الجزيرة نت تحاور علماء مرصد ليغو: سمعنا رنين الثقب الأسود

في خطوة فارقة في علم الفلك، أعلن فريق التعاون العلمي لمرصد "ليغو" في الولايات المتحدة، ومعه شركاء من "فيرجو" في إيطاليا و"كاجرا" في اليابان، عن رصد أقوى إشارة على الإطلاق لاندماج ثقبين أسودين هائلين.

نشر الباحثون نتائجهم في دراسة حديثة في دورية "فيزيكال ريفيو ليترز"، حيث أشاروا للحدث باسم "جي دبليو 250114".

ويقول إبراهيم أبو الفتوح، الباحث المتخصص في الرصد في ليغو/هانفورد، والمشارك في الدراسة، في تصريحات حصرية للجزيرة نت: "جي دبليو 250114 هو أوضح اندماج لثقبين أسودين تم رصده حتى الآن. قوة الإشارة بلغت ضِعف أقوى حدث مرصود سابقا".

ويضيف: "هذا يعني أننا نستطيع أن نثق بالبيانات حتى في الأجزاء التي عادة ما تكون خافتة، وأن نختبر تفاصيل دقيقة لم يكن ممكنا الوصول إليها من قبل".

سجّل هذا الحدث الكوني العملاق قوة استثنائية في البيانات المسجلة لدى الفريق، وفتح الباب أمام اختبارات غير مسبوقة لنظريات عمالقة الفيزياء الفلكية، مثل أينشتاين وستيفن هوكينغ قبل نصف قرن.

قبل أكثر من 100 عام، صاغ ألبرت أينشتاين نظريته المعروفة باسم "النسبية العامة" (غيتي)أينشتاين واضطراب نسيج الزمكان

قبل أكثر من 100 عام، صاغ ألبرت أينشتاين نظريته المعروفة باسم "النسبية العامة" التي غيّرت فهم البشرية للجاذبية، متنبئا بوجود ما تُعرف باسم "الموجات الثقالية"، أي تموجات دقيقة في نسيج المكان والزمان تنشأ من الأحداث الكونية الضخمة والعنيفة. لكن هذه الموجات كانت ضعيفة للغاية، بحيث ظلت مجرد فكرة نظرية لعقود.

لتوضيح الصورة، يشبّه العلماء النسيج الكوني أو نسيج الزمكان ببحيرة هادئة تُلقى فيها صخرة. عند سقوط تلك الصخرة، تنتشر التموجات عبر سطح البحيرة، وتمتد رغم الضوضاء الناتجة عن الرياح والقوارب والمحتويات المختلفة لتلك البحيرة حتى تصل إلى الشاطئ.

بالطريقة نفسها، يرسل اندماج ثقبين أسودين (كأنه سقوط صخرة) تموجات عبر نسيج الزمكان (كأنه سطح البحيرة)، ويعمل مرصد ليغو مثل الشاطئ الذي تلتقط حساسيته الهائلة هذه الإشارات.

إعلان

في عام 2015، كان العالم على موعد مع حدث تاريخي هو الأول من نوعه، إذ سجل مرصد ليغو في الولايات المتحدة أول كشف مباشر لموجات ثقالية ناتجة عن اندماج ثقبين أسودين. ومنذ ذلك الحين، دخل علم الفلك "الموجي" حقبة جديدة، تُعرف اليوم بـ"علم الفلك الموجي الثقالي" نسبة لهذا النوع تحديدا من الإشارات وأهميته.

واليوم، وفي ذكرى مرور 10 سنوات على الاكتشاف الأول واحتفال المرصد بذلك، يقدم حدث "جي دبليو 250114" أقوى إشارة على الإطلاق، ليس فقط كتأكيد على صحة النسبية العامة، بل كمنصة لاختبار أعمق الأفكار عن طبيعة الثقوب السوداء وقوانينها الأساسية.

تقول آمبر سترانك، مديرة التعليم والتواصل بمرصد ليغو/هانفورد والمشاركة في الدراسة، في تصريحات حصرية للجزيرة نت: "الموجات التي نقيسها صغيرة جدا، من رتبة ‎10⁻¹⁹ أمتار، أي أصغر من حجم البروتون (جسيم متناهي الصغر داخل نواة الذرة) بـ10 آلاف مرة. ومع ذلك، بفضل تقنية المرايا المعلقة داخل فراغات ليغو بالغة الحساسية، يمكننا رصدها وسط كل هذا الضجيج".

مرصد ليغو يتكون من ذراعين متعامدين، طول كل واحد منهما 4 كيلومترات (رويترز)من القاهرة إلى مرصد ليغو

يتكون مرصد ليغو من ذراعين متعامدين، طول كل واحد منهما 4 كيلومترات. يطلق المرصد الليزر منقسما إلى نصفين، نصف يسير في الذراع الأولى إلى مدينة هانفورد في ولاية واشنطن، والآخر في الثانية إلى مدينة ليفنغستون في ولاية لويزيانا الأميركية. عند عودتهما يلتقيان من جديد، وإذا لم يتعرض أي منهما لأي اضطراب، يلغي أحدهما الآخر.

