روز اول آوریل خبری روی وبسایت پروژه ایونت هورایزن قرار
گرفت که سر و صدای زیادی بین دوست‌داران علم به پا کرد. اولین تصویر از سیاهچاله
مرکزی راه‌شیری منتشر می‌شود! این خبر واقعا هم جذاب است .انتشار این تصویر و همین‌طور
تصویر سیاهچاله مرکزی کهکشان M87 می‌تواند
تحولات زیادی ایجاد کند. در حال حاضر این دو سیاهچاله تنها سیاه‌چاله‌هایی هستند
که می‌توانیم از آنها تصویربرداری کنیم. به هرحال فردا دهم آوریل طی شش کنفرانش
خبری همزمان که در شهرهای بروکسل، سانتیاگو، توکیو ،شانگهای، تایپه و واشنگتن
برگزار خواهد شد، اولین نتایج این پروژه منتشر خواهد شد. تابستان ۹۶ برای مجله
دانستنیها ترجمه‌ای درباره این پروژه ساختار و عملکرد آن انجام دادم که در شماره
۱۹۳ این مجله به چاپ رسید. این مطلب را اینجا قرار می‌دهم تا اگر به دانستن بیشتر
درباره این پروژه علاقه‌مند هستید، مطالعه کنید. برای مطالعه شرح و بسط بیشتر مطلب
و تصاویر مربوط به آن می‌توانید به شماره ۱۹۳ مجله دانستنیها مراجعه کنید.
آشکارسازی یک سیاهچاله کار سختی نیست، اما تصویربرداری از
آن غیرممکن است. از این رو دانشمندان تلسکوپ ایونت هورایزن (Event Horizon به‌معنای
افق رویداد)
را تهیه کردند تا نگاهی به این دنیای
ناشناخته بیندازند.
در آوریل امسال بیش از هزار دیسک سخت از ۷ رصد خانه واقع در
سه قاره‌ی مختلف به مرکز تحلیل داده در ایالات متحده‌ی آمریکا رفت. این دیسک‌ها
مأمور جابه‌جایی بیش از سه پتابایت (هزارمیلیون‌میلیون) داده هستند. این مقدار
بیشتر از حجمی است که شما برای ذخیره تمام فیلم‌های هالیوود احتیاج دارید، اما به‌سختی
برای تهیه یک تصویر تار از یکی از گریزپاترین ساختارهای موجود در عالم کافی است:
یک سیاهچاله. داده‌های لازم برای ثبت این عکس فوری کوچک از تلسکوپی تقریبا به‌اندازه
سیاره‌ی خودمان، تلسکوپ ایونت هورایزن که به‌اختصار EHT نامیده می‌شود به‌دست‌آمده است.
سیاه‌چاله‌ها به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند. سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای زمانی به وجود
می‌آیند که سوخت یک ستاره‌ی بسیار بزرگ به پایان می‌رسد و ستاره متورم می‌شود.
لایه‌های بیرونی آن منفجر شده و ستاره تحت وزن خودش در خودش فرومی‌ریزد. این اتفاق
تا جایی ادامه می‌یابد که حجم این جسم به صفر می‌رسد و یک تکینگی در فضا زمان
ایجاد می‌کند. از آنجایی که ستاره‌ها بخش زیادی از جرم اولیه خود را بر اثر انفجار
از دست می‌دهند حتی بزرگ‌ترین ستاره‌ها نیز سیاه‌چاله‌های نسبتا کوچکی را ایجاد می‌کنند.
بزرگ‌ترین سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای که می‌شناسیم ۳۰ برابر
خورشید و کوچک‌ترین آنها بین ۴ تا ۱۰ برابر آن جرم دارند؛ اما دسته‌بندی دیگری از
سیاه‌چاله‌ها وجود دارد که سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم نامیده می‌شوند. هنوز بحث‌های
زیادی درباره‌ی چگونگی شکل‌گیری این سیاه‌چاله‌ها وجود دارد، اما بر اساس گفته‌های
پروفسور فیولویو ملیا (Fulvio Melia) از رصدخانه‌ی استوارد (Steward Observatory) دانشگاه آریزونا ممکن است آنها قدیمی‌تر باشند. او می‌گوید:
«سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم به زمان بیشتری برای رشد احتیاج دارند. بذر این سیاه‌چاله‌ها
احتمالا ۴۰۰ تا ۶۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ شکل گرفته است؛ اما برای اینکه سیاه‌چاله‌ها
به‌اندازه فعلی‌شان برسند باید در محل مناسبی قرار بگیرند که مقادیر زیادی گاز برای
به هم پیوستن و ادامه فرآیند رشد وجود داشته باشد یعنی؛ مرکز
کهکشان‌ها.»
