تنبأ ألبرت أينشتين بوجود الثقوب السوداء أول مرة في عام 1916، مع  نظريته العامة في النسبية. مصطلح “الثُقب الأسود” صاغه عالم الفلك الأمريكي جون ويلر بعد عدة سنوات في عام 1967. 

بعد عقود من معرفتها كأجسام نظرية فقط، تم اكتشاف أول ثقب أسود مادي تم اكتشافه في عام 1971.بعد ذلك، في عام 2019، أصدر تعاون Event Horizon Telescope (EHT) أول صورة تم تسجيلها على الإطلاق لثقب أسود. رأى EHT الثُّقب الأسود في وَسَط المجرة M87 حين كان مِنْظار يفحص أفق الحدث، أو المنطقة التي لا يمكن لأي شيء أن يهرب منها من الثُّقب الأسود. 

ترسم الصورة الفقد المفاجئ فللوتونات (جسيمات الضوء). كما أنه يفتح مجالًا جديدًا تمامًا للبحث في الثقوب السوداء، و الآن بعد أن عرف علماء الفلك كيف يبدو الثُّقب الأسود.حتى الآن، حدد علماء الفلك ثلاث أنواع منها:النجمية، والهائلة، و المتوسطة.

الثقوب السوداء النجمية صغيرة

عندما يحترق النجم في آخر وقود له، قد ينهار الجسم أو يسقط على نفسه. بالنسبة للنجوم الأصغر حجمًا (تلك الذي تصل كتلتها إلى حوالي ثلاث أضعاف كتلة الشمس)، سيصبح اللب الجديد نجمًا نيوترونيًا أو قزمًا أبيض. و لكن عندما ينهار نجم أكبر، فإنه يستمر في الانضغاط و يخلق  ثقبًا أسود نجميًا.

الثقوب السوداء المتكونة من انهيار النجوم الفردية صغيرة نسبيًا، لكنها كثيفة بشكل لا يصدق. كتلة واحدة من هذه الأجسام أكثر من ثلاث أضعاف كتلة الشمس في قطر المدينة. هذا يؤدي إلى قدر هائل من قوة الجاذبية التي تسحب الأشياء حول الجسم. ثم تلتهم النجمية الغبار و الغاز من المجرات المحيطة بها، مما يحافظ على نموها في الحجم.

وفقًا  لمركز هار فارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية، “تحتوي مجرة ​​درب ألتبانه على بضع مئات من ملايين”النجمية.

الثقوب السوداء الهائلة

تملأ الثقوب السوداء الصغيرة الكون، لكن أبناء عمومتها، الهائلة، هم المسيطرون. يبلغ حجم هذه الهائلة  ملايين أو حتى بلايين المرات كتلة الشمس، لكن قطرها مماثل تقريبًا. يُعتقد أن مثلها تقع في مركز كل مجرة ​​تقريبًا، بما في ذلك  درب التبانية.

العلماء غير متحقِّقين من كيفية تولد مثلها الكبيرة. بمجرد تشكل هذه الكواكب العملاقة، فإنها تجمع الكتلة من الغبار و الغاز من حولها، و هي مادة وفيرة في مركز المجرات، مما يسمح لها بالنمو إلى أحجام أكبر.

قد تكون هائلة و ناتجة عن مئات أو آلاف الصغيرة التي تندمج معًا. يمكن أن تكون سحب الغاز الكبيرة مسؤولة أيضًا، حيث تنهار معًا و تتراكم الكتلة بسرعة. الخِيار الثالث هو انهيار الكتلة النجمية، و هي مجموعة من النجوم تتساقط معًا.

 يمكن أن تنشأ الثقوب السوداء الهائلة من مجموعات كبيرة من المادة المظلمة. هذه مادة يمكننا ملاحظتها خلال تأثير الجاذبية على الأجسام الأخرى؛ و مع ذلك، لا نعرف ما تتكون منه المادة المظلمة لأنها لا تشع ضوءًا و لا يمكن ملاحظتها مباشرة.

الثقوب السوداء المتوسطة

العلماء مرة واحدة يعتقد أنها جاءت في الأحجام الصغيرة و الكبيرة فقط، و لكن  البحوث التي أجريت حديثًا  قد كشفت عن احتمال أن متوسطة الحجم، أو  المتوسطة، و الثقوب السوداء (IMBHs) يمكن أن توجد. 

يمكن أن تتكون مثل هذه الأجسام عندما تصطدم النجوم في عنقود في تفاعل متسلسل. يمكن أن تتجمع العديد من هذه الكائنات الحية الدقيقة التي تتشكل في نفس المنطقة في نهاية المطاف معًا في مركز مجرة ​​مكونة ثقبًا أسود فائق الكتلة.

في عام 2014، اكتشف علماء الفلك ما بدا أنه  ثقب أسود متوسط ​​الكتلة  في ذراع مجرة ​​حلزونية.

قال المؤلف المشارك للدراسة تيم روبرتس، من جامعة دورهم في المملكة المتحدة، في بيان: “كان علماء الفلك يبحثون بجد عن هذه الثقوب السوداء متوسطة الحجم”. “كانت هناك تلميحات إلى وجودها، لكن IMBHs كانت تتصرف مثل قريب مفقود منذ مدة و غير مهتم بالعثور عليه.”

اقترح بحث جديد، من عام 2018، أن هذه الثغرات الضخمة قد توجد في قلب المجرات القزمة أو المجرات الصغيرة جدًا. 

