بعد از صد سال! سیاهچاله در نگاه بشر!

دهم آوریل سال 2019 دانشمندان پروژه‌‌ی تلسکوپ افق رویداد تصویری از یک جرم کیهانی منتشر کردند که حدود صد سال پیش انگیزه‌ وجودش با نظریه نسبیت عام انیشتین ایجاد شده و حدود 60 سال است که بشر به‌دنبال ردی از این اجرام در کیهان است:

«سیاهچاله»

هرچه جرم یک جسم بیشتر باشد، نیروی جاذبه بیشتری بر اجرام اطرافش وارد خواهد کرد. اجرام سبک‌تر در دام جاذبه‌ی اجرام سنگین‌تر می‌افتند. ماه به دور زمین می‌چرخد، زمین و سیارات منظومه‌ی شمسی به‌دور خورشید و خورشید و دیگر ستاره‌های کهکشان راه‌شیری به‌دور جرمی فوق سنگین در مرکز کهکشان راه‌شیری!

به حداقل سرعتی که برای غلبه بر گرانش در سطح یک جرم نیاز داریم «سرعت فرار» گفته می‌شود. اگر جرمی بخواهد از گرانش زمین رها شود باید سرعتی معادل 11.18 کیلومتربرثانیه (حدود 40000کیلومتربرساعت) داشته باشد. چنین سرعتی برای رهایی از خورشید 617 کیلومتربرثانیه و برای کهکشان راه شیری حدود 1000کیلومتربرثایه است! بالاترین سرعتی که در جهان آشکار شده سرعت نور است، اما گرانش سیاهچاله به اندازه‌ای است که حتی نور هم نمی‌تواند از آن بگریزد! اما سرعت فرار از یک جرم، به فاصله از آن جسم نیز وابسته است. در اطراف سیاهچاله مرز فرضی وجود دارد که تا زمانی که نور به آن نزدیک نشده شانس فرار از گرانش سیاهچاله ‌را دارد؛ به این مرز «افق رویداد» گفته می‌شود. اگر جرمی تحت هرشرایطی وارد افق رویداد بشود ناگزیر به درون سیاهچاله سقوط خواهد کرد.

سیاهچاله از دید نظریه

در نظریه نسبیت عام انیشتین فضا و زمان کمیت‌هایی مستقل ازهم نیستند و گذر زمان وابسته‌ به شکل فضا است و نیز جرم به فضا-زمان شکل می‌دهد؛ به‌همین دلیل از اصطلاح فضا-زمان استفاده می‌شود. اگر جسمی را روی سطحی نرم بگذاریم، جرم موردنظر به‌نسبتِ جرمی که دارد سطح را خمیده خواهد کرد، هرچه جرم جسم بیشتر باشد، خمیدگی عمیق‌تر بوده وانحنای بیشتر بر سطح ایجاد می‌کند. اگر فرض کنیم اجرام کیهان نیز فضا‌زمان اطراف خود را خمیده می‌کنند، عمیق‌ترین خمیدگی بر فضا-زمان از آنِ سیاهچاله‌ها خواهد بود. جرمِ زیادی که در حجمِ کم یا به‌عبارتی در یک نقطه جمع شده، درنتیجه بسیار چگال است. چگالی جرم سیاهچاله‌ها آنقدر بالاست که فضا-زمان خود را به‌شدت تحت تاثیر قرارداده و جایی را به‌وجود آورده که تمام قوانین فیزیک در آن نقطه کارایی خود را از دست می‌دهند. (برای مثال اگر تمام جرم زمین را در حجمی به شعاع یک سانتی‌متر فشرده کنیم، تبدیل به یک سیاهچاله خواهد شد.) افق رویداد، قسمت داخلی و خارجی سیاهچاله را از هم جدا کرده و هیچ چیزی نمی‌تواند از ناحیه‌ی درونی به ناحیه بیرونی برود. در فیزیک به چنین نقطه‌ای که نمی‌توانیم هیچ اطلاعاتی از آن به‌دست آوریم و از قوانین حاکم برآن نیز مطلع نیستیم «تکینگی» گفته می‌شود. سیاهچاله، نقطه‌ای تکین است که با مرزی به نام افق رویداد احاطه شده و چیزی از داخل آن مرز نمی‌دانیم.

