”

عندما يلتقي شيئان في الكون يحدثان “دائماً”، كيف تعرف أيهما سيسود؟ فموجات الجاذبية، على سبيل المثال، تمر دائماً عبر أي شيء تصادفه: الفضاء الفارغ، والمادة المظلمة، وسحب الغاز، والبلازما، والغبار، والكواكب، والنجوم، وحتى البقايا النجمية الكثيفة مثل الأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية. فهي تحمل طاقة، يمكنها أن تودعها في الأجسام التي تؤثر عليها، مشوهةً وماسخةً الفضاء (مع كل ما فيه) أثناء مرورها. لا يبدو أن أي شيء يوقف موجات الجاذبية، مع كون التغييرات الوحيدة على “الانتشار غير المضطرب” ناتجة عن آثار تشوه الزمكان بسبب وجود الكتل وتمدد الكون.

ولكن من ناحية أخرى، لدينا الثقوب السوداء، التي تمتلك أفق حدث: وهي منطقة لا يستطيع شيء الهروب منها. فمتى يلتقي الجسم الثابت بالقوة التي لا تقاوم، من الذي يفوز؟ بينما يمكن انبعاث موجات الجاذبية من خارج أفق حدث الثقوب السوداء المتّحدة، فإن أي شيء يحدث داخل أفق الحدث لا يمكنه الهروب. فماذا يحدث إذن، إذا اصطدمت موجة جاذبية مُنتشرة ناتجة عن اندماج ثقبين أسودين بثقب أسود آخر: ثقب لم يشارك في توليد تلك الموجات؟

الخياران الرئيسيان اللذان قد تَعتَبِرَانهما هما إما أن تمرّ عبر الثقب الأسود كما مرت عبر كل شيء آخر، أو أن تُبتلع وتُمتص من قبل الثقب الأسود، مُضافةً إلى كتلته/طاقته. إليك كيفية معرفة أيٍّ منهما سيحدث بالفعل.

رسم توضيحي للزمكان المنحني بشدة، خارج أفق الحدث للثقب الأسود. كلما اقتربت أكثر فأكثر من موقع الكتلة، يصبح الفضاء أكثر انحناءًا، مما يؤدي في النهاية إلى موقع لا يستطيع حتى الضوء الهروب منه: أفق الحدث. من بعيد عن الثقب الأسود، يكون انحناء الفضاء غير قابل للتمييز عن ذلك الناتج عن جسم أقل كثافة وله كتلة مكافئة، حتى بدون أفق حدث.

لنبدأ بالثقوب السوداء: أجرامٌ لا يُستهان بها في الكون. فعندما تكون بعيدًا عن أفق الحدث للثقب الأسود، يبدو أنه يتصرف تمامًا مثل أي كتلة عادية أخرى في الكون. فمن موقع الأرض، على سبيل المثال، فإن التأثيرات الجاذبية التي نشهدها من شمسنا لا تُميز عن تلك التي من شأنها أن تُولّدها:

• قزم أبيض،
• نجم نيوتروني،
• أو ثقب أسود،
• له نفس الكتلة تمامًا.

ما زلنا سنشهد نفس المدار، بنفس السرعة، ونفس الفترة، ونفس النمط الإهليلجي (بل وحتى نفس مستوى التقدم النسبي) الذي نشهده من شمسنا. والاختلافات الوحيدة التي يمكن ملاحظتها ستظهر عندما ننظر في محيط الشمس (أو ما يحل محلها). إن انحناء ضوء النجوم الخلفية، بالإضافة إلى جميع أشكال المادة والإشعاع الأخرى، يزداد كثافة كلما اقتربنا من جسم مضغوط وكتلته كبيرة: المناطق التي تحجبها حاليًا قرص الشمس. بخلاف تشوه الفضاء من أقرب ~1 درجة إلى مركز الشمس، حيث يكون انحناء الفضاء هو الأكثر شدة، لا توجد اختلافات أخرى قابلة للكشف.

