هل ستكون الكلمة
الأخيرة لأينشتاين في الجاذبية؟
من تتبع الطريقة التي ينحني بها الضوء حول نجم نيوتروني إلى
اكتشاف آثار تجاذب الثقب الأسود في الفضاء نفسه، يعتبر علم الفلك بالأشعة السينية مناسبًا
بشكل فريد لاختبار ومراقبة تنبؤات النسبية العامة، وهي نظرية ألبرت أينشتاين التاريخية
للجاذبية.
حتى الآن، تنبأت آينشتاين بألوان متطايرة. لكن هل ستكون الكلمة
الأخيرة لأينشتاين في الجاذبية؟ يأمل علماء فلك الأشعة السينية في إخضاع النسبية العامة
لمزيد من التدقيق من خلال السفر (وإن كان ذلك فعليًا) إلى حيث تكون الجاذبية في أقصى
درجاتها وتأثيرات النسبية العامة أكثر وضوحًا: المناطق الداخلية للثقوب السوداء والنجوم
النيوترونية. سيكون المردود هو فهم أكبر للقوة المهيمنة في الكون واسع النطاق، وربما
نظرية موحدة للقوى الأساسية للطبيعة -الهدف المركزي للفيزياء اليوم.
في غضون 40 عامًا فقط، شهد مجال علم الفلك بالأشعة السينية
ما يقرب من مليار ضعف في حساسية التلسكوب منذ 18 يونيو 1962، عندما اكتشف صاروخ سبر
محمّل بحمولة من معدات البحث أول مصدر للأشعة السينية السماوية.
قال جان سوانك من مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا،
عالم مشروع لمستكشف توقيت الأشعة السينية روسي التابع لناسا: "لقد قطعنا شوطًا
طويلاً، من أول فكرة عن وجود ثقب أسود - Cygnus
X-1 - في متناول اليد". "الآن يمكننا أن
نأمل بشكل معقول في رسم خريطة للزمكان بالقرب من هاوية الجاذبية غير المرئية."
تُعرِّف النسبية العامة الجاذبية على أنها نتيجة لتشويه الكتلة
لكل من المكان والزمان -وهو مفهوم رباعي الأبعاد يسمى الزمكان. لا يوجد مكان أكثر وضوحًا
من المناطق المحيطة بالثقب الأسود والنجم النيوتروني -مثالان على الكتلة عند الكثافة
القصوى، وبالتالي مصادر الجاذبية الشديدة في منطقة صغيرة.
تعد تلسكوبات الأشعة السينية مناسبة تمامًا لدراسة هذه المناطق
لسببين أساسيين. أولاً، القوة المنبعثة من اصطدام المادة بنجم نيوتروني أو سقوطها في
ثقب أسود تضيء في الغالب في الأشعة السينية، لا سيما في المناطق الأقرب إلى هذه الأجسام،
حيث تكون الجاذبية في أقوى حالاتها. أيضًا، يمكن للأشعة السينية أن تخترق الحجاب الغامض
للغبار والغاز المحيط بالثقوب السوداء والنجوم النيوترونية، مما يمنع مرور أشكال الإشعاع
الأخرى.
يواصل مجال علم الفلك بالأشعة السينية التحقق من التنبؤات
الرئيسية للنسبية العامة بقدر أكبر من اليقين حيث تستمر تقنية تلسكوب الأشعة السينية
في التحسن. بعض هذه الطرق تشمل: الانزياح الأحمر الثقالية، وهو الجاذبية التي تسحب
الفوتون، أو الجسيم الخفيف أثناء محاولته الهروب؛ سحب الإطار، وهو كائن دوار يلف النسيج
الفعلي للمساحة معه؛ عدسة الجاذبية، وهي مسار الضوء الذي ينحني بفعل الجاذبية؛ ومدارات
أينشتاين (مدار أكثر استقرارًا).
على سبيل المثال، في عام 1995، لاحظ علماء الفلك الذين استخدموا
القمر الصناعي الياباني ASCA للأشعة السينية أول مؤشر واضح لانزياح الجاذبية للضوء الأحمر حول ثقب أسود.
اكتشف ASCA خطًا حديديًا عريضًا، وهي ميزة
طيفية في انبعاث ذرات الحديد الساخنة حول الثقب الأسود، مما يكشف أن الجاذبية القوية
كانت تسرق الطاقة من الضوء المنبعث. أكد هذا تنبؤ أينشتاين بأن الثقوب السوداء تخلق
بئرًا ثقاليًا، يجب على فوتون من الضوء أن يتسلق منه في رحلته نحو الأرض. اليوم، يراقب
مرصد شاندرا للأشعة السينية والقمر الصناعي XMM نيوتن هذه الظاهرة بدقة أكبر.
