مداد، مجله آنلاین مونترال

تبلیغات

ملاقات با هیولای غایب درباره نخستین تصویری که از افق رویداد یک سیاه‌چاله تهیه شده است

هفته گذشته خبری منتشر شد که حکایت از انتشار نخستین تصویر از یک سیاه‌چاله در تاریخ بشریت می‌داد. این تصویر رادیویی که به شکل مجازی رنگ‌آمیزی شده بود، از سیاه‌چاله‌ای گرفته شده بود که ۶ میلیارد بار سنگین‌تر از خورشید وزن داشت و ۵۳ میلیون سال نوری از ما دور بود.

تبلیغات

چهارشنبه، دهم آوریل، علاقه‌مندان به علم چشم به صفحات رایانه‌های خود دوخته بودند تا برای نخستین بار چهره نادیدنی یک سیاه‌چاله را ببینند.

دانشمندان در شهر واشنگتن ایالات متحده، بلژیک، دانمارک، شیلی، ژاپن، چین و تایوان کنفرانس خبری همزمانی را برگزار کردند تا از یکی از مهم‌ترین تصاویر تاریخ علم بشر، رونمایی کنند.

تصویر نهایی شباهتی با تصویرسازی‌های خیالی که در طول سال‌های طولانی از سیاه‌چاله‌ها انجام شده بود، نداشت. تصویری نسبتاً مات از افقِ رویداد یک سیاه‌چاله در فاصله‌ای بیش از پنجاه میلیون سالن نوری از زمین؛ اما همین تصویر مات، جهانی را بهت زده کرد، اشک بر چشمان بسیاری آورد و نشان داد که بشر اگر امکانات و توانایی خود را در مسیر هدف مشخصی قرار دهد، چه افق‌هایی برای او قابل تصور است.

اهمیت این تصویر تنها در این نیست که نخستین بار است که چنین نمایی را می بینیم. این مساله مهمی است؛ اما مهم‌تر از آن این است که یک بار دیگر این تصویر نشان می‌دهد که تا چه حد مُدل‌های ما از عالم دقیق بوده است. اینکه چطور ما توانستیم زبان طبیعت را کشف کرده و از دل معادلات ریاضیاتی تصویری از طبیعت به دست بیاوریم که قابل اعتماد است.

سابقه عکس یک سیاه‌چاله

تصویری که روز چهارشنبه منتشر شد مانند بسیاری از تصاویر علمی امروز حاصل یک عکاسی ساده نبوده است.

این تصویر حاصل مشارکت  تعدادی از پیشرفته‌ترین رصدخانه‌های رادیویی در سراسر جهان بود که در پروژه‌ای موسوم به رصدخانه «افق رویداد» توان خود را به اشتراک گذاشته بودند.

کتی بومن سرپرست گروه طراحی الگوریتم استخراج تصویر در کنار داده هایی که از دل آن تصویر سیاهچاله تهیه شد

 رادیوتلسکوپ‌های آلما، ای‌پکس، ایرام، جیمز کلارک ماکسول، تلسکوپ رادیویی آفونسو سرانو، آرایه زیر میلیمتری، تلسکوپ رادیویی زیر میلیمتری و تلسکوپ قطب جنوب، داده‌های اولیه برای تهیه این عکس را جمع‌آوری کردند. حجم عظیمی از داده‌های الکترونیکی (چندین پتابایت داده) به دو مرکز پردازش ابررایانه‌ای در موسسه مطالعات رادیو تلسکوپی ماکس پلانک و موسسه فناوری ماساچوست درMIT ارسال شد و در آنجا به کمک الگوریتمی خارق‌العاده، مورد تحلیل قرار گرفت تا  در نهایت این تصویر به نظر ساده از دل آن به دست آمد.

[مانند هر دوربین یا تلسکوپ دیگری، قدرت یک تلسکوپ رادیویی نیز به قطر دهانه آن بستگی دارد. رصدخانه‌هایی که نام آن‌ها ذکر شد طی این پروژه مشترک در زمانی واحد به هدفی مشخص در آسمان نگاه می‌کردند و داده‌ها را جمع‌آوری به یک مرکز پردازش اطلاعات ارسال می‌کردند. به این ترتیب دانشمندان صاحب تلسکوپی شدند که قطر دهانه آن به اندازه قطر سیاره زمین بود (تحریریه مداد) ]

سیاه‌چاله‌ها از کجا آمده‌اند؟

زمانی که آلبرت انیشتین در سال ۱۹۱۵ میلادی ایده و نظریه نسبیت عام را مطرح می‌کرد کمتر کسی فکر می‌کرد این چشم‌انداز تازه به دنیا در دل خود نطفه یکی از عجیب‌ترین موجودات عالم را داشته باشد.

