در سایۀ سیاه‌چاله

پرسش و پاسخ‌هایی دربارۀ سیاه‌چاله‌ها و اولین تصویر ردپای سیاه‌چالۀ کهکشان M87

اگر سیاه‌چاله را نمی‌توان دید آیا تصویر منتشر شده تصویر سیاه‌چاله بود؟

تصویری که گرفته شده مکان دقیق و حتی شعاع این منطقۀ تاریک را نشان می‌دهد. به عبارت بهتر در واقع محل حضور سیاهچالۀ احتمالی با وضوح کم گرفته شده (به دلیل واقع شدنش در کهکشانی دیگر به نام مسیه 87 (M87) و یا در فهرستی دیگر به نام (NGC4486) با فاصلۀ 53.2 میلیون سال نوری از زمین). سیاهچاله‌ها به دلیل میدان گرانشی (که در دنیای فیزیک چاه پتانسیل گرانشی هم نامیده می‌شود) بسیار قوی هر آنچه از شعاع گرانشی لایۀ بیرونی به نام افق رویداد گذر کرده باشد می‌بلعد و در اصطلاح هیچ چیز از این نقطۀ بی‌نهایت یا تکینگی نمی‌تواند فرار کند.

بخش درخشان تصویر آیا افق رویداد سیاه‌چاله است که گاز داغ در آن منطقه دور سیاه‌چاله می‌چرخد؟

افق رویداد حد فاصل دنیای بیرون از سیاه‌چاله و درون آن است. در واقع در این سوال که جداگانه در بسیاری از شبکه‌های اجتماعی به عنوان واقعیت علمی دست به دست شد، سه اشتباه علمی وجود دارد.

تصویر2. رصدخانه چاندرا که در مدار زمین قرار دارد و در طول موج‌های پرتو ایکس رصد می‌کند، تصویر نمای بازتری از مرکز کهکشان مسیه 87 به دست می‌دهد. تصویر سمت راست تصویر رونمایی شده است که فوتون سپهر (تصویر بعدی)، از رصدهای رادیویی متعددی گرفته شده و گویی رصدخانه‌ای به قطر کرۀ زمین در اختیار داشته باشیم.

1. آنچه که درخشان بود پلاسما بود و نه لزوما گاز درخشان. پلاسما به حالت چهارم ماده (سه حالت دیگر جامد، مایع، گاز) معروف است.

2. پلاسما که قبلا غبار و مواد ستاره‌ای یا میان ستاره‌ای بوده، در مسیری بیضوی معروف به مدار کپلر می‌چرخد. به طور قطع بخشی از آن گرفتار افق رویداد می‌شود و بخش دیگر ممکن از با شتاب بسیار بالا توسط نیروی گریز از مرکز به دلیل چرخش سریع نزدیک سیاه‌چاله به دلیل حضور آن میدان قوی گرانشی به فضای اطراف پرتاب شود و معمولاً سرعت آن ذرات نسبیتی است (سرعت نزدیک به نور). یکی از جذابترین و دشوارترین رصدهایی که از مرکز کهکشان راه شیری انجام شد، اخترفیزیکدانان و اخترشناسان، متوجه حرکت مداری کپلری شدند. به دلیل غبار در صفحه‌ی کهکشان و حضور زمین در همین مدار، ما نمی‌توانیم مرکز کهکشان را به راحتی رصد کنیم. بهترین راه بخصوص به دلیل تابش‌ها در طول موج‌های مختلف، اخترشناسی رادیویی ست. یعنی در طیف رادیویی می‌توانیم به هدفمان برسیم. در مورد کهکشان مسیه 87 هم چنین رصدهایی انجام شد. ولی به این پرتو ایکس و فروسرخ هم نقش مهمی در کشف جرم نامعلومی دارند که باعث شده ستاره‌های اطراف آن، همچون سیارات که دور خورشید می‌گردند.

3. آن منطقه‌ی درخشان پلاسمایی افق رویداد نیست! هر ذره‌ای وارد افق رویداد بشود ارتباطش با دنیای بیرون قطع خواهد شده به این معنا که ناظر بیرونی دیگر هیچ اطلاعاتی از آن زمان به بعد از ذرۀ مذکور به دست نخواهد آورد.

