الثقوب السوداء العملاقة هي ثقوب ذات كتلة تقدر بين مئات آلاف وعشرات البلايين من الكتلة الشمسية، ولك أن تتخيل حجم هذا الثقب، فهو كبير بما فيه الكفاية ليحتوي على 1,000 من نظامنا الشمسي تقريبا ويزن حوالي كل النجوم في درب التبانة. والاعتقاد الحالي بأن أكثر المجرات إن لم يكن كلها بما في ذلك درب التبانة، تحتوي على ثقوب سوداء عملاقة في مركز المجرة.
وقد بينت الدراسات التي قام بها فلكيون في جامعة ديركسيل وجامعة ودنير Drexel and Widener Universities أن تلك الثقوب العملاقة تتواجد حيث تتناثر المجرات ويقل تفاعلها فيما بينهم، وهذه النتائج تسلّط الضوء على تشكل الثقوب السوداء وعملية تطورها من خلال إثبات أن البيئة تؤثّر على سرعة نمو المجرات خلال دورات تطورهم.
مميزات الثقوب العملاقة
تتميز التثقوب العملاقة عن أخرياتها بصفات تنفرد بها، فنجد أن متوسط الكثافة للثقوب السوداء العملاقة يمكن أن تكون منخفضة جدا، وقد تكون اقل من كثافة الهواء، ويرجع ذلك بسبب أن نصف قطر شوارزجيلد Schwarzschild يتناسب طرديا مع الكتلة، فحيث أن الكثافة تتناسب عكسيا مع الحجم، وحيث أن حجم الجسم الكروي (مثل أفق حدث الثقب الاسود الثابت) ستتناسب طرديا مع مكعب نصف القطر، وتزيد الكتلة بشكل خطي، يزيد الحجم في نسبة أعظم من الكتلة، وهكذا تقل الكثافة بإزياد نصف قطر الثقب الأسود.
والميزة الاخرى هي القوة المدية للثقب الاسود العملاق، فنجد أن تلك القوة على مقربة من أفق الحدث ضعيفة جدا، حيث أن قلب الحدث Singularity في المركز يعتبر بعيدا جدا عن أفق الحدث، ورائد الفضاء الإفتراضي الذي يسافر نحو مركز الثقب الاسود العملاق لا يواجه قوة مدية مؤثرة حتى يصل إلى عمق الثقب الاسود.
تكون الثقوب
هناك عدة طرق لتشكل الثقوب السوداء العملاقة، الطريقة الأكثر وضوحا هي النمو البطيئ عن طريق المادة (بدء من الثقب الاسود بالحجم النجمي).
وقد يكون من المحتمل أن تشكل الثقوب العملاقة حدث مباشرة وبتأثير الضغط الخارجي في المرحلة الأولى من الانفجار العظيم.
تكمن المشكلة في تشكيل الثقوب العملاقة في الحصول على المادة الكافية في حجم صغير، تحتاج هذه المادة أن يزال تقريبا كل زخمها الزاوي لكي يمكن أن يحدث هذا، تبدو عملية نقل هذا الزخم الزاوي إلى الخارج عامل إعاقة في نمو الثقب العملاق ، وتؤدي إلى تشكيل أقراص النمو.
ملاحظة، يبدو هناك حاليا فجوة في توزيع أعداد الثقوب السوداء في الكون، فهناك ثقوب سوداء بأحجام نجمية تشكلت من تحطم النجوم، والتي ربما يتراوح كتلتها بعشرة كتل شمسية، اما الثقوب العملاقة فهي في حدود مائة ألف كتلة شمسية على الأقل، بين هذه الأنظمة تظهر ندرة تلك الأجسام. على أية حال، توحي بعض النماذج بأن مصادر الاشعة السينية المضيئة جدا (Ultraluminous X-ray) قد تكون هي ثقوب سوداء من هذه المجموعة المفتحياتية.
