🏂🏾 👩‍💻 ⛲️ اسأل إيثان رقم 15: أكبر الثقوب السوداء في الكون 🛩️ 🥁 🔭

عندما ننزل إلى الهاوية ، نتعلم كنوز الحياة. حيث تتعثر هناك ستجد جوهرك.
- جوزيف كامبل

يسأل القارئ:

بمراقبة الكوازارات البعيدة ، نرى ثقوبها السوداء الهائلة تزن 10 ⁹ شمسيًا. كيف تمكنوا من الوصول إلى هذا الحجم في مثل هذا الوقت القصير؟

هذه المشكلة أكثر تعقيدًا مما تبدو للوهلة الأولى. عليك أن تبدأ بالفيزياء الفلكية.

قد تعرف بالفعل أن النجوم تأتي بأحجام وألوان مختلفة ، مع عمر مختلف وكتل مختلفة ، وأن جميع هذه الخصائص مرتبطة ببعضها البعض. كلما كان النجم أكبر ، كلما كان جوهره أكبر ، حيث يحترق وقوده ، وفقًا لمبادئ الاندماج النووي. وهذا يعني أن النجوم الأكثر ضخامة تحترق بشكل أكثر سطوعًا ، وفي درجات حرارة أعلى ، يكون لها نصف قطر أكبر ، كما أنها تحترق بشكل أسرع.

إذا كان النجم ، مثل شمسنا ، يمكن أن يستغرق أكثر من عشرة مليارات سنة لحرق كل وقوده في القلب ، عندها يمكن أن تكون النجوم أضخم بعشرات أو حتى مئات المرات من شمسنا ، وبدلاً من مليارات السنين ، يمكنها تجميع كل الهيدروجين في القلب إلى الهليوم في عدة ملايين ، وفي بعض الحالات ، حتى أكثر من مئات الآلاف من السنين.

ماذا يحدث للنواة عندما تحرق وقودها؟ وتجدر الإشارة إلى أن الطاقة المنبعثة خلال هذه التفاعلات هي الشيء الوحيد الذي يحمل النواة ضد قوة الجاذبية الضخمة ، والتي تعمل باستمرار لضغط كل المادة في النجم إلى أصغر حجم ممكن. عندما تتوقف تفاعلات الاندماج هذه ، ينكمش القلب بسرعة. سرعة الضغط مهمة لأنه إذا ضغطت المادة ببطء ، فستظل درجة الحرارة ثابتة ، ولكنها ستزيد الإنتروبيا ؛ وإذا ضغطته بسرعة ، فسيكون الإنتروبيا ثابتًا وستزداد درجة الحرارة.

في حالة النجوم الضخمة ، تعني زيادة درجة الحرارة أن النجم يمكن أن يبدأ في تركيب المزيد والمزيد من العناصر الثقيلة ، بدءًا من الهيليوم ، مروراً بالكربون ، والنيتروجين ، والأكسجين ، والنيون ، والمغنيسيوم ، والسيليكون ، والكبريت ، وأخيراً يقترب من الحديد والنيكل و الكوبالت. لاحظ أن هذه العناصر تتشكل مع زيادة في العدد النووي بمقدار 2 ، بسبب حقيقة أن الهيليوم يتحد مع العناصر الموجودة. وعندما تصل إلى الحديد والنيكل والكوبالت ، فإن العناصر الأكثر ثباتًا ، يصبح المزيد من التوليف مستحيلًا ، وتنفجر النواة إلى الخارج ، وتتحول إلى مستعر أعظم من النوع 2.

إذا لم يحدث هذا في نجم ضخم جدًا ، فستحصل على نواة نجم نيوتروني. وإذا كنت تأخذ نجمًا أكثر ضخامة ، مع قلب أثقل ، فلن يتحمل الجاذبية ويخلق ثقبًا أسود بداخله. من المرجح أن يؤدي النجم الذي يتراوح بين 15 و 20 ضعفًا من حجم الشمس إلى إحداث ثقب أسود في المركز بعد وفاته. والمزيد من النجوم الضخمة ستخلق ثقوبًا سوداء أكبر. يمكنك أن تتخيل عددًا كبيرًا من النجوم الضخمة إلى حد ما ، والتي تولد منها الثقوب السوداء الموجودة في مساحة محدودة. ثم تتحد هذه الثقوب السوداء مع الوقت ، أو تتحد الثقوب السوداء معًا وتلتهم المادة النجمية والنجومية ، والتي تحدث أيضًا وفقًا لملاحظاتنا.