أيضًا، لاحظ مستكشف روسي بعض التوقعات الأكثر غرابة للنسبية
العامة. لأول مرة في عام 1998 ومرة أخرى بدقة أفضل في عام 2001، لاحظ العلماء ظاهرة
سحب الإطار. تنبأت معادلات أينشتاين بأن الجسم الدوار ذي الجاذبية القوية سوف يأخذ
الزمكان، وكذلك أي مادة ضمن تأثير الجاذبية، لتدور معه. سيجعل هذا التأثير من الصعب
على أي جسم أن يسقط على الثقب الأسود مباشرة، لأن الجسم سيتسارع في مداره على طول نفس
دوران الثقب الأسود، وسيقاوم السقوط أكثر من كائن لم يتأثر بسحب الإطار.
للنسبية العامة العديد من النتائج فيما يتعلق بما يحدث للنجوم.
يحدد أن النجوم النيوترونية، التي تتكون في مستعرات أعظم من النجوم التي استهلكت كل
وقودها النووي، لا يمكن أن تكون أكبر من حوالي ثلاث كتل شمسية. لا يمكن أن تكون البقايا
الضخمة المنهارة عبارة عن نجوم نيوترونية (بدلاً من ذلك تصبح ثقوبًا سوداء). حتى الآن،
ليس لدينا أي تناقض.
للنسبية العامة أيضًا عواقب على بيئات النجوم النيوترونية
والثقوب السوداء. لا يمكن للمواد أن تدور بشكل قريب جدًا. على عكس القانون النيوتوني،
الذي يسمح للمادة بالدوران في أي نصف قطر، تتنبأ النسبية العامة بمدار أكثر استقرارًا.
مرة أخرى، لا يوجد تناقض حتى الآن. في الواقع، قرر المستكشف روسي أن ثقبًا أسودًا معينًا
يدور بفضل مدار ثابت للغاية ومحكم -وهو مدار متوقع لثقب أسود دوار من كتلة معينة. أيضًا،
يلاحظ العلماء التذبذبات شبه الدورية، أو وميض الأشعة السينية، والتي يمكن تفسيرها
بشكل أفضل حتى الآن من خلال تأثيرات النسبية العامة ومفهوم المدار الأكثر استقرارًا.
ومع ذلك، بقدر ما جاء علم الفلك بالأشعة السينية، لم يتمكن
العلماء من اختبار النسبية العامة تمامًا. يمكن لمثل هذا التعهد أن يوجه الطريق إلى
نظرية أفضل للجاذبية، بنفس الطريقة التي طور بها أينشتاين نظرية نيوتن. يمكن لهذا المسعى
أيضًا أن يربط بين النسبية العامة ونظرية الكم، وهي ركيزة مستقلة للفيزياء الحديثة.
تصف النسبية العامة مجال المقياس الكبير، قوة الجاذبية. تصف
نظرية الكم، وهي جزء من النموذج القياسي، المقياس الصغير، دون الذري. القوى الكمومية
هي الإشعاع الكهرومغناطيسي (الضوء، الفوتونات)، القوى القوية (النوع الذي يربط البروتونات
والنيوترونات معًا لتشكيل النواة)، والقوى الضعيفة (التي تُرى في الاضمحلال الإشعاعي).
الجاذبية، حتى الآن، لا تتناسب مع النموذج القياسي؛ لم يتم العثور على ما يسمى الجرافيتون،
وهو جسيم الجاذبية.
ومع ذلك، فإن الجاذبية لا تعمل وحدها. تحدد النسبية العامة
هذه القوة كنتيجة للكتلة والطاقة (متحدة في E = mc2). تتحكم نظرية الكم في الكتلة (المادة، الذرات)
والإشعاع (الفوتونات). وبالتالي، فإن العلاقة بين النظريتين هي بالفعل منطقية ومثيرة
للإعجاب في متناول اليد. يقوم علماء فيزياء الجسيمات بتنقيح نظرية الكم بمساعدة مسرعات
الجسيمات، حيث يقومون بتحطيم البروتونات والإلكترونات للكشف عن المادة والطاقة بداخلها.
يجب على علماء الفلك تطوير اختبارات لفحص الجاذبية بشكل أفضل. مراصد الأشعة السينية
المستقبلية -بعضها قيد التطوير، والبعض الآخر المقترح إطلاقه في نهاية العقد المقبل
-ستقربنا من ثقب أسود، خطوة بخطوة.
إحدى المهمات المستقبلية المحتملة، مهمة التصوير بالأشعة
السينية ذات القوس الميكروي (MAXIM)،
هي متابعة لمستكشف روسي وستوفر توقيتًا أكثر دقة لخصائص وميض الأشعة السينية للنجوم
النيوترونية والثقوب السوداء. سيكشف هذا عن ميزات أكثر خفوتًا في التذبذبات شبه الدورية،
والتي قد تكون علامة على النسبية العامة. ستشمل مهمة MAXIM تصوير أفق حدث للثقب الأسود.
من خلال صورة أفق الحدث وقرص التنامي كنقطة مرجعية، سيكون العلماء قادرين على تحديد
بالضبط من أين تنشأ الأشعة السينية ذات الطاقات المتفاوتة. إن معرفة المسافات الدقيقة
من الثقب الأسود إلى الأشعة السينية لطاقات معينة من شأنه أن يسمح باختبارات دقيقة
لرياضيات أينشتاين.
تعليقات
إرسال تعليق