هر آنچه لازم است درباره اولين تصوير از سياه چاله بدانيد
چهارشنبه ۲۱ فروردين، روز بزرگي براي دنياي ستاره‌شناسي و اخترفيزيك بود؛ زيرا پس از سال‌ها پژوهش و انديشه متخصصينيه‌پردازي، سرانجام اولين تصوير از يك سياهچاله در مركز كهكشان M87، منتشر شد. تلسكوپ ايونت هرايزن (EHT) كه متشكل از شبكه‌اي از تلسكوپ‌هاي سراسر دنيا است، موفق به ثبت اين عكس شد. كهكشان M87 در فاصله‌ي ۵۵ ميليون سال نوري از زمين قرار گرفته و جرم آن نزديك به هفت ميليارد برابر جرم خورشيد است. در اين مقاله به سؤالات متداول و هرآنچه لازم است درباره‌ي نخستين تصوير منتشرشده از سياه چاله بدانيد، پاسخ داده خواهد شد.
چرا رصد سياه‌چاله‌ها دشوار است؟
سياه‌چاله‌ها، سياه هستند. علت ديدن ستاره‌ها و اجرام مشابه، نوري است كه از آن‌ها ساطع مي‌شود و به تلسكوپ‌ها مي‌رسد (به‌صورت مستقيم به چشم انسان مي‌رسد)؛ اما سياه‌چاله‌ها اجرام سياهي هستند كه هيچ نور مرئي را از خود ساطع نمي‌كنند بنابراين نمي‌توان آن‌ها را به‌صورت مستقيم رصد كرد؛ اما اين تنها اشكال بزرگ سياهچاله نيست.
تصوير سياهچاله در كهكشان M87 كه توسط رصدخانه‌ي اشعه‌ي ايكس چاندراي ناسا تهيه شده است
اگر سياه‌چاله‌اي در منظومه‌ي شمسي وجود داشت به‌راحتي مي‌توانستيد آن را ببينيد. همچنين مي‌توانستيد خميدگي فضا و مواد اطراف آن را احساس كنيد. در فيلم ميان‌ستاره‌اي ساخت كريستوفر نولان، تصويري تقريبا علمي از سياهچاله نشان داده شده است. اخترفيزيكداني به نام كيپ تورن به مدل‌سازي سياهچاله در اين فيلم كمك كرد.
براي نمايش بصري اجرام آسماني، نه‌تنها بايد اندازه‌ي آن‌ها را در انديشه متخصصين گرفت، بلكه بايد به فاصله‌ي آن‌ها نيز دقت كرد. به‌طور دقيق‌تر منظور از اندازه در اينجا، اندازه‌ي زاويه‌اي است.
اندازه‌ي زاويه‌اي براساس آرك دقيقه يا آرك ثانيه (acrminute و arcseconds) اندازه‌گيري مي‌شود از اين واحدها براي نمايش زاويه‌هاي روي يك كره استفاده مي‌شود. يك Arcsecond يا آرك ثانيه برابر با ۱/۳۶۰ ام درجه است. ستاره‌شناس‌ها از اين واحدها براي محاسبه‌ي مسافت بين اجرام يا محاسبه‌ي بزرگ‌نمايي‌هاي مختلف استفاده مي‌كنند. به زبان ساده‌تر اگر بتوانيد يك دور كامل سر خود را بچرخانيد، اندازه‌ي زاويه‌اي ۳۶۰ درجه‌اي را خواهيد داشت.
اندازه‌ي زاويه‌اي به اندازه‌ي واضح يك جرم از ديد ناظر زميني گفته مي‌شود. براي مثال اندازه‌ي زاويه‌اي ماه ۳۰ arcminute است. اندازه‌ي زاويه‌اي يك جرم براساس اندازه‌ي واقعي و فاصله‌ي آن از ناظر محاسبه مي‌شود. براي جرمي به اندازه‌ي ثابت، هرچقدر فاصله بيشتر باشد، اندازه‌ي زاويه‌اي كوچك‌تر است. براي اجرام در فاصله‌ي ثابت، هرچقدر اندازه‌ي واقعي جرم بزرگ‌تر باشد، اندازه‌ي زاويه‌اي آن بيشتر خواهد بود.
