اولین دیدار با سیاهچاله
- زمان : ۱۳۹۸/۳/۶، ۱۷:۵۳
- نمایش : ۱٬۲۳۲ دفعه
- موضوع : مجله کافه آسترو شماره ۲۲
روز چهارشنبه 21 فروردین، خبری مبنی بر انتشار اولین تصویر واقعی از یک سیاهچاله توسط کیهان‌شناسان منتشر شد. این خبری بزرگ برای جوامع علمی، نجومی و همه علاقه‌مندان به کیهان بود. اهمیت این خبر بیش از آن‌که فقط در اولین ملاقات ما با دنیای سیاهچاله‌ها باشد، در این بود که بار دیگر صحت و دقت مدل‌های محاسباتی ما از عالم اثبات شد.
کیتی بومن در کنار هارد دیسک های حامل داده های سیاهچاله
در زمان انتشار تصویر سیاهچاله، یکی از دانشمندان تلسکوپ افق رویداد عکسی از همکارش، دکتر کِیتی بومِن منتشر کرد. در این عکس او پشت 8 ستون فلزی ایستاده بود که هرکدام از آنها شامل 8 عدد حافظه سخت‌افزاری با ظرفیت 80 ترابایت می‌شدند. این ستون‌های فلزی در مجموع بیش از 5000 ترابایت داده تلسکوپ‌های رادیویی از سیاهچاله را در خود جای داده بودند. چیزی که هنوز شرکت‌های سازنده درایورها به تکنولوژی آن دست نیافته‌اند!
اما این عکس مانند بسیاری از تصاویر علمی حاصل یک عکاسی ساده نیست.
سال 2006 پروژه‌‌ی بین‌المللی تلسکوپ افق رویداد (Event Horizon Telescope) با هدف تصویربرداری از سیاهچاله‌ها، با همکاری بیش از 200 دانشمند از 40 کشور جهان و 8 مجموعه تلسکوپ رادیویی غول‌پیکر در سراسر دنیا آغاز به کار کرد. اولین هدف تصویربرداری این پروژه، سیاهچاله مستقر در مرکز کهکشان راه شیری بود که با هدایت دکتر آندریا گز (Andrea Ghez) به انجام شد. برای این‌کار، رفتار ستاره‌ها در نزدیکی سیاهچاله را بررسی کردند و در این نقطه شاهد رفتار عجیبی از آنها بودند. رصدها نشان می‌داد که ستاره‌ها در جایی از مدار چرخششان حول مرکز کهکشان، ناگهان شتاب می‌گیرند و به سرعت بیش از 5000 هزار کیلومتر بر ثانیه می‌رسند! این عملکرد آنها نشانه حضور یک جرم چگال و بسیار سنگین در آن ناحیه بود که ستاره‌ها تحت گرانش شدید آن شتاب می‌گیرند.
دلیل انتخاب رصد غیرمستقیم سیاهچاله‌ها این است که امواج الکترومغناطیسی، از جمله نور، توان گریز از میدان گرانشی آنها را ندارند. بنابراین ما با هیچ کدام از ابزارهای رصدی و آشکارسازی خود توان مشاهده مستقیم یک سیاهچاله را نداریم. این خصوصیت آنها باعث می‌شود تنها از طریق رصد رفتار اجرام قابل مشاهده حول یک سیاهچاله پی به حضورشان در نقطه‌ای از کیهان ببریم. البته تلاش‌هایی مانند شبیه‌سازی‌های کامپیوتری بر پایه ریاضیات، رصد امواج گرانشی در لایگو و عکسی که موضوع این مقاله است، کمکی برای درک و شناخت بیشتر نسبت به این اجرام مرموز کیهانی هستند.
اما اولین عکس واقعی از یک سیاهچاله چگونه ثبت شد؟
تیم تلسکوپ افق رویداد دو نامزد برای شکار داشت. سیاهچاله مرکز کهکشان راه‌شیری که منجمین آنرا با نام قوس A* می‌شناسند و ابرسیاهچاله‌ی ساکن مرکز کهکشان مسیه 87. این گروه در سال 2017 به سراغ این کهکشان‌ها رفتند و به مدت یک هفته تلاش کردند سیاهچاله‌ها را به دام بیاندازند و پس از آن دو سال به تحلیل و پردازش داده‌های ثبت شده پرداختند.
