عکس سیاهچاله چگونه نسبیت اینشتین را تایید می‌کند؟

سیاهچاله

سیاهچاله‌ها از زمان‌های بسیار دور در فیلم‌های علمی – تخیلی به تصویر کشیده شده‌اند. شهرت هالیوودی این اجرام قدری عجیب است، زیرا تاکنون هیچ عکس واقعی از آنها منتشر نشده بود. اگر به ضرب‌المثل «شنیدن کی بود مانند دیدن» اعتقاد دارید، اکنون نوبت آن است که از تلسکوپ افق رویداد(EHT) ممنون باشید. ما تهیه نخستین عکس واقعی از سیاهچاله را مدیون این تلسکوپ هستیم.

این دستاورد خارق‌العاده مستلزم همکاری گستردۀ طیف ِ وسیعی از دانشمندان سرتاسر دنیا و ابزارهای پیچیده بود تا سرانجام عکسی از یک جرم در فتصله هزاران تریلیون کیلومتر گرفته شود. پروژه “تلسکوپ افق رویداد” یکی از برجسته‌ترین و شگفت‌انگیزترین دستاوردهای بشر در اخترشناسی است. با این تلسکوپ است که امکان آزمایش ایده‌های اینشتین دربارۀ ماهیت دقیق فضا – زمان فراهم آمد. این تلسکوپ توانایی بررسی عمیق‌تر ِ نقش سیاهچاله‌ها در جهان را دارد.

سیاهچاله: هیولای کیهانی

سیاهچاله به منطقۀ بسیار پرجرم و متراکمی از فضا گفته می شود که حتی نور هم نمی تواند از چنگال گرانش آن بگریزد. به پاس دستاوردهای تحقیقاتی ارزشمند استیون هاوکینگ، میدانیم که این جرم‌های غول‌پیکر صرفا حفره‌های تاریکی نیستند. آنها نه تنها قادر به انتشار جت‌های عظیمی از پلاسما هستند، بلکه گرانش عظیم‌شان میتواند مواد را به درون هسته‌شان بکشاند.

در واقع وقتی ماده به افق رویداد سیاهچاله نزدیک می شود، دیسکِ در حال چرخشی را پدید می آورد. در این دیسک، ماده قسمتی از انرژی خود را به دلیل برخورد با سایر ذرات ماده در قالب اصطکاک از دست می دهد. این فرایند باعث افزایش حرارت دیسک می شود؛ درست وقتی در یک روز سرد، دست‌هایمان را به هم می مالیم تا گرم شوند. هر قدر ماده سردتر باشد، میزان ِ اصطکاک بیشتر خواهد بود. ماده‌ای که به افق رویداد نزدیکتر باشد، با گرمایی برابر با گرمای صدها خورشید به درخشش خواهد پرداخت. این همان نوری است که تلسکوپ افق رویداد شناسایی کرد؛ البته در کنار تصویر سیه نمایی از سیاهچاله.

 کوین پیمبلت – استاد ارشد فیزیک در دانشگاه هال می گوید: تهیه این عکس و تجزیه و تحلیل چنین داده‌هایی به واقع کار دشواری است. من بعنوان یک اخترشناس که سیاهچاله‌های واقع در کهکشان‌های دور را مطالعه می کنم، حتی نمی توانم یک ستاره را در آن کهکشان‌ها به وضوح تصور کنم؛ چه برسد به اینکه سیاهچاله‌ای را در مرکزشان ببینم. تیم عملیاتی تلسکوپ افق رویداد تصمیم گرفت سیاهچاله‌ غول‌پیکر کهکشان بیضوی شکل مسیه ۸۷ را مورد هدف قرار بدهد. این کهکشان ۵۵ میلیون سال نوری با زمین فاصله دارد.

نحوۀ کار تلسکوپ افق رویداد

برای اینکه برایتان مشخص شود این کار چقدر سخت بوده، بر اساس آنچه تیم محققان گفت، شبیه این است که در نیویورک باشی و بخواهی گودی‌های روی توپ گلف را در لس آنجلس بشماری یا از پرتقالی در روی ماه عکس بگیری. برای عکسبرداری از چیزی که در فاصله بسیار دور قرار دارد، محققان به تلسکوپی به بزرگی خود زمین احتیاج داشتند. در نبود چنین دستگاه غول آسایی، تیم تلسکوپ افق رویداد، تلسکوپ‌هایی از سرتاسر جهان را به یکدیگر پیوند داد و داده‌های آنها را با همدیگر ادغام نمود. برای تهیه عکسی دقیق در چنین فاصلۀ دوری، می بایست تلسکوپ‌ها از ثبات و پایداری کافی برخوردار می بودند. می بایست خوانش آنها به صورت همزمان می بود.

برای تحقق این هدف ِ چالش برانگیز، محققان از ساعت‌های اتمی بسیار دقیقی استفاده کردند؛ ساعت‌هایی که فقط یک ثانیه در هر صد میلیون سال را از دست می دهند. ۵۰۰۰ ترابایت داده جمع‌آوری شده به قدری زیاد بود که می بایست در روی صدها هارد درایو ذخیره شده و تحویل یک ابرکامپیوتر داده می شد؛ این ابرکامپیوتر توانایی تصحیح اختلاف زمانی موجود در داده‌ها و تهیۀ عکس فوق را داشت.

