عکس سه میلیون دلاری

این تصویر یک سیاه‌چاله ابرپرجرم را در مرکز کهکشان «مسیه ۸۷» (Messier ۸۷) نشان می‌دهد که چیزی در حدود ۱۷ پارسک (۵۵ میلیون سال نور) با زمین فاصله دارد. حلقه‌ای از آتش افق رویداد سیاه‌چاله را احاطه کرده است، جایی که مرز بی‌بازگشت سیاه‌چاله است، جایی که فراسوی آن کشش گرانشی به حدی قدرتمند است که حتی نور هم نمی‌تواند از چنگالش بگریزد.

آوریل گذشته وقتی تیم «تلسکوپ افق رویداد» (EHT) از نخستین تصویر مستقیم یک سیاه‌چاله رونمایی کرد بشر را به قلب تاریکی برد. اکنون این شاهکار آنها به عنوان یکی از ۶ برنده «جایزه سدشکنی» (Breakthrough Prize) امسال برگزیده شد، پاداشی ۳ میلیون دلاری که گران‌ترین جایزه در حوزه علوم و ریاضیات است.

این تصویر یک سیاه‌چاله ابرپرجرم را در مرکز کهکشان «مسیه ۸۷» (Messier ۸۷) نشان می‌دهد که چیزی در حدود ۱۷ پارسک (۵۵ میلیون سال نور) با زمین فاصله دارد. حلقه‌ای از آتش افق رویداد سیاه‌چاله را احاطه کرده است، جایی که مرز بی‌بازگشت سیاه‌چاله است، جایی که فراسوی آن کشش گرانشی به حدی قدرتمند است که حتی نور هم نمی‌تواند از چنگالش بگریزد. نوری که در این حلقه تابناک مشاهده می‌شود، توسط ماده داغی تولید شده که دارد از افق رویداد عبور می‌کند و به قلب سیاهی می‌رود. شبح دایره‌شکلی که توسط این حلقه آتش احاطه شده، در واقع نمایانگر خود سیاه‌چاله است.

به گفته شپ دوئلمن (S.Doeleman)، مدیر تلسکوپ افق رویداد و اخترفیزیک‌دان دانشگاه هاروارد، «دو دهه پیش، ما دست به کار مشاهده مشاهده‌ناپذیر شدیم و سرانجام پاداش کارمان را به تماشایی‌ترین شکل ممکن گرفتیم. دریافت این جایزه حس شگفت‌انگیزی دارد.» کیتی مک (K.Mack)، اخترفیزیک‌دان دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی که عضو همکاری پژوهشی تلسکوپ افق رویداد نیست، در این باره می‌گوید: «این نخستین بار بود که این اجرام کرانی به‌راستی عجیب را با چشم خودمان دیدیم. واقعا فوق‌العاده است.»

این تصویر محصول یک کوشش هماهنگ بسیار گسترده بود. تیم تلسکوپ افق رویداد برای گرفتن عکس سیاه‌چاله، رصدهای همزمانی را با ۸ تلسکوپ در نقاط مختلف جهان انجام داد. تمام تلسکوپ‌ها توسط ساعت‌های اتمی و با دقتی بهتر از یک ثانیه در هر ۱۰۰ میلیون سال همگام شده بودند.

پژوهشگران این همکاری بین‌المللی با هماهنگ کردن تلسکوپ‌ها با چنین دقتی در واقع موفق شدند عملاً تلسکوپی به پهنای زمین بسازند، تلسکوپی که قدرت کافی برای عکس گرفتن از سیاه‌چاله را داشته باشد. دوئلمن به یاد می‌آورد که این همکاری در روزهای آغازین تا چه اندازه دشوار و طاقت‌فرسا بود: «پای تلسکوپ‌ها می‌رفتیم و ساعت‌ها کوشش می‌کردیم و گاهی دست خالی برمی‌گشتیم.»

جایزه سدشکنی ۲۰۲۰ در فیزیک بنیادی به تیم تلسکوپ افق رویداد تعلق گرفته است و در نتیجه پاداش ۳ میلیون دلاری آن میان ۳۴۷ عضو این همکاری بین‌المللی به نسبت مساوی تقسیم می‌شود. این جایزه در مراسمی که سوم نوامبر امسال در مرکز پژوهشی ایمز ناسا برگزار می‌شود به برندگان اعطا خواهد شد.