إنّ إلقاء نظرة متحركة على كيفية استجابة الزمكان لحركة الكتلة خلاله يساعد في توضيح كيف، نوعيًا، ليس مجرد قطعة قماش. بل إنّ فضاء الأبعاد الثلاثة بأكمله ينحني بفعل وجود وخصائص المادة والطاقة في الكون. وستؤدي الكتل المتعددة التي تدور حول بعضها البعض إلى انبعاث موجات جاذبية.

لكن تلك المنطقة الداخلية من الفضاء ذات أهمية بالغة عندما نعتبر تأثيرها في امتصاص أنواع مختلفة من المادة والإشعاع. على سبيل المثال:

• الشمس، كونها جسماً معتماً، ستمتص كل ما تتفاعل معه، مثل البروتونات والنيوترونات والإلكترونات والفوتونات، لكنها ستكون شفافة للجسيمات مثل النيوترينوات والنيوترينوات المضادة،
• الأقزام البيضاء، كونها معتمة ولكنها أصغر بكثير من الشمس، سيكون لها مساحة مقطع عرضي أصغر بكثير (ربما 0.01٪ فقط من مساحة الشمس) ولكنها ستظل معتمة للبروتونات والنيوترونات والإلكترونات والفوتونات، وبسبب كثافتها ستبدأ في امتصاص جزء صغير من النيوترينوات التي تصطدم بها،
• نجوم النيوترونات، أصغر وأكثر كثافة من الأقزام البيضاء، لها مساحة أصغر بكثير تمتص من خلالها البروتونات والنيوترونات والإلكترونات والفوتونات، لكنها ستمتص ما يقارب 100٪ من تلك التي تصطدم بها، بالإضافة إلى ما يصل إلى 50٪ من النيوترينوات (والنيوترينوات المضادة) التي تمر عبر قطرها،
• والثقوب السوداء تمتص تماماً 100٪ من كل ما نعرفه يلمس أو يعبر أفق حدثها.

من ثقب أسود، إذا كنت كيانًا يحمل الطاقة، فلا ينبغي أن يكون هناك مخرج.

ظل (أسود) وآفاق وأغلفة أرجوس (بيضاء) لثقب أسود دوار. كمية a، الموضحة بتغيراتها في الصورة، لها علاقة بعلاقة الزخم الزاوي للثقب الأسود بكتلته. لاحظ أن الظل كما رصده تلسكوب أفق الحدث للثقب الأسود أكبر بكثير من أفق الحدث أو غلاف أرجوس للثقب الأسود نفسه، ولكنه يتناسب مع كليهما.

ماذا يعني كل هذا بالنسبة للموجات الجاذبية؟ على عكس كل كمّ من المادة أو الإشعاع الآخر، لا يُنظر إلى الموجات الجاذبية عادةً على أنها جسيمات تنتشر عبر الزمكان، بل كشكل من أشكال الإشعاع الذي هو في حد ذاته تموج في نسيج الزمكان. عندما تمر موجة جاذبية عبر منطقة من الفضاء تحتوي على مادة أو طاقة، فإن كل شيء في تلك المنطقة يختبر أيضًا نفس التشوه – نفس الانضغاطات والانخفاضات – التي يختبرها الفضاء الذي يشغله.

إنّ العامل المهم الذي يجب أن نُدرسه، مع ذلك، هو ما يحدث للمادة الموجودة في الفراغ الذي تمرّ خلاله الموجة الثقالية؟ نعم، وعندما تمرّ الموجات خلالنا، فإنّها تقصّر وتُطيل المسافات بين كل كمّ من المادة الموجودة. ولكن، هل يمكن لهذه الموجات أن تُودع طاقة في المادة التي تتفاعل معها؟ صدّقوا أو لا تصدّقوا، كان هذا هو الموضوع الرئيسي لمؤتمر مكثّف عُقِدَ عام 1957 سُمّي GR1: أول مؤتمر أمريكي حول النسبية العامة.

جادل فاينمان بأن موجات الجاذبية ستحرك الكتل على طول قضيب، تمامًا كما تحرك الموجات الكهرومغناطيسية الشحنات على طول هوائي. وستتسبب هذه الحركة في توليد حرارة بسبب الاحتكاك، مما يدل على أن موجات الجاذبية تحمل طاقة. وسيشكل مبدأ حجة الخرزة اللاصقة لاحقًا أساس تصميم الليغو.