سياه‌چاله‌ي مذكور، ۵۵ ميليون سال نوري از زمين فاصله دارد به اين معني كه نور پس از ۵۵ ميليون سال به زمين رسيده است (با سرعت سيصدهزاركيلومتر بر ثانيه). فاصله‌ي بسيار زيادي است، اما آنچه در اينجا براي رصد سياهچاله مطرح مي‌شود، اندازه‌ي زاويه‌اي آن است. اندازه‌ي زاويه‌اي سياهچاله تقريبا ۴۰ ميكرو آرك ثانيه (microarcsecond) است.
اما microarcsecond چيست؟ به زبان ساده مي‌توان گفت، دايره‌ي درجه‌بندي شده است. هر درجه را مي‌توان به ۶۰ آرك دقيقه و هر دقيقه را به ۶۰ آرك ثانيه تقسيم كرد. درصورتي‌كه آرك ثانيه به يك‌ميليون بخش تقسيم شود مي‌توان به ميكرو آرك ثانيه رسيد. براي مثال اندازه‌ي زاويه‌اي ماه، ۰/۵ درجه است (از ديد ناظر زميني). اين يعني اندازه‌ي زاويه‌اي ماه، ۴۵ ميليون برابر بيشتر از اندازه‌ي سياهچاله است.
اما از سوي ديگر به‌دليل انكسار نمي‌توان اجرام به اين كوچكي (ازانديشه متخصصين اندازه‌ي زاويه‌اي) را ديد. نور با گذشت از دروازه‌اي مثل تلسكوپ يا مردمك چشم، مي‌شكند. نور به‌گونه‌اي خم مي‌شود كه با ساير نورهاي عبوري از يك دروازه‌ي مشخص (تلسكوپ، مردمك چشم) تداخل پيدا مي‌كند. براي مثال چشم انسان تنها مي‌تواند اجرامي با اندازه‌ي زاويه‌ي ۱ آرك دقيقه را تجزيه‌وتحليل كند.
غلبه بر اشكال شكست نور
رصد اجرام با اندازه‌ي زاويه‌اي كوچك دشوار است؛ اما چگونه مي‌توان جرمي به كوچكي سياهچاله را در آسمان شب مشاهده كرد؟ وضوح زاويه‌اي تلسكوپ به دو معيار وابسته است: اندازه‌ي دهانه و طول‌موج نور. استفاده از طول‌موج‌هاي كوتاه‌تر (مثل فرابنفش يا اشعه‌ي ايكس)، وضوح بهتري را مي‌دهد؛ اما در مورد عكس سياهچاله، تلسكوپ از طول‌موج نور در طيف ميلي‌متري استفاده كرده است. اين طول‌موج در مقايسه با نور مرئي بسيار بزرگ است. نور مرئي در طيف ۵۰۰ نانومتر قرار دارد.
اين يعني تنها راه‌حل اشكال انكسار، استفاده از تلسكوپ بزرگ‌تر است. ازاين‌رو EHT گزينه‌ي مناسبي براي ثبت اين عكس بود. براي اين كار، تلسكوپي به اندازه‌ي كره‌ي زمين لازم است كه در عمل غيرممكن است؛ اما با دريافت داده از تلسكوپ‌هاي راديويي متعدد در بخش‌هاي مختلف دنيا و تركيب آن‌ها در تلسكوپ غول‌آسايي مثل EHT مي‌توان به نتيجه رسيد. البته در اين روش هم اشكالاتي وجود دارد. گروه EHT از روش‌هاي تحليلي براي دستيابي به دقيق‌ترين تصوير از داده‌هاي جمع‌آوري شده استفاده كرده است.
آيا اين تصوير از سياهچاله واقعي است؟
اگر با تلسكوپ به مشتري نگاه كنيد، تصويري واقعي از مشتري را خواهيد ديد. نور خورشيد به سطح مشتري برخورد مي‌كند و انعكاس اين نور به تلسكوپ و چشمان شما مي‌رسد.
اما در مورد سياهچاله چنين اتفاقي رخ نمي‌دهد. تصويري كه از سياهچاله مي‌بينيد حتي در طيف مرئي هم قرار ندارد. بلكه تصويري راديويي است كه با طول‌موج‌هاي نور در يك بخش راديويي ايجاد شده است؛ بنابراين تفاوت بين امواج راديويي و نور مرئي چيست؟ تفاوت آن‌ها در طول‌موج است.