تصویر 4. فوتون سپهر آن منطقه‌ای‌ست که پلاسما در آن گرفتار گرانش هسته مرکزی می‌شود و همان بخشی ست در نظریه هم پیش بینی شده بود و در رصدها دیدیم که درست از آب درآمده. و خود تاییدی ست بر حل نظریه نسبیت عام و خود نسبیت عام آینشتاین در حالت غایی به نام تکنیگی! یا همان سیاه‌چاله. عکس از صفحۀ outerspacecentral

این سیاه‌چاله اَبَرپُرجرم نامیده شده. به چه معناست و چه نوع سیاه‌چاله داریم؟

سیاه‌چاله‌ها به چند دسته تقسیم می‌شوند که در نظریه نتیجۀ حل معادلات آینشتاین هستند برای حالت غایی یا تکینگی که بالاتر نوشتیم. اینجا برای اینکه بحث را پیچیده نکنم فقط براساس اندازه و البته به دلیل مشخصی دسته بندی کردم؛ چراکه هر سیاهچاله در هر ابعادی هم که باشد ممکن است به چند دسته تقسیم شود:

1. اَبَرپُرجرم: این سیاه‌چاله‌ها معمولا در مراکز کهکشان‌ها شکل گرفته‌اند و به تبع جرم بسیار زیاد و شعاع بزرگتری نسبت به انواع دیگر سیاهچاله دارند. در این مورد و عکسی که گرفته شده، قطر آن 3.2 میلیون برابر قطر زمین است!

2. سیاهچاله‌های میان رده (Intermediate Black holes): این نوع از سیاهچاله‌ها معمولا فرض می‌شود نتیجۀ رُمبش ستاره‌های غول‌پیکر و یا چند ستاره‌ی متوسط و یا کوچک هستند.

3. سیاه‌چاله‌های متوسط و کوچک(Stellar Black holes): ناشی از رُمبش ستارگانی با بیش از 4 برابر جرم خورشید هستند. کمتر از آن به ستارۀ نوترونی در نهایت عمرشان تبدیل خواهند شد.

4. سیاه‌چاله‌های مینیاتوری(Miniature Black holes): در این مورد شاید در زمان روشن شدن برخورد دهنده بزرگ هادرونی شایعه‌هایی از اهالی حاشیه و طرفداران شبهه علم شنیده باشید! اگر با انرژی بسیار بالا پروتون‌ها که ما هم از این ذرات تشکیل شده‌ایم بهم برخورد کنند و به انرژی آستانۀ مشخصی برسند، ممکن است تکینگی‌هایی در حد ابعاد میکرو و چند پیکو ثانیه تشکیل شود و در اصطلاح تبخیر شود. این شایعه که قابل محاسبه هم هست، بیشتر برای طرفداران یوفوها و جنگ با فرازمینی‌ها و به طور کُلی شبهه علم به معنای غایی خودش، یعنی افراد متوهم و برخی هم دوستدار شهرت براساس شایعه پراکنی جذاب است. اگر این متن را می‌خوانید بعد از بارها آزمایش برخورد هادرونی، روی زمین دارید زندگی می‌کنید و همگی در سیاهچاله در قالب ذرات بنیادی با هم گفتگو نمی‌کنیم.

در واقع سیاه‌چاله‌های مینیاتوری بیشتر برای رُمبش کم‌جرم‌ترین ستاره‌هایی ممکن است به سیاه‌چاله تبدیل شوند، به کار می‌رود و یک نام گذاری قراردادی‌ست.

5. سیاه‌چاله‌های اولیه (Primordial black holes): این نوع سیاه‌چاله‌ها پیشبینی دیگری هستند بعد از انفجار بزرگ. در این مورد ایدۀ چندانی نداریم ولی به دلیل جرم عظیم کیهان و اجتماع ذرات اولیه در کنار شکل‌گیری ستارگان و خوشه‌های ستاره‌ای و کهکشان ها و غیره که دلیلش سرد شدن و فرصت تشکیل ساختار بوده، احتمال می‌رود در نقاطی از عالم چگالی ماده چنان بالا بوده که سیاه‌چاله‌ای تشکیل شده‌اند. شاید اگر کمی عمیق فکر کنید احتمال می‌دهید حتی نوع مینیاتوری‌اش هم در عالم ممکن است تشکیل شده باشد، و این حدس درست است. از 10^-8 کیلوگرم یعنی جرم پلانک تا حدود 10^30 کیلوگرم یعنی جرم خورشید و حد معروف به چاندراسخار که عامل تعادل نیرو (بین گرانش و فروریزی ماده به مرکز ستاره) است.