الجدال الذي انتهى إلى حسم المسألة قد طرحه ريتشارد فاينمان، واليوم يُعرف باسم حجة الخرزة اللاصقة sticky bead argument. تخيّل، كما هو موضح في الصورة أعلاه، أن لديك قضيبين رفيعين متعامدين، كل منهما يحمل خرزة في نهايته. على كل قضيب، خرزة ثابتة: فهي متصلة بالقضيب ولا يمكنها الحركة. لكن الخرزة الأخرى حرة في الانزلاق؛ فإذا مرت موجة جاذبية عبر القضيب عمودية على اتجاهه، فإن المسافة بين الخرزتين ستتغير الآن.

إذا كانت الخرزة والقضيب خاليين من الاحتكاك، فلا يوجد حرارة مُنتجة ولا طاقة “مأخوذة” من الموجات الثقالية؛ يأتي ذلك الحركة مجاناً. ولكن بمجرد إدخال الاحتكاك، فإن حركة الخرزة ضد القضيب تتسبب في احتكاك الذرات/الجزيئات/الإلكترونات ببعضها البعض، مما ينتج عنه حرارة من خلال الاحتكاك، وبالتالي استخراج الطاقة من الموجات الثقالية. لا تُبرهن حجة فاينمان مجرد أن الموجات الثقالية تحمل طاقة، بل تُظهر كيفية استخراج هذه الطاقة من الموجات ووضعها في نظام فيزيائي حقيقي.

عندما يكون ذراعا مقياس التداخل الضوئي متساويين تمامًا في الطول، ولا توجد موجة جاذبية تمر، تكون الإشارة معدومة ويكون نمط التداخل ثابتًا. ومع تغير أطوال الذراعين، تصبح الإشارة حقيقية ومتذبذبة، ويتغير نمط التداخل مع الزمن بطريقة متوقعة. وهذه التقنية هي ما يُستخدم للكشف المباشر عن وجود الموجات الجاذبية.

هذا هو المبدأ الذي تعتمد عليه كواشف موجات الجاذبية الحديثة لإعادة بناء إشارات موجات الجاذبية التي تمر عبر أذرعتها الليزرية الضخمة والمتعامدة. فعندما تمر هذه الموجات الجاذبية عبر كوكبنا، يمتص كل ما هو موجود على كوكبنا الكمية المناسبة من الطاقة من الموجات نظرًا للتغيرات التي تطرأ على مواضع وتفاعلات الجسيمات التي نملكها. وفي حالة ليغو، أعلاه، أدى هذا بنا إلى عدم الاكتفاء باكتشاف موجات الجاذبية، بل وقياس خصائصها واستنتاج إجمالي الطاقة المُولدة في الأحداث التي أدت إلى ظهورها في المقام الأول.

ومع ذلك، لا يوجد الكثير من الأدلة المباشرة على خصائص الموجات الثقالية من الناحية الرصدية. يمكننا، على سبيل المثال، النظر إلى مدارات النجوم النابضة الثنائية، واستنتاج مقدار الطاقة المُشعّة على شكل موجات ثقالية، والحصول على توقع يتطابق بشكلٍ ممتاز مع التغيرات المدارية المُلاحظة في نظام النجوم النابضة الثنائية هذا.

نتيجةً لدوران نجمين نيوترونيين حول بعضهما البعض، فإن حركة إحدى الكتلتين عبر الزمكان المنحني الناتج عن الكتلة الأخرى تؤدي إلى انبعاث موجات جاذبية، تحمل الطاقة بعيدًا وتتسبب في اضمحلال المدارات. تم اكتشاف أول نظام نجمي ثنائي نيوتروني، حيث يكون على الأقل أحد النجوم النيوترونية نجمًا نابضًا، في عام 1974. وحتى في وقت مبكر مثل عام 1982، كما يُظهر الرسم التخطيطي المدرج، كان من الممكن ملاحظة اضمحلال المدار، بما يتفق مع تنبؤات النسبية العامة.

