ملاقات با هیولای غایب

درباره نخستین تصویری که از افق رویداد یک سیاه‌چاله تهیه شده است

ساعت ۱۳ (به وقت جهانی) روز چهارشنبه، علاقه‌مندان به علم چشم به صفحات رایانه‌های خود دوختند تا برای نخستین بار چهره نادیدنی یک سیاه‌چاله را ببینند.

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

تصویر نهایی شباهتی با تصویرسازی‌هایی که در طول سال‌های طولانی از سیاه‌چاله ها دیده بودیم، نداشت و ندارد. تصویری نسبتاً مات از افقِ رویداد یک سیاه‌چاله در فاصله‌ای بیش از پنجاه میلیون سال نوری از زمین؛ اما همین تصویر مات، جهانی را – به حق -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.

یک بار دیگر به یاد بیاورید: این نخستین تصویر از شبح یک سیاه‌چاله است. تصویری از حاشیه پدیده‌ای که بنا بر تعریف نادیدنی است.

اهمیت این تصویر تنها در این نیست که برای 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.

این تصویر نشان می‌دهد که ما چطور می توانیم بر ضعف‌های خود غلبه کنیم و جایی که به نظر می‌رسد مسیرها به ناممکن ختم می شود با ابتکارها و راه‌حل‌های نوآورانه مسیر‌های تازه‌ای برای حل مسایل خود ارایه کنیم و چطور قطعات معدودی از یک پازل بزرگ را در کنار هم قرار دهیم و چشم‌اندازی عظیم را به دست آوریم.

این تصویر یک بار دیگر به یاد ما می‌آورد که معنی علم و مشارکت علم در روزگار ما چیست. اینکه استقلال در علم شوخی بی‌مزه‌ای است که به عقب ماندگی منتهی می‌شود و راه پیشرفت از دل مشارکت می‌گذرد و اینکه چطور می‌توان هدفی بزرگ تعیین کرد و امکانات خود را معطوف به آن کرد و به نتیجه رسید.

این تصویر تنها تصویر یک سیاه‌چاله نیست. تصویری از علم در دوران ما و عملکرد علم در دوران ما 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 رصدخانه های رادیویی در سراسر جهان بود که در پروژه ای موسوم به رصدخانه افق رویداد توان خود را به اشتراک گذاشته بودند.

 رادیو تلسکوپ های آلما، ای‌پکس، ایرام، جیمز کلارک ماکسول، تلسکوپ رادیویی آفونسو سرانو، آرایه زیر میلیمتری، تلسکوپ رادیویی زیر میلیمتری و تلسکوپ قطب جنوب داده های اولیه برای تهیه این عکس را جمع آوری کردند. چندین پتابایت داده به دو مرکز پردازش ابر رایانه‌ای در موسسه مطالعات رادیو تلسکوپی ماکس پلانک و موسسه فناوری ماساچوست ،MIT ارسال شد و در آنجا به کمک الگوریتمی خارق‌العاده مورد تحلیل قرار گرفت و در نهایت این تصویر به نظر ساده از دل آن به دست آمد.

مشارکتی جهانی برای اینکه سیاره ما را به ابرتلسکوپی رادیویی بدل کند سرانجام نتیجه داد.

داستان شگفت انگیز سیاه‌چاله‌ها

شاید کلمه سیاه‌چاله یکی از آشناترین نام‌ها برای مردمی باشد که دورادور به علم علاقه‌مند هستند و آن را دنبال می‌کنند. این موجودات اسرارآمیز بارها و بارها راه خود را به درون فرهنگ عامه باز کرده و بر پرده داستان‌های سینمایی به نمایش در آمده‌اند.  کدام علاقه‌مند فیلم‌های سینمایی است که نمایش خیره کننده سیاه‌چاله «گارگانچوا» در فیلم میان ستاره‌ای به کارگردانی کریستوفر نولان را از یاد برده باشد؟  نمای خیره کننده‌ای که در پس خلقت آن، دانشمند کیهان شناس برجسته‌ای چون کیپ تورن حضور داشت و برمبنای شبیه‌سازی دقیقی از معادلات مربوط به توصیف سیاه‌چاله تصویر شده بود.

بسیاری از علاقه‌مندان ستاره شناسی و نوجوانانی که به نجوم علاقه‌مند می شوند، پیش از هر چیزی مشتاقند تا درباره دنیای شگفت انگیز سیاه‌چاله‌ها بدانند. ده‌ها و صدها کتاب درباره آن‌ها نوشته شده است و به قدری درباره آن‌ها صحبت شده است که به نظر می رسد همه ما با آنها آشنایی داریم.

با این وجود سیاه‌چاله ها موجودات مرموزی هستند.