رصدها همگی در طول موج رادیویی انجام شد. در این پروژه تلسکوپ‌های رادیویی ALMA، SMT، LMT، SMA، JCMT، APEX، SPT و IRAM مامور تهیه داده‌های اولیه برای ثبت عکس بودند.
محل استقرار تلسکوپ‌های افق رویداد
کسانی که با تلسکوپ کار کرده‌اند و با نجوم رصدی آشنا هستند می‌دانند که توان تفکیک، یکی از عوامل مهم در معرفی یک تلسکوپ است. توان تفکیک همان توانایی تلسکوپ در آشکار کردن جزئیات است. به بیان علمی‌تر قدرت یک تلسکوپ در اندازه‌گیری جدایی زاویه‌ای دو جسم بسیار نزدیک به هم را توان تفکیک آن می‌گویند. از طرفی توان تفکیک با نسبت طول موج دریافتی بر اندازه دهانه تلسکوپ رابطه مستقیم دارد. بنابراین برای رصد یک جرم کیهانی کم فروغ و کوچک نیازمند ابزار رصدی با دهانه بسیار بزرگ هستیم. البته این اصل در هر کدام از رصدخانه‌های درگیر پروژه مورد استفاده قرار گرفته است. مثلا رصدخانه ALMA در صحرای آتاکامای شیلی که لقب بزرگترین تلسکوپ رادیویی جهان را به یدک می‌کشد به تنهایی 66 عدد آنتن رادیویی 12 متری دارد که قادر است تلسکوپی با شعاع 16 کیلومتر ایجاد کند!
آرایه تلسکوپ رادیویی آلما. عکاس: Carlos Padilla
غول‌پیکر بودن سیاهچاله مرکزی کهکشان M87 بر ما پوشیده نیست، اما فاصله 54 میلیون سال نوری بین ما و این سیاهچاله باعث می‌شود برای تفکیک آن نیاز به تلسکوپی بسیار عظیم داشته باشیم. به بیان دقیق‌تر برای تهیه این عکس سیاهچاله به تلسکوپی معادل ابعاد سیاره زمین نیاز داریم!
ساخت رصدخانه رادیویی در چنین ابعادی امری غیرممکن به نظر می‌آید. اما به کمک تکنولوژی و تکنیک‌های رصدی می‌توانیم رصدخانه‌ای بسازیم که تا حد قابل قبولی معادل تلسکوپی به اندازه زمین باشد. به این روش تداخل سنجی می‌گویند و به کمک تعدادی رصدخانه پراکنده در سراسر جهان می‌توانیم آرایه‌ای به بزرگی ابعاد سیاره‌مان بسازیم. هر تلسکوپ در نقطه‌ای از زمین تکه‌ای از یک پازل بزرگ را تهیه می‌کنند و در نهایت به کمک روش‌های کامپیوتری قطعات پازل کنار هم قرار می‌گیرند و تصویر نهایی از سیاهچاله آشکار می‌شود. این ساده‌ترین توضیح برای نحوه کار این پروژه است.
در نهایت بیش از 5 میلیون گیگابایت داده به دو مرکز پردازش ابررایانه‌ای واقع در مرکز مطالعات نجوم رادیویی در موسسه ماکس پلانک آلمان و موسسه فناوری ماساچوست امریکا ارسال شد تا توسط الگوریتمی بی‌نظیر تحلیل شوند و تصویری در ظاهر ساده از یک سیاهچاله به نمایش درآید.
مسئولیت این کار بر عهده دکتر کِیتی بومِن (Katie Bouman)، دانشجوی دکتری دانشگاه MIT بود تا با در نظر داشتن تمام چالش‌ها، الگوریتمی طراحی و اجرا کند که واقعی‌ترین عکس از سیاهچاله را نمایان می‌کند.
