افق رویداد سیاه‌ چاله چه ظاهری دارد؟

کمتر از یک ماه پیش، تلسکوپ‌های ویژه‌ای از سرتاسر جهان، به‌طور هم‌زمان اطلاعاتی از سیاه‌چاله کلان ‌جرمی که در مرکز کهکشان راه شیری است به‌دست آوردند. تعداد زیادی سیاه‌چاله در جهان وجود دارند؛ اما یکی از آن‌ها که در مرکز کهکشان راه شیری قرار گرفته است و با نام *Sagittarius A (کمان ای*) شناخته می‌شود، یک نمونه خاص است. از زاویه‌ای که ما نگاه می‌کنیم، افق رویداد سیاه‌چاله کلان جرم مرکز کهکشان راه شیری، احتمالاً بزرگ‌ترین افق رویدادی است که ما توانسته‌ایم شناسایی کنیم. بزرگی افق رویداد سیاه‌چاله *Sagittarius A به اندازه‌ای است که برای تصویربرداری مستقیم، باید تلسکوپ‌های مختلفی در سرتاسر جهان مستقر شوند و به‌صورت هم‌زمان از آن تصویربرداری کنند.

تا کنون ما موفق نشده‌ایم از افق رویداد این سیاه‌چاله تصویری واضح تهیه کنیم؛ اما از آن‌جایی که بررسی و تحلیل داده‌های دریافت شده از سوی تلسکوپ‌ها چندین ماه به طول می‌انجامد، دانشمندان امیدوار هستند که بتوانند پیش از پایان سال ۲۰۱۷، نخستین تصویر واضح و مستقیم از افق رویداد سیاه‌چاله کلان جرم *Sagittarius A را به‌ دست آورند و منتشر کنند.

انتشار نخستین تصویر مستقیم از افق رویداد سیاه‌چاله *Sagittarius A یک اتفاق علمی بسیار بزرگ در قرن ۲۱ و تمام دوران‌ها خواهد بود و دانشمندان برای مشاهده این تصویر، هیجان بسیار زیادی دارند. تا به حال با خود فکر کرده‌اید که افق رویداد چه شکلی دارد؟ این پرسشی است که علاوه بر شما و من، ذهن دَن بارِت را نیز به خود مشغول کرده است. وی همانند ما، تصاویر خیالی بسیار زیادی از افق رویداد سیاه‌چاله مشاهده کرده و سردرگم شده است. وی پرسش خود را این چنین مطرح می‌کند:

آیا افق رویداد همچون سفیده تخم مرغ که اطراف زرده را فرا گرفته، سیاه‌چاله را احاطه کرده است؟ تمام تصاویر خیالی و هنری که از افق رویداد منتشر شده‌اند، سیاه‌چاله را همچون یک تخم مرغ آب پز که از وسط برش خورده است، نشان می‌دهند و گویی سفیده تخم مرغ، همان افق رویداد است و سیاه‌چاله را احاطه کرده است. چگونه دانشمندان می‌گویند افق رویداد این چنین نیست و تمام محیط اطراف سیاه‌چاله را احاطه نکرده است؟

حق با دَن بارِت است. تمام تصاویر خیالی منتشرشده، بر پایه‌ی فرضیات هستند؛ اما شباهت‌هایی نیز با واقعیت دارند. کدام تصویر خیالی منتشرشده از افق رویداد به واقعیت شباهت دارد؟ آیا اصلاً چنین تصویری وجود دارد؟

در گذشته، تصاویر خیالی سیاه‌چاله‌ها شکل متفاوتی داشتند. در آن زمان، سیاه‌چاله را به عنوان یک قرص تاریک فرض می‌کردند که مانع از رسیدن نور پس‌زمینه می‌شود. اگر واقعاً در مورد سیاه‌چاله‌ها تحقیق کنیم، شاید به چیزی مشابه تصورات خیالی گذشته برسیم. سیاه‌چاله یک جرم بسیار عظیم و فشرده است و جرم آن همواره با دریافت جرم پیرامون، افزایش پیدا می‌کند. سیاه‌چاله، در سطح خود سرعت گریزی بسیار بیشتر از سرعت نور دارد. از آن‌جایی که هیچ چیزی، حتی نیروها یا ذراتی که درون سیاه‌چاله هستند، نمی‌توانند با آن سرعت جابه‌جا شوند؛ تمام بخش درونی سیاه‌چاله روی نقطه‌ی تکینگی آن فرو می‌ریزد و افق رویداد در اطراف سیاه‌چاله شکل می‌گیرد. از این ناحیه کروی از فضا، حتی نور توانایی گریز ندارد؛ بنابراین از هر منظری، سیاه‌چاله به‌صورت یک دایره سیاه دیده می‌شود و با جهانی که در پس‌زمینه است، کاملاً در تضاد خواهد بود.