بر خلاف این توهم آشنایی، اطلاعات ما درباره آن‌ها بسیار اندک است. یا بهتر بگوییم اطلاعات ما درباره آن ها بر مبنای محاسبات ریاضیاتی استوار است.

تا همین یکی دو دهه پیش بخش بزرگی از جامعه علمی نسبت به وجود موجودیتی به نام سیاه‌چاله با دیده تردید می‌نگریست و بحث‌های طولانی در دنیای فلسفه علم درباره ماهیت وجودی آن‌ها شکل گرفته بود.

با این حساب سیاه‌چاله ها از کجا آمده اند؟

نارضایتی آقای انیشتین از حاصل کارش

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

نظریه نسبیت عام 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 بود که 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 یا 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.
آنچه از بیرون سیاهچاله می‌توانیم درباره ماهیت درون این مرز و شعاع ببینیم، تیرگی مطلق است.

جمع کثیری از دانشمندان با چنین نتیجه ای 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.

راه‌حل هایی برای واقعی کردن سیاه‌چاله‌ها

با گذشت زمان اما دانشمندان بیشتری روی این موضوع کار کردند و به نظر رسید که این ایده آن قدرها هم دور از واقعیت نیست.

ستاره شناس برجسته‌ای به نام سابرامانیان چاندراسکار (Subrahmanyan Chandrasekhar) که تخصصش در زمینه تحول ستاره‌ای بود توانست نشان دهد که در دنیای اخترفیزیک مسیرهایی وجود دارد که به تولد سیاه‌چاله منجر می‌شود.

او با بررسی مرگ ستاره‌های پرجرم به این نتیجه رسید که برخی از ستاره‌ها ممکن است در فرآیند مرگ خود با رُمبش‌های عظیم مواجه شوند. دو فیزیکدان به نام های رابرت اوپنهایمر (همان اوپنهایمر معروف که مسئولیت پروژه منهتان در تولید بمب اتمی را بر عهده داشت) و هارتلند اسنایدر با استفاده از این یافته نشان دادند که چطور ممکن است ادامه فرآیند رُمبش این ستاره‌ها در نهایت همان تکینگی را به وجود بیاورند که شوارتزشیلد درباره آن ها صحبت کرده بود.

ایده سیاه‌چاله های غیر ستاره‌ای

در دهه ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ میلادی دانشمندان دریافتند که تکینگی‌های حاصل از رُمبش ستاره‌های سنگین تنها نوع سیاه‌چاله ممکن در عالم نیستند. بررسی اختروَش‌ها (کوازارها) این ایده را مطرح کرد که ممکن است درخشش آن‌ها در واقع ناشی از ابرِ تابانی از مواد باشد که در حال چرخش و فرو ریزش درون سیاه‌چاله های پرجرمی هستند که صدها هزار برابر جرم خورشید ما جرم دارند. ایده این بود که در حالی که مواد در قُرصی گردان در اطراف این سیاه‌چاله سرعت می‌گیرند، مقداری از آنها پیش از آنکه وارد افق رویداد سیاه‌چاله شود از مسیر خود فرار کرده و فوران‌های پرسرعتی را به وجود می‌آورد که به همراه خود تابش‌های پرتو ایکس و تابش های رادیویی ایجاد می‌کنند.

طعنه‌آمیز بود که وجود یک سیاه‌چاله تاریک و نادیدنی در مرکز یک کهکشان می‌توانست توجیه کننده درخشش یکی از درخشان‌ترین اجرام کیهان باشد.

هیولا در مرکز کهکشان

مدل‌‌های تحول کهکشانی نیز در این مدت توسعه یافت و این ایده را مطرح کرد که نه تنها در اختروش‌ها که در دل کهکشان‌های بزرگ و از جمله کهکشان خود ما احتمالاً ابَرسیاه‌چاله‌های غول آسایی جای خوش کرده‌اند.

سال ۱۹۷۴ زمانی بود که محققان با کمک رادیو تلسکوپ گرین بانک در ویرجینای غربی توانستند تابش‌های پرقدرت رادیویی را ثبت کنند که از مرکز راه شیری نشات می‌گرفت. جایی در دل صورت فلکی قوس که به نام قوس *A می شناسیمش.

این جا جایی است که دانشمندان گمان می‌کنند ابر سیاه‌چاله غول آسای راه شیری جا خوش کرده است و همه کهکشان ما به دور آن در حال گردش است.

در شب های تابستان اگر فرصتی دست داد و در شبی تاریک به تماشای آسمان شب رفتید، رو به جنوب بایستید. نوار راه کهکشان بر فراز افق در منطقه میان صورت های فلکی عقرب و قوس (که می توانید آن را شبیه یک قوری تصور کنید) درخشان‌تر است. جایی نزدیکی دهانه این قوری، مرکز راه کهکشان و منبع رادیویی *Sag A یا همان هیولای پرجرم راه شیری آرمیده است.

