کشف انقلابی: روشی جدید برای دیدن پژواک‌های سیاه‌چاله‌ها!

ابداع یک روش نوین برای شکار پژواک‌های نوری سیاه‌چاله‌ها

گروهی از اختر‌فیزیکدان‌ها، که پژوهشگرانی از مؤسسه مطالعات پیشرفته هم در رهبری‌اشون نقش داشتن، یک تکنیک جالب و بی‌سابقه برای پیدا کردن پژواک‌های نوری سیاه‌چاله‌ها درست کردن. این روش جدید که اندازه‌گیری جرم و سرعت چرخش سیاه‌چاله‌ها رو راحت‌تر می‌کنه، یه قدم بزرگ رو به جلو به حساب میاد، چون خودش به تنهایی کار می‌کنه و به اندازه‌ی خیلی از روش‌های دیگه‌ای که دانشمندا قبلاً برای بررسی این ویژگی‌ها به کار می‌بردن، وابسته نیست.

تحقیقاتی که امروز در مجله Letters of The Astrophysical Journal چاپ شده، یه روشی رو معرفی می‌کنه که می‌تونه نشونه‌های مستقیمی از فوتون‌هایی که دور و بر سیاه‌چاله‌ها می‌چرخن رو نشون بده، اون هم به خاطر یه پدیده‌ای که بهش میگن همگرایی گرانشی. همگرایی گرانشی وقتی اتفاق می‌افته که نور نزدیک یه سیاه‌چاله رد بشه و مسیرش بر اثر نیروی گرانش شدید سیاه‌چاله خم بشه. این اتفاق باعث میشه که نور از یه منبع واحد، چند مسیری رو تا ناظر روی زمین طی کنه: بعضی از پرتوهای نور شاید مستقیم برن، اما بقیه ممکنه یه بار یا چند بار دور سیاه‌چاله بچرخن تا به ما برسن. این یعنی نور از یه منبع واحد می‌تونه تو زمان‌های مختلف به ما برسه، و اینطوری یه پژواک ایجاد می‌شه.

جورج ان. وونگ، که نویسنده اصلی این مقاله و عضو مؤسسه در دانشکده علوم طبیعی هست، می‌گه: «اینکه نور دور سیاه‌چاله‌ها بچرخه و پژواک ایجاد کنه، سالهاست که فقط در حد نظریه بوده، اما تا حالا هیچ‌وقت این پژواک‌ها اندازه‌گیری نشده بودن.» اون ادامه میده: «روش ما یه طرح کلی برای انجام این اندازه‌گیری‌ها ارائه می‌ده که می‌تونه درک ما از فیزیک سیاه‌چاله‌ها رو به طور بالقوه دگرگون کنه.»

این تکنیک به ما کمک می‌کنه تا نشانه‌های ضعیف پژواک‌ها رو از نور مستقیم و قوی که تلسکوپ‌های تداخل‌سنجی معروف مثل تلسکوپ افق رویداد ثبت می‌کنن، جدا کنیم. هم وونگ و هم یکی از همکاراش، لیا مادیروس، که مهمان دانشکده علوم طبیعی مؤسسه و پژوهشگر ناساست، به طور گسترده‌ای به عنوان بخشی از همکاری تلسکوپ افق رویداد فعالیت کردن.

