علماء الرياضيات يكتشفون ما لا نهاية لأشكال الثقب الأسود المحتملة

يبدو الكون لتفضيل الأشياء المستديرة. تميل الكواكب والنجوم إلى أن تكون كرات لأن الجاذبية تسحب سحب الغاز والغبار باتجاه مركز الكتلة. وينطبق الشيء نفسه على الثقوب السوداء – أو بشكل أكثر دقة ، آفاق الحدث للثقوب السوداء – التي يجب ، وفقًا للنظرية ، أن تتشكل كرويًا في كون ذي ثلاثة أبعاد من الفضاء وواحد من الزمن.

ولكن هل تنطبق نفس القيود إذا كان لكوننا أبعاد أعلى ، كما هو مفترض أحيانًا – أبعاد لا يمكننا رؤيتها ولكن آثارها لا تزال ملموسة؟ في هذه الإعدادات ، هل أشكال الثقب الأسود الأخرى ممكنة؟

الجواب على السؤال الأخير ، كما تخبرنا الرياضيات ، هو نعم. على مدى العقدين الماضيين ، وجد الباحثون استثناءات عرضية للقاعدة التي تحصر الثقوب السوداء في شكل كروي.

الآن ورقة جديدة تذهب أبعد من ذلك بكثير ، تظهر في دليل رياضي شامل أن عددًا لا نهائيًا من الأشكال ممكنة في الأبعاد الخمسة وما فوق. توضح الورقة أن معادلات ألبرت أينشتاين للنسبية العامة يمكن أن تنتج مجموعة كبيرة ومتنوعة من الثقوب السوداء ذات المظهر الغريب والأبعاد الأعلى.

العمل الجديد نظري بحت. لا يخبرنا ما إذا كانت مثل هذه الثقوب السوداء موجودة في الطبيعة. ولكن إذا اكتشفنا بطريقة ما مثل هذه الثقوب السوداء ذات الشكل الغريب – ربما مثل المنتجات المجهرية للتصادم عند مصادم الجسيمات – “فهذا سيُظهر تلقائيًا أن كوننا ذو أبعاد أعلى” ، كما قال ماركوس خوري ، مقياس الأرض في جامعة ستوني بروك. شارك في تأليف العمل الجديد مع جوردان راينون ، حاصل على درجة الدكتوراه في الرياضيات من ستوني بروك. لذا فهي الآن مسألة انتظار لمعرفة ما إذا كانت تجاربنا يمكنها اكتشاف أي منها.

دونات الثقب الأسود

كما هو الحال مع العديد من القصص حول الثقوب السوداء ، تبدأ هذه القصة بستيفن هوكينج – على وجه التحديد ، بإثباته عام 1972 على أن سطح الثقب الأسود ، في لحظة محددة من الزمن ، يجب أن يكون كرة ثنائية الأبعاد. (في حين أن الثقب الأسود هو جسم ثلاثي الأبعاد ، فإن سطحه له بعدين مكانيين فقط.)

لم يتم التفكير كثيرًا في تمديد نظرية هوكينج حتى الثمانينيات والتسعينيات ، عندما نما الحماس لنظرية الأوتار – وهي فكرة تتطلب وجود ربما 10 أو 11 بعدًا. بدأ الفيزيائيون وعلماء الرياضيات بعد ذلك في إيلاء اعتبار جاد لما قد تعنيه هذه الأبعاد الإضافية لطوبولوجيا الثقب الأسود.

الثقوب السوداء هي من أكثر التوقعات المحيرة في معادلات أينشتاين – 10 معادلات تفاضلية غير خطية مرتبطة يصعب التعامل معها بشكل لا يصدق. بشكل عام ، لا يمكن حلها بشكل صريح إلا في ظل ظروف متناظرة للغاية ، وبالتالي مبسطة.

في عام 2002 ، بعد ثلاثة عقود من نتيجة هوكينج ، وجد الفيزيائيان روبرتو إمباران وهارفي ريل – حاليًا في جامعة برشلونة وجامعة كامبريدج – حلًا متماثلًا للغاية للثقب الأسود لمعادلات أينشتاين في خمسة أبعاد (أربعة من الفضاء زائد مرة واحدة). أطلق Emparan و Reall على هذا الكائن اسم “الحلقة السوداء” – سطح ثلاثي الأبعاد مع ملامح عامة لدونات.

من الصعب تصوير سطح ثلاثي الأبعاد في فضاء خماسي الأبعاد ، لذلك دعونا نتخيل بدلاً من ذلك دائرة عادية. لكل نقطة في تلك الدائرة ، يمكننا التعويض عن كرة ثنائية الأبعاد. نتيجة هذا المزيج من الدائرة والكرات هي كائن ثلاثي الأبعاد يمكن اعتباره كعكة صلبة متكتلة.

من حيث المبدأ ، يمكن أن تتشكل مثل هذه الثقوب السوداء الشبيهة بالدونات إذا كانت تدور بالسرعة الصحيحة تمامًا. قال راينوني: “إذا كانوا يدورون بسرعة كبيرة ، فسوف ينفصلون ، وإذا لم يدوروا بسرعة كافية ، فسيعودون لكونهم كرة”. وجد Emparan و Reall مكانًا رائعًا: كان الخاتم يدور بسرعة كافية ليبقى كعك دونات.