هدف تلسکوپ افق رویداد این است تا از سیاهچاله‌های غول‌پیکر که جرم شان میلیون‌ها تا میلیاردها برابر جرم خورشید است، عکس بگیرد. برای مثال، سیاهچاله کمان ای* واقع در مرکز کهکشان راه شیری تقریبا ۴٫۳ میلیون برابرِ جرم خورشید ماست، اما جرم سیاهچالۀ رصد شده در قلب کهکشان مسیه ۸۷ که عکسش چند روز پیش منتشر شد، تقریبا ۶ میلیارد برابرِ جرم خورشید است.

عکس شبیه‌سازی شده از دانشگاه آریزونا، پلاسمای آشفته در محیط نامساعدی پیرامون یک سیاهچالۀ غول‌پیکر را نشان می دهد.

در واقع تلسکوپ افق رویداد به دنبال سایه یا عکس سیه نمایی در پس زمینه‌ای روشن است. اگرچه سایه‌های سیاهچاله کمان ای* تقریبا ۳۰ برابر بزرگتر از قطر خورشید است، اما این سیاهچاله در فاصله ۲۶۰۰۰ سال نوری از زمین واقع شده است. از دیدگاه ما، این سایه اندازه‌ای بسیار کوچک دارد. در مقایسه با سیاهچاله کمان ای*، سیاهچالۀ واقع در قلب کهکشان مسیه ۸۷ تقریبا ۲۰۰۰ برابر دورتر از زمین بوده و دیدن آن بسیار سخت‌تر است. افزون بر این، سایه‌های سیاهچاله در زمان انتشار سیگنال‌های رادیویی که برای تلسکوپ افق رویداد قابل توجه هستند، خیلی کم فروغ هستند.

تلسکوپ افق رویداد به منظور عکسبرداری از این سیاهچاله‌ها از تلسکوپ‌های رادیوییِ سرتاسر جهان بهره برد؛ از ایالات متحده آمریکا گرفته تا مکزیک، شیلی و قطب جنوب. این تلسکوپ‌ها هدف یکسانی را بطور همزمان زیر نظر قرار دادند. این شبکه با جمع‌آوری داده‌های مورد نیاز به مانند یک تلسکوپ بزرگ و واحد عمل کرد؛ تلسکوپی که خوشبختانه از آنچنان نیرویی برای بزرگنمایی برخوردار است که حتی می تواند اجرام کم فروغ و دور را رصد نماید. در سال ۲۰۱۷، این پروژه شامل هشت رصدخانه رادیویی بود و انتظار می رود تا سال ۲۰۲۰ هم سه رصدخانه دیگر به این تعداد اضافه شود. آوی لئوب، مدیر اخترشناسی در دانشگاه هاروارد گفت: «با برخورداری از رصدخانه‌های بیشتر، امکان ِ ارتقای کیفیت عکس‌ها فراهم می آید.»

لئوب افزود: «سرعتی که داده‌ها در آن با تلسکوپ افق رویداد ثبت شده، حداقل یک مرتبه سریع‌تر از تداخل سنجی‌های خط مبنای قدیمی بوده است. اما به کمک کامپیوترهای مدرن، این امکان فراهم آمد. به نظر من، یکی از بزرگترین چالش‌های پیش روی تلسکوپ افق رویداد، دست و پنجه نرم کردن با جنبه‌های اجتماعی است، نه فنی. من میتوانم بگویم که بزرگترین دستاورد این پروژه، هماهنگ‌سازی رصدخانه‌های مختلف در کشورهای مختلف ِ جهان است. اخترشناسان روحیه رقابت پذیری بالایی دارند و متقاعد کردن آنان برای همکاری با یکدیگر از چالش‌های مهم در این پروژه بوده است.»

تصویر به دست آمده از سیاهچاله مرکز کهکشان یک “حلقه آتش” درخشان را به دور حفره‌ای سیاه، نشان می‌دهد. لبه دایره سیاه، آنجایی که گازهای برافروخته وارد سیاهچاله می‌شوند، محدوده‌ای است که نیروی گرانش ِ سیاهچاله در آن چنان شدید است که حتی نور را به درون خود می‌کشد و برای همین سیاه دیده می‌شود. این نشان می دهد نظریه نسبیت اینشتین درست است، زیرا یک هلال نورانی دیدیم که در اثر پدیدۀ داپلر یک سمتش که به طرف کره زمین در حرکتند درخشان‌تر از موادی که در خلاف جهت در حرکت هستند، به نظر می رسد.

بار دیگر حق با اینشتین بود. نظریه نسبیت عام اینشتین در سال ۱۹۱۵ برای توضیح قوانین گرانش و رابطه‌شان با سایر نیروهای طبیعی منتشر شد. این نظریه جنبه‌های اخترفیزیکی مهمی دارد. مثلاً این نظریه وجود سیاهچاله‌ها را به‌عنوان وضعیت پایانی ستاره‌های بزرگ پیش‌بینی می‌کند. در چند سال گذشته، نظریه نسبیت عام وی توانسته با موفقیت دو نمونه از جدی‌ترین آزمایش‌ها را در سخت‌ترین و چالش برانگیزترین شرایط ِ کیهان پشت سر بگذارد. تهیۀ عکس از سیاهچاله کهکشان راه شیری این بار خیلی سخت و چالش آفرین خواهد بود. اما محققان ابراز امیدواری کردند که تلسکوپ‌های بیشتری به کار گمارده خواهند شد تا عکس‌های شفاف‌تری از سیاهچاله مرکزی راه شیری بگیرند. احتمالا در آینده‌ای نزدیک، خواهیم توانست از سیاهچاله کهکشان خودمان هم عکس بگیریم.