این دسته بندی بیش از آنکه بین اهالی اخترشناسی و رسانه‌ها شناخته شده باشد، بین کسانی به کار می‌رود که تخصص‌شان فیزیک سیاهچاله است. علاقه‌مندان به فیزیک سیاه‌چاله‌ها به زبان ساده ولی مفاهیم تخصصی به کتاب سیاه‌چاله‌ها (کیپ تورن – این کتاب ترجمه نشده ) و تخصصی کتاب فیزیک سیاه‌چاله‌ها (نُویکُف، فرولُف)مراجعه کنند. دومی نیاز به دانش کافی در الکتردینامیک، مکانیک آماری و ترمودینامیک، نسبیت عالم و حل معادلات آینشتاین، مکانیک کلاسیک و مکانیک کوانتمی دارد (تقریبا کُل فیزیک!).

فیزیک سیاهچاله‌ها در کدام زیر شاخه از فیزیک قرار می‌گیرد؟

اگر فیزیک سیاهچاله ها را عنوانی کُلی بدانیم، به اخترفیزیک تعلق دارد. تشابه رفتار فیزیکی و ریاضیاتی سیاهچاله‌ها در کیهانشناسی هم کاربردهایی دارد از جمله بررسی تکنیگی ها و نقاط بسیار چگال در عالم، بخصوص کسانی که عالم اولیه را بررسی میکنند ولی در واقع همه اینها زیر شاخۀ فیزیک سیاهچاله ها قرار می‌گیرد. کسانی که سیاهچاله‌های ستاره ای را بررسی میکنند سالها روی مدل سازی و رصدهای احتمالی اجرام خاصی کار می‌کنند. گرچه سوالات تخصصی ولی کُلی را می‌توانند براحتی پاسخگو باشند ولی پژوهشگرانی که سیاه‌چاله‌های مراکز کهکشان‌ها را انتخاب می‌کنند و یا عالم اولیه، شرایط فیزیکی دیگری را باید بررسی کنند. سیاهچاله‌های ستاره‌ای معمولاً کانون توجه پژوهشگران ستاره‌های دوتایی و چند ستاره‌ای‌ها هستند. ستاره‌های نوترونی و کوارکی (فعلا در حد نظریه و مدل‌سازی که امکان فیزیکی‌اش وجود دارد مطرح شده) بخشی از همین بررسی‌ها قرار می‌گیرد. در حالت کُلی ارتباطی با کیهانشناسی ندارند. کیهانشناسی بررسی عالم اولیه، تشکیل ساختار در و عالم و به طور کلی بررسی عالم در ابعاد بزرگ است. ولی همانطور که نوشتم، در بخش‌هایی ارتباط غیرمستقیمی بین مطالعات مختلف در اخترفیزیک و کیهانشناسی و حتی مدلهای دنیای کوانتمی و گرانش وجود دارد.

ارتباطی بین سیاهچاله‌ها و مادۀ تاریک وجود دارد؟

بله! هر دو در ذهن تاریک هستند! در واقع این یعنی خیر ارتباطی ندارند. ولی مدل‌های هست که برآن هستند این نقاط چگال که کشف‌شان به آسانی ممکن نیست و برای ما که در یک کهکشان از میلیاردها کهکشان زندگی می‌کنیم، حتی در خود کهکشان‌مان یافتن عملاً شمارش آنها غیرممکن است و عده ای برآنند مادۀ گم شده در عالم که به مادۀ تاریک معروف است ممکن است مسئولیتش را بتوانیم گردن سیاهچاله ها بیندازیم. ولی در واقعیت چنین به نظر نمی‌رسد. علت تکنیکی دارد که در اینجا به آن نمی‌پردازم.