تصوير سياه‌چاله‌ي كهكشان M87، تصويري راديويي است
امواج نور و امواج راديويي هر دو از گروه امواج الكترومغناطيسي هستند. اين امواج، در نتيجه‌ي توزيع يك ميدان الكتريكي متغير در راستاي يك ميدان مغناطيسي متغير به وجود مي‌آيند (به‌صورت هم‌زمان). اين امواج با سرعت نور حركت مي‌كنند. بااين‌حال، ازآنجاكه طول‌موج امواج راديويي و نور مرئي متفاوت است، واكنش آن‌ها با مواد هم متفاوت است. اگر راديوي خانگي خود را روشن كنيد، مي‌توانيد سيگنال ايستگاه راديويي در نزديكي خانه‌ي خود را دريافت كنيد. امواج راديويي از ديوار عبور مي‌كنند اما نور مرئي نمي‌تواند از ديوار عبور كند.
اين مسئله براي تصاوير دريافتي هم صدق مي‌كند. اگر نور مرئي از يك شيء به چشم شما برخورد كند مي‌توانيد آن را ببينيد و از آن عكاسي كنيد. سپس همان تصوير را روي مانيتور كامپيوتر نمايش دهيد. دقيقا اين اتفاق براي تصاوير دريافتي از ماه رخ مي‌دهد.
اما تصوير سياهچاله با نور مرئي ثبت نشده است. بلكه تصويري راديويي است. هر پيكسل موجود روي تصوير، نشان‌دهنده‌ي بخشي از يك طول‌موج راديويي است. وقتي به بخش‌هاي نارنجي تصوير نگاه مي‌كنيد، نمايش رنگي كاذبي از طول‌موج را مي‌بينيد. بنابراين تصوير دريافتي از سياه‌چاله‌ي اخير، يك تصوير عادي نيست كه بتوان با يك تلسكوپ معمولي به آن رسيد؛ اما باز هم قدمي خارق‌العاده در علم نجوم محسوب مي‌شود.
نكات بيشتر
- افق رويداد سياهچاله در نقطه‌ي سياه رنگ قرار گرفته است (طبق عكس). مواد اطراف سياهچاله دور آن مي‌چرخند و درنهايت به داخل آن سقوط مي‌كنند.
- دانشمندان در سال ۲۰۱۷ دو سياه‌چاله‌ي كهكشان راه شيري و كهكشان ام ۸۷ را رصد كردند؛ اما تصويري كه در ابتدا در رسانه‌ها منتشر شد، متعلق به سياه‌چاله‌ي كهكشان عظيم‌تر ام ۸۷ بود. اين بديل است كه آن‌ها تمام تلاش و تمركزشان را به ثبت تصوير سياه‌چاله‌ي ام ۸۷ معطوف كردند؛ زيرا اين سياهچاله بسيار بزرگ‌تر است و اندك وضوح بيشتري دارد. تجميع تمام داده‌ها براي ساخت يك تصوير، فرايند بسيار پيچيده‌اي است، اما درنهايت تصوير سياه‌چاله‌ي راه شيري نيز منتشر شد.
- به‌دليل چرخش، يك سمت تصوير روشن‌تر از بخش ديگر است و درخشان‌تر به‌انديشه متخصصين مي‌رسد.
- تصوير جديد با انديشه متخصصينيه‌ي نسبيت عام اينشتين سازگار است. دانشمندان اميدوار هستند در آينده‌اي نزديك بتوانند افق رويداد را با وضوح بيشتري ثبت كنند. ثبت دقيق افق رويداد به همپوشاني انديشه متخصصينيه‌ي نسبيت و كوانتوم كمك خواهد كرد.
- با توجه به تصوير مي‌توان با اطمينان كامل وجود قرص برافزايشي را تأييد كرد. قرص برافزايشي به توده‌ي موادي گفته مي‌شود كه حول محور سياهچاله مي‌چرخند و به داخل آن كشيده مي‌شوند.
- برخلاف تصور، شايعه‌ي توليد سياه‌چاله‌هاي كوچك در برخورددهنده‌ي هاردوني بزرگ صحت ندارد. انرژي مورد نياز براي ساخت سياهچاله از توان برخورددهنده خارج است.
- با اين تصوير نمي‌توان انديشه متخصصينيه‌ي تابش هاوكينگ را ثابت كرد. براساس اين انديشه متخصصينيه، علت تابش قرص سياهچاله، آثار كوانتومي در نزديكي افق رويداد است. اما اين انديشه متخصصينيه هنوز هم مبناي تئوري دارد و در عمل ثابت نشده است.
هم انديشي ها