أمتار.

وفي الولايات المتّحدة الأمريكيّة، استخدمت أندريا جيز وفريقها البحثيّ مرصد كيك الواقع على جبل ماونا كيا في هاواي. والذي يبلغ قطر مراياه حوالي 10 أمتار، ويعدّ حاليًا واحدًا من بين التليسكوبات الأكبر في العالم. تشبه كلّ مرآة من مراياه قرص العسل، وتتكوّن من 36 قطعة سداسيّة الشكل يمكن التحكّم فيها بشكلٍ منفصل لتركيز ضوء النجوم بشكلٍ أفضل.

النجوم تبيّن المسار

مهما كانت التلسكوبات كبيرة الحجم، هناك دائمًا حدود للتفاصيل التي يمكنهم نقلها، حيث أنّنا نعيش في قاع بحر يبلغ عمقه 100 كيلومتر تقريبًا. تعمل فقّاعات الهواء الكبيرة فوق التلسكوب -والتي تكون أكثر سخونة أو برودة من محيطها- مثل العدسات، بحيث تعمل على انكسار الضوء في طريقه إلى مرآة التلسكوب، ممّا يؤدّي إلى تشويه موجات الضوء. هذا هو سبب وميض النجوم وأيضًا سبب عدم وضوح صورها.

كان ظهور البصريّات المكيّفة أمرًا حاسمًا في تحسين تلك الملاحظات. أصبحت التلسكوبات الآن مجهّزة بمرآة رفيعة إضافيّة تعمل على معادلة اضطراب الهواء، وتصحّيح الصورة المشوّهة.

تابع كلّ من راينهارد جينزل، وأندريا غيز منذ ما يقرب من ثلاثين عامًا نجومهما في المجموعة النجميّة البعيدة في مركز مجرّتنا. واستمرّوا في تطوير التقنية وتحسينها، باستخدام مستشعرات ضوئيّة رقميّة أكثر حساسيّة، وبصريات مكيّفة أفضل، بحيث تحسّنت دقّة الصورة هذه بأكثر من ألف ضعف. هم الآن قادرون على تحديد مواقع النجوم بدقّة أكبر، ويتابعونها ليلةً بليلة.

قام الباحثون بتّتبع حواليّ ثلاثين من ألمع النجوم في التجمع المجري. وتتحرّك النجوم بأقصى سرعة داخل دائرة يبلغ نصف قطرها شهر ضوئيّ واحد قياسًا من المركز، حيث تؤدّي بداخلها رقصة جماعيّة مزدحمة مثل رقصة سرب من النحل. ومن ناحية أخرى، تتبع النجوم الموجودة خارج هذه المنطقة مداراتها الإهليلجيّة بطريقة أكثر تنظيماً.

يكمل نجمٌ واحدٌ يطلق عليه ((S2 أو S-O2)) مدارًا حول مركز المجرّة في غضون أقلّ من 16 عامًا. ويعتبر هذا وقت قصير للغاية، لذلك كان علماء الفلك قادرين على رسم خريطة مداره بالكامل. بحيث يمكننا مقارنة ذلك بالشمس، التي تستغرق أكثر من 200 مليون سنة لإكمال دورة واحدة حول مركز مجرّة درب التبّانة؛ أي أنّ الديناصورات كانت لا تزال تسير على الأرض حين بدأنا دورتنا الحاليّة.

النظريات والملاحظات تتلاحق

كان التوافق بين قياسات كلا الفريقين ممتازًا، مما أدّى إلى استنتاج مفاده أنّ الثقب الأسود في مركز مجرّتنا يجب أن يعادل حواليّ 4 ملايين كتلة شمسيّة، محتشدة في منطقة بحجم نظامنا الشمسيّ.

قد نلقي نظرة مباشرة قريبًا على كوكبة القوس A*. هذا هو التالي في القائمة حيث نجحت منذ عامٍ واحد فقط شبكة مقراب أفق الحدث الفلكيّة (Event Horizon Telescope) في تصوير أقرب محيط لثقب أسود فائق الكتلة. أبعد ما يكون في المجرّة المعروفة باسم ((Messier 87 (M87)، التي تبعد عنا مسافة 55 مليون سنة ضوئيّة، وتبدو أكثر سوادًا من العين السوداء التي تحيط بها حلقة من النار.

كانت النواة السوداء لـ M87 عملاقة، وأثقل بألف مرّة من القوس A*. بينما كانت الثقوب السوداء المتصادمة التي تسبّبت في اكتشاف موجات الجاذبيّة أخف بكثير. ومثل الثقوب السوداء، كانت موجات الجاذبيّة موجودة فقط كحسابات لنظريّة النسبيّة العامة لأينشتاين، قبل أن يتمّ التقاطها لأوّل مرّة في خريف عام 2015، بواسطة كاشف LIGO في الولايات المتّحدة الأمريكيّة (وهو الاكتشاف الحاصل على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2017).

ما لا نعرفه

أظهر روجر بنروز أنّ الثقوب السوداء هي نتيجة مباشرة للنظريّة النسبيّة العامة، ولكن في الجاذبيّة القويّة اللانهائيّة للمفردة، لم تعد هذه النظرية سارية. يجري حاليًا العمل المكثّف في مجال الفيزياء النظريّة لإنشاء نظريّة جديدة للجاذبيّة الكموميّة. وهذا العمل لا بدّ أن يوحّد دعامتيّ الفيزياء، نظرية النسبيّة، وميكانيكا الكمّ، واللتين تلتقيان في الجزء الداخليّ المتوغّل من الثقوب السوداء.

تقترب الملاحظات في الوقت ذاته من الثقوب السوداء.فقد فتح هذا العمل الرائد لكلّ من رينهارد جينزل، وأندريا جيز الطريق لأجيالٍ جديدة من الاختبارات الدقيقة للنظريّة النسبيّة العامة، وأكثر تنبّؤاتها غرابة. وستكون هذه القياسات على الأرجح قادرة أيضًا على توفير أدلّة لرؤى نظريّة جديدة. لا يزال الكون لديه العديد من الأسرار والمفاجآت المتبقيّة لاكتشافها.

إعداد وترجمة: يارا فاروق – محمد زاهر – أمين يوسف