لسوء الحظ ، لا يحدث هذا بسرعة بحيث تتزامن مع ملاحظاتنا. ترى ، إذا أصبح النجم ضخمًا جدًا ، فلن يظهر ثقب أسود بداخله! إذا لاحظنا النجوم بكتلة 130 شمسيًا ، فإن الأجزاء الداخلية للنجوم تصبح ساخنة جدًا وتحتوي على الكثير من الطاقة بحيث يمكن للجسيمات عالية الطاقة التي تظهر هناك أن تشكل أزواجًا من المادة المضادة في شكل بوزيترونات وإلكترونات. للوهلة الأولى ، هذه ليست مشكلة كبيرة ، لكن تذكر ما يحدث في نوى هذه النجوم: كل ما يمنعها من الانهيار هو الضغط الذي يمارس من الداخل من خلال دراسة الاندماج النووي. وعندما تبدأ أزواج الإلكترونات والبوزيترونات في الظهور ، يتم استبعادها من الإشعاع الحالي ، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط على النواة من الداخل.تبدأ مثل هذه الأشياء بالفعل بنجوم تزن 100 من الطاقة الشمسية ، ولكن إذا وصلت إلى كتلة 130 من الطاقة الشمسية ، فإن الضغط ينخفض كثيرًا لدرجة أن النجوم تبدأ في الانهيار - وبسرعة كبيرة!

يسخن القلب ، ويحتوي على عدد كبير من البوزيترونات ، التي تقضي على المادة العادية وتنتج إشعاع غاما ، والذي يسخن القلب. في النهاية ، تحصل على شيء مفعم بالحيوية لدرجة أنه يمزق النجم بأكمله إلى أشلاء ، بطريقة مشرقة وجميلة للغاية. لذلك اتضح وجود مستعر أعظم من أزواج غير مستقرة. هذا لا يدمر الطبقات الخارجية للنجم فحسب ، ولكن أيضًا النواة نفسها ، وبعد هذا الانفجار لم يبق شيء على الإطلاق!

حتى من دون مراعاة الثقوب السوداء الكبيرة بما يكفي التي تشكلت بسرعة في عالمنا ، لا يزال بإمكاننا الحصول على ثقوب سوداء هائلة - مثل تلك الموجودة في مركز مجرتنا. وفقًا لمدارات النجوم التي تدور حولها ، فإن كتلتها هي عدة ملايين من الكتل الشمسية.

ولكن بهذه الطريقة ، من المستحيل الحصول على ثقوب سوداء تزن مليارات الكتل الشمسية ، مثل تلك الموجودة في المجرة البعيدة تمامًا Messier 87.

ما يطلبه القارئ هو الثقوب السوداء الهائلة التي تزن عدة مليارات من الكتل الشمسية. وتظهر مع انزياح أحمر كبير ، مما يشير إلى أنها كانت كبيرة جدًا لفترة طويلة جدًا.

قد تعتقد أنه منذ البداية كانت هناك بالفعل ثقوب سوداء ضخمة في الكون ، لكن هذا لا يتوافق مع ما نعرفه عن الكون الشاب من القوة الطيفية للمادة ومن الإشعاع الكوني للخلفية. بغض النظر عن مصدر هذه الثقوب السوداء الهائلة ، فمن غير المحتمل أنها كانت هنا منذ البداية - ولكن الآن يمكن العثور عليها حتى في المجرات الصغيرة جدًا!

لذا ، إذا كانت النجوم العادية لا تستطيع إنتاج مثل هذه الثقوب السوداء ، ولم يولد الكون معهم ، فمن أين أتوا؟

اتضح أن النجوم يمكن أن تكون أكبر من تلك التي تحدثنا عنها بالفعل. وعندما تصل إلى الجماهير الضخمة ، يظهر أمل جديد. لنرجع إلى النجوم الأولى التي تكونت في الكون من هيدروجين وهليوم ما قبل التاريخ - الغازات التي كانت موجودة آنذاك ، بعد بضعة ملايين من السنين فقط من الانفجار العظيم.