الفراغ الكوني وتشكل الثقوب العملاقة
وفي دراسة قام بها العلماء لشريحة من الكون تمثل 700 مليون سنة ضوئية، وجدوا أن أطياف مراكز تلك المجرات المتواجدة في المناطق شبه الفارغة تظهر غازات حارة ومتأينة بتأثير الضوء المنبعثت من المادة التي تلتف حول ثقب أسود عملاق، وأن نمو الثقوب الأكثر عزلة ليست نشطة مثل مثيلاتها في المناطق الأكثر إزدحاما، كما أن الوتحياتي اللازم للنمو يبدو أقل توفرا في الفراغات من المجرات المزدحمة. وهذا يشير إلى أن تشكل النجوم في تلك المجرات المنعزلة يتم بمعدل أعلى من نظرائهم في المناطق الكثيفة، هذا يعني وجود الكثير من الوتحياتي، لكنه لم يتحول بشكل جيد نحو المحرك المركزي.
بما أن تشكيل النجوم يتطلب وجود كميات كبيرة للغاز، ولذا لابد وأن يكون هناك غاز أكثر من اللازم في المجرات المنعزلة إذا كان معدل تشكل نجومها عالي، ونسبة النمو الضعيفة التي لوحظت في المجرات المنعزلة تعني بأن هذا الغاز لا يهبط لمنطقة النواة حيث يحدث النمو، كما أن ضعف التفاعل مع المجرات الأخرى يعتقد بأنه يشوه القوة الجذبية والتي تتحياتي بعض الغاز إلى منطقة النواة، وهذه التفاعلات ليست متكررة الحدوث في الفراغ كما هي في المناطق الكثيفة، لذا فإن عملية تغذية الثقوب السوداء هناك تكون أبطأ.
ندرة الثقوب العملاقة في الفراغ الكوني
فتلك الثقوب الضخمة المتواجدة في المناطق المنعزلة ليست بحاجة إلى أن تتنافس مع جيرانهم للحصول على وتحياتيها الكافي للنمو، ودورة حياتهم نادرا ما تتعرض لمضايقات. على النقيض من ذلك فإن الحياة أكثر سخونة في المناطق المزدحمة حيث التفاعلات المجرية متكررة، وكنتيجة لذلك فإن المجرات المزدحمة إما تكون قد فرغت من غازتها أو من مادتها نحو القلب المركزي للمجرة، مما يعني بأن هناك مزيدا من فرص سواء لنمو الثقوب السوداء أو حتى لنهايتها في البيئات الأكثر إزدحاما.
وربما كون الأجسام الهائلة عرضة لتجمع المادة حولها، مما يجعلها تقوم بتفريغ المحيط حولها بما يشبة عملية التنظيف، وعملية التنظيف هذه تساهم في إفراغ الفضاء المجاور النادر موادة أصلا في الفراغ، وهذا يترك مقدار صغير من المادة أو مواد غير كافية لتشكيل المجرات الهائلة الأخرى من حولها، وعلى النقيض من ذلك وضمن التجمعات المجرية حيث الكثير من المادة في كل مكان، فإن نمو المادة المحيطة من الممكن أن يحدث فرق بسيط.
الثقوب العملاقة وتشكل المجرات
يبدو أن هناك صلة بين كتلة الثقب الاسود العملاق في مركز المجرة وتركيب المجرة نفسه، هذا يظهر كإرتباط بين كتلة الجسم الشبه الكروي (إنتفاخ المجرات الحلزونية، والمجرة الكاملة الإهليجية) وكتلة الثقب العملاق، هناك إرتباط أشد مستوي بين كتلة الثقب الاسود وتشتت سرعة الجسم الشبه الكروي، التفسير لهذا الإرتباط يبقى مشكلة غير محلولة في الفيزياء الفلكية.
الثقوب العملاقة خارج درب التبانة
في مايو 2004، أعلن باول بادوفيني Paolo Padovani وفلكيون بارزون آخرون عن إكتشافهم لحوالي 30 ثقب أسود عملاق مخفية خارج مجرة درب التبانة، ويوحي إكتشافهم أن هناك على الأقل ضعف هذه الثقوب كما كان معتقد في السابق، ويعتقد حاليا بأن كل مجرة تحتوي على ثقب عملاق في مركزها، معظمهم يكون في حالة خاملة لا تجذب كثيرا من المادة من حولها. على العكس من ذلك، لا يبدو أن هناك ثقوب سوداء في مركز التجمعات النجمية الكروية، بالرغم من أنّه يعتقد بأن البعض منهم يحتوي على ذلك، مثل M 15 في Pegasus وMayall 2 في مجرة Andromeda فلديهم ثقوب سوداء مركزية بكتلة في حدود 104 كتلة شمسية في مركزهم.
