Crudely Estimated Maximum Mass for a Cosmological Black Hole

في العمارة الشاسعة والمظلمة للكون، تعمل الجاذبية كالنحات الأسمى، حيث تجذب المادة معاً لتشكيل النجوم والمجرات وأكثر الأجسام تطرفاً في الوجود: الثقوب السوداء. هذه مناطق من الفضاء شديدة الكثافة لدرجة أن لا شيء، ولا حتى الضوء، يمكنه الهروب من جذبها. وعندما تصطدم مجرتان، غالباً ما تجد ثقوبهما السوداء المركزية نفسها محاصرة في رقصة كونية بطيئة، تدور كل منهما حول الأخرى. لعقود من الزمن، أدرك علماء الفلك أنه بينما تلتف هذه الأزواج نحو الداخل، ينبغي لها في النهاية أن تصطدم ببعضها البعض، مطلقةً دفقة هائلة من التموجات في الزمكان تُسمى الموجات الثقالية. ومع ذلك، ظل هناك لغز مستمر: تشير المحاكاة إلى أنه بالنسبة لأزواج الثقوب السوداء الأكثر ضخامة، فإن القوى التي تدفعها عادةً نحو بعضها البعض — مثل احتكاك النجوم أو الغاز المحيط — قد لا تكون قوية بما يكفي لدفعها لتصبح قريبة بما يكفي لحدوث الاندماج النهائي الانفجاري خلال عمر الكون الحالي. وإذا كان هذا صحيحاً، فلا بد أن يكون هناك حد لكيفية نمو الثقب الأسود عبر الاندماج مع ثقب آخر قبل أن ينفد الوقت ببساطة من الكون.

تتناول دراسة حديثة أجراها الفيزيائي النظري دون ن. بيج من جامعة ألبرتا هذا السؤال من خلال النظر في الانجراف البطيء والثابت لأزواج الثقوب السوداء قبل أن تبدأ في إصدار موجات ثقالية ملموسة. وتستند هذه الأبحاث إلى محاكاة حاسوبية سابقة تتبعت كيفية تفاعل النجوم في مراكز المجرات مع أزواج الثقود السوداء المدارية. وقد أظهرت هذه المحاكاة أن الجذب الثقالي للنجوم القريبة يتسبب في فقدان الثقوب السوداء لطاقتها وتحركها نحو بعضها البعض بمعدل ثابت بشكل مفاجئ، بغض النظر عن مدى ضخامة هذه الثقوب. هذه العملية بطيئة، إذ تستغرق مئات المليارات من السنين لجلب الزوج قريباً بما يكفي للاندفاع النهائي، وهو مقياس زمني أطول بكما بكثير من الـ 14 مليار سنة التي مر بها الكون حتى الآن. ويسأل عمل "بيج" سؤالاً بسيطاً ولكنه عميق: إذا أضفنا الدفعة الإضافية من الموجات الثقالية إلى هذا الانجراف النجمي البطيء، فهل هناك كتلة قصوى للثقب الأسود الذي يمكن أن يتشكل عن طريق الاندماج ضمن عمر كوننا؟

تشير الورقة البحثية إلى أن هناك بالفعل سقفاً. فمن خلال الجمع بين الانجراف البطيء الناتج عن النجوم والاندماج الأسرع الناتج عن الإشعاع الثقالي، يحسب المؤلف أن أزواج الثقوب السوداء لا يمكنها الاندماج إلا إذا كانت كتلتها المشتركة أقل من عتبة معينة. فإذا كان الزوج ثقيلاً جداً، فلن يمتلك الكون ببساطة الوقت الكافي لجمعهم معاً. وتشير الحسابات إلى أن الكتلة القصوى لثقب أسود يتشكل من خلال هذا التسلسل من عمليات الاندماج هي حوالي 140 تريليون ضعف كتلة شمسنا. ويتم استخلاص هذا الرقم بافتراض السيناريو الأكثر كفاءة الممكن: سلسلة من الاندماجات بين ثقوب سوداء متساوية الحجم، تحدث باستمرار منذ بداية الزمان. وحتى في ظل هذه الظروف المثالية، فإن أي ثقب أسود أثقل من هذا الحد سيكون لا يزال بعيداً جداً عن بعضه البعض بحيث لا يمكن أن يتحد بحلول اليوم.

لهذا الاكتشاف نتيجة مباشرة لكيفية استماعنا إلى الكون. يستخدم علماء الفلك أجهزة كاشفة للبحث عن الموجات الثقالية التي تنبعث من هذه العمالقة المندمجة. وتتوقع الدراسة أن الإشارة من هذه الأحداث لا ينبغي أن تزداد قوة مع انخفاض تردد الموجات، بمجرد أن تقابل الموجات فترات زمنية تزيد عن 100,000 عام. بعبارة أخرى، هناك نقطة قطع. فدون درجة معينة من الحدة، لا ينبغي للموجات الثقالية من أزواج الثقوب السوداء فائقة الضخامة أن تزيد في شدتها لأن أثقل الأزواج لم تملك الوقت الكافي للاندماج. وهذا يوفر تنبؤاً واضحاً وقابلاً للاختبار للملاحظات المستقبلية: إذا بحثنا عن إشارات ذات فترات زمنية طويلة جداً، فلا ينبغي أن نجد الزيادة المتوقعة في القوة من أكثر الثقوب السوداء ضخامة، مما يؤكد وجود حد سرعة كوني لنموها.

ويلاحظ المؤلف بعناية أن هذا تقدير تقريبي، فهو حد أقصى تقريبي وليس قياساً دقيقاً. وهو يعتمد على افتراضات محددة حول كيفية اندماج الثقوب السوداء في تسلسل وكيفية تأثير النجوم المحيطة على حركتها. لا تدعي الورقة أنها حلت لغز تشكل الثقوب السوداء بشكل نهائي، بل تقدم حداً معقولاً بناءً على الفهم الحالي للفيزياء وعمر الكون. وهي تشير إلى أنه بينما الكون شاسع وقديم، فإنه ليس قديماً بما يكفي للسماح بتشكل ثقوب سوداء أكبر بكثير من هذا الحد المحسوب من خلال العملية القياسية للاندماج الثنائي. يضيف هذا العمل قطعة حاسمة في لغز التطور الكوني، حيث يحدد حدود ما هو ممكن لأكثر الأجسام ضخامة في الوجود.