نوبل فیزیک ۲۰۲۰: نورافشانی بر سیاهچاله

کمیته نوبل فیزیک امروز برندگان سال ۲۰۲۰ خود را معرفی کرد. امسال کسانی که بر «یکی از تاریک‌ترین اسرار عالم» نور افشانده بودند برنده این جایزه شدند.

جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۰ به دو قسمت تقسیم شد. راجر پنروز، پیشگام بررسی و نظریه‌پردازی درباره سیاهچاله‌ها نیمی از این جایزه را دریافت کرد و نیم دیگر آن به رینهارد گنزل و آندره‌آ گِز، رسید. کیهان‌شناسانی که به بررسی و شکار سیاهچاله‌های مرکز کهکشان راه شیری و کهکشان‌های همسایه پرداخته بودند.

سیاهچاله‌ها یکی از مرموزترین موجودات جهان ما هستند. من پیش‌تر در مطالبی که به مناسبت انتشار نخستین تصویر از افق رویداد یک سیاهچاله نوشته بودم سعی کردم این موضوع را توضیح دهم و در اینجا بخشی از آن را تکرار می‌کنم.

داستان شگفت‌انگیز 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 خیره‌کننده سیاه‌چاله «گارگانچوا» در فیلم میان ستاره‌ای به کارگردانی کریستوفر نولان را از یاد برده باشد؟  نمای خیره کننده‌ای که در پس خلقت آن، دانشمند کیهان‌شناس برجسته‌ای چون کیپ تورن حضور داشت و برمبنای شبیه‌سازی دقیقی از معادلات مربوط به توصیف سیاه‌چاله تصویر شده بود.

بسیاری از علاقه‌مندان ستاره‌شناسی و نوجوانانی که به نجوم علاقه‌مند می‌شوند، پیش از هر چیزی مشتاقند تا درباره دنیای شگفت‌انگیز 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.

بااین‌وجود سیاه‌چاله‌ها موجودات مرموزی هستند.

برخلاف این توهم آشنایی، اطلاعات ما درباره آن‌ها بسیار اندک است. یا بهتر بگوییم اطلاعات ما درباره آن‌ها 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 شکل‌گرفته بود.

با این حساب سیاه‌چاله‌ها از کجا آمده‌اند؟

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 چشم‌انداز 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 درهم‌تنیده فضا زمان شود. مانند زمانی که توپی فلزی را در میان یک صفحه لاستیکی قرار می‌دهید. همین خمیدگی درنهایت باعث می‌شود تا اجرام مختلف در مدارهای مختلف حرکت کنند. به‌عبارت‌دیگر 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 آن‌ها در شرایط ویژه به نتیجه‌ای غیرمنتظره رسید: اگر جرمی به‌اندازه کافی چگال باشد (نسبت جرم به حجم بالایی داشته باشد) درنهایت ممکن است میزان خمیدگی فضا زمان را به حدی برساند که – به روایتی غیردقیق – 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 سنگین‌تر شود و درنهایت کار از خمیدگی می‌گذرد و درجایی که این توپ قرار دارد نوعی شکاف به وجود می‌آید (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 آن‌قدر می‌توانند عمیق و قدرتمند باشند که به‌محض اینکه وارد آن‌ها شوید – چه شما چه هر جرمی یا حتی پرتو نور – دیگر راه برگشتی وجود ندارد. در اطراف این‌چنین 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 نتیجه‌ای از معادلات نسبیتی همدلی نداشتند. یکی از معروف‌ترین آن‌ها خود آلبرت انیشتین بود که زمان زیادی را صرف مطالعه و به دست آوردن راه‌حلی 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.

راه‌حل‌هایی برای واقعی کردن سیاه‌چاله‌ها

باگذشت زمان اما دانشمندان بیشتری روی این موضوع کارکردند و به نظر رسید که این ایده آن‌قدرها هم دور از واقعیت نیست.

ستاره‌شناس 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 نامه‌ای 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 درنهایت همان تکینگی را به وجود بیاورند که شوارتزشیلد درباره آن‌ها صحبت کرده بود.

ایده سیاه‌چاله‌های 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 فروریزش درون سیاه‌چاله‌های پرجرمی هستند که صدها هزار برابر جرم خورشید ما جرم دارند. ایده این بود که درحالی‌که 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 تابش‌های رادیویی ایجاد می‌کنند.

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

بخش بزرگی از کارهای نظری در مورد سیاهچاله‌ها و نشان دادن سازگاری آن با نسبیت عام مدیون راجر پنروز بود. راجر پنروز نه‌تنها نشان داد که وجود سیاهچاله‌ها در معادلات نسبیت عام گریزناپذیر است که نشان داد اگر هر جرمی را به‌اندازه کافی فشرده و چگال کنید تبدیل به سیاهچاله می‌شود. او همچنین نشان داد که در معادلات تحول ستاره‌ای اگر جرم ستاره از حدی بیشتر باشد تبدیل‌شدنش به سیاهچاله احتمالاً گریزناپذیر خواهد بود.