لدينا أيضًا ما يزيد عن 100 ملاحظة إجمالية لأجسام مدمجة متّحدة من مختبري ليغو وفيغو، بما في ذلك حدث متعدد الرسائل: حيث تمّ اكتشاف موجات الجاذبية والإشعاع الكهرومغناطيسي في تعاقب قصير من بعضهما البعض، مُنبعثين من المصدر نفسه. وعلى الرغم من أن هذا حدث واحد فقط من بين أكثر من 100 حدث — ومن المهم ملاحظة أنّه لم يكن هناك أيّ اندماج آخر لنجم نيوتروني مع نجم نيوتروني آخر رأيناه يمتلك نظيرًا كهرومغناطيسيًا مُشاهَدًا — إلا أنه قد علّمنا بعض المعلومات المهمة بشكل لا يُصدّق.

لقد تعلمنا أن:

• تنتقل الموجات الجاذبية والموجات الكهرومغناطيسية بنفس السرعة، سرعة الضوء، بدقة جزء واحد من 10¹⁵،
• أن الموجات الكهرومغناطيسية تتباطأ بمرورها عبر المادة، بينما لا تتأثر الموجات الجاذبية بذلك،
• أن كلا من الموجات الكهرومغناطيسية والجاذبية يتمدد طول موجتهما بتمدد الكون،
• وأن العدسة الجاذبية والانزياح الأحمر الجاذبي يؤثران على الفوتونات والموجات الجاذبية بنفس الطريقة تمامًا.

بعبارة أخرى، عندما تنتقل الموجات الجاذبية عبر الكون، فإنها تواجه نفس التأثيرات التي تواجهها الفوتونات بسبب النسبية العامة.

يوضح هذا الرسم التوضيحي كيف تنحني الفوتونات حول ثقب أسود بفعل جاذبيته. يختلف حجم ظل الثقب الأسود عن حجم أفق الحدث، وكلاهما يختلفان عن حجم التفرد المركزي، والتي تختلف بدورها عن المسار الذي تسلكه الجسيمات في مدار مستقر حول الثقب الأسود. “الحجم” في هذا السياق له تعريفات متعددة، ولكن جاذبية الثقوب السوداء تؤثر على الفوتونات والموجات الجاذبية بالتساوي وبالطريقة نفسها.

لذا، دعونا الآن نجمع بعض القطع معًا. تحمل الموجات الجاذبية طاقة، ومن المتوقع أن تتصرف – في سياق النسبية العامة – بنفس الطريقة التي تتصرف بها الفوتونات في العديد من الطرق. فكلاهما:

• يختبران الانزياحات الحمراء/الزرقاء النسبية اعتمادًا على قوة المجال الجاذبي، وانحناء الفضاء، والحركات النسبية للمصدر والراصد،
• يتأثر اتجاه انتشارهما بانحراف بسبب وجود أجسام ضخمة،
• يختبران تأثيرات عدسة الجاذبية المتطابقة،
• يحملان الطاقة وتختبران تغيرًا في تلك الطاقة بسبب توسع الكون،
• ويمكنهما إيداع الطاقة (أو عدم إيداعها) في الأجسام التي تمر عبرها/داخلها، اعتمادًا على قوة/اقتران التفاعل.

أما أبرز الاختلافات، فهي ثنائية فقط. أولها أن هذه الموجات تمتلك خاصية تشبه الموتر بدلاً من مجرد خاصية متجهة؛ فهي نوع مختلف جوهرياً من الإشعاع. والثاني أن نظير الإشعاع الكهرومغناطيسي الكمي، وهو الفوتون (spin=1)، معروفٌ ويُعرف وجوده وقد قيست خصائصه. أما نظير الإشعاع الثقالي الكمي، وهو الجرافيتون (spin=2)، فهو مجرد نظرية؛ لم يُقاس قط أو يُكتشف مباشرة.

إنّ الثقب الأسود ليس مجرد كتلة مُطبّقة فوق خلفية معزولة، بل سيُظهر تأثيرات جاذبية تُمدّد، وتُكبّر، وتُشوّه ضوء الخلفية بسبب العدسة الجاذبية. وليس ضوء الخلفية فقط، بل أيضاً الموجات الجاذبية. وإذا عبر أي شيء أفق الحدث، فسيتم ببساطة إضافته إلى الثقب الأسود نفسه.

