On Thermodynamic Universalities and Optics of B-deformed Reissner--Nordström--AdS Black Holes

في أعماق الكون، حيث الجاذبية شديدة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الهروب، تعمل الثقوب السوداء كمختبرات الطبيعة الأكثر تطرفاً. لعقود من الزمن، درس الفيزيائيون هذه العمالقة غير المرئية ليس فقط كأجرام من الضوء والظلام، بل كأنظمة ديناميكية حرارية، تماماً مثل المحركات البخارية في القرن التاسع عشر. ومن خلال معاملة الفضاء المحيط بالثقب الأسود كسائل يمكن ضغطه أو تمديده، اكتشف العلماء أن هذه الأجرام الكونية تمر بتحولات طورية تشبه غليان الماء أو تجمده. وقد أصبح هذا الربط بين القواعد المجهرية لميكانيكا الكم والمقياس الهائل للجاذبية جسراً حيوياً في الفيزياء الحديثة. ومؤخراً، التقط تلسكوب أفق الحدث، وهو شبكة عالمية من الأطباق الراديوية، أول صور مباشرة للظلال التي تلقيها اثنتان من أشهر الثقوب السوداء في الكون، وهما M87* وSgr A*. توفر هذه الصور وسيلة ملموسة ونادرة لاختبار النظريات حول كيفية سلوك الجاذبية تحت أكثر الظروف تطرفاً، مما يسمح للباحثين بالتحقق مما إذا كانت نماذجهم الرياضية تتطابق مع الواقع الذي يتم رصده في السماء.

في دراسة جديدة، ذهب الباحثان عادل بلحاج ومريم جمري إلى أبعد من ذلك باستكشاف نسخة نظرية محددة من الثقب الأسود تتضمن تصحيحات دقيقة من نظرية الأوتار. لقد ركزا على نوع من الثقوب السوداء يُعرف باسم "رايسنر-نوردستروم-أد إس" (Reissner–Nordström–AdS)، وهو ثقب أسود مشحون ويقع ضمن كون له نوع محدد من الانحناء. ومع ذلك، لم يتوقفا عند النموذج القياسي؛ بل أدخلا "تشوهاً" مستوحى من الهندسة غير التبادلية، وهي مفهوم من نظرية الأوتار يشير إلى أن الزمكان نفسه قد يكون له بنية "مضببة" أو "محببة" عند أصغر المقاييس. في نموذجهم، يتم التحكم في هذه الضبابية من خلال معلمة مرتبطة بمجال غير مرئي يسمى "مجال B". وقد سعى الفريق لمعرفة كيف يغير هذا التعديل "الوتري" سلوك الثقب الأسود، وتحديداً من خلال النظر في أمرين: كيف يتصرف كسائل ديناميكي حراري، وكيف يبدو ظله عند رصده من الأرض.

ولمعالجة هذه الأسئلة المعقدة، لجأ الباحثون إلى أدوات حوسبة متقدمة، بما في ذلك تعلم الآلة، للبحث في كميات هائلة من البيانات المحاكاتية. أولاً، فحصوا الخصائص الديناميكية الحرارية لهذه الثقوب السوداء المشوهة. في الرؤية القياسية، تتصرف بعض الثقوب السوداء مثل سائل "فان دير فالس"، وهو نوع من الغاز يمكن أن يتكاثف إلى سائل تحت ظروف ضغط ودرجة حرارة محددة. وحسبما فعل الفريق، فقد حسبوا ما إذا كانت ثقوبهم السوداء المشوهة "الوترية" تظهر هذا السلوك نفسه. ووجدوا أن الإجابة تعتمد كلياً على قيمة المعلمة الوترية والشحنة الكهربائية للثقب الأسود. فبالنسبة لمعظم القيم، يختفي السلوك الشبيه بالسائل، لكنهم حددوا مناطق محددة يحاكي فيها الثقب الأسود بالفعل سائل "فان دير فالس". وللتأكيد على ذلك، قاموا ببناء برنامج حاسوبي باستخدام شبكة عصبية كاملة الاتصال، وهي نوع من الذكاء الاصطناعي المصمم للتعرف على الأنماط. لقد قاموا بتغذية الآلة بنحو نصف مليون سيناريو محاكاتي، لتعليمها التمييز بين تكوينات الثقب الأسود التي أظهرت هذا السلوك الشبيه بالسائل وتلك التي لم تظهره. وكانت النتيجة مصنفاً عالي الدقة يمكنه تحديد السلوك الديناميكي الحراري الصحيح فوراً، مما يثبت أن تعلم الآلة أداة قوية لرسم القواعد الخفية لهذه الأجرام الكونية.