ثقوب عملاقة قديمة
وقد بينت الدراسات التي قام بها فلكيون في جامعة ديركسيل وجامعة ودنير Drexel and Widener Universities أن تلك الثقوب العملاقة تتواجد حيث تتناثر المجرات ويقل تفاعلها فيما بينهم، وهذه النتائج تسلّط الضوء على تشكل الثقوب السوداء وعملية تطورها من خلال إثبات أن البيئة تؤثّر على سرعة نمو المجرات خلال دورات تطورهم.
مميزات الثقوب العملاقة
تتميز التثقوب العملاقة عن أخرياتها بصفات تنفرد بها، فنجد أن متوسط الكثافة للثقوب السوداء العملاقة يمكن أن تكون منخفضة جدا، وقد تكون اقل من كثافة الهواء، ويرجع ذلك بسبب أن نصف قطر شوارزجيلد Schwarzschild يتناسب طرديا مع الكتلة، فحيث أن الكثافة تتناسب عكسيا مع الحجم، وحيث أن حجم الجسم الكروي (مثل أفق حدث الثقب الاسود الثابت) ستتناسب طرديا مع مكعب نصف القطر، وتزيد الكتلة بشكل خطي، يزيد الحجم في نسبة أعظم من الكتلة، وهكذا تقل الكثافة بإزياد نصف قطر الثقب الأسود.
والميزة الاخرى هي القوة المدية للثقب الاسود العملاق، فنجد أن تلك القوة على مقربة من أفق الحدث ضعيفة جدا، حيث أن قلب الحدث Singularity في المركز يعتبر بعيدا جدا عن أفق الحدث، ورائد الفضاء الإفتراضي الذي يسافر نحو مركز الثقب الاسود العملاق لا يواجه قوة مدية مؤثرة حتى يصل إلى عمق الثقب الاسود.
تكون الثقوب
هناك عدة طرق لتشكل الثقوب السوداء العملاقة، الطريقة الأكثر وضوحا هي النمو البطيئ عن طريق المادة (بدء من الثقب الاسود بالحجم النجمي).
الطريقة الأخرى لإنتاج ثقب أسود عملاق يتطلب إنهيار غيمة غاز كبيرة داخل نجم قريب، وربما يكون بحجم مائة ألف كتلة شمسنا ومافوق، عندها يصبح النجم غير مستقر نتيجة التغيرات الإشعاعية بسبب زوجي الإكترون والبيزترون المنتج في قلبه، وقد ينهار مباشرة متحولا إلى ثقب أسود بدون إنفجار سوبرنوفا.
وطريقة أخرى تستلزم تجمع نجمي كثيف والذي يجتاز الإنهيار الرئيسي كطاقة حرارية سلبية للنظام ينقل تشتت السرعة في القلب إلى سرعات نسبية هائلة.
وطريقة أخرى تستلزم تجمع نجمي كثيف والذي يجتاز الإنهيار الرئيسي كطاقة حرارية سلبية للنظام ينقل تشتت السرعة في القلب إلى سرعات نسبية هائلة.
وقد يكون من المحتمل أن تشكل الثقوب العملاقة حدث مباشرة وبتأثير الضغط الخارجي في المرحلة الأولى من الانفجار العظيم.
تكمن المشكلة في تشكيل الثقوب العملاقة في الحصول على المادة الكافية في حجم صغير، تحتاج هذه المادة أن يزال تقريبا كل زخمها الزاوي لكي يمكن أن يحدث هذا، تبدو عملية نقل هذا الزخم الزاوي إلى الخارج عامل إعاقة في نمو الثقب العملاق ، وتؤدي إلى تشكيل أقراص النمو.
ملاحظة، يبدو هناك حاليا فجوة في توزيع أعداد الثقوب السوداء في الكون، فهناك ثقوب سوداء بأحجام نجمية تشكلت من تحطم النجوم، والتي ربما يتراوح كتلتها بعشرة كتل شمسية، اما الثقوب العملاقة فهي في حدود مائة ألف كتلة شمسية على الأقل، بين هذه الأنظمة تظهر ندرة تلك الأجسام. على أية حال، توحي بعض النماذج بأن مصادر الاشعة السينية المضيئة جدا (Ultraluminous X-ray) قد تكون هي ثقوب سوداء من هذه المجموعة المفتحياتية.
