الانفجار الأعظم والثقوب السوداء

نظريّة الانفجار الأعظم

انزياح طيف المجرّات نحو الأحمر يدلّ على أنّ المجرّات تبتعد عن بعضها، فالفضاء الكونيّ يتمدّد كبالونٍ يُنفخ، الكتاب، الصفحة 247. ويقول الكتاب «كلّ المجرّات»، والمقصود المجرّات البعيدة: فبعض المجرّات القريبة، كمجرّة المرأة المسلسلة، تقترب منّا. ومن أكثر النظريّات قبولاً نظريّة الانفجار الأعظم: نشأ الكون قبل نحو $\mathrm{1<!--\; -->3<!--\; -->.<!--\; -->8}$ مليار سنة، وكان في تلك اللحظة نقطةً منفردة صغيرة جدّاً ذات كثافةٍ عالية جدّاً من المادّة والحرارة، ثمّ حدث الانفجار الأعظم، فتشكّلت الجسيمات الأوّليّة، ثمّ الذرّات والجزيئات والغبار الكونيّ، فالنجوم والمجرّات، واستمرّ الكون في التوسّع حتّى اليوم.

الأسس الفيزيائيّة لنظريّة الانفجار الأعظم، الكتاب، الصفحة 247: 1. الانزياح نحو الأحمر لطيف المجرّات. 2. وجود تشويشٍ ضعيف لموجاتٍ راديويّة قادمة بشكلٍ منتظمٍ تماماً من جميع اتّجاهات الكون، وبالشدّة نفسها، هي بقايا إشعاع الانفجار الأعظم. 3. وجود كمّيّاتٍ هائلة من الهيدروجين والهيليوم في النجوم: كمّيّة الهيليوم في شمسنا أكبر بثلاثة أضعاف ممّا يمكن أن يتولّد من اندماج الهيدروجين في قلبها، وهذا يستدعي مصدراً آخر درجة حرارته أعلى بكثير، هو الدقائق الأولى من بدء الانفجار الأعظم.

المجرّات

المجرّة نظامٌ كونيّ مكوّن من تجمّعٍ هائل من النجوم والغبار والغازات التي ترتبط معاً بقوى تجاذبٍ متبادلة، وتدور حول مركزٍ مشترك. ويقدّر العلماء أنّ هناك حوالي ${\mathrm{1<!--\; -->0}}^{\mathrm{1<!--\; -->0}}$ إلى ${\mathrm{1<!--\; -->0}}^{\mathrm{1<!--\; -->2}}$ مجرّة تقريباً في الكون المنظور، وأبعد مجرّاتٍ تمّ تصويرها تبعد حوالي $\mathrm{1<!--\; -->0}$ إلى $\mathrm{1<!--\; -->3}$ مليار سنة ضوئيّة. والمجرّات القزمة لا يتعدّى عدد نجومها ${\mathrm{1<!--\; -->0}}^7$ نجم، والعملاقة تحتوي أكثر من ${\mathrm{1<!--\; -->0}}^{\mathrm{1<!--\; -->2}}$ نجمة. ومجرّتنا درب التبّانة فيها أكثر من $2\times {\mathrm{1<!--\; -->0}}^{\mathrm{1<!--\; -->1}}$ نجم، ويقدّر العلماء قطرها بحوالي $\mathrm{1<!--\; -->0<!--\; -->0}$ ألف سنة ضوئيّة، وفيها المجموعة الشمسيّة. الكتاب، الصفحة 248.