ثم انتقل الباحثون باهتمامهم إلى الجانب البصري للمشكلة: الظل. عندما يقع ثقب أسود أمام خلفية ساطعة، فإنه يحجب الضوء، مما يخلق صورة ظلية مظلمة تُعرف بالظل. يعتمد حجم وشكل هذا الظل على كتلة الثقب الأسود، وشحنته، وانحناء الفضاء من حوله. قام الفريق بمحاكاة كيفية ظهور ظل ثقبهم الأسود "الوتري" المشوه لمراقب بعيد. واكتشفوا أن الشحنة الكهربائية والمعلمة الوترية كلاهما يؤثران على حجم الظل، ولكن بطرق متعاكسة؛ فزيادة الشحنة تجعل الظل أصغر، بينما زيادة التشوه الوتري تجعله أكبر. ومن المثير للاهتمام أن الثابت الكوني، الذي يتعلق بتوسع الكون، يعمل أيضاً على تضخيم الظل. وبالرغم من هذه التغييرات في الحجم، ظل الظل دائرياً تماماً لأن الباحثين كانوا يدرسون ثقوباً سوداء غير دوارة. وتعد هذه الدائرية تفصيلاً حاسماً، لأنها تعني أن الشكل نفسه لا يتغير، بل المقياس فقط هو الذي يتغير.

أخيراً، وضع الفريق نماذجهم النظرية في مواجهة مع بيانات من العالم الحقيقي. فقد قارنوا ظلالهم المحاكاتية بالملاحظات الفعلية لـ M87* وSgr A* التي التقطها تلسكوب أفق الحدث. ومن خلال ضبط معلمات نموذجهم الوتري، بحثوا عن التركيبة المحددة من القيم التي ستنتج ظلاً يطابق الحجم والشكل المرئيين في صور التلسكوب. ووجدوا أن المعلمة الوترية يجب أن تكون سالبة وتقع ضمن نطاق ضيق جداً لتكون متوافقة مع الملاحظات. وإذا كانت المعلمة خارج هذا النطاق، فإن الظل المتوقع لن يتطابق مع البيانات. ولجعل هذه العملية أكثر قوة، استخدموا نموذج تعلم الآلة الخاص بهم مرة أخرى؛ حيث تم تدريب الشبكة العصبية على النظر في المعلمات والتنبؤ بما إذا كان تكوين معين سينتج ظلاً يناسب بيانات التلسكوب. نجح الذكاء الاصطناعي في فصل التكوينات "المسموح بها" عن التكوينات "المحظورة" بدقة تزيد عن 99%.

تخلص الدراسة إلى أنه بينما الفضاء النظري لهذه الثقوب السوداء الوترية واسع للغاية، إلا أن الكون أكثر انتقائية بكثير. إن جزءاً ضئيلاً فقط من التكوينات الرياضية الممكنة يتوافق مع ما نراه فعلياً في السماء. ويبرز البحث أن المعلمة الوترية تعمل كـ "مفتاح تحكم" صارم، يحدد ما إذا كان بإمكان ثقب أسود نظري أن يوجد في كوننا كما نرصده. إن عملهم، من خلال الجمع بين عمليات المحاكاة الرقمية عالية السرعة وتعلم الآلة، قد وفر طريقة واضية قائمة على البيانات لتقييد هذه النظريات الغريبة. ويشير بحثهم إلى أنه بينما تسمح رياضيات نظرية الأوتار بالعديد من الاحتمالات، فإن الواقع الفيزيائي للثقوب السوداء، كما كشف عنه تلسكوب أفق الحدث، يفرض قيوداً وثيقة على كيفية تجلي هذه النظريات. ويقدم هذا النهج مساراً واعداً للمضي قدماً في اختبار النظريات الجاذبية المعقدة الأخرى، باستخدام صور الكون نفسها كحكم نهائي.