نظریه نسبیت عام – به طور غیر دقیق و فوق‌العاده ساده شده بیان می‌کرد که ماده و جرم می‌تواند منجر به خمیده شدن بافتار در هم تنیده فضا زمان شود. مانند زمانی که توپی فلزی را در میان یک صفحه لاستیکی قرار می‌دهید. همین خمیدگی در نهایت باعث می شود تا اجرام مختلف در مدارهای مختلف حرکت کنند. به عبارت دیگر ماده باعث خَمِش فضا زمان شده و خمش فضا زمان نحوه حرکت ماده در آن را به آن جرم دیکته می‌کند.

چند ماهی از انتشار این نظریه نگذشته بودکه دانشمندی آلمانی به نام کارل شوارتزشیلد، به مطالعه و گمانه‌زنی درباره این نظریه پرداخت. او شروع به کار روی معادلات انیشتین کرد و به نوعی ضمن بازی کردن با آن‌ها و محک زدن آن ها در شرایط ویژه به نتیجه‌ای غیر منتظره رسید: اگر جرمی به اندازه کافی چگال باشد (نسبت جرم به حجم بالایی داشته باشد) در نهایت ممکن است میزان خمیدگی فضا زمان را به حدی برساند که – به روایتی غیر دقیق – درون آن نوعی شکاف و پارگی ایجاد شود.

 آن توپ سنگین را به یاد دارید که در صفحه کشیده شده پلاستیکی انداخته بودیم؟ حالا تصور کنید این گلوله سنگین و سنگین تر شود و در نهایت کار از خمیدگی می‌گذرد و در جایی که این توپ قرار دارد نوعی شکاف به وجود می آید (می‌توانید بگویید میزان خمیدگی به بینهایت میل می‌کند). این نقطه را اصطلاحاً، تکینگی (Singularity) می‌نامند. این تکینگی‌ها در دهه ۱۹۶۰ میلادی به نام سیاه‌چاله خوانده شدند.

بر اساس این نظریه این چاله‌های گرانشی آن قدر می‌توانند عمیق و قدرتمند باشند که به محض اینکه وارد آن‌ها شوید – چه شما چه هر جرمی و چه حتی پرتو نور – دیگر راه برگشتی وجود ندارد. در اطراف این چنین جرمی مرز مشخصی وجود دارد – که به نام شعاع شوارتزشیلد می‌شناسیم ‌و وابسته به جرم مرکزی است – و این نهایت جایی است که ممکن است شانسی برای فرار از سقوط به درون سیاه‌چاله وجود داشته باشد. با گذر از این مرز آنچه از بیرون سیاهچاله می‌توانیم ببینیم تیرگی مطلق است.

جمع کثیری از دانشمندان با چنین نتیجه‌ای از معادلات نسبیتی همدلی نداشتند. یکی از معروف‌ترین آن‌ها خود آلبرت انیشتین بود که زمان زیادی را صرف مطالعه و به دست آوردن راه حلی کرد که بدون آنکه آسیبی به معادلات نسبیتش برسد چنین نتیجه‌گیری را رد کند. اما قرار نیست اگر شما چیزی را کشف کردید آن موضوع همیشه مطابق میل شما رفتار کند.

افسانه‌زدایی از برداشت عمومی از سیاه‌چاله

قبل از اینکه پیش‌تر برویم بیایید به تصوری که از سیاه‌چاله ها و به واسطه فرهنگ عامه در ذهنمان ایجاد شده برگردیم. درکی که با واقعیت فاصله زیادی دارد.

بسیاری تصور می‌کنند سیاه‌چاله‌ها شبیه جاروبرقی‌های غول آسایی هستند که به سرعت هرچه در اطرافشان هست را هُورت می‌کشند. برای مثال اگر خورشید ما روزی به سیاه‌چاله بدل شود (که نمی‌شود) یک باره همه منظومه شمسی از مسیر خود خارج شده و به درون آن سقوط می‌کنند.