هناك الكثير من الأدلة التي تشير إلى أنه في ذلك الوقت تشكلت النجوم في مناطق كبيرة - ليس مثل مجموعات النجوم الحالية في مجرتنا التي تحتوي على عدة مئات أو آلاف النجوم. ثم احتوت مجموعات كبيرة على ملايين أو أكثر من النجوم. إذا نظرنا إلى أقرب وأكبر منطقة لتشكيل النجوم في سديم تارانتولا ، الموجود في سحابة ماجلان الكبيرة ، يمكننا أن نفهم ما يحدث.

يبلغ طول هذه المنطقة من الفضاء 1000 سنة ضوئية. يوجد في وسطها منطقة ضخمة حيث تتشكل النجوم الجديدة - R136. يحتوي على نجوم جديدة يبلغ مجموع كتلتها حوالي 450.000 كتلة شمسية. هذا المجمع نشط ، وتتكون نجوم ضخمة جديدة هناك. وفي وسط المنطقة الوسطى ، يمكنك اكتشاف شيء فريد حقًا: أضخم النجوم المعروفة في الكون!

أكبر نجم في المنطقة أثقل بـ 265 مرة من الشمس ، وهذه ظاهرة رائعة للغاية. تذكر أني تحدثت عن أزواج غير مستقرة في المستعرات الأعظمية ، وكيف تدمر نجومًا أثقل من 130 كتلة شمسية ولا تترك ثقوبًا سوداء وراءها. تعمل هذه الصيغة حتى لحظة معينة - فقط للنجوم التي تزيد كتلتها عن 130 شمسية ، ولكن أقل من 250 شمسية. وإذا زادت الكتلة أكثر ، فسوف نتلقى إشعاع غاما بهذه القوة بحيث يحدث تفاعل نووي ضوئي - عندما تبرد أشعة غاما الجزء الداخلي من النجم ، وتطرد النوى الثقيلة وتحولها إلى ضوء.

إذا كانت كتلة النجم أكثر من 250 كتلة شمسية ، فسوف ينهار بالكامل إلى ثقب أسود. يمكن للنجم بكتلة 260 كتلة شمسية إنشاء ثقب أسود بكتلة 260 شمسية. سيؤدي النجم المكون من 1000 كتلة شمسية إلى إنشاء ثقب أسود بكتلة 1000 كتلة شمسية. وبما أننا نستطيع صنع نجوم ذات كتل ضخمة في الزاوية المعزولة من الكون ، يمكننا صنع هذه الأجسام في وقت كان فيه الكون صغيرًا. وعلى الأرجح قمنا بعمل عدد كبير إلى حد ما من هذه الأشياء - ومع ذلك سيتم دمجها.

وإذا كان من الممكن إنشاء منطقة تم فيها تشكيل ثقب أسود ضخم يتكون من عدة آلاف من الكتل الشمسية على بعد بضعة ملايين أو عشرات الملايين من السنين بعد الانفجار العظيم ، فإن التوحيد السريع والتراكم لهذه المناطق حيث تتكون النجوم ، يشير إلى أن هذه تتحد الثقوب السوداء الكبيرة بشكل فريد مع بعضها البعض. بعد وقت قصير ، شكلوا ثقوبًا سوداء أكبر وأكبر في مراكز هذه المناطق ، والتي تحولت بعد ذلك إلى أول مجرات عملاقة للكون.

يمكن أن يقودنا هذا النمو ، مع مرور الوقت ، بسهولة إلى تقديرات متواضعة للثقوب السوداء التي تزن عدة مئات من ملايين الشمس ، والتي يمكن أن تنتجها مجرة بحجم درب التبانة. من السهل أن نتخيل أن المجرات الأكثر ضخامة والتأثيرات غير الخطية يمكن أن تزيد الكتل المحتملة للثقوب السوداء إلى مليارات الكتل الشمسية دون أي مشاكل. وعلى الرغم من أننا لا نعرف على وجه اليقين ، ولكن بقدر ما يمكننا أن نحكم من المعرفة التي لدينا ، هذه هي الطريقة التي تظهر بها الثقوب السوداء الهائلة.

اسأل إيثان رقم 15: أكبر الثقوب السوداء في الكون

More articles: