اولین تصویر از سیاهچاله‌ها شکار شد/ در دنیای سیاهچاله‌ها چه می‌گذرد؟

به گزارش گروه فناوری خبرگزاری دانشجو؛ اکثر ما وقتی کلمه سیاهچاله را می‌شنویم، ناخودآگاه یاد فیلم Interstellar ساخته کریستوفر نولان می‌افتیم. سیاهچاله‌ای عظیم در این فیلم نشان داده می‌شود که محصول همکاری یکساله کیپ ثورن فیزیکدان و برنده جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۱۷ و گروه ۳۰ نفره جلوه‌های ویژه فیلم است. این شبیه‌سازی که با استفاده از ۸۰۰ ترابایت داده انجام شد، دقیق‌ترین شبیه‌سازی از یک سیاهچاله تا الآن به‌شمار می‌رود.

 

 

سیاهچاله فیلم Interstellar

 

 

اما هفته پیش و در روز ۱۰ آپریل، گروهی بین‌المللی شامل ۲۰۰ دانشمند از سراسر دنیا برای اولین بار موفق به گرفتن اولین تصویر از سیاهچاله شدند. این دانشمندان با اتصال ۸ تلسکوپ رادیویی در چهار قاره به‌منظور بهره‌گیری به عنوان یک تلسکوپ واحد به اندازه کره زمین به این موفقیت دست پیدا کردند. در مجموعه مقالاتی که در Astrophysical Journal Letters به چاپ رسیده است، این گروه از محققان ۴ تصویر از ابرسیاهچاله موجود در قلب کهکشان مسیه ۸۷ را که در فاصله ۵۵ میلیون سال نوری از ما قرار دارد، منتشر کردند. هر ۴ تصویر شامل دیسکی تاریک در مرکز است که به‌وسلیه حلقه‌ای نورانی احاطه شده و یک طرف این حلقه نورانی‌تر از طرف دیگر است. بنابه تعریف، سیاهچاله‌ها نامرئی هستند، چون حتی نور نیز نمی‌تواند از دست گرانش قدرتمند آن‌ها فرار کند. ولی اگر سیاهچاله به وسیله ماده‌ای نورانی یا همان پلاسمای داغ احاطه شده‌باشد، بنابه نظریه نسبیت عام اینشتین نور پلاسما حول مرزی به اسم افق رویداد سیاهچاله خمیده می‌شود و ما در واقع سایه سیاهچاله را می‌توانیم ببینیم.

از این تصاویر، نظریه پردازان و مدل‌سازان جرم این سیاهچاله را حدود ۶.۵ میلیارد برابر جرم خورشید تخمین زده‌اند. هم‌چنین اندازه این سیاهچاله بسیار بزرگتر از مدار نپتون به دور خورشید است؛ سیاره‌ای که هر ۲۰۰ سال یکبار به دور خورشید می‌گردد.

 

تصویر گرفته‌ شده از سیاهچاله مرکز کهکشان M۸۷

 

 

همه چیز از سیب شروع شد
سیاهچاله‌ها اجرام بسیار سنگینی هستند که حتی نور نیز نمی‌تواند از دست آن‌ها فرار کند. برای این‌که سیاهچاله‌ها را بهتر بشناسیم، ابتدا باید نگاهی به تاریخ و تحول نظریه گرانش بیندازیم. در سال ۱۶۸۷ میلادی (۱۰۶۶ شمسی) سِر آیزاک نیوتن قانون عمومی گرانش خود را بیان کرد. این قانون به خوبی حرکت سیارات را توصیف می‌کرد. دقت این نظریه به حدی بود که توانست از روی اختلالاتی که در مدار سیاره اورانوس مشاهده شد، وجود سیاره دیگری را پیش‌بینی کند که بعد‌ها نپتون نام گرفت. گرانش نیرویی عمومی است که بین همه اجسام جرم‌دار وجود دارد. حتی نور نیز به‌دلیل هم ارزی انرژی و ماده تحت تأثیر نیروی گرانش قرار می‌گیرد. از سوی دیگر نیروی گرانش همواره به صورت جاذبه عمل می‌کند؛ بنابراین اگر کپه‌ای از ماده در اختیار داشته باشیم و تنها نیروی گرانشی بین ذرات آن عمل کند، این ماده شروع به رمبش و فرورفتن در خود خواهد کرد، ولی به دلیل وجود نیرو‌های دیگر که مهم‌ترین آن نیروی الکترومغناطیس بین ذرات باردار ماده است، من و شما در اثر گرانش به درون خود نمی‌رمبیم.