هیولا در مرکز کهکشان

مدل‌‌های تحول کهکشانی نیز در این مدت توسعه یافت و این ایده را مطرح کرد که نه‌تنها در اختروش‌ها که در دل کهکشان‌های بزرگ و ازجمله کهکشان خود ما احتمالاً ابر سیاه‌چاله‌های غول‌آسایی جای خوش کرده‌اند.

سال ۱۹۷۴ زمانی بود که محققان با کمک رادیوتلسکوپ گرین بانک در ویرجینیای 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* می‌شناسیمش.

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

در شب‌های 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 صورت‌های فلکی عقرب و قوس (که می‌توانید آن را شبیه یک قوری تصور کنید) درخشان تر 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 تخم‌مرغ یا برعکس را احیا کند. اینکه آیا وجود سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم بر کهکشان‌ها تقدم دارند و یا  اینکه کهکشان‌ها نخست شکل گرفته‌اند.

افسانه زدایی از برداشت عمومی از سیاه‌چاله

قبل از اینکه پیش‌تر برویم بیایید نگاهی به تصوری بیندازیم که از سیاه‌چاله‌ها و به‌واسطه فرهنگ‌عامه در ذهنمان ایجادشده است. درکی که با واقعیت فاصله زیادی دارد.

بسیاری تصور می‌کنند سیاه‌چاله‌ها شبیه جاروبرقی‌های غول‌آسایی هستند که به‌سرعت هرچه در اطرافشان هست را هُورت می‌کشند. برای مثال اگر خورشید ما روزی به سیاه‌چاله بدل شود (که نمی‌شود) یک‌باره همه اجرام منظومه شمسی از مسیر خود خارج‌شده و به درون آن سقوط می‌کنند.

سیاه‌چاله‌ها 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. به‌عبارت‌دیگر شعاع شوارتزشیلد خورشید ما تنها سه کیلومتر است. برای اینکه مقایسه‌ای داشته باشید به یاد بیاورید این شعاع برای کره زمین حدود ۹ میلی‌متر است. یعنی برای اینکه زمین ما سیاه‌چاله شود باید جرم آن را در کره‌ای به شعاع ۹ میلی‌متر 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 غیرقابل 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 می‌دهد؟ 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 یک‌باره همه اجرام منظومه شمسی راه خود را به‌سوی آن کج نمی‌کنند و درون آن سقوط نمی‌کنند.

به همین دلیل هم سیاه‌چاله‌ها آن‌گونه که در برخی از داستان‌های علمی تخیلی تصویر شده‌اند – برای ما زمینیان – ترسناک نیستند و خطری از سوی آن‌ها ما را تهدید نمی‌کند. حداقل اینکه در بین خطرات آسمانی که ما در معرض تهدید آن‌ها هستیم سیاه‌چاله‌ها 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 خودداری کنید و به یاد داشته باشید سقوط درون آن‌ها تنها یکی از مصائب 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 خوش‌آیندی در انتظار شما نیست و اوضاع واقعاً 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، درنهایت با ورود به سیاه‌چاله، شما به دلیل تفاوت فشارهای گرانشی که بر نقاط مختلف بدنتان وارد می‌شود، از هم دریده می‌شوید یا به قول رایجی اسپاگتی گون خواهید شد. هرچقدر پیش‌تر روید سیاه‌چاله و تفاوت نیروی گرانش آن مولکول‌ها و حتی هسته‌های مولکول‌های تشکیل‌دهنده شما را از هم می دَرد 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 هیچ‌کسی 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 می‌گوید ما هنوز چنین تئوری کاملی در اختیار نداریم.

اگر دوست دارید به‌طور غیرتخصصی درباره تکینگی‌ها بیشتر بدانید علاوه بر کتاب‌ها و مقاله‌های علمی بد نیست نگاهی به کتاب «میان ستاره‌ای به روایت علم» نوشته کیپ تورن که به فارسی هم ترجمه شده است بیندازید. در این کتاب – که مکمل علمی فیلم میان ستاره‌ای است – کیپ تورن سعی کرده است وضعیت نزدیک تکینگی را بر اساس روایت‌های 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 سال‌های اخیر ادامه داشته است. نه‌تنها رصدهای مختلف در طول‌موج‌های مختلف از محیط اطراف یک سیاه‌چاله در دستور کار قرار داشته‌اند که روش‌های غیرمستقیم دیگری نیز به کار گرفته شد.

حدود یک دهه پیش آندریا گز (Andrea Ghez) پروژه‌ای را رهبری کرد که در طی آن برای مدتی طولانی داده‌های رصدی از ستاره‌های نزدیک به مرکز کهکشان راه شیری گردآوری شدند. ستاره‌های نزدیک این نقطه، در صورت اینکه واقعاً ابر سیاهچاله 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 آن‌ها به همان‌گونه‌ای است که وجود یک سیاه‌چاله ابر پرجرم در مرکز راه شیری پیش‌بینی می‌کند.

درباره کار او می‌توانید این سخنرانی وی در کنفرانس تد را ( با زیر نویس فارسی) مشاهده کنید.

اما این هم هنوز کافی نبود. ما می‌خواستیم تصویری، حداقل از همسایگی این موجودات را به دام بیندازیم. اما مشکل این است که برخلاف صفت‌هایی که برای توصیف این اجرام به کار می‌بریم – نظیر غول‌آسا، هیولا وار و سایر صفت‌هایی که در همین نوشته هم به‌کاررفته است – سیاه‌چاله‌ها واقعاً فاقد شخصیت بیرونی هستند. یادمان باشد هرچیزی که به درون سیاه‌چاله سقوط کند درنهایت 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.

از یاد نبریم که ما هنوز در درک درست سیاه‌چاله و درون آن و نقطه تکینگی میان آن با چالش مواجهیم. ازنظر ریاضیاتی می‌توانیم بگوییم آنجا جایی است که انحنای فضا زمان بی‌نهایت می‌شود -اگر چنین چیزی ممکن باشد –  اما هنوز برای اینکه واقعاً بدانیم در آنجا چه می‌گذرد راه طولانی در پیش داریم.

نوبلی برای دو سوی نظر و عمل

مجموعه فعالیت‌های راجر پنروز برای بررسی نظری و تئوری سیاهچاله‌ها جایزه نوبل امسال را برای او به ارمغان آورد. البته فعالیت‌های او در زمینه سیاهچاله‌ها بسیار گسترده است. ازجمله او به بررسی امکان وجود تکینگی‌های اصطلاحاً عریان پرداخت. این موضوع فوق‌العاده جالبی است که می‌توانید درباره آن بیشتر در اینجا مطالعه کنید. او فرضیه سانسور کیهانی را مطرح کرده است که بر اساس آن کیهان شاید اجازه شکل‌گیری این موجودات غریب یعنی تکینگی‌های عریان را نمی‌دهد.

نیمی دیگر از جایزه امسال نیز به رینهارد پنزل و آندره‌آ گز رسیده است. این دو پیش از اینکه ابزارهای قدرتمند امروزی مانند آشکارساز امواج گرانشی لایگو در اختیارمان باشد، سعی کردند به بررسی وجود سیاهچاله مرکز راه شیری بپردازند. برای این کار – همانطور که گز در ویدیوی بالا توضیح می‌دهد – مدتی طولانی را به رصد و بررسی مدار ستاره‌های مرکز راه شیری پرداختند و از روی مدار آن‌ها متوجه شدند هر چیزی که در مرکز راه شیری است مشخصات سیاهچاله‌ای با جرم بیش ۴ میلیون برابر جرم خورشید را دارد.

آن‌ها همچنین بر روی ابر سیاهچاله‌های کهکشان‌های همسایه ما نیز مطالعه کردند. بخشی از این مطالعات زیربنای لازم برای تلاشی شد که درنهایت منجر به تولید نخستین تصویر از افق رویداد یک سیاهچاله در سال گذشته شد.

آندره‌آ گز و نخستین نوبل ستاره‌شناسی برای زنان

این نوبل از جهت دیگری برای دوستداران ستاره‌شناسی و کیهان‌شناسی اهمیت دارد. آندر‌ه‌آ گز با دریافت این جایزه به چهارمین زنی تبدیل شد که در تاریخ  جوایز نوبل فیزیک موفق به اخذ آن شده است. پیش از او ماری کوری به دلیل مشارکتش در پدیده رادیو اکتیو، ماریا ژئوپرت مایر برای بررسی ساختار پوسته های هسته اتم و دانا استرایکلند به دلیل بررسی ضربان های فوق کوتاه نوری موفق به دریافت این جایزه شده بودند. بااین‌وجود هیچ زنی تاکنون در رشته ستاره‌شناسی و کیهان‌شناسی این جایزه را به خود اختصاص نداده بود و این جایزه دینی قدیمی به زنانی داشت که در این حوزه فعالیت کرده‌اند.

دانسته‌های ما از سیاهچاله‌ها و سایر معماهای کیهان هنوز فراوان است. نوبل ۲۰۲۰ بهانه‌ای است تا به شگفتی‌های بی‌نظیر عالم بیشتر فکر کنیم.

دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

*

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