رمزگشایی از راز سیاهچاله‌ها به زبان ساده

به گزارش «شیعه نیوز»، بشر در عالمی زندگی می‌کند که به‌تدریج با بزرگی و اجرام حیرت‌انگیز آن آشنا می‌شود. روند این آشنایی به‌ویژه در یک قرن گذشته سریع‌تر هم شده است. بدون تردید یکی از این اجرام سماوی خارج از حد تصور و تخیل ما سیاهچاله‌ها هستند.

سیاهچاله (Black Hole) جرمی است که به دلیل جاذبه گرانشی‌اش حتی نور نیز یارای گریز از آن را ندارد. جایی که فضا و زمان در هم می‌پیچد. نوری از درونش به بیرون نمی‌آید و نمی‌دانیم در آنجا چه معرکه‌ای برپاست. هرچند نظریه‌پردازان سعی دارند بفهمند ماهیت درون یک سیاهچاله چیست.

ولی فعلا همه‌چیز در حد مدل‌پردازی‌های نظری در فضای مطالعات علمی و دانشگاهی است. البته این را هم نباید دست‌کم گرفت، زیرا ایده وجود سیاهچاله‌ها نیز در زمانی که ارائه شد، چیزی در حد یک خیال‌پردازی صرف در دنیای فیزیک‌پیشه‌ها به نظر می‌رسید. خیال‌پردازی‌هایی که شالوده‌اش بر بنیان‌های محکم علم فیزیک بنا شده بود.

جادوی فضا و زمان
کمی بیش از یکصد سال پیش، آلبرت اینشتین نظریه‌ای را پایه‌ریزی کرد که دیدگاه نوینی درباره نیروی گرانش و محیط پیرامون یک جسم جرمدار پیش می‌کشید. نظریه‌ای جسورانه و بسیار جلوتر از زمان خودش! طبق نظریه نسبیت عام اینشتین، هر جسم جرمداری هندسه فضا و زمان اطرافش را خمیده می‌کند؛ آن‌چنان که باعث می‌شود دو جسم جرمدار یکدیگر را جذب کنند.

درست همان‌طور که زمین به دور خورشید در گردش است. در نظریه اینشتین فضا و زمان در کنار هم معنا پیدا می‌کنند؛ و در واقع، حضور ماده به فضا-زمان می‌گوید چگونه رفتار کند و فضا-زمان، نحوه برهم‌کنش ماده با پیرامونش را تعیین می‌کند. این درهم‌تنیدگی فضا و زمان از یک سو و ماده از سوی دیگر، قبل از اینشتین اندیشیده نشده بود.

به‌ویژه زمانی که جرم بسیار زیاد باشد، در نزدیکی‌اش خمیدگی فضا-زمان طبق محاسبات نظریه اینشتین مشهود و سنجش‌پذیر خواهد بود. این نظریه انقلابی در ابتدا چندان مورد توجه قرار نگرفت؛ به‌ویژه در زمانه‌ای که دنیا در آتش جنگ جهانی اول می‌سوخت.

اما بودند دانشمندانی که با بررسی و حل معادلات اینشتین، به نتایج حیرت‌آورتری رسیدند. از جمله این دانشمندان، کارل شوارتزشیلد بود که در آن زمان ریاست رصدخانه پوتسدام آلمان را برعهده داشت. او موفق شد معادلات اینشتین را حل کند. تعبیر امروزی جواب‌های شوارتزشیلد، همان موجود عجیب نام‌آشناست: سیاهچاله!

شاهکار نظریه اینشتین
نظریه اینشتین پیش‌بینی‌ها و تبعات آزمون‌پذیر مختلفی را پیش می‌کشید که به‌تدریج دانشمندان بر آن شدند آن‌ها را راستی‌آزمایی کنند. در کمال شگفتی، اکنون که بیش از یکصد سال از ظهور نسبیت عام اینشتین می‌گذرد، این نظریه از همه این آزمون‌ها سربلند بیرون آمده است.

به‌علاوه پیش‌بینی‌هایش مبنی بر وجود پدیده‌ها یا اجرامی خاص در عالم، یک به یک تأیید شدند. یکی از این موارد، امواج گرانشی است که نتیجه مستقیم نظریه نسبیت عام بود و به‌تازگی دانشمندان موفق به ثبت این امواج شدند. به این ترتیب دریچه‌ای نوین، برای شناخت عالم، مقابل دیدگان بشر قرار گرفت.

اما وجود سیاهچاله‌ها چند دهه زودتر تقریبا تأیید شد؛ و البته کمی بیش از یک سال پیش، ثبت نخستین تصویر از یک سیاهچاله، دنیا را تکان داد؛ باورکردنی نبود که نوع بشر نظاره‌گر تابش اطراف سیاهچاله‌ای عظیم باشد؛ آن هم دقیقا مطابق پیش‌بینی نظریه نسبیت عام اینشتین. برای افراد غیرمتخصص ثبت «نخستین تصویر از یک سیاهچاله» چیزی بیشتر از یک حلقه نورانی نبود؛ اما برای دانشمندان، دنیایی از شگفتی و حیرت بود و هست!

ابرسیاهچاله‌های بسیار پرجرم
امروزه می‌دانیم سیاهچاله‌های ناشی از رمبش ستاره‌ها، تنها سیاهچاله‌های عالم نیستند. در مرکز بسیاری از کهکشان‌ها، سیاهچاله‌هایی حضور دارند که جرمشان به میلیون‌ها تا میلیارد‌ها برابر جرم خورشید می‌رسد.

چگونه چنین سیاهچاله‌های اَبَرپُرجرمی در مراکز کهکشانی به وجود آمدند؟ این معمایی است که بسیاری از دانشمندان به دنبال پاسخ آن هستند. تصویری هم که سال گذشته به عنوان نخستین تصویر از یک سیاهچاله ارائه شد، در واقع، از یک سیاهچاله ابر پر جرم در مرکز کهکشان بیضوی M۸۷ در خوشه کهکشانی سنبله بود. جرم این سیاهچاله حدود ۵/۶ میلیارد برابر جرم خورشید تخمین‌زده می‌شود!

سیاهچاله‌ها چطور شکل می‌گیرند؟
احتمالا می‌پرسید یک سیاهچاله در فضا چگونه به وجود می‌آید؟ و اگر نوری از آن به بیرون نمی‌آید، چگونه به حضورشان پی می‌بریم؟ در پاسخ به پرسش نخست باید سیر تحول ستاره‌ها را در نظر بگیریم. وقتی ستاره‌ای به اندازه کافی پر جرم باشد، مثلا چند برابر جرم خورشید، در مراحل پایانی عمرش به دلیل آن‌که در مرکزش انرژی تولید نمی‌شود، تحت‌تأثیر جاذبه گرانشی‌اش متراکم می‌شود.

این درهم فرورفتن که اصطلاحا به آن رُمبش می‌گوییم، همچنان ادامه می‌یابد، به طوری که جرم بسیار زیادی در حجم کوچکی متراکم می‌شود. در این شرایط جاذبه گرانشی در نزدیکی این ستاره رمبیده، آن‌قدر شدید است که حتی نور نیز نمی‌تواند از آن بگریزد. به این ترتیب یک سیاهچاله به وجود آمده است. البته این یکی از سازوکار‌های پیدایش سیاهچاله‌هاست. در دهه ۱۳۴۰ شمسی/ ۱۹۶۰ میلادی، اخترشناسان یکی از درخشان‌ترین منابع پرتو ایکس موسوم به دجاجه ایکس-۱ را شناسایی کردند.

اما محل این منبع با هیچ جرم سماوی قابل رویت منطبق نبود. مطالعات دقیق‌تر بعدی نشان داد این منبع در واقع یک سیاهچاله است. تابشی هم که دریافت می‌شود ناشی از یک قرص گازی است که به دور سیاهچاله در گردش است. طی چهار دهه اخیر سیاهچاله‌های دیگری نیز در کهکشان ما کشف شده‌اند و در واقع تأیید وجود یک سیاهچاله براساس تابشی است که از محیط اطراف آن گسیل می‌شود.

برای هر سیاهچاله می‌توان شعاعی را به عنوان افق رویداد (Event horizon) تعریف کرد. از درون این ناحیه هیچ تابشی نمی‌تواند به بیرون بیاید، اما در خارج از آن این امکان هست. معمولا در اطراف سیاهچاله‌ها قرصی چرخان از ماده شکل می‌گیرد، به‌ویژه زمانی که یک سیاهچاله عضوی از منظومه‌ای دوتایی باشد؛ یعنی سیاهچاله و ستاره‌ای دیگر، حول یکدیگر در مدارهایشان در گردش باشند.

سپس به دلیل جاذبه گرانشی شدید سیاهچاله، بخشی از ماده ستاره همراهش به سمت سیاهچاله کشیده می‌شود. این مواد پیش از ریزش به درون سیاهچاله، قرصی از ماده در اطراف آن به وجود می‌آورند. تابش‌های دریافتی عمدتا از همین قرص گازی است که می‌توانند دلایل کافی مبنی بر حضور سیاهچاله به دست دهند. اما در این سناریو، سیاهچاله به دنبال رمبش ستاره‌ای با چند ده برابر جرم خورشید به وجود می‌آید.

آنچه در نخستین تصویر از سیاهچاله دیدیم
باید توجه داشته باشیم نخستین تصویر ثبت‌شده از سیاهچاله، درواقع نمایشی از میزان تابش رادیویی دریافت‌شده از اطراف افق رویداد سیاهچاله است. اخترشناسان از چند تلسکوپ رادیویی روی زمین استفاده کردند. سپس داده‌های به دست آمده با بهره‌گیری از روش‌هایی پیشرفته کنار هم قرار گرفتند.

