آیا می‌توان پارادوکس اطلاعات سیاهچاله را با ‘کره‌های فوتونی’ حل کرد؟

آیا سیاه‌چاله‌ها به همان سادگی که به نظر می‌رسند، وجود دارند یا داستان آنها چیز دیگری است؟

آیا می توانیم پارادوکس اطلاعات سیاهچاله را حل کنیم؟ (اعتبار تصویر: ناسا)

نظریه‌هایی که تلاش می‌کنند به اصطلاح پارادوکس اطلاعات سیاهچاله را حل کنند، پیش‌بینی می‌کنند سیاه‌چاله‌ها بسیار پیچیده‌تر از آنچه هستند که نسبیت عام نشان می‌دهد. مشاهدات آتی کره‌های فوتونی – نوارهای گردان نور در لبه‌های سیاهچاله‌ها – قادر به آزمایش این نظریه‌ها خواهند بود.

پارادوکس اطلاعات

طبق نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین، سیاهچاله‌ها به طرز شگفت‌انگیزی ساده هستند. اگر جرم، شارژ و چرخش یک سیاهچاله را می‌دانید، همه چیز در مورد آن را می‌دانید. در حقیقت، سیاهچاله‌ها از ساده‌ترین و سرراست‌ترین جسمهای جهان هستند.

اما این سادگی آشکار باعث ایجاد تناقضی نگران‌کننده می‌شود. در دهه 1970، استفان هاوکینگ فیزیکدان مشهور اخترفیزیک متوجه شد که سیاهچاله‌ها کاملا سیاه نیستند. در عوض، آنها از طریق یک فرایند مکانیکی کوانتومی ظریف که در افق رویداد آنها رخ می‌دهد، از مرزهای سیاهچاله‌ها تابش ساطع می‌کنند، جایی که هیچ چیز، حتی نور نمی‌تواند فرار کند.

از آنجا که سیاهچاله ها بسیار ساده هستند و فقط با سه عدد قابل توصیف هستند، به نظر می‌رسد تمام اطلاعات مربوط به موادی که در سیاهچاله‌ها قرار می‌گیرند برای همیشه قفل شده است. مهم نیست که شما یک سیاهچاله از ستاره‌های مرده و گرد و غبار بین ستاره‌ای ایجاد کنید یا یک سیاه‌چاله از گربه‌ها ایجاد کنید. تا زمانی که این دو سیاهچاله چرخش، جرم و بار یکسانی داشته باشند، یکسان خواهند بود.

در فرمول اصلی هاوکینگ از روند تشعشع خود، این تابش هیچ اطلاعاتی را با خود از بین نمی‌برد. اما همزمان با انتشار تشعشع سیاهچاله، آن تبخیر می‌شود و در نهایت به کلی از بین می‌رود – از این رو اصطلاحاً پارادوکس اطلاعات سیاهچاله به وجود می‌آید. اگر دسته‌ای از اطلاعات در سیاه‌چاله سقوط کنند و اطلاعات از بین نرود، پس وقتی سیاه‌چاله از بین می‌رود، تمام اطلاعات به کجا می‌روند؟

به نور نگاه کن

در طی چند دهه گذشته، تلاش‌های زیادی برای حل پارادوکس اطلاعات صورت گرفته است. برخی از این پیشنهادات شامل گسترش دانش ما درباره نسبیت عام است. برخی شامل تلاش برای تطابق نسبیت عام با درک ما از مکانیک کوانتوم است و برخی کاملاً عجیب هستند.

با این وجود، هنوز همه تلاشها برای حل پارادوکس اطلاعات اثبات نشده است. مشاهده مستقیم سیاهچاله‌ها بسیار دشوار است، زیرا معمولاً آنها را فقط هنگام تعامل با محیط اطرافشان (معمولاً  بلعیدن انبوه گاز یا گرد و غبار) یا هنگام ادغام و آزاد شدن امواج گرانشی می‌بینیم.

اما همه اینها در سال 2019 تغییر یافت، زمانی که یک شبکه جهانی تلسکوپی معروف به تلسکوپ افق‌رویداد برای ایجاد یک تصویر واحد از M87 *، ابرسیاه‌چاله‌ای پرجرم در مرکز کهکشان دوشیزه، با یکدیگر همکاری کردند.

آن تصویر چشمگیر و دلهره‌آور است. خلا تاریک در مرکز سایه ایجاد شده توسط افق رویداد سیاهچاله است و از نفوذ هرگونه نور پشت سیاهچاله جلوگیری می‌کند و این خلا با یک حلقه شبح نورانی احاطه شده است که توسط پلاسمای بیش از حد گرم شده اطراف سیاهچاله ساطع می‌شود.

حلقه آتش

این تصویر چه چیزی می‌تواند در مورد ماهیت واقعی افق‌های رویداد سیاهچاله به ما بگوید؟

افق رویداد سیاهچاله خود بسیار کوچکتر از سایه آن است. سایه به دلیل خم شدن شدید فضای نزدیک سیاهچاله بسیار بزرگ به نظر می‌رسد و قرار گرفتن در جایی بین آن افق رویداد و لبه سایه ویژگی جالبی است که از خمیدگی شدید فضا نیز حاصل می‌شود: کره فوتونی. کره فوتونی منطقه‌ای نزدیک یک سیاهچاله است که جاذبه آنقدر قوی است که نور می‌تواند به دور سیاهچاله بچرخد.

مدارها در آن منطقه ناپایدار هستند. فوتون‌ها می‌توانند چند بار در اطراف سیاهچاله حلقه بزنند، اما برای همیشه باقی نمی‌مانند. در نهایت، آنها نشت می‌کنند و باعث ایجاد یک حلقه نازک و قابل مشاهده از نور در اطراف سیاهچاله می‌شود.

در نسبیت عام کلاسیک، آن کره فوتونی آنقدر نازک است که به سختی حتی وجود دارد و برای دیدن تصویر M87 * که با تلسکوپ افق‌ رویداد گرفته شده، خیلی ضعیف است.

اکنون، تیمی از محققان خصوصیات کره فوتونی را در نظریه‌هایی بررسی کرده‌اند که برای حل پارادوکس اطلاعات سیاهچاله تلاش می‌کند. آنها دریافتند که برخی از نظریه‌های پیچیده افق رویداد سیاهچاله بر محیط پیرامونی آنها از جمله کره فوتونی تأثیر می‌گذارد. در برخی از این نظریه‌ها، این امکان وجود دارد که کره فوتونی بسیار گسترده‌تر و در نتیجه بسیار روشنتر از ناظران دور باشد.

علی‌رغم تغییر، تفاوت در حوزه‌های فوتونی بین نسبیت کلاسیک و پیش‌بینی‌های این مدل‌های عجیب و غریب هنوز خیلی کم است که با تلسکوپ افق رویداد قابل مشاهده نیست. اما تصویر خارق‌العاده این تلسکوپ آخرین تصویری نخواهد بود که از سیاهچاله گرفته‌ایم. تلاش‌های آینده برای مطالعه M87 * و سایر سیاه‌چاله های بزرگ، تصاویر با وضوح بالاتر ارائه می‌دهد. اگر ما بتوانیم حلقه فوتونی را حل کنیم، مطالعه عرض و روشنایی آن به ما سرنخی از ماهیت افق رویداد و در نهایت نحوه حل پارادوکس اطلاعات سیاهچاله می‌دهد.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

Can we solve the black hole information paradox with ‘photon spheres’?

By Paul Sutter – Astrophysicist 

https://www.livescience.com/black-hole-information-paradox-photon-spheres.html