دانشمند سیاهچاله: به هر کجا که نگاه کنیم باید دونات ببینیم!!

همکاری EHT با استفاده از ردیابی پرتو، تکنیکی که ویژگی‌های سیاهچاله را بر اساس داده‌های جمع‌آوری‌شده با آرایه تلسکوپ رادیویی و پیش‌بینی‌های تئوری نسبیت عام اینشتین، تجسم می‌کند، مجموعه‌ای از تصاویر از Sagittarius A* ایجاد کرد. اعتبار: Chi-kwan Chan.Ben Prather/EHT Theory Group/Chi-Kwan Chan از UArizona

کشف چیزی برای بار دوم معمولا باعث نمی‌شود دانشمندان هیجان‌زده شوند. اما این دقیقاً همان چیزی است که در مورد Sgr A* (تلفظ “sadge-ay-star“)، دومین سیاهچاله‌ای اتفاق افتاد که تصویربرداری شده است.

در سال 2019، تصویر M87*، یک سیاهچاله بسیار پرجرم در کهکشانی در فاصله بیش از 50 میلیون سال نوری از زمین، تقریباً صفحات جلد همه رسانه‌های خبری در سراسر جهان را زیبا کرد. این اولین بار بود که تصویری از یک سیاهچاله گرفته می‌شد. روز پنجشنبه، همکاری تلسکوپ افق رویداد دومین تصویر از چنین جسمی را ارائه کرد – این بار از یک سیاهچاله که در مرکز کهکشان راه شیری ما قرار دارد.

برای ناظر معمولی، دو تصویر از یک حلقه درخشان نارنجی که یک سایه سیاه را احاطه کرده است، تقریباً غیرقابل تشخیص به نظر می‌رسد. با این حال، دقیقاً همین واقعیت است که اخترفیزیکدانان را به هیجان وامی‌دارد.

فریال اوزل، عضو شورای علمی EHT، استاد نجوم و فیزیک، گفت: “کاش می‌توانستم بگویم از  وقتی سه سال پیش که اولین تصویر از یک سیاهچاله را به دست آوردیم، بهتر نشد، اما در واقع بهتر است.” و معاون تحقیقات در رصدخانه استوارد کالج علوم UArizona. ما حلقه‌ای روشن را می‌بینیم که تاریکی کامل را احاطه کرده است (نشانه‌ای از یک سیاه‌چاله). اکنون، می‌توانیم تأیید کنیم که مستقیماً به نقطه‌ای بدون بازگشت نگاه می‌کنیم.»

رابطه عاشقانه سیاهچاله

اوزل گفت که 20 سال پیش عاشق Sgr A* شده است. او در آن زمان دانشجوی کارشناسی ارشد بود و روی پایان نامه خود در دانشگاه هاروارد کار می‌کرد، زمانی که تصمیم گرفت با چالشی مقابله کند که کمتر کسی فکرش را در مورد آن ممکن می‌دانست: او با خود فکر کرد که واقعاً به یک سیاهچاله نگاه کردن به چه چیزی نیاز دارد؟ چه چیزی را خواهیم دید؟ آیا چیزی خواهیم دید؟

تحقیقات او در یک مقاله به اوج رسید که در سال 2000 با دیمیتریوس پسالتیس، استاد نجوم و فیزیک UArizona و محقق اصلی پروژه بین‌المللی سیاه چاله PIRE منتشر شد. در آن مقاله و مقاله بعدی منتشر شده در سال 2001، او M87*، اولین سیاهچاله‌ای را که تا به حال تصویربرداری شده است، و Sgr A* را به عنوان دو سیاهچاله ایده آل شناسایی کرد که حتی شانس بسیار کمی برای گرفتن عکس از خودش داشتند. این امر به زمینه‌ای برای ایجاد رصدخانه‌ای به اندازه زمین کمک کرد که اکنون تلسکوپ افق رویداد است.

 از آنجایی که M87* 1500 برابر جرم بیشتری دارد اما 2000 بار دورتر از Sgr A* است، اندازه این دو در آسمان تقریباً برابر است. اما با وجود این واقعیت که آنها تقریباً یکسان به نظر می‌رسند، آنها موجوداتی کاملاً متفاوت هستند.

M87* دارای جرمی معادل 6 بیلیون برابر خورشید است و اندازه‌ای غول پیکر دارد. کل منظومه شمسی ما در افق رویداد خود قرار می‌گیرد که به عنوان نقطه بدون بازگشت سیاهچاله نیز شناخته می‌شود. Sgr A* که در فاصله 25000 سال نوری از زمین قرار دارد، در مقایسه بسیار ضعیف است. با جرم “تنها” 4 میلیون خورشیدی، به اندازه کافی کوچک است که در مدار عطارد، نزدیکترین سیاره به خورشید قرار بگیرد. اگر دو سیاهچاله برای عکسبرداری در یک ردیف قرار می‌گرفتند، M87* کادر را پر می کرد، در حالی که Sgr A* به طور کامل ناپدید می‌شد و در حالی که M87* به شدت مواد اطراف را می بلعد، شاید کل ستارگان، و فواره‌ای از ذرات پرانرژی را پرتاب می‌کند که در سراسر کهکشان خود می‌سوزد، اشتهای Sgr A* در مقایسه بسیار کم است. به گفته محققان، اگر یک فرد بود، هر میلیون سال معادل یک دانه برنج مصرف می‌کرد.

پسالتیس گفت یکی از اساسی‌ترین پیش‌بینی‌های نظریه گرانش اینشتین این است که تصویر سیاهچاله فقط با جرم آن مقیاس می‌شود. یک سیاهچاله 1000 برابر کوچکتر از سیاهچاله، تصویر بسیار مشابهی خواهد داشت که فقط 1000 برابر کوچکتر خواهد بود. پسالتیس توضیح داد که این موضوع برای اشیاء دیگر صادق نیست.