الفراغ الكوني وتشكل الثقوب العملاقة
توجد في الكون مناطق منعزلة والتي تعتبر شبه خالية تقريبا، فقد وجد الباحثون حقول ثلاثية الأبعاد من ملايين السنوات الضوئية تملأ تقريبا نصف الكون وهي شبه خاوية إلى حد كبير، فقط خمسة بالمائة من عدد مجرات الكون تقطن في هذه المناطق التي تشبه الفقاعة، أما مانسبته 95 بالمائة الباقية من المجرات تتواجد سويا في تجمعات وحشود تمثل مايشبه مدن وضواحي الكون.
ولكن ما يثير إهتمام العلماء انهم وجدوا أن هناك نمو وبشكل نشط للثقوب السوداء المجرية في كل مراحل التطور في هذه المناطق المتناثرة، هذا يعني بأن عملية نمو الثقوب مماثلة جدا بمقارنة المناطق الأكثر إنعزالا مع المناطق المزدحمة في الكون.
ولكن ما يثير إهتمام العلماء انهم وجدوا أن هناك نمو وبشكل نشط للثقوب السوداء المجرية في كل مراحل التطور في هذه المناطق المتناثرة، هذا يعني بأن عملية نمو الثقوب مماثلة جدا بمقارنة المناطق الأكثر إنعزالا مع المناطق المزدحمة في الكون.
وفي دراسة قام بها العلماء لشريحة من الكون تمثل 700 مليون سنة ضوئية، وجدوا أن أطياف مراكز تلك المجرات المتواجدة في المناطق شبه الفارغة تظهر غازات حارة ومتأينة بتأثير الضوء المنبعثت من المادة التي تلتف حول ثقب أسود عملاق، وأن نمو الثقوب الأكثر عزلة ليست نشطة مثل مثيلاتها في المناطق الأكثر إزدحاما، كما أن الوتحياتي اللازم للنمو يبدو أقل توفرا في الفراغات من المجرات المزدحمة. وهذا يشير إلى أن تشكل النجوم في تلك المجرات المنعزلة يتم بمعدل أعلى من نظرائهم في المناطق الكثيفة، هذا يعني وجود الكثير من الوتحياتي، لكنه لم يتحول بشكل جيد نحو المحرك المركزي.
بما أن تشكيل النجوم يتطلب وجود كميات كبيرة للغاز، ولذا لابد وأن يكون هناك غاز أكثر من اللازم في المجرات المنعزلة إذا كان معدل تشكل نجومها عالي، ونسبة النمو الضعيفة التي لوحظت في المجرات المنعزلة تعني بأن هذا الغاز لا يهبط لمنطقة النواة حيث يحدث النمو، كما أن ضعف التفاعل مع المجرات الأخرى يعتقد بأنه يشوه القوة الجذبية والتي تتحياتي بعض الغاز إلى منطقة النواة، وهذه التفاعلات ليست متكررة الحدوث في الفراغ كما هي في المناطق الكثيفة، لذا فإن عملية تغذية الثقوب السوداء هناك تكون أبطأ.
ندرة الثقوب العملاقة في الفراغ الكوني
الثقوب السوداء في المجرات المنعزلة قد تأخذ وقت أطول للتطور وبمعدل نمو بطئ، وهذا السبب يوضح لماذا أكثر الثقوب السوداء العملاقة أقل تكرارا في البيئات الخاوية، كما أن الدراسات تظهر أيضا أن الثقوب السوداء النشطة تكون أكثر شيوعا في الفراغ لكن فقط بين المجرات الصغيرة، بينما أقل شيوعا بين المجرات الهائلة، هذه أيضا دليل على أن نمو دورة حياة الثقب الاسود في الفراغ أبطأ مقارنة مع تلك التي في المناطق الكثيفة.
