نگاهی دقیق به نقطه‌ بی‌بازگشت سیاهچاله‌ بزرگ مرکز کهکشان راه شیری

بر اساس جدیدترین مشاهدات ستاره‌شناسان از سیاهچاله‌ی عظیم مرکز کهکشان راه شیری، این سیاهچاله حباب‌های گاز داغ را با سی درصد سرعت نور به داخل می‌مکد. این سرعت شگفت‌انگیز ۳۲۳ میلیون کیلومتر بر ساعت، برای سه انفجار قدرتمند تشعشعات ابری کافی است. پژوهشگرها با یک آرایه‌ی تلسکوپی عظیم در شیلی موفق به رصد زبانه‌هایی در مرکز کهکشان شده‌اند.

به‌گفته‌‌ی دانشمندان مرتبط با ساگیتاریوس *A که به سیاهچاله‌ی غول‌آسا هم معروف است، در این رصد نزدیک‌ترین نقطه به لبه‌ی سیاهچاله بررسی خواهد شد و از همین رو، در نوع خود یک پژوهش شگفت‌انگیز است. نقطه‌ی بی‌بازگشت یا افق رویداد سیاهچاله، نقطه‌ای است که نور هم نمی‌تواند از جاذبه‌ی آن فرار کند؛ اما اگر ماده‌ای بسیار به آن نزدیک شود وارد مارپیچ مرگبار و غیرقابل گریز خواهد شد.

یک گروه پژوهشی بررسی‌های مرتبط به این سیاهچاله را در مجله‌ی Astronomy & Astrophysic منتشر کرده است. ژوزفین پیترز اخترفیزیک‌دان دانشگاه آکسفورد (که البته در این بررسی نقش نداشته است) می‌گوید:

ستاره‌شناسان موفق به رصد ماده در نزدیک‌ترین فاصله‌ی سیاهچاله شدند، نزدیک‌ترین نقطه‌ای که ماده توسط سیاهچاله بلعیده نشده است. اگرچه ساگیتاریوس *A نزدیک‌ترین سیاهچاله‌ی عظیم به ما است؛ اما هنوز هم رازهای آشکارنشده‌ی زیادی در خود دارد. این تازه شروع درک ما از این غول نزدیک است.

دیدن غول راه شیری با چشم

ساگیتاریوس *A سیاهچاله‌ای با ابعاد ۴.۱ میلیون برابر جرم خورشید یا ۱.۳ تریلیون برابر جرم زمین است. اما از آنجا که این سیاهچاله ۲۵ هزار سال نوری از زمین فاصله دارد، اثبات دو مسئله در مورد آن دشوار است:

این سیاهچاله تقریبا نامرئی است: جاذبه‌ی سیاهچاله‌ها به‌قدری قوی است که حتی نور هم نمی‌تواند از افق رویداد آن‌ها بگریزد، در این نقطه است که محاسبات آلبرت اینشتین کنار می‌رود و محاسبات استیون هاوکینگ آغاز می‌شود.

بااین‌حال دستیابی به اطلاعات بیشتر درمورد ساگیتاریوس *A به چند دلیل مفید است. در مقیاس‌های بزرگ، این بررسی‌ها پنجره‌ای به سمت تاریخ و تکامل کهکشان راه شیری باز می‌کنند، کهکشان راه‌شیری صدها میلیارد سال روی بازوهای مارپیچی خود حول سیاهچاله‌ی عظیم در مرکز چرخیده است.

تکامل کهکشانی به ظهور منظومه‌ی شمسی و خود حیات هم گره خورده است. (سیاهچاله‌های عظیمی در مرکز صدهای میلیارد کهکشان دیگر در جهان مرئی وجود دارند که ممکن است بعضی از آن‌ها میزبان موجودات زنده باشند). یک ویژگی عجیب دیگر در بررسی نزدیک‌ترین سیاهچاله‌ی غول‌آسا، مجموعه‌ی قوانین فیزیک کیهانی است.

این سیاهچاله‌ی سنگین با سرعت بالایی در حال چرخش است؛ به‌طوری‌که باعث انحراف چشمگیر فضازمان شده و سرعت اشیا را به ‌سرعت نسبیت یا سرعت نور می‌رساند. مشاهده‌ی آن حتی از فاصله‌ی هزاران سال نوری مانند این است که در جایگاه ردیف اول جدیدترین دانش انسانی قرار بگیرید.

