چهارشنبه ۲۱ فروردین، روز بزرگی برای دنیای ستاره‌شناسی و اخترفیزیک بود؛ زیرا پس از سال‌ها پژوهش و نظریه‌پردازی، سرانجام اولین تصویر از یک سیاه‌چاله در مرکز کهکشان M87، منتشر شد. تلسکوپ ایونت هرایزن (EHT) که متشکل از شبکه‌ای از تلسکوپ‌های سراسر دنیا است، موفق به ثبت این عکس شد. کهکشان M87 در فاصله‌ی ۵۵ میلیون سال نوری از زمین قرار گرفته و جرم آن نزدیک به هفت میلیارد برابر جرم خورشید است. در این مقاله به سؤالات متداول و هرآنچه لازم است درباره‌ی نخستین تصویر منتشرشده از سیاه‌چاله بدانید، پاسخ داده خواهد شد.
چرا رصد سیاه‌چاله‌ها دشوار است؟
سیاه‌چاله‌ها، سیاه هستند. علت دیدن ستاره‌ها و اجرام مشابه، نوری است که از آن‌ها ساطع می‌شود و به تلسکوپ‌ها می‌رسد (به‌صورت مستقیم به چشم انسان می‌رسد)؛ اما سیاه‌چاله‌ها اجرام سیاهی هستند که هیچ نور مرئی را از خود ساطع نمی‌کنند بنابراین نمی‌توان آن‌ها را به‌صورت مستقیم رصد کرد؛ اما این تنها مشکل بزرگ سیاه‌چاله نیست.
تصویر سیاه‌چاله در کهکشان M87 که توسط رصدخانه‌ی اشعه‌ی ایکس چاندرای ناسا تهیه شده است
اگر سیاه‌چاله‌ای در منظومه‌ی شمسی وجود داشت به‌راحتی می‌توانستید آن را ببینید. همچنین می‌توانستید خمیدگی فضا و مواد اطراف آن را احساس کنید. در فیلم میان‌ستاره‌ای ساخت کریستوفر نولان، تصویری تقریبا علمی از سیاه‌چاله نشان داده شده است. اخترفیزیکدانی به نام کیپ تورن به مدل‌سازی سیاه‌چاله در این فیلم کمک کرد.
برای نمایش بصری اجرام آسمانی، نه‌تنها باید اندازه‌ی آن‌ها را در نظر گرفت، بلکه باید به فاصله‌ی آن‌ها نیز دقت کرد. به‌طور دقیق‌تر منظور از اندازه در اینجا، اندازه‌ی زاویه‌ای است.
اندازه‌ی زاویه‌ای براساس آرک دقیقه یا آرک ثانیه (acrminute و arcseconds) اندازه‌گیری می‌شود از این واحدها برای نمایش زاویه‌های روی یک کره استفاده می‌شود. یک Arcsecond یا آرک ثانیه برابر با ۱/۳۶۰ ام درجه است. ستاره‌شناس‌ها از این واحدها برای محاسبه‌ی مسافت بین اجرام یا محاسبه‌ی بزرگ‌نمایی‌های مختلف استفاده می‌کنند. به زبان ساده‌تر اگر بتوانید یک دور کامل سر خود را بچرخانید، اندازه‌ی زاویه‌ای ۳۶۰ درجه‌ای را خواهید داشت.
اندازه‌ی زاویه‌ای به اندازه‌ی واضح یک جرم از دید ناظر زمینی گفته می‌شود. برای مثال اندازه‌ی زاویه‌ای ماه ۳۰ arcminute است. اندازه‌ی زاویه‌ای یک جرم براساس اندازه‌ی واقعی و فاصله‌ی آن از ناظر محاسبه می‌شود. برای جرمی به اندازه‌ی ثابت، هرچقدر فاصله بیشتر باشد، اندازه‌ی زاویه‌ای کوچک‌تر است. برای اجرام در فاصله‌ی ثابت، هرچقدر اندازه‌ی واقعی جرم بزرگ‌تر باشد، اندازه‌ی زاویه‌ای آن بیشتر خواهد بود.