فرار ممکن نیست
یکی از مفاهیمی که برای مقایسه شدت گرانش روی سیارات مختلف به‌کار می‌رود، سرعت فرار است. اگر سنگی را به بالا پرتاب کنید، به دلیل شتاب کندشونده ناشی از گرانش زمین، سنگ پس از مدتی به پایین بازمی‌گردد. سوالی که می‌توان پرسید این است که با چه سرعتی سنگ را پرتاب کنیم تا دیگر هیچ‌وقت به زمین بازنگردد. در درس‌های فیزیک مقدماتی مشاهده کردیم که این سرعت با جذر نسبت جرم سیاره به شعاع آن رابطه دارد. در واقع هر چه جرم سیاره در شعاع کوچکتری جمع شود، سرعت فرار و در نتیجه شدت گرانش آن بیشتر خواهد بود. سرعت فرار برای زمین حدود ۱۱ کیلومتر بر ثانیه است. در سال ۱۷۸۳ میلادی (۱۱۶۲ شمسی) جان میچل، فیلسوف انگلستانی با استفاده از نظریه ذره‌ای نور نیوتن بیان کرد که ذرات نوری که از ستاره‌ها ساطع می‌شود، به دلیل گرانش ستاره سرعتشان کاهش می‌یابد و با اندازه‌گیری کاهش سرعت ممکن است بتوانیم جرم ستاره را به‌دست بیاوریم. حال ممکن است ستاره‌هایی وجود داشته باشد که کشش گرانشی آن‌ها به قدری قوی است که حتی نور نیز نتواند از میدان جاذبه آن‌ها فرار کند، در نتیجه این ستاره‌ها قابل رویت نیستند؛ بنابراین اولین ایده سیاهچاله‌ها توسط جان میچل ارائه شد و او این اجرام را «ستاره‌های تاریک» نامید. چندی بعد با کشف خاصیت موجی نور و ندانستن این‌که چگونه گرانش بر روی امواج نوری اثر می‌گذارد، ایده جان میچل کنار گذاشته شد.


اینشتین وارد می‌شود

 

در سال ۱۹۱۵ میلادی (۱۲۹۴ شمسی) آلبرت اینشتین نظریه نسبیت عام خود را ارائه داد. در این نظریه دیگر گرانش به عنوان نیروی بنیادی طبیعت شناخته نمی‌شود، بلکه نمودی از انحنای فضازمان است و هر ذره‌ای در فضازمان منحنی کوتاه‌ترین مسیر ممکن یا همان ژئودزی‌ها را طی می‌کند. نسبیت عام توانست به خوبی حرکت تقدیمی مدار عطارد را توضیح دهد، پدیده‌ای که گرانش نیوتنی از توضیح دقیق آن عاجز مانده بود. هم‌چنین نسبیت عام انحنای مسیر حرکت نور در میدان گرانشی را پیش‌بینی می‌کند که در یکی از مشهورترین آزمایش‌های تاریخ و در جریان یک خورشیدگرفتگی در سال ۱۹۱۹ میلادی توسط آرتور ادینگتون تایید شد.