به خورشید برگردیم و فرض کنیم به دلیلی غیر قابل توضیح همین الان یک باره و بدون هیچ توضیحی خورشید ما در کسری از ثانیه فشرده شده و تبدیل به سیاه‌چاله شود. چه تغییری در مدار سیاره‌های منظومه شمسی رخ می دهد؟ مطلقاً هیچ.

یادمان باشد که آنچه سیاره‌ها را بر مدار خود قرار داده است نیروی گرانش است. خورشید زمانی که به سیاه‌چاله بدل شود همان جرم و همان نیروی گرانش را دارد (هرچند ظاهرش تغییر کرده) و به همین دلیل هم تغییری در موقعیت سیاره‌ها رخ نمی‌دهد و یک باره همه اجرام منظومه شمسی راه خود را به سوی آن کج نمی‌کنند و درون آن سقوط نمی‌کنند.

اما اگر روزی توانستید به فضا سفر کنید. این توصیه ایمنی را جدی بگیرید و از سرک کشیدن در اطراف افق رویداد ابرسیاه‌چاله‌های غول‌آسا خودداری کنید و به یاد داشته باشید که سقوط درون آنها تنها یکی از مصایب قدم زدن در اطراف افق رویداد است.

سقوط درون سیاهچاله

اگر این توصیه را جدی نگرفتید و به افق رویداد نزدیک شدید و از آن گذشتید، سرنوشت خوش آیندی در انتظار شما نیست واوضاع واقعا وخیم خواهد شد. به قول رینر وایز، استاد دانشگاه MIT که به دلیل پیش‌بینی و تفکیک امواج گرانشی، جایزه نوبل را به خود اختصاص داده است، در نهایت با ورود به سیاه‌چاله شما به دلیل تفاوت فشارهای گرانشی که بر نقاط مختلف بدنتان وارد می‌شود، از هم دریده می‌شوید. هرچقدر پیش‌تر روید سیاه‌چاله و تفاوت نیروی گرانش آن مولکول‌ها و حتی هسته‌های مولکول‌های تشکیل دهنده شما را از هم می‌درد تا اینکه به خود تکینگی برسید. جایی که بر اساس پیش‌بینی قوانین فیزیکی انحنای فضا زمان بینهایت می‌شود و همه قوانین فیزیکی به شکلی که می‌شناسیم از اعتبار ساقط می‌شوند. این همان نقطه‌ای است که به قول وایز هیچ کسی نمی‌داند چه باید درباره‌اش بگوید. برای توضیح این موقعیت و درک تکینگی باید یاد بگیریم که چطور از نظریه کونتومی گرانش استفاده کنیم. اما چطور باید این کار را بکنیم؟ آنگونه که وایز می‌گوید ما هنوز چنین تئوری کاملی در اختیار نداریم.

به دام انداختن موجود نامریی

برخلاف صفت‌هایی که برای توصیف این اجرام به کار می‌بریم – نظیر غول آسا، هیولاوار و سایر صفت‌هایی که در همین نوشته هم به کار رفته است – سیاه‌چاله‌ها واقعا فاقد شخصیت بیرونی هستند. یادمان باشد هرچیزی که به درون سیاه‌چاله سقوط کند در نهایت همه ماهیت‌ها و ویژگی‌های خود، غیر از جرم را از دست می‌دهد. جان ویلر زمانی گفته بود سیاه‌چاله‌ها مو ندارند. به این معنی که نمی‌توان انتظار داشت سبک آرایش موی ویژه آن‌ها را دید یا شخصیت آنها را از ظاهرشان حدس زد. چون ظاهری ندارند.

برای همین هم تلاش برای رصد حاشیه و اطراف سیاه‌چاله است که در دستور کار قرار دارد.

تصویر افق رویداد کهکشان M۸۷ یکی از مهم‌ترین دست آوردهای بشر برای درک سیاه‌چاله‌ها تا امروز است. تصویری که روز چهارشنبه از افق رویداد این سیاه‌چاله منتشر شد، در واقع بر شانه تلاش‌های متعدد بسیاری قرار داشت که برای تصویربرداری از حاشیه یک سیاه‌چاله انجام شده بود.