سیاه‌چاله‌ی مذکور، ۵۵ میلیون سال نوری از زمین فاصله دارد به این معنی که نور پس از ۵۵ میلیون سال به زمین رسیده است (با سرعت سیصدهزارکیلومتر بر ثانیه). فاصله‌ی بسیار زیادی است، اما آنچه در اینجا برای رصد سیاه‌چاله مطرح می‌شود، اندازه‌ی زاویه‌ای آن است. اندازه‌ی زاویه‌ای سیاه‌چاله تقریبا ۴۰ میکرو آرک ثانیه (microarcsecond) است.
اما microarcsecond چیست؟ به زبان ساده می‌توان گفت، دایره‌ی درجه‌بندی شده است. هر درجه را می‌توان به ۶۰ آرک دقیقه و هر دقیقه را به ۶۰ آرک ثانیه تقسیم کرد. درصورتی‌که آرک ثانیه به یک‌میلیون بخش تقسیم شود می‌توان به میکرو آرک ثانیه رسید. برای مثال اندازه‌ی زاویه‌ای ماه، ۰/۵ درجه است (از دید ناظر زمینی). این یعنی اندازه‌ی زاویه‌ای ماه، ۴۵ میلیون برابر بیشتر از اندازه‌ی سیاه‌چاله است.
اما از سوی دیگر به‌دلیل انکسار نمی‌توان اجرام به این کوچکی (ازنظر اندازه‌ی زاویه‌ای) را دید. نور با گذشت از دروازه‌ای مثل تلسکوپ یا مردمک چشم، می‌شکند. نور به‌گونه‌ای خم می‌شود که با سایر نورهای عبوری از یک دروازه‌ی مشخص (تلسکوپ، مردمک چشم) تداخل پیدا می‌کند. برای مثال چشم انسان تنها می‌تواند اجرامی با اندازه‌ی زاویه‌ی ۱ آرک دقیقه را تجزیه‌وتحلیل کند.
غلبه بر مشکل شکست نور
رصد اجرام با اندازه‌ی زاویه‌ای کوچک دشوار است؛ اما چگونه می‌توان جرمی به کوچکی سیاه‌چاله را در آسمان شب مشاهده کرد؟ وضوح زاویه‌ای تلسکوپ به دو معیار وابسته است: اندازه‌ی دهانه و طول‌موج نور. استفاده از طول‌موج‌های کوتاه‌تر (مثل فرابنفش یا اشعه‌ی ایکس)، وضوح بهتری را می‌دهد؛ اما در مورد عکس سیاه‌چاله، تلسکوپ از طول‌موج نور در طیف میلی‌متری استفاده کرده است. این طول‌موج در مقایسه با نور مرئی بسیار بزرگ است. نور مرئی در طیف ۵۰۰ نانومتر قرار دارد.
این یعنی تنها راه‌حل مشکل انکسار، استفاده از تلسکوپ بزرگ‌تر است. ازاین‌رو EHT گزینه‌ی مناسبی برای ثبت این عکس بود. برای این کار، تلسکوپی به اندازه‌ی کره‌ی زمین لازم است که در عمل غیرممکن است؛ اما با دریافت داده از تلسکوپ‌های رادیویی متعدد در بخش‌های مختلف دنیا و ترکیب آن‌ها در تلسکوپ غول‌آسایی مثل EHT می‌توان به نتیجه رسید. البته در این روش هم مشکلاتی وجود دارد. گروه EHT از روش‌های تحلیلی برای دستیابی به دقیق‌ترین تصویر از داده‌های جمع‌آوری شده استفاده کرده است.
آیا این تصویر از سیاه‌چاله واقعی است؟
اگر با تلسکوپ به مشتری نگاه کنید، تصویری واقعی از مشتری را خواهید دید. نور خورشید به سطح مشتری برخورد می‌کند و انعکاس این نور به تلسکوپ و چشمان شما می‌رسد.
اما در مورد سیاه‌چاله چنین اتفاقی رخ نمی‌دهد. تصویری که از سیاه‌چاله می‌بینید حتی در طیف مرئی هم قرار ندارد. بلکه تصویری رادیویی است که با طول‌موج‌های نور در یک بخش رادیویی ایجاد شده است؛ بنابراین تفاوت بین امواج رادیویی و نور مرئی چیست؟ تفاوت آن‌ها در طول‌موج است.
