بازتاب نور: رازگشایی سیاه‌چاله‌ها توسط اخترفیزیکدانان

توسعه تکنیک نوآورانه برای جستجوی اکوهای نوری سیاه‌چاله‌ها

یک تیم از اخترفیزیکدانان به رهبری محققان مؤسسه مطالعات پیشرفته، تکنیک نوآورانه‌ای برای جستجوی اکوهای نوری سیاه‌چاله‌ها توسعه داده‌اند. این روش جدید که اندازه‌گیری جرم و چرخش سیاه‌چاله‌ها را آسان‌تر می‌کند، گامی بزرگ به جلو محسوب می‌شود، زیرا به‌طور مستقل از بسیاری از روش‌های دیگری که دانشمندان در گذشته برای بررسی این پارامترها استفاده کرده‌اند، عمل می‌کند.

تحقیقات منتشر شده در مجله Letters of The Astrophysical Journal امروز، روشی را معرفی می‌کند که می‌تواند شواهد مستقیم از فوتون‌هایی که به دور سیاه‌چاله‌ها می‌چرخند، به دلیل پدیده‌ای به نام لنز گرانشی ارائه دهد. لنز گرانشی زمانی رخ می‌دهد که نور نزدیک یک سیاه‌چاله عبور کند و مسیر آن توسط میدان گرانشی قوی سیاه‌چاله خم شود. این پدیده باعث می‌شود نور از منبع به ناظر در زمین چندین مسیر را طی کند: برخی از پرتوهای نوری ممکن است مسیر مستقیمی را دنبال کنند، در حالی که دیگران ممکن است یک بار یا چندین بار به دور سیاه‌چاله بچرخند قبل از اینکه به ما برسند. این بدان معناست که نور از یک منبع واحد می‌تواند در زمان‌های مختلف به ما برسد و در نتیجه یک اکو ایجاد کند.

جورج ان. وونگ، نویسنده اصلی این مطالعه و عضو مؤسسه در مدرسه علوم طبیعی، می‌گوید: “اینکه نور به دور سیاه‌چاله‌ها می‌چرخد و اکوهایی ایجاد می‌کند، سال‌هاست که نظریه‌پردازی شده است، اما هنوز چنین اکوهایی اندازه‌گیری نشده‌اند.” او ادامه می‌دهد: “روش ما یک طرح کلی برای انجام این اندازه‌گیری‌ها ارائه می‌دهد که می‌تواند به‌طور بالقوه درک ما از فیزیک سیاه‌چاله‌ها را متحول کند.”

این تکنیک به ما اجازه می‌دهد تا امضای اکوهای ضعیف را از نور مستقیم قوی که توسط تلسکوپ‌های اینترفرومتریک معروف مانند تلسکوپ افق رویداد ثبت شده است، جدا کنیم. هم وونگ و هم یکی از همکارانش، لیا مادیروس، بازدیدکننده در مدرسه علوم طبیعی مؤسسه و پژوهشگر ناسا، به‌طور گسترده‌ای به عنوان بخشی از همکاری تلسکوپ افق رویداد کار کرده‌اند.

تست تکنیک جدید برای اندازه‌گیری خواص سیاه‌چاله‌ها

برای آزمایش تکنیک خود، وانگ و مادیروس به همراه جیمز استون، استاد دانشکده علوم طبیعی، و الخاندرو کاردناس-آوندانو، پژوهشگر فاینمن در آزمایشگاه ملی لاس آلاموس و پژوهشگر سابق دانشگاه پرینستون، شبیه‌سازی‌های با وضوح بالا انجام دادند که ده‌ها هزار “عکس فوری” از نور در حال حرکت در اطراف یک سیاه‌چاله فوق‌العاده بزرگ مشابه سیاه‌چاله‌ای که در مرکز کهکشان M87 (M87*) قرار دارد، گرفتند. این کهکشان حدود ۵۵ میلیون سال نوری از زمین فاصله دارد. با استفاده از این شبیه‌سازی‌ها، تیم نشان داد که روش آن‌ها می‌تواند به‌طور مستقیم دوره تأخیر پژواک را در داده‌های شبیه‌سازی شده استنباط کند. آن‌ها معتقدند که تکنیکشان می‌تواند به سیاه‌چاله‌های دیگر نیز اعمال شود، علاوه بر M87*.

مادیروس توضیح می‌دهد: “این روش نه تنها می‌تواند تأیید کند که نور در حال چرخش به دور یک سیاه‌چاله اندازه‌گیری شده است، بلکه ابزاری جدید برای اندازه‌گیری خواص بنیادی سیاه‌چاله فراهم می‌کند.” درک این خواص اهمیت زیادی دارد. وانگ می‌گوید: “سیاه‌چاله‌ها نقش قابل توجهی در شکل‌گیری و تکامل جهان ایفا می‌کنند. حتی اگر ما معمولاً بر روی کشش سیاه‌چاله‌ها تمرکز کنیم، آن‌ها همچنین مقادیر زیادی انرژی به اطراف خود پرتاب می‌کنند. آن‌ها در توسعه کهکشان‌ها نقش عمده‌ای دارند و بر نحوه، زمان و مکان تشکیل ستاره‌ها تأثیر می‌گذارند و به تعیین چگونگی تکامل ساختار کهکشان کمک می‌کنند. دانستن توزیع جرم و چرخش سیاه‌چاله‌ها و چگونگی تغییر این توزیع در طول زمان، درک ما از جهان را به طرز قابل توجهی افزایش می‌دهد.”

اندازه‌گیری جرم یا چرخش یک سیاه‌چاله کار دشواری است. وانگ اشاره می‌کند که ماهیت دیسک انباشت، یعنی ساختار چرخان گاز داغ و سایر مواد که به سمت یک سیاه‌چاله می‌چرخند، می‌تواند اندازه‌گیری را “گیج” کند. با این حال، پژواک‌های نوری اندازه‌گیری مستقلی از جرم و چرخش ارائه می‌دهند و داشتن چندین اندازه‌گیری به ما این امکان را می‌دهد که تخمینی از این پارامترها ارائه دهیم که “واقعاً می‌توانیم به آن اعتماد کنیم”، به گفته مادیروس.

شناسایی پژواک‌های نوری همچنین ممکن است به دانشمندان کمک کند تا نظریه‌های گرانش آلبرت اینشتین را بهتر آزمایش کنند. مادیروس اضافه می‌کند: “با استفاده از این تکنیک، ممکن است چیزهایی پیدا کنیم که ما را به فکر فرو ببرد ‘هی، این عجیب است!'” تحلیل چنین داده‌هایی می‌تواند به ما کمک کند تا تأیید کنیم که آیا سیاه‌چاله‌ها واقعاً با نسبیت عام سازگار هستند یا خیر.

نتایج تیم نشان می‌دهد که ممکن است بتوان پژواک‌ها را با یک جفت تلسکوپ — یکی در زمین و دیگری در فضا — که با هم کار می‌کنند، شناسایی کرد. این کار می‌تواند به عنوان “اینترفرومتری با پایه بسیار طولانی” توصیف شود. وانگ می‌گوید: “این مأموریت اینترفرومتریک تنها نیاز به ‘مدت زمان متوسط’ دارد.” تکنیک آن‌ها روشی قابل انجام و عملی برای جمع‌آوری اطلاعات مهم و قابل اعتماد درباره سیاه‌چاله‌ها فراهم می‌کند.