فتلك الثقوب الضخمة المتواجدة في المناطق المنعزلة ليست بحاجة إلى أن تتنافس مع جيرانهم للحصول على وتحياتيها الكافي للنمو، ودورة حياتهم نادرا ما تتعرض لمضايقات. على النقيض من ذلك فإن الحياة أكثر سخونة في المناطق المزدحمة حيث التفاعلات المجرية متكررة، وكنتيجة لذلك فإن المجرات المزدحمة إما تكون قد فرغت من غازتها أو من مادتها نحو القلب المركزي للمجرة، مما يعني بأن هناك مزيدا من فرص سواء لنمو الثقوب السوداء أو حتى لنهايتها في البيئات الأكثر إزدحاما.
وربما كون الأجسام الهائلة عرضة لتجمع المادة حولها، مما يجعلها تقوم بتفريغ المحيط حولها بما يشبة عملية التنظيف، وعملية التنظيف هذه تساهم في إفراغ الفضاء المجاور النادر موادة أصلا في الفراغ، وهذا يترك مقدار صغير من المادة أو مواد غير كافية لتشكيل المجرات الهائلة الأخرى من حولها، وعلى النقيض من ذلك وضمن التجمعات المجرية حيث الكثير من المادة في كل مكان، فإن نمو المادة المحيطة من الممكن أن يحدث فرق بسيط.
الثقوب العملاقة وتشكل المجرات
يبدو أن هناك صلة بين كتلة الثقب الاسود العملاق في مركز المجرة وتركيب المجرة نفسه، هذا يظهر كإرتباط بين كتلة الجسم الشبه الكروي (إنتفاخ المجرات الحلزونية، والمجرة الكاملة الإهليجية) وكتلة الثقب العملاق، هناك إرتباط أشد مستوي بين كتلة الثقب الاسود وتشتت سرعة الجسم الشبه الكروي، التفسير لهذا الإرتباط يبقى مشكلة غير محلولة في الفيزياء الفلكية.
الثقوب العملاقة خارج درب التبانة
في مايو 2004، أعلن باول بادوفيني Paolo Padovani وفلكيون بارزون آخرون عن إكتشافهم لحوالي 30 ثقب أسود عملاق مخفية خارج مجرة درب التبانة، ويوحي إكتشافهم أن هناك على الأقل ضعف هذه الثقوب كما كان معتقد في السابق، ويعتقد حاليا بأن كل مجرة تحتوي على ثقب عملاق في مركزها، معظمهم يكون في حالة خاملة لا تجذب كثيرا من المادة من حولها. على العكس من ذلك، لا يبدو أن هناك ثقوب سوداء في مركز التجمعات النجمية الكروية، بالرغم من أنّه يعتقد بأن البعض منهم يحتوي على ذلك، مثل M 15 في Pegasus وMayall 2 في مجرة Andromeda فلديهم ثقوب سوداء مركزية بكتلة في حدود 104 كتلة شمسية في مركزهم.
ثقوب عملاقة قديمة
إكتشف فريق من الفلكيين بقيادة روجر روماني Roger Romani بجامعة ستانفورد Stanford University ثقب أسود عملاق وقديم جدا في العمر يسكن هذا الثقب في قلب مجرة بعيدة جدا، وما يحيرهم هو الوقت الكافي لنشوء هكذا ثقب ووصوله لحجمه الحالي، فهو بحوالي 10 بليون مرة كتلة الشمس، ويعد واحد من أقدم الثقوب العملاقة المعروفة إلى الان، فقد حددوا عمره بحوالي 12.7 بليون سنة تقريبا، الذي يعني بأنه تشكل بعد بليون سنة فقط من بدء تشكل الكون، وفي هذه الفترة كان الكون صغير جدا، فهو في الفترة التي يطلق عليها العلماء العصور المظلمة والتي بدأت بعد حوالي مليار سنة بعد الانفجار العظيم، عندما بدء الكون في التبرد وبداية نشأة الثقوب السوداء والنجوم والمجرات، كما أن وجود للثقوب السوداء العملاقة النامية في البدايات الاولى للكون تتحدى النماذج النظرية الحالية للمجرات وعمليات التشكيل والتطور، لذا فإن محاولة فهم حصول هذا الثقب على الكتلة الكافية للوصول لحجمه الحالي تعتبر تحدي كبير أمام العلماء، ومازال هناك وقت حتى يتمكنوا من إعلان نتائجهم.