این به این معنی است که سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم باید میلیون‌ها
برابر سنگین‌تر از سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای باشند. سیاهچاله ابرپرجرم قوس A* که در مرکز کهکشان راه‌شیری
قرارداد ۴ میلیون برابر خورشید جرم دارد.
باوجود این اندازه‌ی بسیار بزرگ هیچ‌کس نتوانسته است قوسA*
را به‌صورت مستقیم با تلسکوپ مشاهده کند، چرا که سیاه‌چاله‌ها
نامرئی هستند. آنها بر خلاف نامشان تابش بسیار عظیمی دارند. هیچ چیز از نمی‌تواند
از افق رویداد یک سیاهچاله فرار کند، اما ناحیه‌ی فراتر از شعاع افق رویداد می‌تواند
دیگ جوشان عظیمی از فعالیت باشد. چنانکه گاز و غبار به‌صورت مارپیچی به درون سیاهچاله
کشیده می‌شوند، ذرات به‌قدری شتاب می‌گیرند که سرعتشان به نزدیکی سرعت نور می‌رسد،
همین مسئله مقدار زیادی تابش ایجاد می‌کند.
پروفسور هنیو فالکه (Henio
Falcke) از دانشگاه
نایخمن (Nijmegen university) هلند معتقد است مقدار درخشش این
صفحه به‌طور مستقیم به مقدار ذراتی که درون سیاهچاله سقوط می‌کند
بستگی دارد. او می‌گوید: «اگر ذرات ورودی به سیاهچاله به‌اندازه یک خورشید بر سال
باشد، این جرم می‌تواند ۱۰۰۰ میلیاردمیلیاردمیلیارد گیگاوات تابش داشته باشد که
تقریبا ۲۰۰ برابر کل تابش راه‌شیری است. البته سیاه‌چاله‌ی مرکزی راه‌شیری تابش
بسیار کم‌تری دارد، تقریبا به‌اندازه‌ی ۱۰۰ برابر خورشید و بیشتر آن نیز اشعه‌ی X است.» دلیل این مسئله این است که
مقدار ماده بسیار اندکی در حال حاضر درون آن سقوط می‌کند. حقیقت این است که قوس A* بسیار کم‌توان‌تر
از آن است که به نظر باید باشد، این نشان می‌دهد یک سیاهچاله ابرپرجرم همیشه
سرآشپز آرام‌پز کهکشانی نیست، بلکه گاهی فقط می‌توانند روی منطقه دور و بر خود
تأثیر بگذارد. باید گفت قوس A* یک سیاهچاله
در حال گرسنگی کشیدن است. این سیاهچاله در فاصله ۲۶۰۰۰ سال نوری از ما قرار دارد.
در چنین فاصله‌ای حتی تلسکوپ ۳۰۵ متری آرسیبو در پورتوریکو نیز آن را به‌صورت یک
منبع نقطه‌ای انرژی مشاهده می‌کند. برای تهیه تصویری که جزئیات کافی برای مشاهده
افق رویداد در آن وجود داشته باشد شما احتیاج به استفاده از «تداخل سنجی خط پایه
بسیار طولانی» (Very Long Baseline Observatory) دارید. وی آل بی آی به‌وسیله
ترکیب داده‌های چندین تلسکوپ کار می‌کند. فوتون‌های فرودی به‌صورت ۰ و ۱های خوانا
برای رایانه درآمده و روی دیسک‌های سخت به‌صورت رونوشت مجازی ذخیره می‌شوند. سپس
ما داده‌های هریک از این تلسکوپ‌ها را بازخوانی و ترکیب کنیم و با حاصل این فعالیت
طوری برخورد کنیم که گویی از یک تلسکوپ بزرگ و منفرد به دست آمده است.
در این بین شکاف‌هایی وجود دارد، اما این به این معنا نیست
که در تصویر نیز شکاف داریم. بلکه به این معنا است که تصویرمان اندکی تار است،
مانند یک فایل JPEG بسیار فشرده. تلسکوپ ایونت هورایزن مجموعه‌ای از تلسکوپ‌ها
است که در سراسر جهان قرار گرفته‌اند. در سال ۲۰۰۷ این پروژه تنها در سه مکان
آریزونا، هاوایی و کالیفرنیا راه‌اندازی شده بود، بااین‌حال توانست ساختاری اطراف
قوس A* آشکار کند که با اندازه‌ی افق رویداد پیش‌بینی شده همخوانی داشت. سپس در هر
سال آنها رصدخانه‌های بیشتری را به این مجموعه اضافه کردند تا کیفیت تصویر به دست
آمده را افزایش دهند.