كشفت ملاحظات 10 مجرات من هذا القبيل خمسة منها لم تكن معروفة سابقًا للعلم قبل هذا المسح الأخير عن نشاط الأشعة السينية الشائعة في الثقوب السوداء مما يشير إلى وجود ثقوب سوداء من 36000 إلى 316000 كتلة شمسية. جاءت المعلومات من مسح سلون الرقمي للسماء، الذي يفحص حوالي مليون مجرة ​​و يمكنه اكتشاف نوع الضوء الذي غالبًا ما يُلاحظ قادمًا منها التي تلتقط الحُطَام القريب.

كيف تبدو؟

تحتوي الثقوب السوداء على ثلاث “طبقات”: أفق الحدث الخارجي و الداخلي، و الفردية.

في  أفق الحدث  للثقب الأسود هو الحدود حول الفم من الثُّقب الأسود، في الماضي التي لا يمكن للضوء الفِرَار. بمجرد عبور الجسيم لأفق الحدث، لا يمكنه المغادرة. الجاذبية ثابتة عبر أفق الحدث.

تُعرف المنطقة الداخلية للثقب الأسود، حيث تكمن كتلة الجسم،  بتفردها، و هي النقطة الوحيدة في الزمان حيث تتركز كتلة الثُّقب الأسود.

لا يستطيع العلماء رؤيتها بالطريقة التي يمكنهم بها رؤية النجوم و الأشياء الأخرى في الفضاء. بدلاً من ذلك، يجب أن يعتمد علماء الفلك على اكتشاف الإشعاع الذي تنبعث منها خلال سحب الغبار و الغاز إلى المخلوقات الكثيفة. لكن الثقوب السوداء الهائلة، الموجودة في وَسَط المجرة، قد يكتنفها الغبار الكثيف و الغازات المحيطة بها، التي يمكن أن تمنع الانبعاثات المنذرة.بعض الأحيان، عندما تنجذب المادة نحو الثُّقب الأسود، فإنها ترتد عن أفق الحدث و تندفع نحو الخارج، بدلاً من أن تُسحب في الفراغ. 

يتم إنشاء نفاثات ساطعة من المواد تتحرك بسرعات شبه نسبية. مع أنّ الثُّقب الأسود لا يزال غير مرئي، يمكن رؤية هذه النفاثات القوية من مسافات بعيدة.كانت صورة Event Horizon Telescope لثقب أسود في M87 (تم إصدارها في عام 2019) جهدًا غير عادي، و تطلبت عامين من البحث حتى بعد التقاط الصور. هذا لأن التعاون بين التلسكوبات، الذي يمتد عبر العديد من المراصد في جميع أنحاء العالم، ينتج كَمّيَّة مذهلة من البيانات أكبر من أن يتم نقلها عبر الإنترنت.

مع مرور الوقت، يتوقع الباحثون تصوير الثقوب السوداء الأخرى و بناء مستودع لَمَّا تبد عليه هذه الأشياء. من المحتمل أن يكون الهدف التالي هو القوس A *، و هو الثُّقب الأسود في مركز مجرتنا درب التبانة. 

أفادت دراسة أجريت عام 2019 أن القوس A * مثير للاهتمام لأنه أكثر هدوءًا مما كان متوقعًا، الذي قد يكون بسبب الحقول المغناطيسية التي تخنق نشاطه. أظهرت دراسة أخرى في ذلك العام أن هالة غازية باردة تحيط بـ Sagittarius A، مما يعطي النَّظْرَة الثاقبة غير مسبوقة لَمَّا تبد عليه البيئة المحيطة بالثقب الأسود.

تسليط الضوء على الثقوب السوداء الثنائية

في عام 2015، اكتشف علماء الفلك باستخدام مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية (LIGO) موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء النجمية.

“لدينا تأكيد إضافي لوجود ثقوب سوداء ذات كتلة نجمية أكبر من 20 كتلة شمسية – هذه أشياء لم نكن نعلم بوجودها قبل أن يكتشفها LIGO”، هكذا قال David Shoemaker، المتحدث باسم LIGO Scientific Collaboration (LSC)،  و قال في بيان. 

توفر ملاحظات LIGO أيضًا رؤى حول الاتجاه الذي يدور فيه الثُّقب الأسود. عندما يدور ثقبان أسودان أحدهما حول الآخر البعض، يمكن أن يدوران في نفس الاتجاه أو في الاتجاه المعاكس.

هناك نوعان من النظريات حول كيفية تشكل الثقوب السوداء الثنائية. الأول يشير إلى أن الثقبين الأسودين في شكل ثنائي في نفس الوقت تقريبًا، من نجمين ولدا معًا و توفيا بشكل متفجر في نفس الوقت تقريبًا. كان للنجوم المرافقة نفس اتجاه الدوران مثل بعضها البعض، لذلك سيكون الثقبان الأسودان اللذان تركا وراءهما كذلك.

تحت النموذج الثاني، تغرق الثقوب السوداء في الكتلة النجمية في مركز الكتلة و تزدوج. سيكون لهؤلاء الرفاق اتجاهات دوران عشوائية مقارنة بعضُهم ببعض. توفر ملاحظات ليجو  للثقوب السوداء المصاحبة ذات اتجاهات الدوران المختلفة  دليلاً أقوى على نظرية التكوين هذه.

قال كيتا كوابي، عالم ليجو من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، و مقره في مرصد ليجو هان فورد: “لقد بدأنا في جمع إحصاءات حقيقية عن أنظمة الثقوب السوداء الثنائية”. “هذا مثير للاهتمام لأن بعض نموذجات التشكل الثنائي للثقب الأسود مفضلة إلى حد ما على النموذجات الأخرى حتى الآن، و في المستقبل، يمكننا تضييق هذا الأمر بشكل أكبر.”