Black objects in a five-dimensional swirling spacetime

في المسرح الفسيح للفيزياء الحديثة، لا تُدرس الجاذبية غالباً بوصفها مجرد القوة التي تبقي أقدامنا على الأرض، بل كخاصية هندسية للزمان والمكان نفسهما. لأكثر من قرن، كان النموذج القياسي لهذه القوة هو نظرية أينشتاين للنسبية العامة، التي تصف كوننا بأنه يتكون من أربعة أبعاد: ثلاثة للمكان وواحد للزمان. ومع ذلك، فإن العديد من أكثر النظريات واعدةً التي تحاول توحيد الجاذبية مع ميكانيكا الكم، مثل نظرية الأوتار، تشير إلى أن الكون قد يمتلك في الواقع أبعاداً أكثر مما يمكننا إدراكه. ويُعتقد أن هذه الأبعاد الإضافية ملتفة حول نفسها بإحكام شديد لدرجة أننا لا نستطيع رؤيتها، لكن وجودها من شأنه أن يغير بشكل جذري كيفية سلوك الجاذبية. وعندما يستكشف الفيزيائيون هذه العوالم ذات الأبعاد الأعلى، يجدون أن القواعد التي تحكم الثقوب السوداء — وهي مناطق من الفضاء كثيفة للغاية لدرجة أنه لا يمكن لأي شيء الهروب منها — تصبح أكثر تعقيداً وتنوعاً مما هي عليه في واقعنا المألوف رباعي الأبعاد. فبدلاً من شكل واحد بسيط، يمكن للثقوب السوداء في الأبعاد الأعلى أن تتخذ "علم حيوان" (zoology) من الأشكال، بما في ذلك الحلقات وتضاريس أخرى غريبة، مما يتحدى فهمنا لكيفية ولادة هذه الأجسام الكونية وكيفية سلوكها.

بناءً على هذا الأساس، اتخذت دراسة حديثة أجراها أدريانو فيغانو في المعهد الوطني للفيزياء النووية في ميلانو خطوة كبيرة للأمام من خلال بناء نوع جديد من البيئات الكونية في خمسة أبعاد ووضع ثقوب سوداء داخلها. ركز الباحثون على خلفية نظرية تُعرف باسم "الكون الدوّار" (swirling universe). تخيل كوناً ليس ساكناً، بل يمتلك دورانًا متأصلًا، دوامة كونية ناتجة عن انحناء الزمكان نفسه. في هذه البيئة، يقوم نسيج الفضاء بسحب المراقبين معه، تماماً كما يحمل تيار النهر قارباً، بغض النظر عما إذا كان للقارب محرك أم لا. تم استكشاف هذا المفهوم سابقاً في أربعة أبعاد، لكن عمل فيغانو يمدد هذا المفهوم إلى خمسة أبعاد، خالقاً مسرحاً لاختبار سلوك الأجسام السوداء المعقدة. كان الهدف هو معرفة ما إذا كانت ظروف الدوران هذه يمكن أن تدعم ثقوباً وحلقات سوداء مستقرة، وفهم كيف يغير دوران الكون نفسه خصائص هذه الأجسام الضخمة.

ولتحقيق ذلك، استخدم الفريق تقنية رياضية تسمح بتحويل الحلول المعروفة لمعادلات أينشتاين إلى حلول جديدة. بدأوا بأبسط خلفية ممكنة، وهي فضاء مسطح خماسي الأبعاد، وطبقوا تحويلاً محدداً أدخل الحركة الدوارة. خلق هذا كوناً دواراً جديداً يعمل كخلفية. ثم أخذوا نوعين معروفين من الأجسام السوداء في خمسة أبعاد: ثقب "مايرز-بيري" الأسود (Myers–Perry)، وهو جسم يشبه الكرة الدوارة، والحلقة السوداء الدوارة، وهي أفق ذو شكل يشبه حلقة الدونات. ومن خلال دمج هذه الأجسام في كونهم الدوار، أنتجوا حلولاً جديدة تماماً تصف كيف ستوجد هذه الثقوب السوداء إذا كان الكون بأكمله يدور حولها.

أحد أهم الاختبارات في مثل هذه الدراسة هو التأكد من أن الحلول واقعية فيزيائياً وخالية من العيوب الرياضية. في عالم الفيزياء النظرية، هناك مشكلة شائعة في الحلول المصممة وهي ظهور "التفردات المخروطية" (conical singularities). هذه ليست نقاطاً ذات كثافة لانهائية مثل مركز الثقب الأسود، بل هي عيوب هندسية في نسيج الفضاء، تشبه النقطة الحادة عند طرف المخروط حيث لا يكون السطح أملساً بشكل صحيح. مثل هذه العيوب من شأنها أن تجعل الحل مستحيلاً من الناحية الفيزيائية. وقد أثبت الباحثون أن كلاً من الثقب الأسود الدوّار والحلقة السوداء الدوارة خاليان من هذه العيوب. لقد أظهروا أنه من خلال ضبط دورية الإحداثيات الزاوية بعناية — أي تحديد كيفية التفاف الفضاء حول نفسه — يصبح الشكل الهندسي أملساً تماماً. وهذا يعد إنجازاً ملحوظاً لأن مثل هذه العيوب غالباً ما تكون لا مفر منها في السيناريوهات المماثلة رباعية الأبعاد، مما يجعل النتائج الخماسية الأبعاد قوية ومنتظمة بشكل خاص.

