آیا امکان مشاهده افق رویداد سیاه چاله ها میسر خواهد شد؟

از زمانی که جان میشل در نامه‌ای به انجمن سلطنتی در سال ۱۷۸۳ برای اولین بار به وجود پدیده‌ای تحت عنوان سیاه‌چاله‌ اشاره کرد، این پدیده‌های شگرف همواره تخیل و تجسم دانشمندان، نویسندگان، فیلم‌سازان و هنرمندان دیگر را با خودشان درگیر کرده‌اند.

شاید بخشی از جذابیت این پدیده‌های کیهانی در این باشد که اجرام شگفت‌انگیز و رازآلودی که از آن صحبت می‌کنیم، هیچ‌گاه به معنای واقعی کلمه «دیده» نشده‌اند. اما به نظر می‌رسد روال فوق در حال حاضر می‌تواند تغییر کند. به‌تازگی یک تیم بین‌المللی از اخترشناسان در حال تلاش برای اتصال تعدادی از تلسکوپ‌های مستقر روی زمین با همدیگر است؛ به امید اینکه بتواند با کمک آن‌ها، نخستین تصویر را از یک سیاه‌چاله ثبت کند.

سیاه‌چاله‌ها مناطقی از فضا هستند که در آن‌ها کشش گرانشی به‌اندازه‌ای قوی است که هیچ چیز (حتی نور) نمی‌تواند از آن فرار کند. وجود سیاه‌چاله‌ از نقطه‌نظر ریاضی توسط کارل شوارتزشیلد در سال ۱۹۱۵ به‌عنوان یک راه حل برای معادلات مطرح‌شده در تئوری نسبیت عام آلبرت انیشتین پیش‌بینی شده بود.

ستاره‌شناسان برای چندین دهه، شواهدی در اختیار دارند که نشان می‌دهد سیاه‌چاله‌های فوق سنگین در بخش‌های مرکزی کهکشان‌ها واقع شده‌اند و جرم آن‌ها دارای مقادیر بسیار بالایی است. در اینجا منظورمان از مقادیر بسیار بالا، جرم‌هایی به میزان یک میلیون تا یک میلیارد برابر جرم خورشید است.

دانشمندان می‌توانند وجود این سیاه‌چاله‌ها را از کشش گرانشی اعمال‌شده از سوی آن‌ها بر ستاره‌هایی تشخیص دهند که به دور مرکز کهکشان گردش می‌کنند. سیاه‌چاله‌های هنگامی که با مواد کهکشانی اطراف خود احاطه می‌شوند، به‌طور متقابل گازهای قابل تشخیص یا جت‌های پلاسمایی را با سرعتی نزدیک به سرعت نور به سمت بیرون ساطع می‌کنند.

سال گذشته، آزمایش لیگو (LIGO) حتی دلایل مستدل بیشتری برای اثبات وجود سیاه‌چاله‌ها با تشخیص امواج  گرانشی در فضا-زمان ناشی از یکپارچه شدن دو سیاه‌چاله‌ی متوسط در میلیون‌ها سال پیش، در اختیار دانشمندان گذاشت.

اما درحالی‌که ما اکنون می‌دانیم سیاه‌چاله‌ها قطعا وجود دارند؛ ولی سؤال‌های مطرح‌شده در مورد سرچشمه‌ی شکل‌گیری آن‌ها و همچنین تکامل و تأثیر آن‌ها در جهان، در خط مقدم پرسش‌هایی از دنیای نجوم مدرن باقی مانده‌اند که دانشمندان باید برای یافتن پاسخ آن‌ها تلاش کنند.

 شناسایی یک نقطه ریز در آسمان

در روزهای ۵ تا ۱۴ آوریل سال ۲۰۱۷، تیم دست‌اندرکار پژوهش‌های تلسکوپ افق رویداد (Event Horizon Telescope) امیدوارند بتوانند نظریه‌های بنیادی فیزیک مربوط به سیاه‌چاله‌ها را مورد آزمایش قرار دهند. آن‌ها برای رسیدن به این هدف، تلاش خود را بر گرفتن اولین تصویر (تا به امروز) از افق رویداد یک سیاه‌چاله منعطف خواهند کرد. باید اشاره کنیم که افق رویداد یک سیاه‌چاله به نقطه‌ای گفته می‌شود که پس از آن هیچ چیزی (حتی نور) نمی‌تواند از کشش گرانشی سیاه‌چاله فرار کند.