به‌همین دلیل از واسطه‌‌ای به نام Gravity برای بررسی ساگیتاریوس *A استفاده شده است. Gravity نور چهار تلسکوپ هر کدام با قطر ۹ متر را در یک آرایه‌ی VLT در شیلی ترکیب کرده است. این آرایه توسط مؤسسه‌ی آزمایشگاه جنوب اروپا یا ESO پیاده‌سازی شده است.

Gravity به‌عنوان یک واسطه‌ی فوق دقیق به پژوهشگرها اجازه می‌دهد اطلاعات بیشتری را درمورد نورها استخراج کند و آرایه را به یک تلسکوپ مجازی بسیار قدرتمند با قطر ۳۹ متر تبدیل می‌کند. قدرت بالای این واسطه امکان بررسی صفحه‌ی گاز و غبار در حال سقوط به ساگیتاریوس *A را فراهم کرده است. به این صفحه قرص برافزایشی هم گفته می‌شود. عرض این قرض تقریبا ۱۶۰ میلیون کیلومتر است و کمی از فاصله‌ی زمین تا خورشید بیشتر است.

واسطه‌ی Gravity در بررسی مادون‌قرمز زبانه‌ها به کمک ستاره‌شناسان آمد. بیش از ۱۰ سال است که ستاره‌شناسان به بررسی این زبانه‌ها می‌پردازند. با این تفاوت که این بار با قدرت بالاتر به بررسی داخلی‌ترین لبه‌ی دیسک یا قرص برافزایشی می‌پردازند.

Gravity در طول رصدهای شبانه‌ی ۲۷ مه، ۲۲ جولای و ۲۸ جولای، سه زبانه را یکی پس از دیگری بر اساس الگوی عقربه‌های ساعت مشاهده کرد. بر اساس داده‌ها زبانه‌ها از یک حباب گازی داغ دور سیاهچاله سرچشمه می‌گیرند. پیتر می‌گوید:

هر چقدر که ابر گازی به سیاهچاله نزدیک‌تر می‌شود، سرعت و دمای آن هم بالاتر می‌رود. با افزایش سرعت و دما درخشش آن هم بالا می‌رود. در نهایت ابر گازی به اندازه‌ای به سیاهچاله نزدیک می‌شود که جاذبه‌ی سیاهچاله آن را به یک کمان باریک تبدیل می‌کند.

این اتفاق خارج از افق رویداد رخ می‌دهد؛ یعنی در بخشی که ستاره‌شناسان آن را نقطه‌ی فیزیکی بی‌بازگشت یا داخلی‌ترین نوار مدور ثابت (ISCO) می‌نامند، منطقه‌ای که هرگز قبلا مشاهده نشده است.

با نزدیک‌ شدن ابر گازی به ISCO شانس آن برای فرار کمتر می‌شود. جاذبه‌ی سیاهچاله سرعت حباب ماده را بالا می‌برد، انرژی آن‌ را افزایش می‌دهد و طبق تعریف اینشتین، نیروی جاذبه‌ی آن را قوی‌تر می‌کند. این پدیده در ادامه آن را به‌طور سریع‌تری به سمت سیاهچاله می‌کشاند و بر اساس فیزیک نسبیت، یک حلقه‌ی بازخوردی ایجاد می‌کند؛ حلقه‌ای که در نهایت به نابودی منتهی می‌شود.

لبه‌ی سیاهچاله‌ی عظیم چگونه است؟

این رویداد در تصویر ثبت‌شده از ESO (تصویر ۱) نمایش داده شده است. اگرچه، این تصویر تنها یک شبیه‌سازی بصری از داده‌های Gravity و تلسکوپ‌های دیگر است.

به‌عقیده‌ی پژوهشگران، رنگ نارنجی، حباب گازی بسیار داغ یا پلاسما را نشان می‌دهد. این در حالی است که رنگ آبی نشان‌دهنده‌ی تشعشعاتی از ماده‌ است که گاهی به‌صورت زبانه در می‌آیند. این تصویر خمیدگی و انحراف نور را هم نشان می‌دهد که بر اثر انحراف فضازمان سیاهچاله با جرم متمرکز آن به‌وجود آمده است. به این پدیدههمگرایی گرانشی گفته می‌شود.