مطالعات بیشتر نشان از آن داشت که این موجودات که تا چند دهه قبل در وجودشان شکی بنیادی وجود داشت در ساختار کهکشان‌ها نقشی مهم و حیاتی دارند. این یافته همچنین باعث شد تا جهان علم بار دیگر سوال معروف و بنیادی تقدم مرغ بر تخم مرغ یا برعکس را احیا کند. اینکه آیا وجود سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم بر کهکشان‌ها تقدم دارند و یا  اینکه کهکشان‌ها نخست شکل گرفته‌اند. اما این سوالی نیست که قرار باشد امروز و با کمک این تصویر به آن پاسخ دهیم.

هیولاهای پنهان از نظر

سیاه‌چاله‌ها بدین ترتیب به بخش مهمی از دنیای کیهان شناسی تبدیل شدند. از سیاه‌چاله های خُرد و کم جرم گرفته تا ابرسیاه‌چاله های ابَر پرجرم.

با این وجود هنوز نشان مستقیمی از آن ها در دسترس نبود و این اجرام تنها روی کاغذ و به واسطه معادلات ریاضیات به فتح عالم مشغول بودند و توضیحات بهتری برای درک عالم ارایه می‌دادند و ما تنها می توانستیم نشانه‌هایی غیر مستقیم را از آن‌ها ثبت و رصد کنیم.

افسانه‌زدایی از برداشت عمومی از سیاه‌چاله

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

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

سیاه‌چاله ها اینگونه رفتار نمی‌کنند. تصور کنید که خورشید ما قرار باشد به سیاه‌چاله بدل شود. برای اینکه این اتفاق بیفتد خورشید ما با جرم فعلی خود باید در حد کره‌ای با قطر شش کیلومتر فشرده شود. به عبارت دیگر شعاع شوارتزشیلد خورشید ما تنها سه کیلومتر است. برای اینکه مقایسه‌ای داشته باشید به یاد بیاورید این شعاع برای کره زمین حدود ۹ میلی متر است. یعنی برای اینکه زمین ما سیاه‌چاله شود باید جرم آن را در کره‌ای به شعاع ۹ میلی متر فشرده کنیم. این عدد را به ذهن داشته باشید تا وقتی درباره شعاع شوارتزشیلد ابرسیاه‌چاله‌ها صحبت می‌کنیم بتوانید مقایسه‌ای از نظر جرم آن‌ها در ذهن انجام دهید.

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 سیاره های 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 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.

به همین دلیل هم سیاه‌چاله‌ها آن گونه که در برخی از داستان‌های علمی تخیلی تصویر شده‌اند – برای ما زمینیان – ترسناک نیستند وخطری از سوی آن‌ها ما را تهدید نمی‌کند. حداقل اینکه در بین خطرات آسمانی که ما در معرض تهدید آن ها هستیم سیاه‌چاله ها در بالای فهرست جای ندارند.

اما اگر روزی توانستید به فضا سفر کنید. این توصیه ایمنی را جدی بگیرید و از سرک کشیدن در اطراف افق رویداد ابرسیاه‌چاله‌های غول‌آسا خود داری کنید و به یاد داشته باشید 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 پیش بینی 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 می شوید یا به قول رایجی اسپاگتی گون خواهید شد. هرچقدر پیش‌تر روید سیاه‌چاله و تفاوت نیروی گرانش آن مولکول‌ها و حتی هسته های مولکول های تشکیل دهنده شما را از هم می دَرد تا اینکه به خود تکینگی برسید. جایی که بر اساس پیش بینی قوانین فیزیکی انحنای فضا زمان بینهایت می شود و همه قوانین فیزیکی به شکلی که می شناسیم از اعتبار ساقط می شوند. 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 کوانتومی گرانش استفاده کنیم. اما چطور باید این کار را بکنیم؟ آنگونه که وایز می گوید ما هنوز چنین تئوری کاملی در اختیار نداریم.

اگر دوست دارید به طور غیر تخصصی درباره تکینگی‌ها بیشتر بدانید علاوه بر کتاب‌ها و مقاله های علمی بد نیست نگاهی به کتاب «میان ستاره ای به روایت علم» نوشته کیپ تورن که به فارسی هم ترجمه شده است بیندازید. در این کتاب – که مکمل علمی فیلم میان ستاره ای است – کیپ تورن سعی کرده است وضعیت نزدیک تکینگی را بر اساس روایت های مختلف شرح دهد. (و همینطور به این سوال که چرا شخصیت اصلی این فیلم پس از سقوط در سیاهچاله آنگونه که وایز گفته است دریده نمی‌شود.)

