Signatures of charged rotating regular black holes: quasinormal modes, grey-body factors and shadows

على مدى عقود، تم تحديد الصورة السائدة للثقب الأسود في كوننا من خلال خلل واحد مرعب: نقطة في مركزه تماماً حيث تنهار قوانين الفيزياء. في نماذج الجاذبية القياسية، هذه النقطة، المعروفة باسم "التفرد" (singularity)، هي مكان تصبح فيه الكثافة لانهائية وتمزق فيه الزمكان. وبينما تختبئ هذه الغرابة الرياضية خلف أفق الحدث، مما يحمي بقية الكون من فوضاها، فقد اشتبه العديد من الفيزيائيين لفترة طويلة في أن الطبيعة لا تسمح فعلياً بمثل هذه اللانهائيات. لقد اقترحوا وجود ثقوب سوداء "منتظمة"، وهي أجسام نظرية تمتلك أفق حدث وجذب جاذبية مألوف، ولكنها تستبدل تلك النقطة المركزية المدمرة بنواة سلسة ومحدودة. والسؤال الذي ظل عالقاً هو ما إذا كانت هذه النسخ الأكثر سلاسة من الثقوب السوداء ستبدو أو تتصرف بشكل مختلف عن النماذج القياسية التي نتوقعها، أم أنها ستكون غير قابلة للتمييز عن النماذج الكلاسيكية.

تضع دراسة حديثة أجراها "أبهيشيك بارمان ماجي" في المعهد الهندي للتكنولوجيا بكهاركبور، هدفها للإجابة على ذلك من خلال إنشاء عمليات محاكاة تفصيلية لنوعين محددين من هذه الثقوب السوداء المنتظمة، واللذين وُضعا الآن في حالة دوران. في الكون الحقيقي، تدور الثق holes السوداء دائماً تقريباً، وهذا الدوران يسحب نسيج الفضاء حولها، مما يخلق بيئة معقدة لا تستطيع النماذج الساكنة استيعابها. قام الباحث ببناء نسخ دوارة من نموذجين نظريين، يُعرفان بـ "آيون-بياتو-غارسيا" (ABG) و"بالارت-بانوتوبولوس-رينكون" (BPR)، ثم أخضعها لسلسلة من الاختبارات لمعرفة كيفية تفاعلها مع العالم المحيط بها. كان الهدف هو تحديد ما إذا كان بإمكاننا تمييز هذه الأجسام المنتظمة والسلسة عن الثقوب السوداء القياسية ذات التفرد باستخدام أدوات علم الفلك الحديث، مثل التموجات في الزمكان الناتجة عن الاصطدامات أو الظلال الداكنة التي تلقيها مقابل خلفية من الغاز المتوهج.

لفهم ما تكشف عنه عمليات المحاكاة هذه، يجب على المرء أولاً فهم الأدوات المستخدمة في سبر أغوارها. فعندما يتعرض ثقب أسود للاضطراب، ربما بسبب نجم عابر أو اصطدام مع ثقب أسود آخر، فإنه لا يستقر فوراً. بدلاً من ذلك، فإنه "يرن" مثل جرس ضُرب، مطلقاً موجات جاذبية بترددات محددة تتلاشى بمرور الوقت. تُسمى هذه "الأنماط شبه الطبيعية" (quasinormal modes)، ويعتمد حدتها وسرعة تلاشيها كلياً على شكل وهيكل الثقب الأسود. قامت الدراسة بحساب ترددات "الرنين" هذه للثقوب السوداء المنتظمة الدوارة وقارنتها بالثقب الأسود الدوار القياسي ذي الشحنة، والمعروف باسم ثقب "كير-نيومان". وأظهرت النتائج نمطاً لافتاً: فقد تصرف ثقب (BPR) الدوار تماماً مثل نموذج "كير-نيوم" القياسي؛ كانت ترددات رنينهما متشابهة للغاية لدرجة أنهما، من الناحية العملية، كانا توأمين. ومع ذلك، فإن ثقب (ABG) الدوار روى قصة مختلفة؛ إذ كانت اهتزازاته متميزة، وتتحول بطرق تميزه بوضوح عن النموذج القياسي، خاصة عندما يدور الثقب بسرعة كبيرة أو يحمل شحنة كهربائية كبيرة.