همه مغز‌ها در خدمت تو؛ از شوارتزشیلد تا هاوکینگ
یک سال بعد در خلال جنگ جهانی اول، کارل شوارتزشیلد، فیزیکدان و افسر ارتش آلمان جوابی برای معادلات نسبیت عام اینشتین به‌دست آورد. جواب شوارتزشیلد برای جرمی ایستا با تقارن کروی بود. در این جواب شعاعی وجود دارد که اگر کل جرم در این شعاع قرار بگیرد، سرعت فرار جسم برابر با سرعت نور خواهد شد. به این شعاع، شعاع شوارتزشیلد و به سطح آن «افق رویداد» می‌گویند؛ بنابراین ایده «ستاره تاریک» جان میچل در جواب شوارتزشیلد بار دیگر نمایان شد و نظریه نسبیت عام وجود آن‌ها را پیش‌بینی کرد. شوارتزشیلد در همان سال بر اثر بیماری درگذشت و نتوانست ایده‌های خود را ادامه دهد.

در سال ۱۹۳۹ هم‌زمان با شروع جنگ جهانی دوم، اولین مقاله بر روی سیاهچاله‌ها توسط رابرت اوپنهایمر به چاپ رسید. در این مقاله پیش‌بینی می‌شد که رمبش دائمی یک ستاره می‌تواند تا حدی ادامه یابد که جرم تشکیل شده اجازه فرار به نور را نیز ندهد. این ایده در زمان خود بسیار عجیب می‌رسید. با ادامه جنگ مقاله اوپنهایمر تقریبا به دست فراموشی سپرده شد و اکثر پژوهش‌های فیزیکی در اختیار جنگ و حکومت‌ها قرار گرفت. اوپنهایمر خود مدیر پروژه منهتن شد و ساخت بمب اتمی برای ایالات متحده را دستور کار خود قرار داد. بعد از دو دهه از پایان جنگ، جان ویلر، استاد دانشگاه پرینستون مقاله اوپنهایمر را مورد بررسی قرار داد و در سال ۱۹۶۴ واژه سیاهچاله را معروف کرد و در نتیجه نسبیت عام دوباره رونق خود را بدست آورد.

در سال ۱۹۷۰ استیون هاوکینگ با بیان این‌که سیاهچاله واقعا سیاه نیستند و از خود تابش می‌کنند، خواص ترمودینامیکی سیاهچاله‌ها را تعریف کرد. تابش هاوکینگ به از دست دادن انرژی از سوی سیاهچاله‌ها و در نتیجه تبخیر و از بین رفتن آن‌ها آن‌ها منجر می‌شود.

پژوهش‌ها و در نتیجه جستجو برای آثار رصدی سیاهچاله‌ها مانند جستجو برای تابش x-ray از آن زمان رونق پیدا کرد که مهم‌ترین آن‌ها کشف امواج گرانشی ناشی از یک سیستم دوتایی سیاهچاله در سال ۲۰۱۵ بود.


از سفید سفید تا سیاه سیاه

 

مراحل تشکیل، تحول و پایان زندگی ستاره و تشکیل کوتوله سفید، ستاره نوترونی و یا سیاهچاله

 

دیدیم که اگر کل جرم یک جسم را در شعاع شوارتزشیلد قرار دهیم، آن جرم تبدیل به سیاهچاله می‌شود. به عنوان مثال اگر کل جرم زمین را در کره‌ای به قطر یک سانتی‌متر فشرده کنیم، زمین به سیاهچاله خواهد شد. هم‌چنین شعاع شوارتزشیلد خورشید برابر با ۳ کیلومتر است. پس سیاهچاله‌ها در طبیعت چگونه به وجود می‌آیند؟ همانطور که قبلا اشاره شد نیروی گرانش از نوع جاذبه است و باید نیرو‌های دیگری باشد تا تعادل برقرار شود. در ستاره‌ها با تولید انرژی از سوخت هسته‌ای فشاری تولید شده که انقباض ناشی از گرانش را خنثی می‌کند. زمانی که سوخت ستاره‌ها به اتمام می‌رسد، گاز ستاره‌ای دمای خود را از دست می‌دهد و در نتیجه فشار آن کم شده و دیگر توان مقابله با گرانش را ندارد و ستاره شروع به رمبش می‌کند. رمبش گرانشی ستاره باعث آزاد شدن انرژی زیادی می‌گردد که به آن انفجار ابرنواختری می‌گوییم. در این انفجار ابری از غبار و گاز و هسته‌ای به شدت چگال باقی می‌ماند. اگر جرم هسته باقی مانده در حدود ۱.۴ برابر جرم خورشید باشد، انتهای کار ستاره کوتوله سفید است و اگر تا ۴ برابر جرم خورشید باشد، ستاره نوترونی تشکیل می‌شود. ولی در صورتی که جرم هسته باقی‌مانده بیشتر از این مقدار باشد، سیاهچاله سرنوشت نهایی ستاره خواهد بود.