به دام انداختن موجود نامریی

تلاش برای ثبت نشانه‌های مستقیمی از سیاه‌چاله در طول سال های اخیر ادامه داشته است. نه تنها رصدهای مختلف در طول موج‌های مختلف از محیط اطراف یک سیاه‌چاله در دستور کار قرار داشته‌اند که روش‌ های غیر مستقیم دیگری نیز به کار گرفته شد.

حدود یک دهه پیش آندریا گز (Andrea Ghez) پروژه ای را رهبری کرد که در طی آن برای مدتی طولانی داده های رصدی از ستاره های نزدیک به مرکز کهکشان راه شیری گردآوری شدند. ستاره های نزدیک این نقطه، در صورت اینکه واقعاً ابر سیاچاله مرکزی در آن جای گرفته باشد، باید رفتار مداری ویژه و سریعی را از خود بروز دهند. حاصل چندین سال رصد این ستاره‌ها نشان داد که مدار حرکتی آن ها به همان گونه ای است که وجود یک سیاه‌چاله ابر پرجرم در مرکز راه شیری پیش بینی می کند.

درباره کار او می‌توانید این سخنرانی وی در کنفرانس تد را مشاهده کنید.

اما این هم هنوز کافی نبود. ما می خواستیم تصویری، حداقل از همسایگی این موجودات را به دام بیندازیم. اما مشکل این است که برخلاف صفت‌هایی که برای توصیف این اجرام به کار می بریم – نظیر غول آسا، هیولا وار و سایر صفت هایی که در همین نوشته هم به کار رفته است – سیاه‌چاله ها واقعا فاقد شخصیت بیرونی هستند. یادمان باشد هرچیزی که به درون سیاه‌چاله سقوط کند در نهایت همه ماهیت‌ها و ویژگی های خود غیر از جرم را ازدست می دهد. 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.

از یاد نبریم که ما هنوز در درک درست سیاه‌چاله و درون آن و نقطه تکینگی میان آن با چالش مواجهیم. از نظر ریاضیاتی می‌توانیم بگوییم آنجا جایی است که انحنای فضا زمان بی نهایت می شود -اگر چنین چیزی ممکن باشد –  اما هنوز برای اینکه واقعا بدانیم در آنجا چه می گذرد راه طولانی در پیش داریم.

اتفاق هایی مانند تصویری که درباره آن صحبت خواهیم کرد و همچنین مدل ها و شبیه سازی های ریاضیاتی و همچنین مشاهدات و رصدهای امواج گرانشی که لایگو آنها را ثبت کرده است ، همه و همه ممکن است به ما در درک ماهیت مرموز این معماری تاریک کمک کند.

راهی طولانی تا رسیدن به قلب کهکشان M87

تصویر افق رویداد کهکشان M87 یکی از مهم ترین دست آوردهای ما برای این بررسی تا کنون است. تصویری که روز چهارشنبه از افق رویداد این سیاه‌چاله منتشر شد در واقع بر شانه تلاش های متعدد بسیاری، قرار داشت که برای تصویربرداری از حاشیه یک سیاه‌چاله انجام شده بود.

کالبدشناسی یک سیاه چاله / منبع تصویر ESO

ایده تصویر برداری از سیاه‌چاله عملا از سال ۱۹۷۲ مطرح شد. زمانی که جیمز باردین یک مدل تحلیل برای موقعیت پرتوهای نوری در اطراف نوع خاصی از سیاه‌چاله را مطرح کرد. سال ۱۹۷۳ باردین و دانشجوی دوره دکتری او به نام کریس کانینگهام، مدل خودرا برای تولید تصویر یک سیاه‌چاله و حرکت نور در اطراف آن ارائه دادند و به نوعی نخستین تصویر سازی از یک سیاه‌چاله را منتشر کردند. این تلاش‌ها ادامه داشت و یکی از تصویرسازی های دقیق در این زمینه مدیون ژان پیر لومینت است که در سال ۱۹۷۹ منتشر شد و به گونه دقیقی سعی کرده بود وضعیت نوری اطراف یک سیاه‌چاله را شرح دهد. شرح هیجان انگیز این تلاش ها برای ترسیم تصویر یک سیاه‌چاله را می توانید در مقاله لومینت در این نشانی مطالعه کنید.

برای ثبت نخستین تصویر از افق رویداد یک سیاه‌چاله بیش ازدویست دانشمند از 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 ابرسیاه‌چاله ای که در مرکز کهکشان معروف به مسیه ۸۷ جای خوش کرده است.

کهکشان M87 یا سنبله A در صورت فلکی سنبله قرار دارد و برای رصدگران آماتور جرم آشنایی به شمار می رود. این جرم را که رصدگران آماتور بارها آن را – از جمله در رقابت رصدی مسیه – رصد کرده‌اند، می توان با یک دوربین دوچشمی بزرگ یا تلسکوپ معمولی در شبی تاریک رصد کرد. این کهکشان، یک کهکشان بیضوی غول پیکر است که در فاصله حدود ۵۵ میلیون سال نوری از زمین قرار دارد.