ومع ذلك، وبغض النظر عن تلك الاختلافات، فإنّ حقيقة أن الموجات الجاذبية تتبع الجيوديسية اللازمة للفضاء المنحني تُعطينا إجابة لا لبس فيها على السؤال الأصلي: عندما تنتشر موجة جاذبية خارجية في منطقة من الفضاء حيث يوجد أفق حدث، ماذا يحدث لتلك الموجات؟

الجواب بسيط: إنها تنتشر بنفس الطريقة التي تنتشر بها أي كميات عديمة الكتلة، متبعة المسار الذي يحدده الفضاء المنحني الذي تنتشر خلاله. إذا أخذَك هذا المسار بالقرب من أفق الحدث للثقب الأسود، فستختبر جميع الظواهر النسبية “الطبيعية” (الانزياح الأحمر/الأزرق، تمدد الزمن/انكماش الطول، جر الإطار، إلخ)، لكنك ستظل قادرًا على الهروب طالما لم تعبر أفق الحدث.

ولكن إذا عبرته، فلا يوجد سوى خيار واحد: ستسقط لا محالة نحو التفرد المركزي، وعند عبور عتبة أفق الحدث، ستضاف طاقتك وزخمك الزاوي – وكلاهما يجب أن يمتلكهما الموجات الجاذبية فيما يتعلق بالثقب الأسود – إلى الثقب الأسود نفسه. بعبارة أخرى، تنمو الثقوب السوداء من ابتلاع كل ما تصادفه، وتساعد الموجات الجاذبية على حدوث ذلك.

في محيط الثقب الأسود، يتدفق الفضاء مثل ممشى متحرك أو شلال، حسبما تريد تصوّره. عند أفق الحدث، حتى لو ركضت (أو سبحت) بسرعة الضوء، فلن يكون هناك ما يتغلب على تدفق الزمكان، الذي يسحبك إلى التفرد في المركز. ومع ذلك، خارج أفق الحدث، يمكن للقوى الأخرى (مثل الكهرومغناطيسية) غالبًا التغلب على جاذبية الجاذبية، مما يتسبب في هروب حتى المادة الساقطة.

على الرغم من كون الموجات الثقالية منتشرة على نطاق واسع ومتولدة في جميع أنحاء المجرة والكون، إلا أن الواقع أن المساحة المقطعية لأفق الحدث للثقب الأسود ضئيلة للغاية، حتى بالنسبة لأكبر الثقوب السوداء، بحيث أن كمية الطاقة المضافة من امتصاص الموجات الثقالية ضئيلة تمامًا. يتجاوز سقوط المادة العادية، والمادة المظلمة، والنيوترينوات، وحتى الإشعاع الكهرومغناطيسي العادي، بكثير مكاسب الطاقة من الإشعاع الثقالي الوارد. وباختصار، لا يوجد ما يكفي منه في الكون لإحداث تغيير كبير في الكمية الإجمالية للكتلة/الطاقة في ثقب أسود.

ولكن هذا يحدث. فأمواج الجاذبية، شأنها شأن أي شيء آخر يسقط في ثقب أسود، يجب أن تُطبع على سطح الثقب الأسود، حفاظاً على المعلومات، بينما تُمتص الطاقة والزخم الزاوي في الثقب الأسود، حفاظاً على تلك الكميات أيضاً. وفي كل مرة تعبر إحدى هذه “تموجات الزمكان” ثقبًا أسود، يُمتص جزء صغير من طاقتها. وهو جزء ضئيل، لأن أمواج الجاذبية تنتشر في كرة من المصدر، ولا يعمل سوى “قرص” صغير يتناسب مع مساحة أفق الحدث على امتصاصها، ولكن أي تأثير غير صفري لا يزال يُحسب. عسى أن يأتي اليوم الذي نكون فيه بارعين بما يكفي لقياسه!

إيثان في إجازة هذا الأسبوع. نرجو أن تستمتعوا بـ هذه المقالة من أرشيف “يبدأ بانفجار”!