سلوك مدهش للثقوب السوداء في الكون المتوسع

لاحظ عالم فيزياء يدرس الثقوب السوداء أنه في الكون المتوسع، تتطلب معادلات أينشتاين أن يكون معدل تمدد الكون عند أفق حدث كل ثقب أسود ثابتًا، وهو نفس الشيء بالنسبة لجميع الثقوب السوداء. وفي المقابل، فإن الطاقة الوحيدة في أفق الحدث هي الطاقة المظلمة، التي تسمى الثابت الكوني. الدراسة هي نشرت علاوة على ذلك arXiv خادم الطباعة المسبقة.

وقال نيكوديم بوبلافسكي، المحاضر المتميز في جامعة نيو هيفن: “خلافًا لذلك، فإن ضغط المادة وانحناء الزمكان يجب أن يكونا لا نهائيين في الأفق، لكن هذا غير طبيعي”.

تعد الثقوب السوداء موضوعًا رائعًا لأنها تدور حول أبسط الأشياء في الكون: خصائصها الوحيدة هي الكتلة والشحنة الكهربائية والزخم الزاوي (الدوران). ومع ذلك، فإن بساطتها تؤدي إلى خاصية مذهلة – على مسافة حرجة من الثقب الأسود، يوجد أفق الحدث، وهو سطح غير مادي يكون حوله، في أبسط الحالات، كرويًا. أي شيء قريب من الثقب الأسود، أي داخل أفق الحدث، لا يمكنه الهروب من الثقب الأسود.

تم التنبؤ بالثقوب السوداء في عام 1916 عندما كان كارل شوارزشيلد يخدم كجندي ألماني على الجبهة الروسية وكان يعاني من مرض جلدي مؤلم في المناعة الذاتية. الفقاع.

وباستخدام معادلات أينشتاين في النسبية العامة، افترض وجود جسم ضخم وغير دوار ومستدير تمامًا في كون فارغ وغير متغير واكتشف أفق الحدث. يتناسب نصف قطر أفق الحدث مع كتلة الثقب الأسود. وفي داخل الأفق، حتى الضوء، وهو أسرع مادة في الكون، لا يمكنه الهروب من الثقب.

وفي مركز الثقب الأسود، وهو مكان ذو كثافة لا نهائية حيث يبدو أن قوانين أينشتاين للجاذبية قد تم كسرها، وجد شوارزشيلد أيضًا تفردًا واضحًا.

لقد وجد علماء الفلك أن معظم المجرات لديها ثقب أسود هائل في مركزها؛ بالنسبة لمجرة درب التبانة فهو برج القوس A*، وتبلغ كتلته أربعة ملايين ضعف كتلة الشمس. كان هناك ثقب أسود تم تصويره على الهواء مباشرة فقط في عام 2019، ظهرت بقعة سوداء تحيط بهالة تقع في مركز مجرة ​​ميسييه 87، على بعد 55 مليون سنة ضوئية من الأرض.

وبالذهاب إلى ما هو أبعد من شوارزشيلد، تصور باولاوفسكي جسمًا مركزيًا ضخمًا متماثلًا في الكون المتوسع. في هذه الحالة، تم الحصول على حل معادلات أينشتاين لبنية الزمن حول الكتلة لأول مرة في عام 1933 من قبل عالم الرياضيات وعالم الكونيات البريطاني جورج ماكفيتي.

بالقرب من الكتلة، وجد ماكفيتي أن الزمكان يشبه شوارتزشيلد مع وجود أفق الحدث، ولكن بعيدًا عن الكتلة يتوسع كوننا اليوم. المعروف أيضًا باسم معلمة هابل ثابت هابليحدد معدل توسع الكون.

باستخدام حل بوبلافسكي ماكفيتي، يجب أن يكون معدل تمدد الفضاء في أفق الحدث ثابتًا يرتبط فقط بالثابت الكوني (والذي يمكن تفسيره على أنه كثافة طاقة فراغ الزمكان). اليوم نعرف ذلك بكثافة الطاقة المظلمة. أي أن الطاقة الوحيدة التي تلوح في الأفق هي الطاقة المظلمة. وقال إنه نتيجة لذلك فإن أجزاء مختلفة من الكون تتوسع بمعدلات مختلفة.

في الواقع، تم العثور على شيء مماثل في ما يسمى “”.توتر هابل“، وهو تناقض ذو دلالة إحصائية بين قيمتين مختلفتين مقاستين لمعلمة هابل، اعتمادًا على ذلك قياسات “الكون المتأخر”. وتعتمد التقنيات المستخدمة على قياسات إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، أو “الكون المبكر”. وقال بوبلافسكي في عمله إن هذا التناقض “هو نتيجة طبيعية للتحليل الصحيح لتباعد الثقب الأسود في الكون المتوسع ضمن النظرية النسبية العامة لأينشتاين”.

علاوة على ذلك، تظهر معادلاته أن الثابت الكوني – وبالتالي قيمة الطاقة المظلمة – يجب أن يكون موجبًا نتيجة لتوسع الكون بمعدلات مختلفة. وبخلاف ذلك، وبدون هذا الثابت، “سوف يتأرجح الكون المغلق ولن يتمكن من خلق فراغات كونية”، كما قال بوبلافسكي.

“هذا تفسير بسيط للتسارع الحالي الملحوظ للكون.”

بالنسبة للنجم، يتوسع الكون أيضًا على طول حدوده السطحية، لكن الجسم لا يتوسع لأنه مرتبط بالجاذبية والكهرومغناطيسية.

ومع ذلك، فإن أفق الحدث هو شيء مجرد رياضيًا، وليس مصنوعًا من مادة أو طاقة، ولكن ببساطة من نقاط في الفضاء، لذا فإن المعدل الثابت لتوسع الفضاء ليس مفاجئًا. إن أفق الحدث نفسه (وبالتالي الثقب الأسود) لا يتوسع؛ النقاط خارج الأفق تبتعد عنه.

إذا كانت الثقوب السوداء الحقيقية تدور، ولكن الدوران بطيء بشكل عام، فإن نتائج بافلوفسكي تنطبق عليها كتقريب جيد. لكن قياس معامل هابل في أفق الحدث أمر مستحيل حاليًا، ما لم يتم تطوير تقنيات جديدة.

يمكن لراصد في أفق الحدث من حيث المبدأ قياس معامل هابل هناك، ولكن أثناء مروره بأفق الحدث، لا يمكن دائمًا توصيل قيمته إلى بقية الكون، ولا يمكن إرسال أي معلومات عبره.

وقال بوبلافسكي إن هذا يضيف إلى الفرضية نشر في عام 2010: كل ​​ثقب أسود هو في الواقع ثقب دودي (an جسر أينشتاين روزن) إلى كون جديد على الجانب الآخر من أفق الحدث.

وقال: “إن أفق الحدث هو العتبة من كون إلى آخر”. “هذه العتبة لا تنمو مع توسع الكون.. إذا حدثت لأفق الحدث لثقب أسود، فيجب أن تعمل لآفاق الحدث للثقوب السوداء الأخرى في الكون أيضًا”.