10 دقیقه
سیاه‌چاله‌ها که زمانی در هاله‌ای از ابهام نظری قرار داشتند، اکنون با تصاویر جدیدی که سایه و تابش اطراف‌شان را ثبت میکنند، مورد بررسی قرار گرفته‌اند. دانشمندان از این تصاویر برای سنجش اینکه آیا نظریه نسبیت عام اینشتین در شدیدترین مرزهای گرانش برقرار است استفاده میکنند و همچنین به دنبال نشانگرهای ظریف هستند که ممکن است به فیزیک جدید اشاره کنند. تصاویر تلسکوپی از سایه سیاهچاله و ساختار تابشی اطراف آن، اکنون به یکی از ابزارهای مهم آزمایش گرانش تبدیل شده‌اند.
چرا سایهٔ سیاهچاله اهمیت دارد
وقتی تلسکوپ افق رویداد (EHT) نخستین تصویر از سیاهچاله در مرکز کهکشان M87 و سپس تصویر از Sagittarius A* در قلب راه شیری را منتشر کرد، نحوهٔ آزمایش گرانش برای اخترفیزیکدان‌ها دگرگون شد. این تصاویر خودِ سیاهچاله — یعنی تکینگی مرکزی — را نشان نمی‌دهند، زیرا آن بخشها پوشیده است، اما حلقهٔ درخشان پلاسمای داغ را که نور را حول افق رویداد خم می‌کند، آشکار می‌سازند. آن سیلوئت تاریک، یعنی «سایهٔ سیاهچاله»، نتیجهٔ مستقیم خمیدگی فضا-زمان است که توسط نسبیت عام پیش‌بینی میشود و همین نقطه اتصال مشاهده و نظریه است.
«آنچه در این تصاویر می‌بینیم خودِ سیاهچاله نیست، بلکه مادهٔ داغی است که در حوالی نزدیک آن قرار دارد»، می‌گوید پروفسور لوچیانو رزولا از دانشگاه گوته فرانکفورت؛ او از جمله تیم‌هایی است که روش‌هایی برای مقایسهٔ نظریه و مشاهده توسعه دادهاند. «تا زمانی که ماده هنوز در خارج از افق رویداد در حال چرخش است — پیش از اینکه ناگزیر به درون کشیده شود — میتواند سیگنال‌های نوری نهایی تولید کند که از نظر نظری قابل آشکارسازی هستند.»
از آنجا که اندازه و شکل سایه توسط نحوهٔ خم شدن نور تحت تأثیر گرانش تعیین میشود، نظریههای مختلف گرانش میتوانند سایه‌هایی با اختلافات ظریف تولید کنند. اگر بتوانیم این تفاوت‌ها را با دقت بالا اندازهگیری کنیم، می‌توانیم از سیاه‌چاله‌ها به عنوان آزمایشگاه‌هایی برای تأیید یا رد نظریهٔ اینشتین استفاده کنیم و یا به آشکارسازی انحرافاتی منجر شویم که راه را به سوی فیزیک جدید باز می‌کند. بررسی دقیق سایهٔ سیاهچاله و الگوهای تابشی اطرافش میتواند نشانگرهایی از بازتاب اثرات احتمالی نظریههای جایگزین گرانش، اثرات کوانتومی یا اصلاحاتی در هندسهٔ فضا-زمان باشد.
شبیه‌سازی سایه‌ها: چگونه دانشمندان نظریههای رقیب را آزمایش میکنند
برای آزمایش گرانش در مقیاس سیاهچاله دو جزء لازم است: مشاهدات با وفاداری بالا و مدلهای نظری مفصل. رزولا و همکارانش، در همکاری با پژوهشگرانی از Tsung-Dao Lee Institute در شانگهای، چارچوبی نظام‌مند ساخته‌اند تا تصاویر مصنوعی سیاه‌چاله‌ای که توسط انواع مختلف مدلهای گرانشی پیش‌بینی می‌شوند را در برابر آنچه تلسکوپ‌ها میتوانند اندازهگیری کنند، مقایسه کنند. این چارچوب شامل شبیه‌سازی‌های دینامیک پلاسمای مغناطیسی در نسبیت عام و تبدیل خروجی به تصاویر رادیویی مصنوعی است تا ارتباط محکمی بین نظریه و سیگنال قابل رصد برقرار شود.
در وضوح فعلی تلسکوپ‌ها، سیاه‌چاله‌هایی که توسط نظریههای مختلف گرانش پیش‌بینی می‌شوند، هنوز شباهت زیادی دارند. تلسکوپهای آینده تفاوت‌ها را واضح‌تر خواهند کرد و امکان تمایز بین سیاه‌چاله‌های نسبیتی اینشتین و دیگر گونه‌ها را فراهم میکنند. اعتبار تصویر: لوچیانو رزولا/دانشگاه گوته
تیم از شبیه‌سازی‌های سهبعدی مغناطو-هیدرودینامیک نسبیتی عمومی (GRMHD) برای مدل‌سازی رفتار پلاسمای داغ و میدانهای مغناطیسی در فضا-زمان خمیده استفاده می‌کند. این شبیهسازیها تصاویر رادیویی مصنوعی‌ای از گاز داغ اطراف سیاهچاله تولید میکنند — دقیقاً مشابه آنچه یک تلسکوپ آینده میتواند ببیند. با تغییر نظریهٔ گرانشی پایه در شبیه‌سازی، آن‌ها کتابخانه‌ای از سایه‌ها و الگوهای انتشار تولید میکنند که طیف گسترده‌ای از پیش‌بینی‌ها را پوشش می‌دهد.
«پرسش مرکزی این بود: تصاویر سیاهچاله در نظریههای مختلف تا چه حد با هم تفاوت دارند؟» می‌پرسد آکیل یونیال، نویسندهٔ اصلی از مؤسسهٔ Tsung-Dao Lee. کار آن‌ها که در Nature Astronomy منتشر شده است، آن تفاوت‌ها را به معیارهای قابل مشاهده تبدیل می‌کند: اندازهٔ شعاع سایه، نامتقارنی در حلقهٔ درخشان و جابه‌جایی‌های ظریف در مورفولوژی تابش هر یک میتواند نشان دهد کدام مدل‌ها همچنان پا بر جا هستند و کدام‌یک باید کنار گذاشته شوند. این معیارهای کمی شامل اندازه‌گیری‌های آماری و روش‌های تصویربرداری بازسازی‌شده از دادههای VLBI نیز میشود تا تفکیک‌پذیری اختلافات افزایش یابد.
چه گزینه‌هایی اکنون رد می‌شوند؟
- تصاویر فعلی EHT از هم‌اکنون برخی سناریوهای افراطی مانند singularityهای عریان (اجسامی بدون افق رویداد) و برخی مدلهای کرمچاله برای M87 و Sagittarius A* را کم‌احتمال جلوه میدهند، زیرا این موارد سایه‌هایی تولید میکنند که با مشاهدات به‌طور واضح ناسازگار است.
- با این حال، با عدم قطعیتهای اندازهگیری فعلی، تاکنون تنها جداییهای بسیار عجیب یا افراطی از نسبیت عام قابل حذف هستند.
به‌طور خلاصه: وضوح کنونی بسیاری از گزینه‌ها را زنده نگه داشته است. وعدهٔ کشف یا حذف طیف گسترده‌ای از نظریه‌ها با جهش بعدی در تیزبینی تصویربرداری همراه خواهد بود؛ جهشی که نیازمند بهبود در شبکهٔ تلسکوپ‌ها، حساسیت و روش‌های بازیابی تصویر است.
تلسکوپهای تیزتر، آزمون‌های قاطعتر
وضوح تصویر (رزولوشن) گلوگاه اصلی است. EHT مانند یک بشقاب رادیویی مجازی به اندازهٔ زمین کار می‌کند، با پیوند دادن رصدخانه‌های رادیویی گسترده دور از هم. این کار رزولوشن زاویهای بی‌سابقه‌ای به‌دست می‌دهد، اما آشکارسازی انحرافات بسیار کوچک از پیشبینیهای اینشتین نیازمند جزئیاتی بسیار ریزتر است — دقتی در حد دیدن یک سکه روی سطح ماه از زمین. دستیابی به چنین دقتی مستلزم توسعهٔ بیشتر شبکهٔ VLBI، افزایش حساسیت گیرنده‌ها و گسترش پایهٔ مجازی تا فراتر از قطر زمین است.
پژوهشگران برآورد میکنند که رزولوشن زاویهای بهتر از یک میلیونیمِ ثانیهٔ قوس برای تمییز سیستماتیک بسیاری از مدلهای جایگزین گرانش از نسبیت عام لازم است. این هدف فراتر از توان فعلی است اما در دسترس ارتقاءهای برنامه‌ریزی‌شده قرار دارد: افزودن بشقاب‌های رادیویی زمینی بیشتر به شبکهٔ EHT، بهبود پهنای باند و حساسیت، و احتمالاً قرار دادن تلسکوپهای رادیویی در فضا برای افزایش بسامد پایهٔ مجازی تا بسیار فراتر از قطر زمین.
با پیشرفت در رزولوشن و دامنهٔ دینامیکی، تفاوت‌ها بین سایه‌هایی که نظریههای متفاوت پیش‌بینی میکنند، برجسته‌تر میشود. این بدان معناست که مشاهدات آینده یا محدودیت‌ها را بر مدلهای جایگزین محکم‌تر خواهند کرد، یا ناسازگاری‌های کوچک اما تکرارشونده‌ای با معادلات اینشتین آشکار خواهند ساخت — کشفی که بنیادهای فیزیک را متحول می‌کند. همچنین ترکیب دادههای چند طول‌موجی (رادیو، فروسرخ، و حتی پرتو ایکس) میتواند اطلاعات بیشتری دربارهٔ پراکندگی، جذب و انتقال نور در نزدیکی افق رویداد فراهم آورد که به تحلیل سایه کمک می‌کند.
این برای فیزیک بنیادی چه معنایی دارد
نسبیت عام اینشتین بیش از یک قرن است که از هر آزمون تجربی سربلند بیرون آمده است، از پیرایش حضیض عطارد تا امواج گرانشی. سیاه‌چاله‌ها عرصه‌ای از شدت بی‌سابقه فراهم میکنند: جرم عظیم در حجم کوچک متمرکز شده و میدانهای گرانشی را به شرایطی می‌راند که در زمین قابل بازتولید نیست. یافتن انحراف قطعی از پیشبینیهای نسبیت عام باعث بازنگری نظری عمده خواهد شد و راه را به سوی نظریه‌ای وسیع‌تر می‌گشاید که در شرایط عادی به نسبیت عام تنزل یابد.
حتی رد کردن بسیاری از مدلهای جایگزین به خودیِ خود ارزشمند است. هر محدودیتی که اعمال میشود، منظرهٔ نظری را تنگ‌تر می‌کند و پژوهشگران را به سوی توصیف‌هایی هدایت می‌کند که بتوانند همگرا با مکانیک کوانتومی و گرانش باشند — هدف دیرینهٔ ساخت «نظریهٔ کوانتومی گرانش». به‌علاوه، دادههای دقیق از سایه‌ها و تابش‌های اطراف سیاهچاله میتوانند بینش‌هایی دربارهٔ رفتار میدانهای مغناطیسی در شرایط افراطی، مکانیزم‌های شتاب‌دهی ذرات و فرآیندهای همجوشی و انتشار در محیط‌های اطراف افق رویداد ارائه دهند.
دیدگاه کارشناسی
«سیاه‌چاله‌ها به ما اجازه میدهند آزمایش‌هایی را انجام دهیم که در هیچ آزمایشگاهی ممکن نیست»، می‌گوید دکتر مایا هررا، اخترفیزیکدان و مفسر علمی. «ترکیب شبیه‌سازی‌های واقع‌گرایانه و تصاویر هرچه تیزتر، منازعهٔ فلسفی را به علم تجربی تبدیل می‌کند. اگر نظریهٔ اینشتین در این آزمایش‌ها شکست بخورد، فصل جدیدی در فیزیک آغاز خواهد شد — و اگر پابرجا بماند، تأییدی عمیق بر توانایی نسبیت عام در توصیف جهان ما خواهد بود.»