حدس زده می شود در مرکز این کهکشان ابر سیاه‌چاله ای قرار داشته باشد که جرم آن حدود شش و نیم میلیارد برابر جرم خورشید ما است. از دل این  کهکشان فورانی از پلاسما به بیرون پرتاب شده است که تا ارتفاعی معادل ۵ هزار سال نوری از مرکز با سرعتی نزدیک به سرعت نور ارتفاع می‌گیرد. این فوران نشانه ای از فعال بودن سیاهچاله مرکزی این کهکشان است.

نگاه رادیویی به سنبله

گروه رصدخانه افق رویداد از سال ۲۰۱۷ به سراغ این کهکشان رفتند و سعی کردند این هیولای پنهان در مرکز آن را به دام بیندازند. این گروه برای این کار در مدت ده روز در سال ۲۰۱۷ به طور غیر پیوسته به رصد اهداف خود (کهکشان M87) و مرکز راه شیری پرداختند و در نهایت دو سال گذشته را به تحلیل و تنظیم داده ها سپری کردند.

دلیل اینکه تصویر نهایی از مرکز کهکشان M87 آماده شد به ذات پرهیاهو تر کهکشان راه شیری باز می‌گردد که تهیه تصویر نهایی را با خطای بیشتر همراه می‌کرد و نتیجه کار رضایت بخش نبود. ماهیت پایدارتر M87 باعث شد تا نام آن در تاریخ به عنوان نخستین سیاه‌چاله تصویر برداری شده ثبت شود.

اما این عکاسی ساده ای نبود.

چالش تفکیک

تلاش برای ثبت چنین تصویری مانند این است بخواهید از فراز پشت بام خانه خود یک شیرینی دونات ( یا اگر دوست دارید یک کیک یزدی بزرگ) را روی سطح ماه تفکیک کنید.

This image shows the locations of some of the telescopes making up the EHT, as well as the long baselines between the telescopes.

کسانی که به رصدهای ساده نجومی آشنایی دارند می دانند که توان تفکیک یک ابزار به دو عامل طول موج و اندازه تلسکوپ شما بستگی دارد و با نسبت طول موج تقسیم بر دهانه تلسکوپ متناسب است. بدین ترتیب هرچقدر هدف شما کوچکتر باشد لازم است دهانه ابزار رصدی شما که جمع کننده امواج است بزرگتر باشد.

درست است که سیاه‌چاله مرکزی کهکشان M87 سیاه‌چاله ای غول پیکر است و افق رویداد آن نیز فوق العاده بزرگ و عظیم اما باید به یاد داشت که این کهکشان در فاصله بیش از ۵۰ میلیون سال نوری ما قرار دارد و در نتیجه برای تفکیک آن به ابزاری غول‌آسا نیاز داریم. به عبارت دیگر اگر قرار بود یک رصدخانه رادیویی ساخته شود که بتواند این تصویر را تهیه کند ابعاد آن می بایست معادل ابعاد سیاره زمین می بود.

بدیهی است که امکان ساخت چنین رصدخانه رادیویی وجود ندارد. اما چون نمی توانیم رصدخانه ای به ابعاد زمین بسازیم آیا به این معنی است که باید از خیر عکس برداری از این سیاه‌چاله بگذریم؟ اینجا است که نقش ابتکار برای حل مسایل به ظاهر غیر ممکن به میان می آید.

تلسکوپی مجازی برای رصد سیاه‌چاله

ما شاید نتوانیم تلسکوپی به ابعاد کل زمین بسازیم که تصویر کامل هدف را برای ما تهیه کند اما می توانیم با استفاده از روش تداخل سنجی و با کمک تعداد معدودی رصدخانه که در سراسر جهان پراکنده شده اند رصدخانه‌ای مجازی بسازیم که تا حد زیادی معادل رصدخانه ای به ابعاد سیاره ما باشد.

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


Credit: University of Arizona / Dan Merrone

هر یک از این دریافت کننده ها بخشی از اطلاعات مربوط به جرم هدف را دریافت می کنند. اگر دریافت کننده‌ای به ابعاد زمین می‌توانست تصویری یک پارچه از یک پازل چند هزار قطعه‌ای را ایجاد کند. این تلسکوپ‌ها در واقع چند قطعه از این پازل بزرگ را تصویر برداری کردند. البته به دلیل اینکه زمین در حال دوران به دور خود است هر یک از این تلسکوپ ها در طول مدت رصد ۱۰ روزه خود عملا چندین و چند نقطه از سطح زمین را پوشش دادند و در این مدت این ابزارها توانستند قطعات بیشتری از این پازل را آشکار کنند.