داستان سیاه‌چاله به این‌جا ختم نمی‌شود. به دلیل گرانش فوق‌العاده قدرتمند سیاه‌چاله، نوری که در پس‌زمینه است، خراب یا بزرگنمایی می‌شود و پدیده‌ای به نام عدسی گرانشی به‌وجود می‌آید. این تصوری تقریباً دقیق از یک سیاه‌چاله است؛ همچنین یک سیاه‌چاله دارای افق رویدادی است که اندازه آن متناسب با میزان خمیدگی فضا-زمان درنسبیت عام خواهد بود. متأسفانه این تصورات نیز ناقص هستند و نمی‌توانند توضیحی قابل فهم برای موادی که در پیش‌زمینه هستند یا آن‌هایی که به دور سیاه‌چاله گردش می‌کنند، ارائه دهند؛ اما دیدگاه‌های دیگری وجود دارند که به‌خوبی توانسته‌اند از عهده این کار برآیند.

به دلیل اثرات گرانشی عظیم، سیاه‌چاله‌ها می‌توانند در حضور منابع دیگری از ماده، در اطراف خود قرص برافزایشی شکل دهند. سیارک‌ها، ابرهای گازی یا حتی ستاره‌ها، در حضور نیروهایی کشندی که از سوی اجرام بزرگی نظیر سیاه‌چاله به آن‌ها وارد می‌شود، تکه تکه خواهند شد. به دلیل وجود سرعت زاویه‌ای و همچنین برخوردهایی که بین ذرات مخالف صورت می‌گیرد، در اطراف سیاه‌چاله یک قرص برافزایشی از مواد تشکیل می‌شود که دمای بسیار بالایی دارد و از آن تابش ساطع می‌شود.

در ناحیه‌های درونی قرص برافزایشی، ذرات به درون سیاه‌چاله سقوط می‌کنند و به جرم سیاه‌چاله می‌افزایند؛ اما موادی که در بخش‌های بیرونی‌تر این قرص برافزایشی یا در پیش‌زمینه سیاه‌چاله هستند، همان قسمت مبهم از کره یا دایره سیاه‌چاله را تشکیل می‌دهند. افق رویداد سیاه‌چاله به هیچ عنوان شفاف نیست؛ به عبارت دیگر، شما نمی‌توانید موادی را که پشت آن قرار گرفته‌اند، مشاهده کنید.

شما به احتمال زیاد فیلم معروف Interstellar (میان ستاره‌ای) ساخته کریستوفر نولان را دیده‌اید؛ جالب است بدانید که در این فیلم، دقیق‌ترین تصویر فرضی از سیاه‌چاله ارائه شده است و حتی بسیاری از تصاویر ساختگی حرفه‌ای که توسط دانشمندان و ناسا تهیه شده‌اند نیز نمی‌توانند به‌ خوبی فیلم Interstellar تصویر دقیقی از سیاه‌چاله ارائه دهند؛ اما وقتی صحبت از سیاه‌چاله‌ می‌شود، بسیاری از حرفه‌ای‌ها و دانشمندان نیز نمی‌توانند آن‌ طور که باید، این پدیده را توضیح دهند.

در باور عموم، چند تصور نادرست در مورد سیاه‌چاله‌ها وجود دارند که از افسانه‌های علمی محسوب می‌شوند. به عنوان مثال، سیاه‌چاله‌ها مواد را همچون جاروبرقی به درون خود نمی‌کشند؛ بلکه همانند هر جرم آسمانی دیگری، آن‌ها را به‌سادگی جذب می‌کنند. خرد شدن اجرام دیگر توسط سیاه‌چاله‌ها، به دلیل وجود یک نیروی ناشناخته نیست؛ بلکه این نیروهای کشندی هستند که این کار را انجام می‌دهند. یکی دیگر از موارد مهمی که باید بدانید، این است که سیاه‌چاله‌ها به ندرت در حالت برهنه دیده می‌شوند و معمولاً در میان انبوهی از مواد قرار گرفته‌اند؛ سیاه‌چاله مرکز کهکشان راه شیری به همین شکل است.

با این تفاسیر، آیا تصاویری فرضی که از سیاه‌چاله‌ها منتشر می‌شوند و آن‌ها را همچون تخم مرغ آب پز نشان می‌دهند، همگی از واقعیت به دور هستند؟ به یاد داشته باشید که ما هیچ‌گاه نمی‌توانیم از خود سیاه‌چاله تصویربرداری کنیم؛ زیرا اصلاً هیچ نوری از سیاه‌چاله ساطع نمی‌شود. تنها کاری که ما می‌توانیم انجام بدهیم این است که به یک طول موج خاص بنگریم و ترکیبی از نورهای ساطع‌شده از مواد اطراف سیاه‌چاله را مشاهده کنیم. اگر از این روش استفاده کنیم، احتمالاً همان تخم مرغ آب پز را مشاهده می‌کنیم. این دقیقاً همان روشی است که دانشمندان به‌تازگی از آن استفاده کرده‌اند تا بتوانند از سیاه‌چاله کلان جرم مرکز کهکشان راه شیری تصویربرداری کنند.