سیاهچاله از دید تجربه

«ریز سیاهچاله» یا سیاهچاله‌های ازلی که تصور می‌شود درجهان اولیه بافاصله‌ی کمی از مهبانگ شکل گرفته‌اند و ابعاد بسیار کوچکی در حد اتم دارند. «سیاهچاله‌های ستاره‌ای» نتیجه‌ی مرگ ستارگان پرجرم هستند. ستارگانی که در مراحل پایانی عمر خود در اثر اتمام سوخت‌شان برای همجوشی هسته‌ای، تعادلی که بین نیروی گرانش رو به مرکز و فشار رو به بیرونِ ناشی از همجوشی هسته‌ای دارند را از دست می‌دهند؛ در نتیجه، گرانش رو به مرکز غلبه کرده و به درون خود فرومی‌ریزند یا به‌اصطلاح به درون می‌رمبند. این رمبش تاجایی ادامه پیدا می‌کند که چگالی جرم بسیار بالا رفته و تبدیل به یک سیاهچاله می‌شود. «سیاهچاله‌های کلان‌جرم» حداقل یک‌میلیون برابر خورشید جرم دارند. ازجمله سیاهچاله مرکز کهکشان راه‌شیری وسیاهچاله‌ی مرکز کهکشان مسیه‌ی87 (که تصویرش منتشر شد) از سیاهچاله‌های ابرجرم‌دار هستند.

اما چطور تصویری از سیاهچاله به‌دست آمده؟

همان‌طور که سیارات به‌دور خورشید و خورشید به دور مرکز کهکشان می‌چرخد، نور و ذرات دیگر نیز قبل از سقوط به درون سیاهچاله با سرعت بالایی حول آن می‌چرخند و گرم شده و تابش الکترومغناطیسی، به‌ویژه امواج رادیویی از خود کسیل می‌کنند که این امواج قابل آشکارسازی هستند. سیاهچاله‌ی مرکز کهکشان راه شیری و دیگر کهکشان‌ها فاصله‌ی زیادی از ما دارند و درعین‌حال حجم به‌نسبت کوچکی را اشغال کرده‌اند پس برای آشکارسازی افق رویداد یک سیاهچاله به تلسکوپی با ابعاد کره زمین نیاز داریم تا توان تفکیک کافی برای تشیخص این اجرام از چنین فاصله‌ای را داشته باشد. دانشمندان در پروژه‌ی ثبت تصویر سیاهچاله یازده تلسکوپ از نقاط مختلف جهان را هم‌خط کردند تا بتوانند با پردازش داده‌هایی که به‌طور کاملا همزمان به این تلسکوپ‌ها رسیده‌اند، تصویری از افق‌رویداد سیاهچاله ارائه دهند. از این یازده تلسکوپ 8 تلسکوپ در نتیجه‌ی نهایی سهم داشته و توانسته‌اند تصویری از افق‌رویداد سیاهچاله‌ کلان‌جرم در مرکز کهکشان اِم87 تهیه کنند که جرمی 5/6 میلیارد برابر خورشید دارد و در فاصله‌ 55 میلیون سال‌نوری از ما است.

آنچه از داده‌های این تلسکوپ به‌دست آمده در توافق کامل با پیش‌بینی‌های نظریه انیشتین است.
(مقایسه مشاهده با نظریه، این داده‌ها با ابرکامپیوترها تحلیل شده‌اند) قبل از مشاهده‌ی این تصویر، افق‌رویداد تنها مفهومی ریاضیاتی بود اما حالا یک واقعیت قابل مشاهده است. چیزی که می‌توان آزمود، می‌توان مشاهده و اندازه‌گیری کرد.

گردآوری توسط تیم علمی انجمن نجوم اطلس
نویسنده: مریم حیدری
منابع:
1. کنفرانس رسمی EHT
2. وبسایت رسمی ESO