قدم بعدی این بود که این خرده داده‌ها در کنار هم تصویری کامل را ارایه کنند. داده های جمع آوری شده برای این کار به موسسه ماکس پلانک و شهر بوستون فرستاده شدند تا تیمی به سرپرستی کتی بومن که در زمان آغاز این پروژه، دانشجوی دکترای کامپیوتر MIT بود تصویر نهایی را از دل این چندین پتابایت داده استخراج کنند.

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

او و همکارانش برای این کار نیاز داشتند تا الگوریتمی را بسازند که بتواند قطعات این پازل را در کنار هم قرار دهد و در عین حال نویز را از تصاویر اصلی خارج کند.

این کار با چالش زیادی همراه است. اگر قرار باشد برای مثال الگوریتمی بسازید که چهره انسان را تشخیص دهد معیاری برای این الگوریتم دارید شما چهره‌های انسان را دیده‌اید و وقتی برنامه‌ای برای این منظور می‌سازید می توانید از آن بخواهید تا تعیین کند چقدر محتمل است یک عکس چهره‌ای انسانی داشته باشد. در مورد سیاه‌چاله ها اما این گونه نیست. ما شبیه سازی هایی در مورد تصویر نهایی دراختیار داریم اما نمی توان به این شبیه سازی ها اطمینان کرد چرا که اگر ما فرض را بر این بگذاریم که تصویر نهایی باید اینگونه باشد ممکن است دست به انتخاب داده هایی بزنیم که فرض ما را تایید می کند و این در حالی است که ممکن بود در واقعیت معلوم شود معادلات انیشتین – که شبیه سازی ها بر مبنای آن ها انجام شده اند – دراین باره درست نیستند و شکلی که انتظار داریم با آنچه هست تفاوت دارد.

این چالشی بود که این تیم با طراحی الگوریتمی پاسخ دادند که در آن تصاویری از رده های مختلف به الگوریتم داده می شد تا ببینند چقدر فرض های اولیه در تهیه تصویر نهایی نقش دارد. پس از اینکه آن ها مطمئن شدند این اثر را خنثی کرده اند و تا حد قابل قبولی می توانند به تصویر نهایی اطمینان کنند ،الگوریتم را بر داده های دریافتی اعمال کردند.

اگر مایلید جزییات بیشتری از نحوه عملکرد این الگوریتیم را ببینید ویدیو زیر که سخنرانی کیت بومان در کنفرانس تد در این باره است را مشاهده کنید.

بدین ترتیب بود که نخستین تصویر پس از ده روز تصویربرداری و دو سال تحلیل در نهایت منتشر شد.

تصویری که وقتی به آن می نگرید حیران می شوید.

چه چیزی را دیدیم؟

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

منبع : NSF

این تصویر واقعاً تصویر سیاه‌چاله نیست.

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

 در واقع گرانش سیاه‌چاله باعث می شود 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.

به عبارت دیگر و به قول فیل پلیت، نویسنده علمی، شاید بهتر باشد این حفره تاریک در این تصویر را شبح سیاه‌چاله بنامیم. برای درک بهتر این موضوع این ویدیو را که بنیاد ملی علوم منتشر کرده است ببینید.

برای اینکه درکی از ابعاد تصویر داشته باشید در نظر بگیرید که این حفره تیره در میانه این تصویر در حدود ۴۰ میلیارد کیلومتر طول دارد. در مقام مقایسه فاصله خورشید تا نپتون حدود ۵ میلیارد کیلومتر و  فاصله ویجر یک از ما نزدیک به ۱۹ میلیارد کیلومتر است. به عظمت ابعاد این سایه بیندیشید.

همانطور که اشاره شد سیاه‌چاله مرکزی کهکشان M87 سیاه چاله ای فعال است. موادی که با سرعت فراوان در حال گردش به دور آن هستند تا دمای چند میلیون درجه گرم می‌شوند و از خود تابش ساطع می‌کنند. در تصویر بالا بخش روشنی که می بینیم در واقع تابش حاصل از این مواد  در اطراف سیاه‌چاله است. اما این تابش ها در اثر گرانش سیاه‌چاله منحرف شده اند. به دلیل اثر گرانشی سیاه‌چاله نور موادی که در پشت سیاه‌چاله قرار دارد در اطراف آن خمیده شده و ما می توانیم آنها راببینیم. هرچقدر به افق رویداد نزدیک‌تر می شویم میزان انحنای این نور بیشتر می شود تا در نهایت به جایی می‌رسیم که دیگر – از منظر زمین – نمی توانیم آن را ببینیم.

پدیده جذاب دیگری نیز د ر این تصویر قابل مشاهده است. پدیده ای که به پرتوتابانی نسبیتی معروف است.