اما چالش اصلی این بود که تمامی مراحل الگوریتم برای تحلیل، پردازش و ساخت تصویر نهایی سیاهچاله باید بدون در نظر داشتن پیش‌فرض‌های محاسباتی و شبیه‌سازی‌هایی که تا کنون انجام شده، صورت می‌گرفت. طبق گفته دکتر بومن در سخنرانی TED؛ اگر الگوریتمی برای تشخیص چهره انسان طراحی کنیم، از آنجا که ما همه چیز را درباره چهره انسان می‌دانیم و آن را دیده‌ایم، می‌توانیم با استفاده از الگوی یک چهره این کار را با اطمینان انجام دهیم. اما درباره سیاهچاله‌های مرموز که تاکنون آنها ندیده‌ایم و تنها دانسته‌هایمان بر اساس نظریات و معادلات ریاضی وجود دارد و داستان متفاوت است. چراکه ممکن است تصویر نهایی آن چیزی باشد که به پیش‌فرض‌ها و شبیه‌سازی‌ها خیلی نزدیک است، اما واقعیت آن چیزی نباشد که انیشتین در نظریه نسبیت به آن معتقد بود و تصویری که انتظار داریم با آنچه هست متفاوت باشد.
تیم دکتر بومن به این چالش با موفقیت پاسخ داد و در طول 2 سال آنالیز و با قرار دادن داده‌های مختلف در الگوریتم، به این سوال پاسخ دادند که آیا فرض‌ها در تصویر نهایی نقش دارد یا نه.
در این عکس چه می‌بینیم؟
تصویری که مشاهده می‌کنید، یک سیاهچاله فعال با جرم معادل 6.5 میلیارد برابر جرم خورشید که در مرکز کهکشان M87 در فاصله 54 میلیون سال نوری از ما قرار گرفته است.
جِت بسیار عظیم از سیاهچاله کهکشان M87 که نشان از فعال بودن این سیاهچاله دارد. تصویر: تلسکوپ فضایی هابل
آیا خود سیاهچاله هم در عکس دیده می‌شود؟
برخلاف تصور عموم مردم در نگاه اول، حفره سیاه وسط تصویر خود سیاهچاله نیست. بلکه تاثیر گرانش آن است که به آن «سایه سیاهچاله» می‌گویند. قطر این حفره 40 میلیارد کیلومتر است. در منظومه‌شمسی فاصله خورشید تا آخرین سیاره یعنی نپتون، 5 میلیارد کیلومتر و فاصله ما تا دورترین کاوشگر فضایی، وویجر، 19 میلیارد کیلومتر است. اگر این عدد را با قطر سایه مقایسه کنیم متوجه عظمت آن می‌شویم.
چرا از سیاهچاله کهکشان راه‌شیری عکسی منتشر نشد؟
نکته جالب دیگر درباره این پروژه دلیل منتشر نشدن تصویر از سیاهچاله کهکشان راه‌شیری است. به قول دکتر لیا مِدیروس، یکی از دانشمندان این پروژه در دانشگاه آریزونا، سیاهچاله مرکز راه‌شیری 1000 برابر کوچک‌تر و 1000 برابر فعال‌تر از سیاهچاله M87 است. تغییرات بسیار زیاد و سریع این سیاهچاله، علی‌رغم اینکه جرم آن حدود 4 میلیون برابر جرم خورشید است، باعث دشوار شدن عکاسی از آن شده است. اما در ادامه پروژه تلسکوپ افق رویداد، تصویربرداری از سیاهچاله کهکشان ما در دستور کار قرار گرفته است.
در پایان باید گفت که اهمیت کار تیمی در علم بر ما پوشیده نیست. می‌بینیم که با سهیم شدن و همکاری 40 کشور و بیش از 200 دانشمند از سراسر جهان توانستیم راز یکی از فعال‌ترین سیاهچاله‌های کیهان را برملا کنیم. حال تصور کنید با مشارکت دانشمندان و متخصصین بیشتر، حتی از کشور‌های جهان سومی، چه رازهایی از دل کیهان با شکوه فاش خواهد شد.
منابع:
همه نظرها (۰)