نگاهی به آینده: تلسکوپ‌ها، جدول زمانی و انتظارات
ادغام بشقاب‌های رادیویی زمینی بیشتر، بهبود پهنای باند و پردازش داده‌ها، و ایدهٔ بلندپروازانهٔ آنتن رادیویی مبتنی بر فضا، مسیرهای اصلی دستیابی به رزولوشن لازم هستند. در عرض چند سال، ارتقاءهای تدریجی میتوانند به کاهش عدم‌قطعیت‌های فعلی کمک کنند؛ در عرض یک یا دو دهه، اخترشناسان امیدوارند به دقت زاویهای مورد نیاز برای اظهار نظر قاطع دربارهٔ نظریههای رقابتی گرانش دست یابند. این پیشرفت‌ها نه تنها به فناوری تلسکوپ مربوط می‌شوند بلکه به الگوریتم‌های بازسازی تصویر، روش‌های کالیبراسیون VLBI و تکنیک‌های حذف نویز و اثرات میان‌یابی بستگی دارند.
در همین حال، روش‌شناسی توسعه‌یافته توسط رزولا، یونیال و همکارانشان نقشهٔ راهی فراهم می‌آورد: ساخت معیارهای مقاوم و مستقل از مدل برای اندازه و مورفولوژی سایه؛ پیش بردن شبیهسازیها تا واقع‌گراترین رفتار پلاسمایی را منعکس کنند؛ و هدف‌گیری کمپین‌های رصدی‌ای که بیشترین توان تفکیک را بین نظریه‌ها ارائه میدهند. این رویکرد چندوجهی شامل آنالیز حساسیت، آزمون‌های تحمل‌پذیری پارامتری و ارزیابی سیستماتیک خطاها نیز میشود تا اطمینان حاصل شود که هر کشف یا محدودیتی از نظر آماری و فیزیکی معتبر است.
خطر و پاداشِ موضوع بسیار بالا است: در معرض بودن به کشفی که فلسفهٔ فیزیک را تغییر دهد یا تأییدی که نشان دهد نسبیت عام بازهم یکی از دقیق‌ترین توصیف‌های طبیعت است. نسل بعدی تصاویر سیاهچاله نه تنها جلوه‌های بصری خارق‌العاده‌ای خواهند داشت؛ بلکه ابزارهایی برای کاوش قوانین بنیادین حاکم بر عالم خواهند بود. ترکیب این مشاهدات با مشاهدات امواج گرانشی، آزمایش‌های اخترفیزیکی چندباندی و پیشرفت‌های نظری در جهت ادغام گرانش و مکانیک کوانتومی میتواند به پیشرفتی یکپارچه در فهم ما از فضا، زمان و گرانش بینجامد.
منبع: scitechdaily
نظرات
آرمین
خیلی روایتیه که بگیم تلسکوپ فضایی حلّال همه‌چیزه، هزینه و اولویت‌ها هم هستن، یه کم اغراق حس میشه.
لابکور
چارچوب شبیه‌سازی قوی به نظر میاد، ولی خیلی وابسته به مدل پلاسماییه. ترکیب با امواج گرانشی میتونه تکمیل‌کننده باشه.
توربوک
با رزولوشن فعلی، منطقیه فعلا نسبیت رو نگه داریم. اما بی‌صبرانه منتظر نسل بعدی تصویربرداری‌ام
کوینپایل
مطمئن نیستم؛ داده‌ها چقدر پاک و قابل اعتمادند؟ واقعا با همین تصاویر میشه گفت نظریه‌ها باطلن یا هنوز زودِ؟
رودایکس
وااای، یعنی احتمال داره نسبیت اینجا به چالش کشیده بشه؟ تصویرها واقعن هیجان‌انگیزن، قلبم تند زد!
ارسال نظر