علوم الأرض فصل أول

تجربة إثرائية: نمذجة مبدأ عمل الثقب الأسود

الخلفيةُ العلميةُ:
تولد الثقوب السوداء من احتضار النجوم الضخمة (كتلتها تعادلُ - على الأقلِّ- كتلةَ الشمسِ أضعافًا عدة)، ويكون معظمها صغيرًا. غير أنه توجد ثقوب
سوداء عملاقة قد يُماثل حجمها حجم النظام الشمسي كلِّهِ تقريبًا. تبلغ شدة جاذبية هذه الأجرام حدًّا هائلا لا يسمح لأي شكل من أشكال المادة أو الطاقة بالإفلات منها حتى الضوء.

الهدف: نمذجة مبدأ عمل الثقب الأسود

الموادُّ والأدواتُ:
قطعة قماش، كرتان زجاجيتان كبيرتا الحجم، كرتان زجاجيتان صغيرتا الحجم، مقص.

إرشاداتُ السلامةِ:
- الحذر عند استعمال المقص.
- الحذر من سقوط الكرة الزجاجية الكبيرة أرضًا؛ تجنبًا لإصابة القدم.

خطواتُ العملِ:

1- أقص 40cm من قطعة القماش.

2- أُمثل أنا وزملائي الفضاء الخارجي بمد قطعة القماش أفقيًّا حتى تصبح مشدودة من جميع الاتجاهات، بحيث تُمثل مساحة ثنائية الأبعاد.

3- أمثِّل الثقب الأسود بكرة زجاجية، ثم أضع الكرة الزجاجية الكبيرة على أحد أطراف قطعة القماش، ثم أتركها تتدحرج على سطح قطعة القماش في مسار مستقيم حتى تستقر في المنتصف، مُلاحظًا انحناء قطعة القماش حول الكرة.

4- أحضر كرة زجاجية أخرى صغيرة الحجم لتمثل جرما سماويا، ثم أضعها على أحد أطراف قطعة القماش، ثم أتركها تتدحرج نحو الكرة الزجاجية الكبيرة، وأُلاحظ ما سيحدث للكرة الصغيرة، واصفًا سرعتها.

5- اكرر الخطوة الثالثة باستعمال كرة زجاجية ذات كتلة أكبر، مُلاحظًا ما سيحدث للانحناء حول الكرة الجديدة.

6- أضع كرة زجاجية صغيرة على طرف قطعة القماش، ثم أُلاحظُ ما سيحدث للكرة، واصفًا سرعتها مقارنة بسرعة الكرة السابقة.

التحليلُ والاستنتاجُ:

1- ألاحظ ما حدث لقطعة القماش عند وضع الكرة الزجاجية في منتصفها في الخطوة الثالثة.

- ستنحني قطعة القماش حول الكرة.
- ستُغير الكرة مسارها المستقيم، وتستقر في منتصف قطعة القماش.

2- أستنتج العلاقة بين ما حدث في الخطوة الثالثة وجاذبية الثقب الأسود.

جاذبية الثقب الأسود كبيرة جدًّا، بحيث تجذب جميع أشكال الطاقة أو المادة التي تقترب منها، ولا تسمح لها بالإفلات منها.

3- أفسر: أي الكرات الزجاجية تسبب انحناء قطعة القماش بصورة أكبر: الأخف وزنا أم الأثقل وزنا؟

الأثقل وزنًا؛ لأنَّ جاذبيتها أكبر.

4- أفسر سبب اختلاف سرعة الكرة الزجاجية الصغيرة الممثلة للجرم السماوي في الخطوتين: الرابعة والسادسة.

ستتدحرج الكرة الزجاجية الصغيرة المُمثِّلة للأجرم السماوي في الخطوة السادسة بسرعة أكبر منها في الخطوة الرابعة؛ لأنَّ جاذبية الكرة الزجاجية الكبيرة المُمثِّلة للثقب الأسود ستكون أكبر في هذه الخطوة.

5- أقارن بين ما يحدث للكرات الصغيرة عند اقترابها من الكرة الكبيرة وما يحدث للأجرام السماوية والضوء عند اقترابها من الثقب الأسود.

كلَّما كانت جاذبية الثقب الأسود (الكرة الزجاجية الكبيرة) أكبر، انجذبت الأجرام السماوية (الكرات الصغيرة) بسرعة أكبر، كما هو الحال في الخطوة السادسة.وكلَّما كانت جاذبية الثقب الأسود أقل، انجذبت الأجرام السماوية بسرعة أقل، كما هو الحال في الخطوة الرابعة.

6- أتواصل: كيف يمكن الجزم بوجود ثقب أسود في مكان ما بمراقبة حركة الأجرام السماوية حوله؟

عند فقدان بعض الأجرام السماوية في مكان ما من الفضاء، فهذا يدل على وجود ثقب أسود جاذبيته كبيرة،وسحبه هذه الأجرام إلى داخله.

7- أستنتج العلاقة بين كتلة الثقب الأسود وكثافته.

كلَّما زادت كتلة الثقب الأسود زادت كثافته (علاقة طردية).

التفسيرُ والتحليلُ:
يعتقد بعض الأشخاص أنّ الثقوب السوداء هي ضرب من ضروب الخيال. إذا أردت تنظيم لقاء مع هؤلاء الأشخاص لمناقشتهم في ذلك، وربما تطلب الأمر عقد ندوة علمية مُتخصّصة عن الثقوب السوداء، فما الحقائق والمرتكزات التي سأتبنّاها في هذه الندوة ليتمكنوا من تفسير حقيقة وجود الثقوب السوداء في الكون وتحليلها؟ (يمكن الاستعانة بمصادر المعرفة المتوافرة).

تحديد مكان بعض الأجرام في السماء، ومراقبتها مدَّة طويلة من الزمن؛ للتحقُّق من وجود ثقب أسود قادر على جذب أحد هذه الأجرام.
اختلاف النجوم في حجومها وكثافتها وكتلها، عن طريق عرض دورة حياة النجوم، والعديد من الصور ومقاطع الفيديو.
 

التنبؤ:
أتنبأ بما قد يحدث لو أن ثقبًا أسود اندفع إلى الأرض بسرعة أقل من سرعة الإفلات (أي السرعة اللازمة للإفلات من جاذبية الأرض).

اصطدامه بالأرض وتدميرها.
جذب الأرض، وسحبها إلى داخله؛ لأنَّ جاذبيته كبيرة جدًّا.

انعدام الحياة على سطح الأرض.

نشاطٌ تطبيقيٌّ تكامليٌّ:
بناء على ما تعلمته في هذه التجربة، ومستعينًا بمصادر المعرفة المتوافرة، أُعدُّ فيلمًا وثائقيًّا عن الثقوب السوداء باستعمال إحدى البرمجيات المناسبة، مضمنًا إيّاه حقائق ومعلومات حديثة من مصادر معرفة موثوقة، وصورًا مناسبة، واستعراضًا لجميع مراحل تشكل الثقب الأسود، وبعض الطرائق التي يمكن الاستدلال بها للكشف عن الثقوب السوداء في الكون، ثم أعرضه أمام المعلم لتقييمه، ثم أعرضه على زملائي في الصف.