Black holes with conical infinity in gravitational caloric theory

على مر قرون، كان التنبؤ الأكثر شهرة لنظرية أينشتاين في الجاذبية هو الثقب الأسود: منطقة من الفضاء كثيفة للغاية لدرجة أن لا شيء، ولا حتى الضوء، يمكنه الهروب من جذبها. في النسخة القياسية لهذه النظرية، تكون هذه الأجسام بسيطة بشكل ملحوظ؛ فإذا عرفت مقدار كتلتها، ستعرف كل شيء آخر تقريبًا عنها؛ فشكلها كروي تمامًا، والفضاء المحيط بها يستقر في النهاية في حالة مسطحة وغير منحنية تمتد إلى الأبد. هذا التبسيط يبعث على الطمأنينة، لكنه يترك سؤالاً مفتوحاً: هل هذه هي الثقوب السوداء الوحيدة الممكنة، أم يمكن أن توجد أخرى تشبهها كثيراً عن قرب ولكنها تتصرف بشكل مختلف بعيداً؟ للإجابة على ذلك، يستكشف الباحثون امتدادات لنظرية أينشتاين، عبر إضافة مجالات قوة جديدة ربما كانت موجودة في الكون المبكر أو قد تؤثر على كيفية توسع الكون اليوم. إحدى هذه الأفكار، المعروفة باسم النظرية الكالوريكية للجاذبية (gravitational caloric theory)، تقدم نوعاً محدداً من المجالات التي تتفاعل مع الجاذبية. وبينما تمت دراسة هذه النظرية لآثارها على الكون ككل، فقد تساءل العلماء طويلاً عما إذا كانت تسمح بوجود ثقوب سوداء تختلف عن النوع القياسي، أم أن النظرية تفرض أن تبدو جميع الثقوب السوداء متطابقة تماماً مع تلك التي تنبأ بها أينشتاين.

لقد تصدى فريق من الفيزيائيين في جامعة بكين العادية لهذا السؤال الآن من خلال رسم خرائط للأشكال الممكنة للثقوب السوداء في هذه النظرية الموسعة. لم يكتفوا بمجرد التخمين في الحلول أو تشغيل محاكاة حاسوبية عشوائية؛ بل عاملوا المعادلات التي تحكم هذه الأجسام كخريطة لتضاريس، يتتبعون كل مسار ممكن يمكن أن يسلكه الثقب الأسود من سطحه وصولاً إلى حافة الكون. ويكشف تحليلهم أن النظرية تسمح بالفعل بوجود ثقوب سوداء تختلف عن النوع القياسي، ولكن مع تحول محدد ومثير للدهشة. فهذه الثقوب السوداء الجديدة يمكن أن تبدو متطابقة تقريباً مع الثقوب المألوفة بجوار آفاق الحدث الخاصة بها وحتى وصولاً إلى مقي Scale نظامنا الشمسي، ومع ذلك فهي تنتهي بهندسة مختلفة تماماً في البعيد. فبدلاً من أن يتسطح الفضاء إلى مستوٍ مسطح لانهائي، يلتوي الفضاء حول هذه الأجسام ليأخذ شكل مخروط.

وجد الباحثون أنه لكي توجد هذه الثقوة السوداء غير العادية، يجب أن تستوفي النظرية علاقة دقيقة بين بارامتراتها الداخلية. وعند استيفاء هذا الشرط، تنقسم النظرية إلى احتمالين متميزين: الأول هو ثقب شوارزشيلد (Schwarzschild) المألوف، وهو مسطح تماماً عند مسافة بعيدة. والثاني هو عائلة جديدة من الثقوب السوداء التي تمتلك ما يسميه المؤلفون "لانهاية مخروطية" (conical infinity). تخيل الفضاء حول ثقب أسود كقطعة من القماش؛ بالنسبة لثقب أسود قياسي، تظل هذه القطعة مسطحة تماماً كلما ابتعدت عن المركز. أما بالنسبة لهذه الثقوب السوداء الجديدة، فإن القطعة تظل مسطحة لفترة طويلة، ولكنها تبدأ في النهاية في التضيق، كما لو تم قطع جزء منها أو إضافته، مما يجعل القماش يتخذ شكل مخروط يمتد إلى الأبد. وهذا الشكل المخروطي يعني أن إجمالي كمية الفضاء، أو "الزاوية الصلبة"، عند الحافة القصوى للكون، تختلف عما نتوقعه في كون مسطح؛ فهي إما أكبر قليلاً أو أصغر قليلاً من القيمة القياسية، اعتماداً على الإعدادات المحددة للنظرية.