بار دیگر به این عکس بنگرید. به عظمت آن و به خردمندی زنان و مردانی که ایستاده بر دوش غول های پیش از خود قدم در راهی به ظاهر غیر ممکن گذاشتند و ناممکن را ممکن کردند.

فرض کنید در دستان خود لامپ یا منبع نوری دیگری دارید. این منبع نورانی نور را در همه جهت های به طور یکسان ساطع می‌کند. حال تصور کنید در حالی که این مشعل یا چراغ را به دست دارید شروع به دویدن کنید. خیلی سریع و به سرعت نور نزدیک شوید. در این صورت دیگر به نظر نمی‌آید که نور این مشعل به طور یکسان به همه جهات می تابد بلکه بیشتر شبیه این خواهد بودکه مانند پرتویی متمرکز شده – مانند یک چراغ قوه – در راستای جهتی که در حال حرکت است تابیده می شود و در آن راستا درخشان تر است.

 به عبارت دیگر اگر فوران یا جِتی از مواد با سرعتی نزدیک به نور به سمت شما بتابد این بخش به نظر درخشان تر می‌آید و اگر از شما در حال دور شدن باشد، کم نور تر به نظر می‌آید.

در این تصویر می بینید که چطور بخش پایینی درخشان تر از بخش فوقانی حلقه است؟ دلیلش همین پدیده است.

 موادی که در بخش پایینی این حلقه قرار دارند به سمت ما حرکت می کنند و موادی که در بخش فوقانی آن قرار دارند در حال دور شدن از ما هستند.

در نتیجه اینکه از نقطه نظر ما قرص مواد اطراف این سیاهچاله در جهت ساعتگرد در حال چرخش است.

همه این اطلاعات از همین تصویر به نظر نا واضح بیرون می آید. یک بار دیگر به این تصویر نگاه کنید و این داده ها را سعی کنید روی تصویر سوار کنید. آیا ممکن است مو بر تنتان سیخ نشود؟

فراتر از یک شبح

همانطور که اشاره کردم این تصویر چیزی بیش از تصویر شبح یک سیاه‌چاله است.

نخست اینکه اکنون تصویری واقعی و فیزیکی از آنچه باید سیاه‌چاله باشد در اختیار داریم و یک بار دیگر معادلات نسبیتی از دل آزمونی تجربی سرافراز بیرون آمدند و نشان دادند توضیح دقیقی از عالم می دهند. معادلات انیشتین تا الان به خوبی عالم ما را توصیف می کند – حتی اگر نتیجه آن مطابق میل انیشتین نباشد.

مقالات حاصل از این پژوهش

Paper I: The Shadow of the Supermassive Black Hole
Paper II: Array and Instrumentation
Paper III: Data processing and Calibration
Paper IV: Imaging the Central Supermassive Black Hole
Paper V: Physical Origin of the Asymmetric Ring
Paper VI: The Shadow and Mass of the Central Black Hole

منبع NSF

ما برای نخستین بار افق رویداد یک سیاه‌چاله را می بینم. این تازه آغاز کار است. هرچقدر تعداد تلسکوپ های بیشتری را به این آرایه اضافه کنیم شفافیت و دقت تصویر ما بالاتر می رود و می توانیم تصاویر دقیق تری از سیاه‌چاله های عالم تهیه کنیم و با کمک آن درک خود را از آن ها و قوانین حاکم بر آن افزایش دهیم. به خصوص الان که می دانیم این روش کار آمد است.

روش تداخل سنجی و الگوریتم به کار رفته در این مورد خودش به تنهایی دست آوردی سترگ است که نه تنها در زمینه سیاه‌چاله ها که در باقی حوزه ها نیز می توان از آن استفاده کرد.

و در نهایت این تصویر یک بار دیگر نشان می دهد که چگونه با هزینه ای نسبتا اندک (در مقایسه با سایر مخارج و این واقعیت که شش سال ۲۵۰ دانشمند و ده ها کشور و موسسه درگیر این پروژه بوده اند)، مشارکتی جهانی و اعتماد به روش علمی می توان غیرممکن‌ها را ممکن کرد و پرده از اسرار عالم برداشت.

درس هایی برای ما

این تصویر در تاریخ به یادگار خواهد ماند. مسیرهای تازه‌ای پیش روی علم باز خواهد شد و ما – اگر بخواهیم – به درک بهتری از جهان نایل می آییم.

اما در حالی که علم روز به روز توانش را و امکاناتش را به ما نشان می دهد و نشان می دهد که چگونه می توان با کمک آن برای مسایل حتی به ظاهر غیر ممکن راه حل پیدا کرد، بخش بزرگی از جامعه جهانی در برابر آن مقاومت می‌کنند. در همین روزها که خبر این تصویر انسان را در حیرت فرو می برد خبر می رسد که در برخی از کشورهای پیشرفته پس از سال ها که از ریشه کنی بیماری هایی چون سرخک می گذرد، به دلیل عدم واکسیناسیون کودکان بار دیگر این بیماری‌ها زنده شده اند. هنوز مقام های سیاسی در گوشه و کنار جهان تغییرات اقلیمی را انکار می کنند و حاضر نیستند به هشدارهای جامعه علمی در این باره گوش دهند.