دانشمندان با اتصال یک آرایه‌ی جهانی از تلسکوپ‌های رادیویی با هم به‌منظور ایجاد تلسکوپ معادل غول‌پیکری به اندازه‌ی زمین، توجه و مشاهدات خود را‌ به قلب کهکشان راه شیری معطوف خواهند کرد؛ جایی که در آن یک سیاه‌چاله به جرم ۴ میلیون برابر جرم خورشید و یک منبع بسیار قوی از امواج رادیویی موسوم به کمان ای * یا *Sagittarius Aکمین کرده است. در واقع اگر بخواهیم توضیحی به این قسمت اضافه کنیم، باید بگوییم که به گمان دانشمندان، کمان یادشده یک سیاه‌چاله‌ی ثقیل است. دانشمندان در پژوهش‌های خود از روشی موسوم به برهم‌نهی پایه‌ای بسیار طولانی (Very Long Baseline Interferometry) و ترکیب روزنه‌ی زمینی (Earth-aperture synthesis) استفاده خواهند کرد.

ستاره‌شناسان به‌طور قطع به این امر پی برده‌اند که یک حلقه‌ی دیسک مانند از گاز و غبار در حال چرخش، اطراف سیاه‌چاله را احاطه کرده است. مسیری که نور از میان این مواد طی می‌کند، در میدان گرانشی سیاه‌چاله دستخوش تغییر می‌شود.

علاوه بر مسیر نور، انتظار می‌رود میزان روشنایی و رنگ آن نیز به‌طوری قابل پیش‌بینی دگرگون شود. ستاره‌شناسان امیدوارند با استفاده از تلسکوپ افق رویداد به‌جای یک دیسک، یک لایه‌ی هلال شکل روشن را مشاهده کنند.

علاوه بر این، آن‌ها حتی ممکن است بتوانند سایه‌ی افق رویداد سیاه‌چاله را در برابر پس‌زمینه‌ی این مواد در حال چرخش و درخشان ببینند. آرایه‌ی یادشده از تلسکوپ‌های به‌کاررفته در این پژوهش بزرگ از به هم پیوستن برخی تلسکوپ‌های منفرد به همراه برخی از دسته‌های تلسکوپی در نقاط مختلف کره‌ی زمین از جمله در قطب جنوب، شیلی، هاوایی، اسپانیا، مکزیک و آریزونا تشکیل شده است.

تلسکوپی مجازی همانند این، برای سال‌های زیادی در حال توسعه بوده و تکنولوژی به‌کاررفته در آن‌ نیز مورد آزمایش قرار گرفته است. با این حال، این آزمایش‌ها در وهله‌ی نخست وجود برخی از حساسیت‌های محدود و میزانی از وضوح زاویه‌ای را نشان دادند که دارای کارآمدی کافی برای انجام بررسی در مقیاس‌های مورد نیاز برای رسیدن به سیاه‌چاله نبودند.

اما با اضافه شدن گروهی از تلسکوپ‌های جدید به این مجموعه با ضریب حساسیت بالاتر، از جمله آرایه‌ی تلسکوپ‌های بزرگ میلی‌متر آتاکاما در شیلی و تلسکوپ قطب جنوب؛ ما شاهد افزایش توان نهایی مجموعه برای به انجام رساندن این پژوهش خواهیم بود.

اگر بخواهیم افزایش دقت به‌دست‌آمده با این تغییرات را در قالب یک مثال بیان کنیم، می‌توانیم آن را به افزایش دید انسان پس از زدن عینک و تفکیک دقیق دو چراغ جلوی یک خودروی در حال حرکت به سمتتان در تاریکی تشبیه کنیم؛ در حالی که بدون آن عینک تنها قادر به تشخیص یک دسته‌ی واحد از پرتوهای نور بودیم.

سیاه‌چاله در واقع به‌صورت یک منبع متراکم در آسمان است و راه مشاهده‌ی آن در طول‌موج‌های نوری (نوری که ما می‌توانیم ببینیم) به‌طور کامل با مقادیر زیادی از گردوغبار و گاز مسدود شده است.

با این حال، تلسکوپ‌هایی با وضوح کافی و عملکرد در طول‌موج‌های رادیویی میلی‌متری طولانی‌تر، می‌تواند از میان این مه کیهانی نیز ما را قادر به مشاهده‌ی سیاه‌چاله کند.

رزولوشن هر نوع تلسکوپی به بهترین میزان جزئیاتی اطلاق می‌شود که تلسکوپ می‌تواند تشخیص و اندازه‌گیری کند. این رزولوشن معمولا به‌صورت یک زاویه‌ی کوچک مربوط به نسبت اندازه‌ی یک جسم به فاصله آن بیان می‌شود.