إن ما يجعل هذا الاكتشاف مثيراً للاهتمام بشكل خاص هو كيف يمكن لهذه الأجسام أن تخفي طبيعتها الحقيقية. تظهر الدراسة أن هذه الثقوب السوداء المخروطية يمكن أن تظل غير قابلة للتمييز عن الثقوب السوداء القياسية لمجال شاسع من المسافات. فمن المنطقة العنيفة خارج أفق الحدث مباشرة وصولاً إلى مدارات الكواكب في نظامنا الشمسي، تكون الجاذبية التي تمارسها مشابهة جداً لجاذبية ثقب أسود عادي. لا يصبح الفرق ظاهراً إلا عند مسافات كونية شاسعة. وتعتمد النقطة التي يبدأ عندها الفضاء في الانحناء إلى شكل مخروط على قوة المجال الجديد عند سطح الثقب الأسود. فإذا كان هذا المجال ضعيفاً جداً، فإن الانتقال إلى الشكل المخروني يحدث في مكان بعيد جداً، مما يدفع "الفيزياء الجديدة" إلى مجال يستحيل رصده حالياً بتلسكوباتنا. وهذا يعني أن ثقباً أسود يمكن أن يكون موجوداً في جوارنا، يبدو ويتصرف تماماً مثل تلك التي نعرفها، بينما يخفي في السر بنية مخروطية تمتد في أعماق الكون.

كما استكشف الفريق ما إذا كان بإمكان هذه الأجسام أن تتشكل طبيعياً. لقد حددوا مساراً معيناً في تضاريسهم الرياضية يربط أفق الحدث بهذه اللانهاية المخروطية، مما يثبت أن مثل هذه الحلول متسقة رياضياً ومستقرة. ووجدوا أن الطريقة الوحيدة للحصول على كون مسطح تماماً في نهاية الخط هي امتلاك ثقب أسود قياسي تماماً دون وجود أي مجال إضافي على الإطلاق. فإذا وجد أي أثر لهذا المجال الجديد، فلا بد أن ينتهي الكون بشكل مخروطي. وهذا ينفي فكرة أن هذه النظريات يمكنها بسهولة إنتاج ثقوب سوداء "مشعرة" (hairy black holes) مسطحة عند اللانهاية؛ فالنظرية تفرض خياراً بين العالم المسطح المألوف وهذا العالم المخروطي الجديد. وأشار الباحثون أيضاً إلى أنه بينما تعد هذه الحلول سليمة رياضياً، إلا أننا لا نعرف بعد ما إذا كانت الطبيعة تخلقها بالفعل. إن تحديد ما إذا كان نجم منهار سيشكل طبيعياً أحد هذه الثقوب السوداء المخروطية، أم أنها مجرد فضول رياضي، سيتطلب دراسات مستقبلية تحاكي العملية العنيفة للانهيار الجاذبي في الوقت الفعلي.

إن تداعيات هذا العمل على كيفية اختبار الجاذبية دقيقة ولكنها جوهرية. نظرًا لأن هذه الثقوب السوداء يمكن أن تحاكي الثقوب القياسية عن كثب في مجالنا المحلي، فإن الاختبارات التقليدية للجاذبية، مثل قياس مدارات الكواكب أو بدارية النجوم، قد لا تكتشفها. وقد حسب الباحثون أن الانزياحات الضئيلة في مدارات الكواكب الناتجة عن هذه الأجسام ستكون صغيرة للغاية، ومن المرجح أن تكون أصغر من أن تُقاس بالتقنيات الحالية ما لم يحدث الانتقال إلى الشكل المخروني بالقرب من الثقب الأسود. ومع ذلك، فإن حقيقة إمكانية وجود مثل هذه الأجسام تشير إلى أن فهمنا الحالي للجاذبية قد يكون ناقصاً في البيئات الأكثر تطرفاً وضعفاً في شدة المجال. إن هذا يفتح الباب أمام كون لا تكون فيه الثقوب السوداء مجرد كرات بسيطة وساكنة، بل أجساماً معقدة تحمل بصمة هندسية خفية، تنتظر أن تكشف عنها ملاحظات أقاصي الفضاء السحيق. ويؤكد هذا العمل أنه بينما وصف أينشتاين قوي ومتين، إلا أن هناك مجالاً لتنوع أغنى من الهياكل الكونية التي لم نرها بعد.