اگر به خاطر اثر لنزینگ گرانشی ناشی از گرانش عظیم سیاهچاله
نبود تلسکوپ ایونت هورایزن نیز نمی‌توانست قوس
A* را مشاهده کند. این اثر نور تابش شده از
پشت سیاهچاله را منحرف می‌کند و باعث ایجاد سایه‌ای از افق رویداد می‌شود که
اندازه‌ی آن از نگاه ما ۵ برابر خود افق رویداد است.
تلسکوپ ایونت هورایزن قطر این سایه را ۳۷ میکرو ثانیه قوسی
اندازه گرفته است. بااین‌حال تاکنون تعداد کافی تلسکوپ در این آرایه وجود نداشته
است که بتوانند داده‌های کافی برای تولید یک عکس دقیق را ذخیره کنند. آوریل امسال
ایونت هورایزن داده‌های بیش از ۵ شب ۷ تلسکوپ مختلف را ترکیب کرد تا عکسی باکیفیت
۲۰ میکروثانیه‌ی قوسی به‌دقت آورد. هر چند بر اساس گفته‌های پروفسور ملیا این به
مقدار اطلاعات به‌سختی برای انجام این کار کافی بود.
سه میلیون گیگابایت داده برای یک عکس ۸ پیکسلی زیاد به نظر
می‌رسد، اما این به خاطر دقت باورنکردنی است که هر تلسکوپ برای ضبط ضعیف‌ترین
سیگنال‌ها به‌کاربرده است. اریک اگول (Eric agol) پروفسور ستاره‌شناس دانشگاه واشنگتن می‌گوید: «امواج رادیویی بسامد بسیار
بالایی دارند، این به این معنا است که در یک محدوده‌ی زمانی خاص داده‌های زیادی
برای ضبط وجود دارد و حتی پس از فشرده‌سازی داده‌ها هنوز مقدار آنها بسیار زیاد
است. این مشابه نوشتن نت‌های یک آهنگ در مقابل ضبط کل آن آهنگ است.» او ادامه می‌دهد:
«یک تلسکوپ معمولی فقط فوتون‌ها را ثبت می‌کند. درحالی‌که
VLBI احتیاج به ثبت کل امواج رادیویی دارد.»
بر اساس گفته‌های پروفسور فالکه استفاده از روش‌های صفر و یک کردن داده‌ها باعث
افزایش حجم سریع آنها می‌شود. او می‌گوید: «ایونت هورایزن از نمونه‌برداری دو بیتی
استفاده می‌کند. هر سیستم وابسته به دامنه‌ی سیگنال به صفر، ۱، ۲ یا ۳ تبدیل می‌شود.
هر تلسکوپ در هر ثانیه ۸ میلیارد نمونه‌برداری در دو قطبش متفاوت انجام می‌دهد. در
هر شب هر تلسکوپ ۶ ساعت داده تولید می‌کند و ۷ تلسکوپ در ۶ نقطه مختلف جهان در این
پروژه شرکت دارند.»
علاوه بر قوس A* سیاه‌چاله‌ی ابرپرجرم دیگری نیز
در محدوده‌ی ETH قرار دارد. این سیاهچاله در مرکز کهکشان بیضوی M87 در صورت فلکی
سنبله قرارگرفته است. کهکشان M87 یکی از بزرگ‌ترین
کهکشان‌های عالم است و سیاه‌چاله‌ی مرکزی آن نیز ۱۵۰۰ برابر بزرگ‌تر از سیاه‌چاله‌ی
مرکزی کهکشان ماست. متأسفانه فاصله‌ی این سیاهچاله از ما ۲۰۰۰ برابر بیشتر است،
بنابراین از نگاه ما کمی کوچک تراز قوس A* به نظر می‌رسد. این دو سیاهچاله
تنها سیاه‌چاله‌های جهان شناخته شده هستند که فاصله و اندازه‌ی آنها به‌گونه‌ای
است که تصویر برداری را ممکن می‌کند.