 

به دنبال نشانی از بی‌نشان
اگر از روشنایی نور شهر خارج شوید، می‌توانید منظره‌ای از کهکشان راه شیری را ببینید. ما در فاصله حدود ۲۶۰۰۰ سال نوری یعنی در حدود ۱۰۱۷ کیلومتر از مرکز کهکشان قرار داریم. منجمان در حدود ۱۶ سال ۶ ستاره در مرکز کهکشان را مورد مشاهده قرار دادند. اما چیز عجیب آن بود که این ستاره‌ها حول جرمی نامرئی گردش می‌کردند. با مطالعه مسیر این ستاره‌ها، اخترشناسان به این نتیجه رسیدند که تنها چیز کوچک و سنگینی که باعث حرکت این ستاره‌ها می‌شود، یک ابرسیاهچاله واقع در مرکز کهکشان است. نتایج این مطالعه در سال ۲۰۰۸ به چاپ رسید.

حالا اگر به مرکز کهکشان نزدیکتر شویم، می‌توانیم از چیزی عکس بگیریم که طبق تعریف اصلا قابل دیدن نیست؟ اگر در طول موج‌های رادیویی به یک سیاهچاله نگاه کنیم، نوری به شکل حلقه مشاهده می‌شود که به خاطر گردش پلاسمای داغ حول سیاهچاله و در اثر انحنای نور یا همگرایی گرانشی سیاهچاله ایجاد شده است. در واقع سیاهچاله به شکل یک سایه در پشت این پلاسما قرار می‌گیرد. این حلقه همان افق رویداد سیاهچاله است. معادلات اینشتین به خوبی شکل و اندازه این حلقه را تعیین می‌کند؛ بنابراین گرفتن عکس از سیاهچاله نه تنها هیجان‌انگیز خواهد بود بلکه کمک می‌کند تا درستی معادلات نسبیت عام هم تایید شود. ولی مشکل آنجاست که سیاهچاله‌ها به شدت از ما دور هستند، به‌اندازه‌ای که برای عکس‌برداری از آن‌ها نیاز به رزولوشن یا بزرگنمایی در سطح خواندن متن یک روزنامه در نیویورک از پیاده‌رویی در پاریس یا بزرگنمایی در سطح دیدن یک پرتغال روی سطح کره ماه است. هر چه دقت و رزولوشن تلسکوپ بیشتر باشد، اندازه دیش آن نیز باید بزرگتر باشد و برای چنین بزرگنمایی‌هایی به یک دیش به‌اندازه کره زمین احتیاج داریم.

اما تلسکوپ‌های رادیویی مختلف که در فاصله‌های زیادی از هم قرار گرفته و به وسیله ساعت‌های اتمی با دقت بالا هم‌زمان شده و روی یک نقطه از آسمان متمرکز شده‌اند، می‌توانند به عنوان یک تلسکوپ با اندازه بزرگ به‌کار روند.