تصویر سیاه‌چاله‌ی کهکشان M87، تصویری رادیویی است
امواج نور و امواج رادیویی هر دو از گروه امواج الکترومغناطیسی هستند. این امواج، در نتیجه‌ی توزیع یک میدان الکتریکی متغیر در راستای یک میدان مغناطیسی متغیر به وجود می‌آیند (به‌صورت هم‌زمان). این امواج با سرعت نور حرکت می‌کنند. بااین‌حال، ازآنجاکه طول‌موج امواج رادیویی و نور مرئی متفاوت است، واکنش آن‌ها با مواد هم متفاوت است. اگر رادیوی خانگی خود را روشن کنید، می‌توانید سیگنال ایستگاه رادیویی در نزدیکی خانه‌ی خود را دریافت کنید. امواج رادیویی از دیوار عبور می‌کنند اما نور مرئی نمی‌تواند از دیوار عبور کند.
این مسئله برای تصاویر دریافتی هم صدق می‌کند. اگر نور مرئی از یک شیء به چشم شما برخورد کند می‌توانید آن را ببینید و از آن عکاسی کنید. سپس همان تصویر را روی مانیتور کامپیوتر نمایش دهید. دقیقا این اتفاق برای تصاویر دریافتی از ماه رخ می‌دهد.
اما تصویر سیاه‌چاله با نور مرئی ثبت نشده است. بلکه تصویری رادیویی است. هر پیکسل موجود روی تصویر، نشان‌دهنده‌ی بخشی از یک طول‌موج رادیویی است. وقتی به بخش‌های نارنجی تصویر نگاه می‌کنید، نمایش رنگی کاذبی از طول‌موج را می‌بینید. بنابراین تصویر دریافتی از سیاه‌چاله‌ی اخیر، یک تصویر عادی نیست که بتوان با یک تلسکوپ معمولی به آن رسید؛ اما باز هم قدمی خارق‌العاده در علم نجوم محسوب می‌شود.
نکات بیشتر
- افق رویداد سیاه‌چاله در نقطه‌ی سیاه رنگ قرار گرفته است (طبق عکس). مواد اطراف سیاه‌چاله دور آن می‌چرخند و درنهایت به داخل آن سقوط می‌کنند.
- دانشمندان در سال ۲۰۱۷ دو سیاه‌چاله‌ی کهکشان راه شیری و کهکشان ام ۸۷ را رصد کردند؛ اما تصویری که در ابتدا در رسانه‌ها منتشر شد، متعلق به سیاه‌چاله‌ی کهکشان عظیم‌تر ام ۸۷ بود. این بدیل است که آن‌ها تمام تلاش و تمرکزشان را به ثبت تصویر سیاه‌چاله‌ی ام ۸۷ معطوف کردند؛ زیرا این سیاه‌چاله بسیار بزرگ‌تر است و اندک وضوح بیشتری دارد. تجمیع تمام داده‌ها برای ساخت یک تصویر، فرآیند بسیار پیچیده‌ای است، اما درنهایت تصویر سیاه‌چاله‌ی راه شیری نیز منتشر شد.
- به‌دلیل چرخش، یک سمت تصویر روشن‌تر از بخش دیگر است و درخشان‌تر به‌نظر می‌رسد.
- تصویر جدید با نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین سازگار است. دانشمندان امیدوارند در آینده‌ای نزدیک بتوانند افق رویداد را با وضوح بیشتری ثبت کنند. ثبت دقیق افق رویداد به همپوشانی نظریه‌ی نسبیت و کوانتوم کمک خواهد کرد.
- باتوجه‌به تصویر می‌توان با اطمینان کامل وجود قرص برافزایشی را تأیید کرد. قرص برافزایشی به توده‌ی موادی گفته می‌شود که حول محور سیاه‌چاله می‌چرخند و به داخل آن کشیده می‌شوند.
- برخلاف تصور، شایعه‌ی تولید سیاه‌چاله‌های کوچک در برخورددهنده‌ی هاردونی بزرگ صحت ندارد. انرژی مورد نیاز برای ساخت سیاه‌چاله از توان برخورددهنده خارج است.
- با این تصویر نمی‌توان نظریه‌ی تابش هاوکینگ را ثابت کرد. براساس این نظریه، علت تابش قرص سیاه‌چاله، آثار کوانتومی در نزدیکی افق رویداد است. اما این نظریه هنوز هم مبنای تئوری دارد و در عمل ثابت نشده است.