او گفت: «به طور کلی، چیزهای کوچک معمولاً با چیزهای بزرگ تفاوت زیادی دارند و این تصادفی نیست. دلیل خوبی وجود دارد که یک مورچه و یک فیل بسیار متفاوت به نظر می‌رسند، زیرا یکی از آنها جرم بیشتری نسبت به دیگری دارد.

به عبارت دیگر، قوانین مقیاس طبیعت حکم می‌کند که وقتی دو موجودیت دارای اندازه‌های بسیار متفاوت هستند، معمولاً با یکدیگر متفاوت به نظر می‌رسند. در مقابل، سیاهچاله‌ها بدون تغییر در ظاهر خود بزرگ می‌شوند. اگر آنها فیل بودند، چه به اندازه یک فیل معمولی باشند و چه به اندازه یک مورچه، همه شبیه فیل می‌شدند.

پسالتیس توضیح داد که سادگی فاحش آنها چیزی است که دو تصویر سیاهچاله را بسیار مهم می‌کند، زیرا آنها آنچه را تأیید می‌کنند که تاکنون فقط توسط تئوری پیش بینی شده بود: به نظر می‌رسد آنها تنها اجرام موجود هستند که فقط به یک قانون طبیعت پاسخ می‌دهند – گرانش.

پسالتیس گفت: “این واقعیت که نور مانند یک حلقه با سایه سیاه در داخلش به نظر می‌رسد، نشاندهنده گرانش است.” همه اینها توسط نظریه نسبیت عام اینشتین پیش بینی شده است، تنها نظریه‌ای در کیهان که به مقیاس اهمیتی نمی‌دهد.

اگر دانشمندان می‌توانستند از یک سیاهچاله واقعاً کوچک با جرم حدود 10 خورشیدی عکس بگیرند – که ممکن نیست، زیرا حتی EHT به اندازه زمین نیز قدرت تفکیک لازم را ندارد – و آن را با M87* مقایسه کنند که دارای 6 بیلیون بار است. با توجه به گفته پسالتیس، این دو جرمشان به جرم خورشید بسیار شبیه به نظر می‌رسند.

سیاهچاله‌های طلایی

سیاهچاله‌ها چنان اجرام بیگانه‌ای هستند که حتی آلبرت اینشتین هم برای آشتی دادن با وجودشان تلاش کرد. کشش گرانشی آن‌ها به قدری قوی است که حتی نور هم نمی‌تواند از آن فرار کند، بنابراین دیدن آنها با تعریف غیرممکن است. تنها دلیلی که اخترشناسان توانستند این عکس‌ها را بگیرند این است که از تلسکوپ‌های رادیویی استفاده کردند که امواج الکترومغناطیسی ساطع شده از گاز چرخان در اطراف سیاه‌چاله را تشخیص می‌دهد.

اوزل گفت: «اگر شما در فضا بودید و به سیاهچاله نگاه می‌کردید، مطلقاً چیزی نمی‌دیدید. “درخشش در طول‌موج‌هایی است که چشم نمی‌تواند ببیند.”

به همین دلیل است که M87* و Sgr A* به عنوان تنها اهداف امکان‌پذیر برای تلسکوپ افق رویداد در نشریه اوزل و پسالتیس شناسایی شدند که بیش از 20 سال پیش تالیف شد.

اوزل می‌گوید: «می‌توان گفت هر دو طلایی سیاهچاله‌ها هستند. “محیط آنها کاملا مناسب است و به همین دلیل است که ما می‌توانیم آنها را ببینیم.”

از نظر اخترفیزیکدانانی مانند اوزل و پسالتیس، سیاهچاله‌ها آزمایشگاه‌های طبیعی هستند که به آن‌ها اجازه می‌دهند نسبیت عام را آزمایش کنند و حتی ممکن است آنها را به نظریه‌ای نزدیک‌تر کند که گرانش را با مکانیک کوانتومی یکی می‌کند، نظریه‌ای که تا کنون گریزان مانده است.

اوزل گفت که از زمان آغاز به کار شورای علمی EHT و رهبری گروه مدلسازی و تحلیل را بر عهده داشته است،: «دستیابی به تصویر سفر آسانی نبود. برای تجزیه و تحلیل و تایید تصویر نهایی Sgr A*، یک همکاری سراسری، چندین سال، پتابایت داده و الگوریتم‌های درگیر بیشتر از آنچه که قبلاً به بیشتر تلاش‌های علمی اختصاص داده شده بود، طول کشید.

اوزل گفت که در حرکت رو به جلو، همکاری EHT به طور خاص به چگونگی تغییر سیاهچاله‌ها در طول زمان علاقه‌مند است.

“اگر شما به منبع یک روز در مقابل روز بعد، یا یک سال در مقابل سال بعد نگاه کنید، چگونه تغییر می‌کند و چه مقدار نور در طول‌موج‌های مختلف ساطع می‌کند؟” او گفت. “چه چیزی می‌توانیم در مورد آن پیش بینی کنیم؟ و چگونه می‌توانیم از مشاهدات خود برای درک محیط آن سیاهچاله استفاده کنیم؟

اوزل گفت: «یکی از نکات کلیدی این تلاش مشترک، آزمایش نسبیت عام و یافتن حد و مرز آن است، اگر وجود دارد.»

ترجمه: سارا سیدحاتمی

Black hole scientist: ‘Wherever we look, we should see donuts’

by Daniel Stolte, University of Arizona MAY 13, 2022

https://phys.org/news/2022-05-black-hole-scientist-donuts.html