_{تصویر متحرک ESO از ابر گازی و زبانه‌ها}

زبانه‌ها با نور مادون قرمز که خارج از محدوده‌ی بینایی انسان است، از زمین رصد شدند؛ اما تشعشعات زبانه‌ای تنها از نوع مادون قرمز نبودند. به‌گفته‌ی تانا ژوزف اخترفیزیک‌دان دانشگاه منچستر (که در این پژوهش نقشی ندارد):

اگر برای رصد این زبانه‌ها به سیاهچاله نزدیک شوید، قطعا دچار مشکل خواهید شد. ما موفق به مشاهده‌ی نور مرئی و تشعشعات پرانرژی مثل گاما و ایکس شدیم که آسیب زیادی به بدن می‌زنند. ما تشعشعات پرانرژی مثل اشعه‌ی گاما و اشعه‌ی ایکس را مشاهده کردیم که آسیب زیادی به بدن می‌زنند.

پیتر می‌گوید زبانه‌های ساگیتاریوس *A قبلا هم مشاهده شده‌اند؛ اما مشاهدات جدید آشکار می‌کند که این زبانه‌ها نشان‌دهنده‌ی لبه‌ی سیاهچاله هستند. مقایسه‌ی نتایج قبلی با نتایج جدید مثل مقایسه‌ی کیفیت تلویزیون‌های قدیمی در مقابل تلویزیون‌های مسطح باکیفیت امروزی است.

لنز فضا زمانی درخشان؟

اما چرا این زبانه‌ها هنوز هم به‌صورت یک راز حل‌نشده باقی مانده‌اند. بر اساس یک نظریه، نیروهای شدید اطراف سیاهچاله (به‌ویژه میدان‌های مغناطیسی شدید) سرعت پلاسمای داغ را افزایش می‌دهند و انرژی خود را به شکل زبانه‌ها آزاد می‌کند. به‌گفته‌ی میستی بنتز، اخترفیزیک‌دان دانشگاه ایالتی جورجیا (که در این بررسی نقشی ندارد):

زبانه‌های پلاسما به میدان‌های مغناطیسی از جمله خورشید ربط دارند؛ اما هنوز درک دقیقی از علت دقیق این زبانه‌ها نداریم.

اما اینجا یک دلیل عجیب‌تر وجود دارد: انحراف‌های عظیم در فضا زمان بر اثر چرخش سیاهچاله با کسری از سرعت نور به‌وجود می‌آیند. چنین انحراف‌هایی می‌توانند انرژی حباب‌های چرخان پلاسمای داغ را به یک باریکه تبدیل کنند. روشنایی این باریکه از طریق تلسکوپ‌های زمینی قابل مشاهده است. به‌گفته‌ی اوری برودریک، اخترفیزیک‌دان مؤسسه‌ی فیزیک نظری پریمیتر و دانشگاه واترلو، سیاهچاله مثل یک فانوس دریایی است که به سمت ما سوسو می‌زند.

به نقل از ESO، زبانه‌ها ثابت می‌کنند شیئی که در مرکز کهکشان وجود دارد (همان طور که قبلا هم فرض شده است) یک سیاهچاله‌ی عظیم است. البته این ادعا به نظر نامعقول می‌رسد؛ زیرا اثبات مستقیم یک سیاهچاله بدون دیدن یا حتی شنیدن صدای برخورد آن غیرممکن است. بنتز می‌گوید:

شاید بعضی‌ها بر این باور باشند که هرگز نمی‌توان وجود یک شیء نامرئی مثل سیاهچاله را اثبات کرد؛ اما بر اساس بررسی‌های Gravity وجود یک جرم فشرده با جرم ۴ میلیون برابر خورشید در مرکز کهکشان این ادعا را ثابت می‌کند.

بنتز مشتاق است از پیشگویی زبانه‌ها باخبر شود. او مدار مدور حباب پلاسما را هم غیرمعمول توصیف می‌کند. این مشاهدات نشان می‌دهند محور چرخشی ساگیتاریوس *A مانند یک قله‌ی چرخان واژگون چند میلیون سال قبل با کهکشان راه شیری هم‌تراز شده‌اند اما به شکل اسرارآمیزی به سمت زمین قرار گرفته است.