با این روش گویی برای رصد این سیاهچاله از یک تلسکوپ رادیویی به اندازه قطر سیاره زمین استفاده شده است! در محدوده طول موج رادیویی امکان به‌کارگیری چنین روش‌های پیشرفته‌ای وجود دارد. سیاهی مرکز تصویر، سایه سیاهچاله است؛ ولی درخشش رادیویی ناحیه اطراف آن بسیار مورد بحث است.

امروزه اخترفیزیکدانان بسیاری در تلاش هستند با شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای مبتنی بر مجموعه‌ای از پیش‌فرض‌ها، شکل این درخشش رادیویی در اطراف سیاهچاله M۸۷ را بازآفرینی کنند. البته این نتیجه حاصل شده است؛ اما مشکل اینجاست که مدل‌هایی با فرض‌های مختلف می‌توانند به ایجاد چنین شکلی بیانجامند.

بنابراین، هنوز معلوم نیست کدام مدل و شبیه‌سازی ماهیت واقعی تصویر به‌دست آمده را مشخص می‌کند. اما یک نکته حیرت‌انگیز دیگر هم روشن شده است. فوتون‌های نوری که در میدان گرانشی سیاهچاله گیر می‌افتند، صرف‌نظر از منشأ به وجود آمدن‌شان، در مدار‌هایی به دور سیاهچاله به گردش در می‌آیند.

چیزی که می‌توان آن را حلقه‌های فوتونی نامید. دانشمندان معتقدند در تصویر رادیویی به‌دست آمده از سیاهچاله، چند حلقه فوتونی وجود دارد. این‌ها در واقع فوتون‌های نوری هستند که به سیاهچاله رسیده‌اند؛ یا به بیان دیگر، آن چیزی است که سیاهچاله از دنیای اطرافش «دیده» است! فوتون‌هایی که به سیاهچاله نزدیک‌ترند، زودتر در مدار فعلی‌شان گرفتار شده‌اند. بنابراین، چنانچه بتوان حلقه‌های فوتونی پیرامون سیاهچاله را بررسی کرد، گویی پیشینه عالم مرئی از منظر سیاهچاله در برابر دیدگان بشر قرار خواهد گرفت. این می‌تواند تحولی بسیار بزرگ و خارج از حد تصور باشد.

چالش‌های مطالعه سیاهچاله‌ها
مشخصات این حلقه‌های فوتونی نظیر ضخامت یا تعدادشان، اطلاعات با ارزشی درباره خودِ سیاهچاله از جایی به دست می‌دهند که فضا و زمان به‌واقع درهم پیچیده شده است. از جمله می‌توان با دقت یک درصد جرم سیاهچاله مرکزی را تعیین کرد یا نحوه چرخش و اسپین سیاهچاله را تعیین کرد.

دانشمندان معتقدند همین چرخش سیاهچاله است که به پرتاب جت‌هایی از ماده می‌انجامد که به‌وضوح دیده می‌شوند. سرعت پرتاب مواد این جت‌ها به نزدیک سرعت نور می‌رسد و تا صد‌ها هزار سال نوری امتداد دارند. این‌ها آنقدر عظیم و پر انرژی‌اند که مطالعه خصوصیات آن‌ها در اطراف سیاهچاله‌ها بسیار مورد توجه است.

اما دستیابی به چنین اهدافی به‌سادگی میسر نیست. نخستین تصویر به دست آمده از یک سیاهچاله در طول موج رادیویی ۳/۱ میلی‌متر حاصل شد. هرچه طول موج کمتر باشد، این امکان فراهم می‌شود که با دقت بالاتری حلقه‌های فوتونی را بررسی کرد. اما جو زمین امواجی با طول موج کمتر را جذب می‌کند؛ پس باید تلسکوپ مورد نظر را در مداری به دور زمین قرار داد. طبق محاسبات، بهترین فاصله مداری ۵/۱ میلیون کیلومتر بر فراز زمین خواهد بود.

اما مشکل بعدی این است که حجم داده‌های به دست آمده آن‌قدر زیاد است که با فناوری‌های فعلی نمی‌توان از این فاصله مداری داده‌های به دست آمده را برای پردازش‌های بعدی به زمین مخابره کرد. با همه این چالش‌های جدی، دانشمندان سخت در تلاش‌اند تا بتوانند از سیاهچاله‌های عالم رمزگشایی کنند.

حتی خودِ اینشتین در این‌که چنین اجرامی وجود داشته باشند، تردید داشت؛ اما امروزه می‌دانیم که هستند. سیاهچاله‌ها اسرار سر‌به‌مهر بسیاری از خلقت عالم و ماهیت واقعی فضا و زمان دارند. بشر به‌تدریج در حال رمزگشایی است و شگفتی‌های بسیاری در راه‌اند.

منبع: روزنامه جام جم