اندازه زاویه‌ای ماه به آن شکلی که از زمین دیده می‌شود، حدود نیم درجه یا ۱۸۰۰ ثانیه قوسی است. برای هر تلسکوپی، هر قدر که دیافراگم آن بزرگ‌تر باشد، به همان میزان توانایی آن برای پوشش جزییات ریزتر افزایش خواهد یافت. میزان رزولوشن یک تلسکوپ رادیویی (به‌طور معمول با دیافراگم ۱۰۰ متر) تقریبا حدود ۶۰ ثانیه قوسی است. این مقدار با میزان وضوح چشم غیرمسلح انسان قابل مقایسه است و در حدود یک‌شصتم مقدار قطر ظاهری ماه کامل است.

اما با اتصال شمار زیادی از تلسکوپ‌ها، تلسکوپ افق رویداد قادر خواهد بود به میزان رزولوشن ۱۵ تا ۲۰ میکروثانیه قوسی برسد و اگر بخواهیم به‌طور متناظر برای آن مثالی بیاوریم، می‌توان به توانایی آن در رصد یک دانه‌ی انگور در مسافت کره‌ی ماه اشاره کرد.

 چه موانعی در مسیر پژوهش قرار دارند؟

اگر چه فرایند به هم پیوستن بسیاری از تلسکوپ‌ها به این روش به‌خوبی شناخته شده است؛ ولی به هر حال چالش‌های خاصی نیز پیش روی تلسکوپ افق رویداد وجود خواهد داشت.

داده‌های ثبت‌شده در هر یک از ایستگاه‌های مستقر در سراسر شبکه به‌سوی یک مرکز پردازش مرکزی روانه خواهند شد و در آنجا یک ابررایانه به‌دقت به ترکیب تمام داده‌های دریافتی خواهد پرداخت. آب‌وهوای مختلف، شرایط جوی و موقعیت‌های تلسکوپ در هر پایگاه نیازمند کالیبراسیون دقیق داده‌ها خواهد بود؛ به‌طوری که دانشمندان بتوانند مطمئن باشند که هیچ‌کدام از ویژگی‌هایی که آن‌ها در تصاویر نهایی مشاهده می‌کنند، حاصل تداخل عوامل ناخواسته نیست.

اگر چنین فرایندی به‌خوبی کار کند، در آن صورت تصویربرداری از مواد داخل منطقه‌ی سیاهچاله با رزولوشن‌های زاویه‌ای قابل مقایسه با افق رویداد آن‌ها، می‌تواند آغازگر دوران جدیدی از مطالعات در مورد سیاهچاله‌ها باشد و به تعدادی از پرسش‌های بزرگ ما در این زمینه پاسخ دهد. شاید اصلی‌ترین پرسش ما در حال حاضر این باشد که آیا پدیده‌ای به اسم افق رویداد در دنیای واقعی برای سیاه‌چاله‌ها وجود دارد؟

آیا نظریه‌ی اینشتین در این بخشِ مملو از جاذبه‌ی شدید به‌خوبی برقرار است؟ یا اینکه ما نیاز به یک نظریه‌ی جدید برای توصیف گرانش و رفتار آن در مناطق نزدیک به یک سیاهچاله داریم؟ شاید بتوان این را هم پرسید که سیاه‌چاله‌ها از چه موادی پر شده‌اند و مواد آن‌ها به چه طریقی از آن خارج می‌شوند.

حتی ممکن است ما موفق به ایجاد تصویر سیاه‌چاله‌های واقع در مرکز کهکشان‌های نزدیک شویم؛ مانند کهکشان عظیم بیضوی نهفته در قلب خوشه‌ی کهکشانی محلی خودمان.

در نهایت، ترکیبی از نظریه‌ی ریاضی و بینش عمیق فیزیکی در کنار همکاری‌های علمی بین‌المللی و پیشرفت‌های قابل توجه به‌دست‌آمده در سطح جهانی، همگی در حال پیش بردن مرزهای فیزیک تجربی و بینش مهندسی هستند تا ما با استفاده‌ از همه‌ی این‌ها بتوانیم ماهیت فضازمان را آشکار کنیم و ویژگی‌های شاخص علم در اوایل قرن بیست و یکم را تعیین کنیم.

در تهیه‌ی این گزارش از گفته‌های کارول ماندل، رئیس گروه فیزیک دانشگاه بث استفاده شده است.