كيف تتبخر الثقوب السوداء؟

[حكم مصارعه]

لا شيء يبقى للأبد، حتى الثقوب السوداء (black holes)، فبحسب ستيفن هوكينغ Stephen Hawking، ستتبخر الثقوب السوداء على مدى فترات طويلة من الزمن؛ لكن، كيف يحصل هذا بالضبط ؟

الممثل ستيفن هوكينغ معروف أكثر بظهوره في أحد الأدوار الثانوية في مسلسل فيوتشوراما Futurama ومسلسل ستار تريك Star Trek، وعندما تعلم أنه أيضا عالم فيزياء فلكية نظرية ربما تتفاجئ. هل يوجد أي شيء لا يستطيع هذا الرجل فعله؟

واحدة من أكثر النظريات التي جاء بها سحرًا، هي أن الثقوب السوداء "المكانس الكونية" يمكن أن تتبخر على مدى فترات طويلة من الزمن؛ إذ تشير نظرية الكم (Quantum theory) إلى وجود جسيمات افتراضية تأتي إلى حيز الوجود وتختفي في كل لحظة، يحصل هذا الأمر عندما يظهر الجسيم والجسيم المضاد (antiparticle) الخاص به، ثم يندمجان ويختفيان مجددًا.



عندما يحصل هذا الأمر بالقرب من [1] أفق الحدث (event horizon)، يمكن أن تحصل أشياء غريبة. فبدلاً من أن يكون هناك جسيمان يوجدان للحظة ثم يُفنيان بعضهما، يمكن أن يسقط أحد الجسيمين في الثقب الأسود، والآخر يمكن أن يطير بعيدًا في الفضاء. وعلى مدى فترات زمنية طويلة؛ تقول النظرية أن هذه الكمية القليلة من الجسيمات الهاربة تُسبب تبخر الثقب الأسود.

انتظر، إن كانت هذه الجسيمات الافتراضية تسقط في الثقب الأسود، آلا يجب أن يجعله هذا أكبر كتلة؟ كيف يدفعه ذلك للتبخر؟ إن أضفت حصى لكومة صخور، آلا تصبح كومة الصخور الخاصة بي أكبر؟



تصور فني للثقوب السوداء

يتعلق الأمر بزاوية النظر؛ فعندما يشاهد مراقب أفق حدث الثقب الأسود من الخارج، يبدو وكأن هناك توهج من الإشعاعات يخرج من الثقب الأسود. وإن كان ذلك هو كل ما كان يحصل فقد تمّ انتهاك قانون الديناميكا الحرارية الذي ينص على أنّه لا يمكن للطاقة أن تفنى، أو تنشأ من العدم. وبما أن الثقب الأسود يُصدر الطاقة، عليه الاستغناء عن القليل من كتلته ليقوم بتزويدها.

لنجرب طريقة أخرى للتفكير بهذا الأمر: للثقب الأسود درجة حرارة، وكلما كبرت كتلته قلّت درجة حرارته، وبالرغم من ذلك فدرجة حرارته ليست صفر. ومن الآن وحتى المستقبل البعيد، ستكون درجة حرارة أضخم الثقوب السوداء أبرد من درجة حرارة الخلفية الخاصة بالكون نفسه، وسيسقط الضوء، القادم من إشعاع الخلفية الكونية الميكروي في الثقب الأسود، مما سيزيد من كتلته.

بعيدًا في المستقبل، وعندما تنخفض درجة حرارة الخلفية الكونية إلى مقدار أقل حتى من أبرد الثقوب السوداء، ستقوم الثقوب السوداء التي تعمل على تحويل كتلتها إلى طاقة بإشعاع الحرارة ببطء.



تشبه ماركانيان Markarian 739 وجهاً مبتسماً عند عرضها بالضوء المرئي. وفي داخلها يوجد ثقبان أسودان فائقا الكتلة يفصل بينهما تقريباً 11 ألف سنة ضوئية، وتبعد المجرة عن الأرض 425 مليون سنة ضوئية. Credit: Sloan Digital Sky Survey

نسبة حصول هذا تعتمد على الكتلة، فالثقوب السوداء نجمية الكتلة (Stellar mass black holes) ربما يلزمها 1067 سنة لتتبخر بشكل كامل. أمّا بالنسبة للآباء الكبار فائقي الكتلة والموجودين في أنوية المجرات، فذلك الزمن يصير10100 -أي 1 متبوعاً بمئة صفر-. هذا رقم ضخم لكن مثل أي عدد عملاق ومحدود، هو لا يزال أقل من اللانهاية، وحتى أطول الكائنات عمرًا في الكون -ثقوبنا السوداء العظيمة- ستتلاشى متحولةً إلى طاقة.



مصادم الهادورنات الكبير Credit: CERN


يبقى أن نذكر شيئاً أخيراً: قد يكون مصادم الهادورنات الكبير (Large Hadron Collider) قادرًا على توليد ثقوب سوداء مجهرية (microscopic black holes) تظل لأجزاء من الثانية ثم تختفي في انفجار لإشعاع هوكينغ (Hawking radiation). وفي حال تم إيجادها، قد يود هوكينغ التوقف عن التمثيل والتركيز على الفيزياء.

لا شيء أبدي، ولا حتى الثقوب السوداء؛ فعلى مدى أطول الأُطر الزمنية نحن متأكدون أنها ستتبخر إلى لا شيء. والطريقة الوحيدة للتحقق من ذلك هي الجلوس في الخلف والمشاهدة. حسناً، ربما لا تكون الطريقة الوحيدة.

https://nasainarabic.net/education/articles/view/how-do-black-holes-evaporate