*تصویر 5. Image credit: Physics for the 21st Century*

تصویر گرفته شده به طور مستقیم شبیه رصدهای نور مرئی گرفته شده و یا آنالیز داده‌ها بوده؟

برای پاسخ به این پرسش دو نکته را باید در نظر بگیریم:

1. برای این رصدها با توجه به اینکه در طول موج غیر از نور مرئی بوده، الگوریتمی نوشته شده و رصدخانه‌هایی که در این رصد همکاری داشته‌اند داده‌های خود را برای مرکز اصلی در اروپا می‌فرستند. داده‌ها آنالیز می‌شود و تصاویر گرفته شده در طیف رادیویی به صورتی که می‌بینیم ظاهر می‌شود.

2. این تصویر شبیه سازی نیست! داده‌های واقعی ست. در شبیه‌سازی ما دو مرحله طی می‌کنیم: الف. براساس مدل الگوریتم نوشته می‌شود و ماشین محاسباتی به ما امکان دیدن طرح گرافیکی را می‌دهد که خود بخشی از برنامه نوشته شده بوده. برای هر مُدل فیزیکی برنامه‌ای نوشته می‌شود و شبیه سازی در روندی طولانی به انجام می‌رسد. نکته اینجاست که آنالیز داده‌های واقعی ارتباطی با شبیه سازی ندارند. هرچند در مواردی از داده‌های واقعی برای مُدل سازی و شبیه سازی استفاده می‌شود ولی در این مورد خاص که سوالات بسیاری برای مردم مطرح شده، شبیه سازی و تصویر واقعی تفاوت دارند؛ ولی در هر دو آنالیز داده‌ها انجام می‌دهیم. در شبیه سازی داده‌هایی که خودمان از محاسبات نظری می‌دهیم و نتیجه نهایی را به دست می‌آوریم و واقعی، داده‌های واقعی را می‌گیریم و تصویر را از داده‌های به دست آمده گرافیکی می‌توانیم مشاهده کنیم و تصویر حاصل واقعی ست نه نتیجه‌ی شبیه سازی. ولی این‌دو را همانند تصویر زیر مقایسه می‌کنیم تا دقت یا درستی نظریه‌هایمان را بسنجیم.

تصویر 6. به ترتیب از سمت چپ، تصویر رصد شده بعد از جمع آوری داده‌های بسیار، که نشان از عدم تقارن در فوتون سپهر هم دارد. وسط: شبیه سازی از مدل هیدرودینایکی نسبیت عام. و تصویر راست: محو شده و پخش شده از همین شبیه سازی. تفاوت‌هایی بین دو تصویر مقایسه شده وجود دارد در محاسبات پیجیدۀ نظری این اختلاف‌ها بررسی می‌شود. نکتۀ دیگر اینکه این جدیدترین تصویر است که تیم EHT تصمیم به انتشارش گرفتند. در مقالات متعددی این تصویر قبلا ظاهر شده ولی با داده‌هایی که همچنان باید بررسی می‌شد و یا بهینه می‌شد.
تصویر از: astronomical Journal در بررسی عدم تقارن حلقه

نکتۀ آخر: موارد بسیاری حتی در بلاگ‌هایی که به نظر تخصصی‌تر بودند و یا با جزییات بیشتری در این باره نوشته‌اند دیدم موارد متعددی با هم ترکیب شده بود. سیاه چالۀ احتمالی در مرکز کهکشان راه شیری را با نشان دادن نمودارهای رصدی اش بجای سیاه چالۀ تصویربرداری شده اشتباه گرفته بودند. و حتی کهکشان دیگری را که چند دهه است زیر نظر اخترفیزیکدانان است، با این مورد ترکیب کرده بودند. اگر نام‌هایی چون ستارۀ اس2، جی 2، قوس آ (*sgr A) خواندید یا شنیدید ارتباطی با این تصویر ندارد. مربوط به سیاه‌چالۀ مرکز کهکشان راه شیری ست. که برای انتهای این مطلب تصویری از محل این سیاه‌چاله هم می‌گذارم.