سرعة الإفلات

قوّة التجاذب الكتليّ بين جسمين تتناسب طرداً مع كتلتيهما، وعكساً مع مربّع البعد بينهما، وفق قانون نيوتن. ولكي يفلت جسمٌ مقذوف من سطح الأرض نحو الأعلى من جاذبيّتها وينطلق في الفضاء، بإهمال مقاومة الهواء، يجب إعطاؤه طاقةً حركيّة تكفي للتغلّب على طاقة الجذب الكامنة له، الكتاب، الصفحة 249:

حيث $v$ سرعة الإفلات من الأرض، وتسمّى السرعة الكونيّة الثانية ونرمز لها أيضاً $v_2$، و$G$ ثابت التجاذب العالميّ، و$M$ كتلة الأرض، و$r$ نصف قطرها. والسرعة الكونيّة الأولى هي السرعة المداريّة التي تجعل الجسم يدور ضمن مدارٍ حول الجسم الجاذب، الكتاب، الصفحة 249. عندها تساوي قوّة الجذب القوّة الجاذبة المركزيّة، ${\displaystyle \frac{m{v}_1^2}{r}}=G{\displaystyle \frac{mM}{r^2}}$، ومنها العلاقة التي يطلبها الكتاب، الصفحة 253:

انتبه: 🚨 كتلة الجسم المفلت $m$ تختصر من الطرفين: سرعة الإفلات من سطح جسمٍ جاذبٍ كتلته أكبر بكثير لا تتعلّق إلّا بكتلة هذا الجسم ونصف قطره.

الثقوب السوداء

تذكّر: «كلّما نقصَ نصفُ قطرِ الجسمِ الجاذبِ وزادَت كثافتُه، ازدادَت سرعةُ الإفلاتِ اللّازمةُ للتّحرُّرِ من سطحِه.» الكتاب، الصفحة 250.

والمقصود جسمٌ كتلته ثابتة ينكمش فيصغر نصف قطره. وبما أنّه لا يمكن لأيّ جسمٍ أن تتجاوز سرعته سرعة الضوء في الخلاء، فيكفي أن يكون نصف قطر الجسم الجاذب كما في العلاقة الآتية كيلا يمكن لأيّ جسمٍ الإفلات منه، حتّى الضوء، فيسمّى الثقب الأسود، الكتاب، الصفحة 250:

هذا حسابٌ بقوانين نيوتن، والعلاقة نفسها تثبتها النظريّة النسبيّة العامّة. ويسمّى نصف القطر الذي يحقّق هذه العلاقة نصف قطر شفارتزشيلد، وتسمّى الحدود التي لا يمكن بعدها الإفلات من الجاذبيّة أفق الحدث. فالثقب الأسود حيّزٌ كثافته هائلة، له قوّة جاذبيّة جبّارة يستحيل على أيّ شيءٍ الإفلات منها، حتّى أشعّة الضوء، لذا تبدو هذه المنطقة غير مرئيّة في الفضاء. الكتاب، الصفحة 250.

رصد الثقوب السوداء

كيف يجذب الثقب الأسود الضوء؟ ليس للضوء كتلةٌ سكونيّة، لكنّ له طاقةً تكافئ كتلةً تعطى بالعلاقة $E=m{c}^2$، كما في النسبيّة الخاصّة. وكيف يُرصد الثقب الأسود وهو لا يُرى؟ الكتاب، الصفحة 251، يذكر ثلاث طرق: 1. سلوك الأجسام المجاورة: تُدرس الحركات غير المتوقّعة للنجوم أو الغبار أو الغازات المحيطة بالأماكن غير المرئيّة. 2. الانبعاث الإشعاعيّ: تدور النجوم المجاورة والأجسام حول الثقب الأسود فترتفع حرارتها إلى ملايين الدرجات، وتنبعث منها أشعّةٌ سينيّة ترصدها مراصد الأشعّة السينيّة. 3. تأثير عدسة الجاذبيّة: وفق النظريّة النسبيّة العامّة تُحدث الجاذبيّة انحناءً في الفضاء، فضوء النجوم أو المجرّات الذي يمرّ بجوار ثقبٍ أسود ينحني، فتبدو في غير أماكنها. وقد أُعلن رسميّاً عن أوّل صورةٍ حقيقيّة لثقبٍ أسود في 10 نيسان 2019.