لكن عند مرور موجة ثقالية كونية، فإنها تشدّ الزمكان في اتجاه وتضغطه في الاتجاه العمودي، مما يغيّر طول أحد شعاعي الليزر في الذراعين بمقدار ضئيل جدا. هذا الفرق الدقيق يظهر في نمط الضوء العائد، إذ لا يلغي الشعاعين بعضهما البعض، فيكشف حدوث الاضطراب.

يعمل الفيزيائي المصري الشاب أبو الفتوح في ليغو/هانفورد، ويقول عن تجربته في هذا الصرح العلمي: "نشأتُ في القاهرة، ودرستُ الفيزياء في جامعة كاليفورنيا، بيركلي. ثم انضممتُ إلى معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا – ليغو عام 2022 كأخصائي كواشف".

ولأن الإشارة الناتجة عن الاندماج ضعيفة للغاية، صمّم العلماء المرصد ليكون شديد العزل عن أي ضوضاء، ومع ذلك، يرصد ليغو يوميا "ضجيجا" هائلا. لذلك، يستخدم الباحثون خوارزميات دقيقة للتفرقة بين هذه الضوضاء عن الموجات الحقيقية القادمة من أعماق الكون.

يقول أبو الفتوح: "مع أن عملي لا يرتبط مباشرة بتحليل هذا الحدث، فإنني واحد من نحو 15 مُشغّلا ومهندسا يحافظون على مقاييس التداخل مُغلقة ومُراقبة، وذلك لإتاحة هذه الاكتشافات، واستكشاف الأخطاء وإصلاحها، وإعداد الترقيات، وما إلى ذلك".

يستخدم مرصد ليغو كتلة من زجاج السيليكا المُنصهر في مرحلتيه الأخيرتين لتخفيف أكبر قدر ممكن من الضوضاء الحرارية، مما يُهيئ ظروفا منخفضة الضوضاء اللازمة ليصبح المرصد بمنزلة أدق "أذن" تطل وتنصت بعناية للفضاء السحيق من حولنا، لتسمع وتلتقط تموجات نسيج الزمكان.

يقول أبو الفتوح: "أعمل أيضا مدربا على لحام الألياف الزجاجية بالليزر، وهي تقنية طوَّرتها جامعة غلاسكو، نستخدم فيها أسلاكا من زجاج السيليكا المُنصهر (نعم، أسلاك زجاجية) لتكون المرحلة النهائية لتعليق كتل الاختبار الحديثة لدينا".

الثقوب السوداء أشبه بوحوش كونية حيث تتميز بكتلة وجاذبية هائلة (معهد مورغريدج للأبحاث)معزوفة الوحوش

الثقوب السوداء أشبه بوحوش كونية، حيث تتميز بكتلة وجاذبية هائلة. حين يندمج ثقبان أسودان، يتشكل ثقب أسود جديد يبدأ بالاهتزاز. هذه المرحلة تتسبب فيما يعرف بالرنين، وهي المفتاح لمعرفة خصائص الثقب الجديد.

إعلان

لفهم رنين الثقب الأسود، تخيل آلات موسيقية كونية عملاقة. لكل آلة صوت فريد يحدده شكلها وخصائصها المادية، فصوت الجرس يختلف عن صوت الطبلة أو الجيتار. لكن يعتمد الصوت أيضا على كيفية اضطراب الآلة، فضرب الطبلة بعصا ينتج صوتا مختلفا عن ضربها بفرشاة أو باليد.

يشرح ماكسيميليانو إيزي، الأستاذ المساعد في علم الفلك بجامعة كولومبيا، والباحث المشارك في معهد فلاتيرون الأميركي، والمشارك في الدراسة في تصريحات حصرية للجزيرة نت: "الثقب الأسود بأنه يشبه شوكة رنانة، له نغمة أساسية ونغمات فرعية".

ويضيف أن "القوانين الرياضية لثقوب كير تقول إن هذه النغمات لا تحددها إلا كتلته ودورانه. ما رصدناه في ’جي دبليو 250114‘ هو أوضح دليل حتى الآن على وجود نغمتي رنين في ثقب أسود، مما يسمح لنا باختبار إذا ما كان يتبع حقا وصف ‘كير’ المثالي".

هذه النتيجة تمثل أوضح وأقوى اختبار تجريبي قوي لفرضية "كير"، التي تنص على أن الثقوب السوداء يمكن وصفها ومعرفة خصائصها بالكامل عند معرفة كتلتها ودورانها فقط. إذ لا يمكن لثقوب "كير" السوداء إصدار أصوات إلا بترددات ومدد معينة، تحددها كتلتها وسرعة دورانها بشكل فريد.

كما أن من أهم إنجازات الدراسة اختبار قانون مساحة الثقوب السوداء لستيفن هوكينغ، الذي ينص على أن مساحة أفق الحدث للثقب الأسود الناتج عن اندماج لا يمكن أن تنقص أبدا، إما أن تبقى كما هي أو تزيد.

يقول مارتن هندري، أستاذ الفيزياء الفلكية الجاذبية وعلم الكونيات في جامعة غلاسكو الأميركية، والمشارك في الدراسة، في بيان تمت مشاركته مع الجزيرة نت: "لقد أثبت حدث ’جي دبليو 250114‘ أن المساحة الكلية لأفق الحدث بعد الاندماج أكبر من مجموع مساحتي الثقبين الأوليين"

ويضيف أن "وضوح وقوة الإشارة الصادرة عن ’جي دبليو 250114‘ يُمكّن من توصيف ‘رنين’ الثقب الأسود بدقة فائقة حتى الآن. فعندما يُضطرب ثقب أسود دوار (كما يحدث عند ولادته في أثناء اندماج ثقبين أسودين)، فإنه يهتز كجرس أو طبلة، مُصدرا ‘صوتا’ جاذبيا فريدا سرعان ما يتلاشى".

استخدم الباحثون إشارة "جي دبليو 250114" لعزل "رنين" الثقب الأسود الناتج عن الاندماج بعناية (أي موجة الجاذبية المنبعثة منه)، وتمكنوا من التأكد من مطابقته لنمط "أصوات" ثقب كير الأسود. ويضيف هندري أن "رنين الثقب الأسود النهائي يحمل جميع المعلومات اللازمة لقياس مساحته".

يضيف إيزي أن "الحدث بلا شك يؤكد صحة النسبية العامة. لكن الأهم هو أننا بتنا قادرين على اختبار أكثر الأفكار جرأة في الفيزياء، أفكار كانت محصورة في الرياضيات فقط. الآن يمكننا أن نسمع ‘موسيقى’ الثقوب السوداء، ونحلل أنماطها، ونبحث عن أي اختلاف قد يكشف عن فيزياء جديدة".

بهذا، انتقل قانون هوكينغ من كونه مبدأ رياضيا تخيليا إلى حقيقة مثبتة تجريبيا بفضل هذا الحدث. هذا النجاح لم يكن ليتحقق لولا جهود آلاف العلماء والمهندسين.

من جهته، يصف رئيس مرصد ليغو/هانفورد، مايك لاندري، التحديات في تصريحات حصرية للجزيرة نت: "كل تفصيل صغير في ليغو يحدث فرقا هائلا. حتى خطوات شخص بالقرب من المرصد يمكن أن تطغى على الإشارة. لهذا نُبقي المرايا معلّقة في فراغات ضخمة، ونراقب الاهتزازات الأرضية والهوائية بدقة بالغة. رؤية إشارة قوية مثل ’جي دبليو 250114‘ هو تتويج لهذا الجهد".

الاكتشافات ركزت حتى الآن على اندماج الثقوب السوداء (رويترز)ما بعد أينشتاين

حتى الآن ركزت الاكتشافات على اندماج الثقوب السوداء، لكن يتطلع العلماء إلى تجاوز الثقوب السوداء ورصد اندماج النجوم النيوترونية، التي لا تولد موجات ثقالية فحسب، بل تولد إشارات ضوئية أيضا. حينها يمكن للفيزيائيين الجمع بين ما "نسمعه" عبر الأنماط الرنينية للموجات الثقالية، وما "نراه" بالتلسكوبات.

إعلان

لهذا يجري العمل على مشاريع مستقبلية مثل "ليزا"، وهو مرصد فضائي سيطلق عام 2037 لرصد الترددات المنخفضة. وكذلك "كوزميك إكسبلورر" وهو كاشف أرضي بأذرع طولها 40 كيلومترا، وأكثر حساسية بـ10 مرات من مرصد ليغو الحالي. وأخيرا، مصفوفات التوقيت النابضي، التي ستراقب النابضات (أي النجوم النيوترونية السريعة) لاكتشاف موجات ثقالية منخفضة التردد.

لكن تلك الجهود هائلة وتحتاج إلى كثير من الوقت والتعاون، فقد ضمت الورقة العلمية حول حدث "جي دبليو 250114" -على سبيل المثال- مئات الأسماء لباحثين ومتخصصين من أكثر من 100 مؤسسة من مختلف أنحاء العالم. ويوضح أبو الفتوح أن "هذا الاكتشاف لم يكن ليتحقق من دون التعاون الدولي. فهناك من يصمم الليزر، وآخرون يطورون الخوارزميات ويحللون البيانات. كل شخص له دور في هذه الرحلة".

حدث "جي دبليو 250114" يعد قفزة علمية حقيقية تثبت أن تطوير حواسنا كالسمع والبصر بالمراصد المختلفة سيفتح نافذة على أعماق كونية لم تُستكشف من قبل. لقد استمع العلماء إلى "سيمفونية" اندماج ثقوب سوداء، وأثبتوا أن القوانين الرياضية التي وضعها هوكينغ وأينشتاين ليست فقط صحيحة، بل قابلة للرصد التجريبي المباشر.

يختتم هندري: "نحن الآن لا نكتفي بالنظر إلى الكون، بل نستمع إليه أيضا. وهذه البداية فقط".

المصدر: الجزيرة