آزمایش روش جدید برای اندازه‌گیری ویژگی‌های سیاه‌چاله‌ها

برای امتحان کردن روششون، وانگ و مادیروس همراه با جیمز استون، استاد دانشکده علوم طبیعی، و الخاندرو کاردناس-آوندانو، پژوهشگر فاینمن در آزمایشگاه ملی لس آلاموس و دانشمند سابق دانشگاه پرینستون، یه سری شبیه‌سازی‌های با کیفیت بالا انجام دادن که ده‌ها هزار «عکس فوری» از نور در حال حرکت در اطراف یه سیاه‌چاله خیلی بزرگ، مشابه سیاه‌چاله‌ای که تو مرکز کهکشان M87 (M87*) قرار داره، گرفتن. این کهکشان حدود ۵۵ میلیون سال نوری با زمین فاصله داره. تیم با استفاده از این شبیه‌سازی‌ها نشون دادن که روششون می‌تونه به طور مستقیم مدت زمان تاخیر پژواک رو توی داده‌های شبیه‌سازی شده، محاسبه کنه. اونا معتقدن که تکنیک‌شون رو می‌شه برای سیاه‌چاله‌های دیگه هم استفاده کرد، نه فقط M87*.

مادیروس توضیح می‌ده: «این روش نه تنها می‌تونه تایید کنه که نور داره دور یه سیاه‌چاله اندازه‌گیری شده می‌چرخه، بلکه یه ابزار جدید برای اندازه‌گیری ویژگی‌های بنیادی سیاه‌چاله هم فراهم می‌کنه.» فهمیدن این ویژگی‌ها خیلی مهمه. وانگ می‌گه: «سیاه‌چاله‌ها نقش خیلی مهمی توی شکل‌گیری و تکامل جهان دارن. حتی اگه ما معمولاً به کشش سیاه‌چاله‌ها توجه کنیم، اونا مقدار زیادی انرژی هم به اطرافشون پرتاب می‌کنن. اونا توی توسعه کهکشان‌ها نقش اساسی دارن و روی چگونگی، زمان و مکان شکل‌گیری ستاره‌ها تاثیر می‌ذارن و به تعیین اینکه ساختار کهکشان چطوری تکامل پیدا می‌کنه، کمک می‌کنن. دونستن توزیع جرم و چرخش سیاه‌چاله‌ها و اینکه این توزیع چطوری با گذشت زمان تغییر می‌کنه، درک ما از جهان رو به شکل قابل توجهی افزایش می‌ده.»

اندازه‌گیری جرم یا سرعت چرخش یه سیاه‌چاله کار سختیه. وانگ اشاره می‌کنه که ماهیت قرص برافزایشی، یعنی ساختار چرخشی از گاز داغ و بقیه‌ی مواد که به سمت یه سیاه‌چاله می‌چرخن، می‌تونه اندازه‌گیری رو «گیج‌کننده» کنه. اما پژواک‌های نوری اندازه‌گیری‌های مستقلی از جرم و چرخش ارائه می‌دن و داشتن چند اندازه‌گیری، این امکان رو به ما می‌ده که یه تخمینی از این ویژگی‌ها به دست بیاریم که «واقعاً می‌تونیم بهش اعتماد کنیم» به‌قول مادیروس.

تشخیص پژواک‌های نوری می‌تونه به دانشمندا کمک کنه تا نظریه‌های گرانش آلبرت اینشتین رو بهتر امتحان کنن. مادیروس اضافه می‌کنه: «با استفاده از این تکنیک، ممکنه چیزهایی پیدا کنیم که ما رو به فکر بندازه که «هی، این عجیبه!» تحلیل این داده‌ها می‌تونه به ما کمک کنه تا تایید کنیم که آیا سیاه‌چاله‌ها واقعاً با نسبیت عام مطابقت دارن یا نه.»

نتایج تیم نشون می‌ده که شاید بشه پژواک‌ها رو با یه جفت تلسکوپ—یکی روی زمین و دیگری در فضا—که با هم کار می‌کنن، شناسایی کرد. این رو می‌شه به عنوان «تداخل‌سنجی با پایه‌ی خیلی بلند» توصیف کرد. وانگ می‌گه: «این مأموریت تداخل‌سنجی فقط به یه ‘مدت زمان متوسط’ نیاز داره.» روششون یه راه عملی و شدنی برای جمع‌آوری اطلاعات مهم و قابل اعتماد درباره سیاه‌چاله‌ها فراهم می‌کنه.