با VLBI الگوریتمی پیچیده نیاز است تا داده‌ها به تصویر تبدیل شوند
پروژه‌ی ETH علاوه بر اینکه به آسمان صاف در تمام مکان‌هایی که رصد انجام می‌گیرد به‌طور
همزمان نیاز دارد با مسائل دیگری نیز روبه‌رو است. این پروژه باید با صدها
تحقیقات دیگر برای در اختیار داشتن تلسکوپ‌ها رقابت کند. رصدهای ماه آوریل داده‌های
جمع آوری شده از این سیاه‌چاله‌ها را در طول دو شب کامل ضبط کردند. ذخیره‌ی نتایج
رصدها احتیاج به هارددیسک‌های خاص با ظرفیت ۸ ترابایت دارد که با گاز هلیوم پر شده
است تا کمی فشار جوی را جبران کند.
یکی از مسئولان گروه در تبدیل داده‌ها به یک عکس قابل
استفاده دکتر پیر کریستین(Pierre Christian) از مرکز اخترفیزیک هاروارد اسمیت‌سونیان است. او می‌گوید: «با VLBI ستاره‌شناسان
نمی‌توانند یک تصویر از داده‌هایشان تهیه کنند. در واقع یک الگوریتم پیچیده نیاز
است تا داده‌ها به تصویر تبدیل شوند. سختی دیگر کار این است که طول موج انتخاب شده
برای این آزمایش به‌گونه‌ای است که اثرات جو می‌تواند مقدار زیادی نویز ایجاد کند.
یکی از اصلی‌ترین چالش‌های گروه ETH مبارزه با همین مشکلات است.»
شاید به نظر برسد که این مقدار کار برای عکسی باکیفیت پایین
زیاد است، اما واقعیت این است که داشتن تصویری از سایه‌ی افق رویداد سیاهچاله
ارزش بسیار زیادی دارد. در واقع این می‌تواند تأیید بصری نظریه‌ی نسبیت عام
اینشتین باشد. دکتر جافری بوئر (Geoffrey Bower) از موسسه‌ی دانشگاهی سینیکا می‌گوید: «نسبیت عام پیش‌بینی
می‌کند ما تصویری هلالی شکل خواهیم دید که شعاع آن را جرم سیاهچاله مشخص می‌کند؛
اما آنچه ما واقعا می‌بینیم تا اندازه‌ی زیادی به عملکرد گاز و نیز ذرات پر انرژی
که اطراف سیاهچاله هستند بستگی دارد. آیا این ذرات در حرکتی روان به درون سیاهچاله
می‌روند؟ آیا حرکت توده‌ای دارند؟ آیا ماده‌ای وجود دارد که با سرعتی نزدیک به‌سرعت
نور در حال دور شدن باشد؟ تمام این اتفاقات می‌توانند به‌صورت همزمان یا جداگانه
رخ دهند. همه‌ی این‌ها دلایلی هستند که نشان می‌دهند این آزمایش بسیار جذاب است.
ما اولین بار است که می‌توانیم نگاهی به چنین محیطی بیندازیم.»
گروه ETH نمی‌تواند تا پایان سال یا زودتر از آن تصویر پردازش‌شده‌ای را تهیه کند اما
پروفسور فالکه معتقد است اولین تصویر احتمالا ناامید کننده خواهد بود. او می‌گوید:
«سیاه‌چاله‌ی چرخانی که با سرعت اندکی می‌چرخد و زاویه اندکی نسبت به ما دارد باید
سایه‌ای شبیه به موز داشته باشد اما تصویر نهایی احتمالا شبیه یک بادام‌زمینی زشت
خواهد بود. به‌منظور بهبود بخشیدن این تصویر
ETH باید میانگین داده‌های چندین سال رصد و
نیز تلسکوپ‌های بیشتری را مورد استفاده قرار دهد. به‌طور مثال آفریقا هیچ تلسکوپ میلی‌متری
ندارد، اضافه کردن آن چیزی در حدود ۱۰ میلیون دلار خرج خواهد داشت اما در تبدیل
بادام‌زمینی به موز مؤثر خواهد بود.»
در سال‌های آینده تلسکوپ ایونت هورایزن با استفاده از رادیو
تلسکوپ‌هایی در مدار زمین ارتقا خواهد یافت، اما دانش اپتیک می‌گوید که همچنان فقط
همین دو سیاهچاله هستند که می‌توانیم از آنها تصویر برداری کنیم. این از ارزش
تلاش‌هایمان کم نخواهد کرد. پروفسور بوئر می‌گوید: «درک فیزیک یک سیاهچاله می‌تواند
به ما درباره‌ی فیزیک تمام آنها بگوید.»