ایده تصویربرداری از سیاه‌چاله عملا از سال ۱۹۷۲ و با همکاری دو دانشمند آغاز شد. اما برای ثبت نخستین تصویر از افق رویداد یک سیاه‌چاله، (یعنی همان تصویر معروفی که دیده‌اید) دانشمندان سراسر جهان دست به دست هم دادند تا در پروژه معروف به تلسکوپ افق رویداد، بتوانند نخستین تصویر از یک سیاه‌چاله یا بهتر بگوییم بازی نور در اطراف افق رویداد آن را ثبت کنند.

نامزدهایی برای ثبت تصویر سیاهچاله

برای این کار این دانشمندان دو نامزد ابتدایی را در نظر داشتند. ابرسیاه‌چاله مرکز راه شیری یا همان قوس A* و ابرسیاه‌چاله‌ای که در مرکز کهکشان معروف به مسیه ۸۷ جای خوش کرده است.

کهکشان M۸۷ یا سنبله A در صورت فلکی سنبله قرار دارد و برای رصدگران آماتور جرم آشنایی است. این جرم را که می‌توان با یک دوربین دوچشمی بزرگ یا تلسکوپ معمولی در شبی تاریک رصد کرد، یک کهکشان بیضوی غول‌پیکر است که در فاصله حدود ۵۵ میلیون سال نوری از زمین قرار دارد.

نقشه زیر موقعیت رصدخانه‌هایی که در این تصویر برداری استفاده شده است را نشان می دهد
نقشه زیر موقعیت رصدخانه‌هایی که در این تصویر برداری استفاده شده است را نشان می دهد

حدس زده می‌شود در مرکز این کهکشان ابر سیاه‌چاله‌ای قرار داشته باشد که جرم آن حدود شش و نیم میلیارد برابر جرم خورشید ما است. گروه رصدخانه افق رویداد از سال ۲۰۱۷ به سراغ این کهکشان رفتند و سعی کردند این هیولای پنهان در مرکز آن را در قاب تصویر به دام بیندازند. این گروه برای این کار در مدت ده روز در سال ۲۰۱۷ به طور غیر پیوسته به رصد اهداف خود (کهکشان M۸۷) و مرکز راه شیری پرداختند و در نهایت دو سال گشته را به تحلیل و تنظیم داده‌ها پرداختند.

دلیل اینکه تصویر نهایی از مرکز کهکشان M۸۷ آماده شد به ذات پرهیاهوتر کهکشان راه شیری باز می‌گردد که تهیه تصویر نهایی را با خطای بیشتر همراه می‌کرد و نتیجه کار رضایت‌بخش نبود. ماهیت پایدارتر M۸۷ باعث شد تا نام آن در تاریخ بشریت به عنوان نخستین سیاه‌چاله تصویر‌برداری شده ثبت شود.

چه چیزی را دیدیم؟

تصویری که چهارشنبه هفته پیش منتشر شد، نخستین تصویر مستقیم از یک سیاه‌چاله است. سیاه‌چاله‌ای با جرم معادل شش و نیم میلیارد برابر جرم خورشید در قلب کهکشانی در فاصله ۵۵ میلیون سال نوری ما قرار دارد. با این وجود باید کمی در تفسیر این تصویر احتیاط کنیم.

حفره تاریکی که در مرکز این تصویر می‌بینید خود سیاه‌چاله نیست بلکه تاثیر گرانش آن است که به آن سایه سیاه‌چاله گفته می‌شود.

 در واقع گرانش سیاه‌چاله باعث می‌شود تا پرتوهای نور موادی که در اطراف این سیاه‌چاله قرار دارند خمیده شده و به سمت ما بیایند و در نتیجه یک فضای خالی را در جایی که خود سیاهچاله قرار دارد ایجاد کند.

برای اینکه درکی از ابعاد تصویر داشته این حفره تیره در میانه این تصویر در حدود ۴۰ میلیارد کیلومتر طول دارد. در مقام مقایسه فاصله خورشید تا نپتون (دورترین سیاره منظومه شمسی) حدود ۵ میلیارد کیلومتر است.

3 نظر

  • 2019-04-19