 

 

سیاهچاله کمان A واقع در مرکز کهکشان راه شیری

 

 

تلسکوپ افق رویداد
با هم‌زمان کردن هشت تلسکوپ در ارتفاعات شیلی، هاوایی، اسپانیا، آریزونا، قطب جنوب، فرانسه و مکزیک یک تلسکوپ بزرگ در مقیاس زمین درست شد. در روز ۵ آپریل ۲۰۱۷، تلسکوپ افق رویداد شروع به مشاهده کهکشان M۸۷ کرد. این کهکشان بیضوی در خوشه کهکشانی سنبله و در فاصله ۵۵ میلیون سال نوری از ما قرار دارد. بعد از بررسی پیش‌بینی‌های متعدد هواشناسی، دانشمندان چهار شب را که برای هر هشت تلسکوپ شرایط مناسی داشت، پیدا کردند. موقعیتی نادر که این هشت تلسکوپ می‌توانستند به عنوان یک تلسکوپ برای مشاهده سیاهچاله به‌کار روند. دراخترشناسی رادیویی، تلسکوپ‌ها دامنه و فاز امواج رادیویی را به شکل ولتاژ ثبت می‌کنند. در مجموع هر تلسکوپ حدود یک پتابایت داده معادل یک میلیون گیگابایت داده دریافت کرد. بعد از داده‌گیری، منجمان هر ایستگاه داده‌ها را بسته بندی و به وسیله پست هوایی به رصدخانه‌های استک ماساچوست و موسسه ماکس پلانک آلمان ارسال کردند (پست هوایی سریعتر از انتقال الکترونیک داده‌ها بود). داده‌ها در ماساچوست و آلمان توسط ابرکامپیوتر‌ها شروع به بازخوانی شدند. چون هرتلسکوپ در مکان متفاوتی از تلسکوپ مجازی افق رویداد قرار داشت، دید هر تلسکوپ از سیاهچاله کمی متفاوت بود. یعنی در واقع دو تلسکوپ متفاوت، سیگنال مشابهی از سیاهچاله را ثبت کرده بودند، اما نویز‌هایی وجود داشت که مختص هر تلسکوپ بود. با مقایسه دو به دو داده‌ها در ابرکامپیوتر نویز داده‌ها برطرف شد و فقط سیگنال سیاهچاله باقی ماند. هم‌زمانی دقیق تلسکوپ‌ها در برطرف کردن نویز و ساختن عکس سیاهچاله بسیار مهم بود.

 

داده‌هایی که از این هشت تلسکوپ به‌دست آمده و در انتها باید به وسلیه الگوریتم تصویر سازی از این داده‌ها انجام شود


الگوریتم‌ها به کمک می‌آیند
داده‌ها در اختیار چهار گروه تصویرسازی قرار داده شد تا بتوانند با الگوریتم‌های خودشان تصویر سیاهچاله را بسازند. هر چهار تیم الگوریتم‌هایشان را قبلا روی اجرام اخترفیزیکی دیگر امتحان کرده بودند تا مطمئن باشند که روش آن‌ها نمایش تصویری درستی از داده‌های رادیویی به‌دست می‌دهد. هر چهار تیم به طور مستقل از یکدیگر کار می‌کردند تا نتیجه نهایی بدون هیچ پیش‌داوری و تاثیری از کار دیگران به‌دست آید. اولین تصویر به‌دست آمده شلوغ و نامنظم بود، ولی همان تصویر هم ساختار حلقه‌ای شکل سیاهچاله را نشان می‌داد. در نهایت هر چهار گروه تصویرسازی با مقایسه تصویرهایشان در اجتماع دانشگاه هاروارد با اطمینان اولین تصویر مستقیم از سیاهچاله را به نمایش گذاشتند.

 

کیتی بومن، دانشجوی ۲۹ ساله علوم کامپیوتر MIT که الگوریتم تصویر برای سیاهچاله را نوشته است

 

تلسکوپ‌های بیشتری قرار است به مجموعه افق رویداد بپیوندند تا تصویر سیاهچاله را با رزولوشن بهتر تهیه کنند. هم‌چنین آن‌ها قصد دارند سیاهچاله مرکز کهکشان راه شیری را مشاهده کنند که نسبت به سیاهچاله مسیه ۸۷ در بازه‌های زمانی کوتاه تغییرات بیشتری نشان می‌دهد.

هزینه‌های این کار پژوهشی از طرف بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF)، شورای پژوهشی اروپا و موسسات شرقی آسیا از جمله ژاپن برای ترویج علم تامین شده‌است.