لم يتوقف التحقيق عند الصوت فحسب؛ بل بحث أيضاً في كيفية تشتيت هذه الأجسام للضوء والطاقة. قام الباحثون بحساب "عوامل الجسم الرمادي" (grey-body factors)، والتي تصف مقدار الموجة التي تقترب من الثقب الأسود وتُبتلع مقابل مقدار ما يرتد منها. في هذا الاختبار، أثبت نموذج (BPR) مرة أخرى أنه متطابق تقريباً مع ثقب "كير-نيومان" القياسي، حيث يمتص ويعكس الموجات بنفس الطريقة. ومع ذلك، عمل نموذج (ABG) كحاجز أقوى، حيث عكس المزيد من الطاقة عند ترددات معينة وأخر الانتقال إلى الامتصاص الكامل. يشير هذا إلى أنه إذا تمكنا من قياس كيفية تشتيت الثقوب السوداء للموجات بدقة متناهية، فقد نتمكن من رصد البصمة الفريدة لهندسة (ABG). كما درست الدراسة ظاهرة "الامتصاص الفائق" (superradiance)، حيث يمكن لثقب أسود دوار أن يضاعف بالفعل الموجات القادمة، مسترقاً الطاقة من دورانه الخاص. وهنا أيضاً، أظهر نموذج (ABG) عتبة مختلفة لهذا التضخيم مقارنة بالنماذج الأخرى، حيث يتطلب تردداً أعلى لتحفيز هذا التأثير.

ربما كان الجزء الأكثر إثارة بصرياً في الدراسة يتعلق بـ "ظل" الثقب الأسود. فعندما يستقر ثقب أسود أمام خلفية مضيئة، فإنه يحجب الضوء، مما يلقي ظلاً داكناً أكبر قليلاً من أفق الحدث نفسه. يتشكل هذا الظل بواسطة المدارات غير المستقرة للفوتونات، وهي جسيمات الضوء التي تدور حول الثقب الأسود قبل أن تسقط فيه أو تهرب منه. رسم الباحثون خرائط لهذه الظلال لنماذجهم الدوارة وقارنوها بالملاحظات التي أجراها "تلسكوب أفق الحدث"، وهو الأداة التي التقطت ببراعة أول صورة لظل ثقب أسود. كشفت عمليات المحاكاة أن ظل ثقب (BPR) الدوار كان لا يمكن تمييزه تقريباً عن ظل "كير-نيومان" القياسي. ومع ذلك، أنتج نموذج (ABG) الدوار شكلاً مختلفاً بشكل ملحوظ. ومن خلال مقارنة هذه الظلال النظرية بالقياسات الفعلية للثقوب السوداء فائقة الكتلة M87* وSgr A*، تمكنت الدراسة من وضع حدود صارمة لمدى سرعة دوران هذه الثقوب السوداء المنتظمة ومقدار شحنتها دون التناقض مع ما نراه في السماء.

الاستنتاج الشامل لهذا العمل هو حكاية ذات نتيجتين مختلفتين. فهو يشير إلى أن ليس كل الثقوب السوداء المنتظمة متساوية عندما يتعلق الأمر بالملاحظة. أحد النماذج المختبرة، وهو (BPR)، مشابه جداً للثقب الأسود الدوار القياسي لدرجة أنه سيكون من الصعب للغاية التمييز بينهما باستخدام التكنولوجيا الحالية أو المستقبلية القريبة؛ فهما يرنان بنفس الطريقة، ويُلقيان نفس الظل، ويشتتان الضوء بنفس الطريقة. أما النموذج الآخر، (ABG)، فيقدم وجهاً أكثر تميزاً للكون، باهتزازات فريدة وظل مختلف يمكن اكتشافه محتملاً. تشير هذه النتيجة إلى أن التفاصيل الرياضية المحددة المستخدمة لإزالة "التفرد" المركزي مهمة للغاية. فبينما يعد اشتراط أن يكون الثقب الأسويد "منتظماً" قيداً قوياً، إلا أنه لا يجبر جميع هذه الأجسام على أن تبدو متشابهة. بدلاً من ذلك، فإن الطريقة المحددة التي يتم بها تنعيم المركز تترك "بصمة" على سلوك الثقب الأسود، مما يوفر مساراً محتملاً لعلماء الفلك للتمييز بين نظريات الجاذبية المختلفة في المستقبل، بشرما استطاعوا قياس الاختلافات الدقيقة في كيفية اهتزاز هذه العمالقة الكونية وحجبها للضوء خلفها.