ثم تعمقت الدراسة في الخصائص الفيزيائية لهذه الأجسام الجديدة، حيث قامت بحساب كتلتها وزخمها الزاوي. وأظهرت النتائج أن الخلفية الدوارة تغير هذه القيم بشكل كبير. فبالنسبة لكل من الثقب الأسود والحلقة السوداء، أدى وجود معامل الدوران إلى زيادة كتلتها وزخمها الزاوي مقارنة بنظرائهم في كون مسطح غير دوار. ووجد الباحثون أن الحركة الدوارة تخلق نوعاً من التنافس بين دوران الجسم الخاص به ودوران الكون. هذا التفاعل يفرض قيوداً أكثر صرامة على مقدار الزخم الزاوي الذي يمكن أن يمتلكه الثقب الأسود. في الكون المسطح القياسي، يكون دوران الثقب الأسود محدوداً بكتلته، ولكن في هذه البيئة الدوارة، يصبح الحد أكثر ضيقاً. ومع زيادة معامل الدوران، ينخفض الحد الأقصى للدوران الممكن للثقب الأسد، مما يشير إلى أن الدوامة الكونية تقيد قدرة الجسم على الدوران بحرية.

ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة ظهر عندما فحص الفريق الحلقة السوداء. في كون خماسي الأبعاد مسطح ومعياري، تعاني الحلقات السوداء من مشكلة تُعرف بـ "عدم الوحدانية" (non-uniqueness). وهذا يعني أنه بالنسبة لمجموعة محددة من الخصائص الفيزيائية، مثل الكتلة والدوران، يمكن أن يكون هناك حلان مختلفان للحلقات السوداء بخصائص أو أحجام مختلفة. الأمر كما لو أن قوانين الفيزياء سمحت بإجابتين مختلفتين لنفس السؤال، مما يعقد قدرتنا على التنبؤ بسلوك هذه الأجسام. ومع ذلك، عندما وضعت الحلقة السوداء في الكون الدوّار، تلاشى هذا الغموض. وجد الباحثون أن الخلفية الدوارة استعادت "الوحدانية": فلكل تركيبة محددة من الكتلة والدوران، كان هناك حل واحد ممكن فقط للحلقة السوداء. يشير هذا إلى أن دوران الكون يعمل كقوة استقرار، مما يحل الارتباك الذي يعاني منه هذه الأجسام في بيئة ساكنة.

كما بحث الباحثون في "مناطق الإرغوسفير" (ergoregions) لهذه الأجسام، وهي مناطق خارج أفق الحدث حيث يكون سحب الزمكان قوياً لدرجة أنه لا يمكن لأي شيء أن يظل ساكناً. في الكون الدوار، تأخذ هذه المناطق بنية معقدة. بالنسبة للثقب الأسود، تمتد منطقة الإرغوسفير إلى اللانهاية وتتغير في الشكل اعتماداً على قوة معامل الدوران. عند المستويات المنخفضة من الدوران، تتكون منطقة الإرغوسفير من قطع منفصلة، ولكن مع اشتداد الدوران، تندمج هذه القطع لتصبح منطقة واحدة مستمرة تحيط بالثقب الأسود. يسلط هذا التطور الضوء على كيفية إعادة تشكيل الدوران العالمي للكون للبيئة المباشرة للثقب الأسود، مما يخلق حداً ديناميكياً أكثر تعقيداً بكثير مما يُرى في كون غير دوار.

تطلبت التعقيدات الرياضية لحل الحلقة السوداء استخدام طرق عددية لتحليل كتلتها وزخمها الزاوي بشكل كامل، لكن النتائج كانت متسقة مع نتائج الثقب الأسود. كما وُجد أن كتلة ودوران الحلقة أكبر مما هي عليه في الحالة المسطحة، وأكدت النسبة بين هاتين الكميتين استعادة الوحدانية. تخلص الدراسة إلى أن الكون الدوّار ليس مجرد فضول رياضي بل هو بيئة مستقرة وقابلة للتطبيق للأجسام السوداء ذات الأبعاد الأعلى. إنه يقدم منظوراً جديداً حول كيفية تأثير الهيكل واسع النطاق للكون على الخصائص المحلية لأكثر سكانه تطرفاً. ومن خلال إثبات أن هذه الحلول منتظمة وفريدة، توفر هذه العمل صورة أوضح لـ "علم حيوان" الأجسام السوداء المحتمل في الأبعاد الأعلى، وتشير إلى أن دوران الكون نفسه يلعب دوراً جوهرياً في تحديد قواعد فيزياء الثقوب السوداء.