Shadows and amplitude luminosity of an embedded rotating black hole

في أعماق قلب كوننا، حيث الجاذبية شديدة لدرجة أن حتى الضوء لا يمكنه الهروب، تكمن أكثر الأجسام تطرفاً المعروفة في الفيزياء: الثقوب السوداء. لعقود من الزمن، كان الخريطة القياسية للملاحة في هذه المناطق هي وصف رياضي يسمى حل "كير" (Kerr solution)، والذي يتنبأ بكيفية قيام الثقب الأسود الدوار بحني الزمكان من حوله. لقد كان هذا النموذج بمثابة حجر الزاوية لفهم كيفية دوامة المادة داخل هذه الحفر الكونية وكيفية رسم ظلالها الداكنة مقابل خلفية من الغاز المتوهج. ومع ذلك، مع زيادة قوة تلسكوباتنا لتصبح قادرة على رؤية هذه الظلال بالتفصيل، يتساءل العلماء عما إذا كانت الخريطة القياسية هي القصة الكاملة. هل يمكن أن تكون الطبيعة الحقيقية لهذه الأجسام متأثرة بأبعاد خفية أو تأثيرات هندسية لا تستطيع نظرياتنا الحالية استيعابها بالكامل؟ هذا السؤال يدفع تحقيقاً جديداً فيما إذا كانت القواعد المألوفة للثقوب السوداء قد تحتاج إلى تعديل طفيف لتفسير احتمال أن كوننا رباعي الأبعاد مدمج ضمن فضاء أكبر خماسي الأبعاد.

لقد أخذ فريق من الباحثين نظرة جديدة على هذه المشكلة من خلال التعامل مع انحناء الفضاء ليس فقط كنتيجة للكتلة، بل كشيء يمكن تشكيله من خلال كيفية استقرار كوننا داخل هذا "الكتلة" (bulk) أعلى أبعاداً. لقد ركزوا على نوع محدد من الثقوب السوداء الدوارة، باستخدام نسخة معدلة من المعادلات القياسية تسمح بهذه التأثيرات الهندسية الإضافية. ومن خلال تشغيل عمليات محاكاة حاسوبية دقيقة، تتبعوا مسارات أشعة الضوء وهي ترقص حول هذه الثقوب السوداء النظرية، وحسبوا بدقة كيف ستظهر الظلال لمراقب بعيد. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كانت هذه النماذج الجديدة تنتج صوراً تبدو مختلفة عن التنبؤات القياسية، أم أنها لا تزال قادرة على تفسير البيانات الواقعية التي جمعناها بالفعل.

تظهر نتائج عمليات المحاكاة هذه أن النموذج الجديد ينتج ظل ثقب أسود يشبه إلى حد كبير ذلك الذي رصدناه بالفعل في المجرة M87. في عمليات المحاكاة، يظهر الظل كمنطقة مركزية مظلمة محاطة بحلقة ساطعة من الضوء، وهو شكل يطابق الصور التي التقطها تلسكوب أفق الحدث (Event Horizon Telescope). ووجد الباحثون أن حجم هذا الظل وطريقة توزيع الضوء حوله تتوافق بشكل وثيق مع النموذج القياسي، حتى مع تضمين التأثيرات الهندسية الإضافية. يشير هذا إلى أن الملاحظات الحالية ليست حساسة بما يكفي للتمييز بين ثقب أسود قياسي وآخر متأثر بهذه التأثيرات الهندسية الأعلى أبعاداً. وتوضح عمليات المحاكاة أن التأثير الإضافي يعمل مثل قوة مد وجزر خفية، مما يغير قليلاً الظروف المطلوبة لتشكل أفق الحدث للثقب الأسود، ولكن ليس بما يكفي لتغيير مظهر الظل بشكل جذري بالطريقة التي يمكننا رؤيتها حالياً.

وعلى الرغم من التشابه البصري، تكشف الدراسة أن هذه التأثيرات الهندسية الخفية تغير الفيزياء الداخلية للثقب الأسود بطرق قابلة للقياس. فقد وجد الباحثون أن وجود هذا البعد الإضافي يجعل من الصعب قلياً على الثقب الأسود أن يدور بأقصى سرعة ممكنة له دون أن يمزق نفسه. في النموذج القياسي، يمكن للثقب الأسود أن يدور حتى حد معين قبل أن يختفي أفق الحدث، ولكن في هذا الإطار الجديد، يتم الوصول إلى هذا الحد في وقت أبكر قليلاً. وهذا يعني أنه إذا تمكنا من قياس دوران الثقب الأسود بدقة متناهية، فقد نجد في النهاية أنه يدور ببطء أكبر قليلاً مما يسمح به النموذج القياسي، وهي إشارة قد تشير إلى تأثير البعد الإضافي. كما حسبت الدراسة كيف تتصرف كتلة الثقب الأسود بالقرب من مركزه، ووجدت أن التأثيرات الهندسية الإضافية تخلق قوة طاردة تعاكس الجاذبية عند المقاييس الصغيرة جداً، مما قد يمنع تشكل "التفرد" (singularity) حيث تنهار الفيزياء.

كما نظر الباحثون في كيفية ظهور الضوء من الثقب الأسود لجهاز التداخل (interferometer)، وهو نوع من التلسكوبات يجمع الإشارات من عدة أطباق لإنشاء صورة عالية الدقة. لقد قاموا بمحاكاة "سعة الرؤية" (visibility amplitude)، وهي طريقة لقياس وضوح وبنية أنماط الضوء. أظهرت عمليات المحاكاة الخاصة بهم أن أنماط الحواف المضيئة والمظلمة الناتجة عن نموذجهم تشبه جداً تلك الموجودة في البيانات الحقيقية من M87. وتخلص الدراسة إلى أنه بينما يتناسب النموذج الجديد مع الملاحظات الحالية تماماً مثل النموذج القياسي، فإنه يقدم تفسيراً مختلفاً للهندسة الأساسية. إذ يقدم البعد الإضافي بارامتراً يعمل مثل شحنة خفية، مما يعدل خصائص الثقب الأسود دون تدمير الشكل المألوف لظله. وهذا يعني أن التلسكوبات المستقبلية، الأكثر قوة، ستكون مطلوبة للكشف عن الانحرافات الطفيفة التي تميز هذا النموذج عن النموذج الكلاسيكي. في الوقت الحالي، يستمر الكون في الظهور كالثقوب السوداء القياسية التي نعرفها، لكن الاحتمال يظل قائماً بأن الطبيعة الحقيقية لهذه الأجسام مكتوبة بلغة تتضمن أبعاداً لا نستطيع رؤيتها بعد.