بسیاری از ما علم را و روش علمی را تا جایی می پذیریم که نظرات ما را تایید کنند و به محض اینکه دانسته ها و تصورات ما را به چالش بکشند از آن دوری می گزینیم.

شاید چنین لحظاتی در تاریخ یادآوری باشد که ما در صورتی که مساله را بشناسیم مجهز به ابزارهایی برای حل آن هستیم.

نکته مهم دیگر در این باره نقش ما – جامعه ایران – در چنین رویدادهایی است. در گروه محققانی که این تصویر را تهیه کرده اند چندین ایرانی الاصل حضور دارند که البته ربطی به ایران ندارند.

 دیدن این تصویر در آستانه قرن تازه خورشیدی این سوال را برای دوستداران علم ایران به وجود می آورد که آنگونه که دکتر منصوری اشاره کرد، آیا روزی جامعه مدنی و علمی ایران به جایی می رسد که اهمیت چنین پروژه هایی را درک کند و به جای آنکه تنها راوی آن باشد در آن مشارکت داشته باشد؟ حتی اگر در حد مشارکتی اندکی مانند آن چیزی که در سرن اتفاق افتاد باشد.

از دل چنین همکاری هایی است که یاد می گیریم و می آموزیم و بر دانش و تجربه خود افزوده می کنیم و به قدر توان خود در پیشبرد علم مشارکت می کنیم. علم بر مبنای آیین نامه ها و تعداد مقالات آی اس آی پیش نمی‌رود. با تقلب کردن و ساخت بانک های بومی ثبت مقالات نیست که رشد علمی اتفاق می افتد و با شعار دادن پیشرفتی رخ نمی‌دهد.

از همه این ها بگذریم یک بار دیگر به این عکس بنگرید. به عظمت آن و به خردمندی زنان و مردانی که ایستاده بر دوش غول های پیش از خود قدم در راهی به ظاهر غیر ممکن گذاشتند و ناممکن را ممکن کردند.

چنین روزهایی در تاریخ است که می توان به انسان بودن خود ببالیم. باشد که بیش باد.

دیدگاه‌ها

  1. ‌خیلی خوب بود پوریا جان و ممنونم.
    اینکه بصورت تاریخچه ای مطلب را قدم به قدم مطرح کردی در تفهیم آن خیلی موثر بود

    امیدوارم در این شب ها، پادکستی هم در این خصوص تهیه کنی

  2. سلام
    سیاه‌چاله یک ابرجرم کروی است که در تمام زوایا ویژگی یکسانی از خودش نشان میدهد. انتظار من این بود که تصویری که می‌بینیم یک گوی آتشین ناشی از فوران پلاسما باشد و افق رویداد در پس این فوران و غیر قابل مشاهده
    این تصویر مانند یک برش عرضی از سیاهچاله و اطرافش است.
    چه نکته‌ای رو نادیده می‌گیرم

    1. فیلمی که در میانه متن آپلود کردند رو مشاهده کنید. در اون علت این که چرا قسمت مرکزی تیره هست به تصویر کشیده شده. به خاطر این که پرتوهایی که به زمین میرسه از این قسمتهاست و راستای بقیه پرتوهاش در جهت رسیدن به زمین نیست.

  3. چند جا فاصلۀ کهکشان را اشتباه نوشته بودید از جمله ۵۰ سال نوری و یا ۵۰ میلیون کیلومتر شما که خودتان روزنامه نگار هستید بهتر می دانید که این موضوع ممکن است خواننده نا آشنا با موضوع را به اشتباه بیندازد لطفا تصحیح بفرمایید با سپاس

  4. فکر می‌کنم در اعداد مشکلی هست. جایی گفته شده: «…یک کهکشان بیضوی غول پیکر است که در فاصله حدود ۵۵ میلیون سال نوری از زمین قرار دارد.» و بعد در جایی: «…اما باید به یاد داشت که این کهکشان در فاصله بیش از ۵۰ سال نوری ما قرار دارد.» البته منطقا مشکلی نیست چون ۵۵ میلیون سال نوری از ۵۰ سال نوری بیشتره اما خوب …

  5. ممنون برای من که به صورت آماتور به نجوم علاقه مندم بسیار جذاب و قابل درک بود. ممنون از توضیحات جامعتون. کاش زودتر علم به جایی برسه کشف بشه داخل تکینگی چه می گذره و قوانین فیزیک اونجا چطوری میشه.

پاسخی بگذارید

*

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.