ما نمی‌توانیم با استفاده از پرتو ایکس به سیاه‌چاله مرکز کهکشان راه شیری بنگریم؛ زیرا از این سیاه‌چاله، تعداد بسیار اندکی فوتون پرتو ایکس ساطع می‌شود؛ از طرفی وجود فعالیت‌های قدرتمند و غبار در مرکز کهکشان، مشاهده سیاه‌چاله در نور مرئی را غیر ممکن می‌کند. از نور مادون قرمز نیز نمی‌توان برای مشاهده سیاه‌چاله استفاده کرد؛ زیرا اتمسفر زمین مانع از رسیدن مادون قرمز می‌شود.

دانشمندان دریافته‌اند که تنها راه مشاهده سیاه‌چاله کلان جرم مرکز راه شیری، این است که از امواج رادیویی استفاده کنند و این کار را به‌صورت جهانی انجام دهند؛ یعنی با استفاده از رادیو تلسکوپ‌هایی که در نقاط مختلف جهان قرار گرفته‌اند، به‌صورت هم‌زمان از سیاه‌چاله تصویربرداری کنند تا رزولوشن بهینه‌ای که مدنظر است، حاصل شود.

اندازه زاویه‌ای سیاه‌چاله‌ای که در مرکز کهکشان راه شیری قرار دارد، تقریباً ۳۷ میکرو آرک ثانیه‌ است و رزولوشن آرایه تلسکوپی جهانی که برای تصویربرداری مورد استفاده قرار گرفته، حدود ۱۵ میکرو آرک ثانیه است؛ بنابراین ما می‌توانیم سیاه‌چاله مرکز کهکشان را به‌راحتی مشاهده کنیم! در بسامدهای رادیویی، اکثر قریب به اتفاق تابش، از ذرات بارداری که به دور سیاه‌چاله شتاب می‌گیرند ساطع می‌شود. دانشمندان هیچ ایده‌ای در مورد آن‌چه قرار است مشاهده کنند، ندارند و نمی‌دانند دیسک اطراف این سیاه‌چاله چه ظاهری دارد. دانشمندان نمی‌دانند جهت این دیسک چگونه است یا این‌که آیا ممکن است چندین دیسک در اطراف سیاه‌چاله باشند. شاید همچون یک دسته‌ی بزرگ از زنبورها که به دور کندو گردش می‌کنند، این دیسک‌ها نیز به دور سیاه‌چاله شکل گرفته باشند یا این‌که بسیار فشرده و واحد باشند. این نکته را نیز در نظر داشته باشید که ما هنوز نمی‌دانیم قرار است کدام طرف سیاه‌چاله را ببینیم؛ زیرا از جایی که ما به سیاه‌چاله می‌نگیریم، ممکن است که تنها یک طرف آن مشخص باشد.

دانشمندان انتظار دارند آن‌چه در مورد افق رویداد می‌دانند نیز درست باشد؛ به عبارت دیگر، آن‌ها انتظار دارند افق رویداد، اندازه مشخصی داشته باشد و همچون مانعی بر سر راه نور پس‌زمینه قرار بگیرد. دانشمندان انتظار دارند که بتوانند سیگنال‌هایی را از مواد اطراف افق رویداد دریافت کنند؛ اما به دلیل محیط آشفته افق رویداد، این سیگنال‌ها نیز بسیار آشفته خواهند بود. دیسک گردانی که در اطراف سیاه‌چاله گردش می‌کند، تأثیر بسزایی بر آن‌چه قرار است مشاهده کنیم می‌گذارد. یک طرف این دیسک چرخان که به سمت ما چرخش می‌کند، درخشان‌تر از طرف دیگر خواهد بود؛ همچنین بخش بیرونی افق رویداد، به لطف پدیده عدسی گرانشی قابل مشاهده است.

قرار است به هنگام آماده شدن تصویر سیاه‌چاله کلان جرم مرکز کهکشان راه شیری، چند مورد خاص نیز مورد بررسی قرار بگیرند که عبارتند از:

• آیا اندازه این سیاه‌چاله دقیقاً همان مقداری است که در نظریه نسبیت عام پیش‌بینی شده یا خیر.
• آیا افق رویداد همان‌طوری که پیش‌بینی شده، دایره‌ای شکل است یا این‌که فرم کشیده‌ای دارد.
• آیا تابش‌های رادیویی می‌توانند تا جایی که ما فکر می‌کنیم گسترش یابند یا خیر.

به‌طور کلی، این مشاهده قرار است هر آن‌چه تا به امروز درباره سیاه‌چاله‌ها فرض کرده‌ایم، محک بزند. این یک دستاورد بسیار بزرگ در علم فیزیک خواهد بود و قرار است ما بتوانیم یکی از پدیده‌های مهم در جهان را مورد آزمایش قرار دهیم. دانشمندان می‌گویند مهم نیست شکل افق رویدادی که مشاهده می‌شود با دیدگاه آنان تفاوت داشته باشد؛ بلکه مهم این است که ما ملزم به یادگیری چیزهای جدید در مورد برخی از مهم‌ترین پدیده‌های عالم هستیم.

شما در مورد افق رویداد چه فکر می‌کنید؟ آیا از شکل ظاهری دقیق آن اطلاع دارید؟