چشم سایرون

این حلقه نامتوازن نور به دور دایره‌ای سیاه در اعماق کهکشانی دوردست یادآور «چشم سائورون» است، نمادی از قدرت و بدسگالی طبیعت. این حلقه آتشی است که گرداگرد دروازه‌ای یک‌طرفه به سوی ابدیت نقش بسته است. اخترشناسان برای گرفتن این عکس، به پهنه فضای میان‌کهکشانی دست انداختند تا به مسیه ۸۷ برسند، کهکشانی غول‌پیکر در صورت فلکی «سنبله» (Virgo). آنجا، سیاه‌چاله‌ای چند میلیارد بار پرجرم‌تر از خورشید دارد فواره سهمگینی از انرژی را تا امتداد ۵ هزار سال نوری در فضا پرتاب می‌کند.

فضای میان‌ستاره‌ای مملؤ از ذرات بارداری مانند الکترون و پروتون است که امواج رادیویی ساطع‌شده از سیاه‌چاله را متفرق می‌کنند و باعث تیره‌وتار شدن جزئیات منبع تابش می‌شوند. به گفته دوئلمن «انگار دارید از پشت یک شیشه یخ‌زده نگاه می‌کنید.» اخترشناسان برای نفوذ در این فضای مه‌آلود و دستیابی به عمق سایه‌های سیاه‌چاله باید تلسکوپ رادیویی‌شان را روی طول‌موج‌های کوتاه‌تری تنظیم می‌کردند و برای این کار به تلسکوپ بزرگ‌تری نیاز داشتند. هرچه آنتن رادیویی بزرگ‌تر باشد وضوح و درشت‌نمایی بیشتری خواهد داشت.

اخترشناسان محاسبه کردند که برای آنکه عملاً بتوانند جزئیات صفحه افق رویداد را معلوم کنند، به تلسکوپی به بزرگی زمین نیاز خواهند داشت که اساساً ناممکن بود. خوشبختانه، تکنیکی موسوم به «تداخل‌سنجی» (Interferometry) مشکل را حل کرد. با این تکنیک می‌توان به جای یک تلسکوپ غول‌آسا از چندین تلسکوپ استفاده کرد که در فواصل دور از هم مستقرند و هم‌زمان به یک هدف چشم می‌دوزند. در واقع تلسکوپ‌ها در چنین شبکه‌ای به شکل قطعات یک بشقاب رادیویی بسیار بزرگ عمل می‌کنند.

گروه‌های گوناگونی از سرتاسر جهان تکنیک‌های‌شان را تصحیح کردند و برخی از شاخص‌ترین رصدخانه‌های موجود طوری بهینه‌سازی شدند که بتوانند در قالب یک شبکه هماهنگ عمل کنند. یکی از مهم‌ترین گروه‌ها، گروهی بود که به سرپرستی دوئلمن تلسکوپ ۱۰ متری قطب جنوب و همچنین رصدخانه عظیم ۴/۱ میلیارد دلاری موسوم به «آرایه بزرگ میلی‌متر/زیرمیلی‌متر آتاکاما» (ALMA) در شیلی را برای این ماموریت آماده کرد.

تلسکوپی به پهنای زمین

در سال ۲۰۱۴ دوئلمن، هاینو فالک (H.Falcke)، اخترفیزیک‌دان دانشگاه ردبود در نایمخن، و گروهی از سرتاسر جهان دست به دست هم دادند تا همکاری «تلسکوپ افق رویداد» شکل بگیرد. این گروه از پژوهشگران نخستین کمپین رصد به پهنای زمین را در سال ۲۰۱۷ اجرا کردند. آنها در خلال یک پنجره زمانی دوهفته‌ای در ماه آوریل که شرایط جوی به طور همزمان برای موقعیت تمام رصدخانه‌های درگیر مساعد بود، دو سیاه‌چاله مسیه ۸۷ و «کمان ای» (سیاه‌چاله مرکز کهکشان راه شیری) را رصد کردند. حجم داده‌های خام به‌دست‌آمده در مقیاس چند میلیون گیگابایت بود و امکان انتقال آنها از طریق اینترنت وجود نداشت، بنابراین روی هارددیسک‌های متعددی ذخیره شد. در ادامه هارددیسک‌ها پس از سفرهای دور و دراز هوایی، دریایی و جاده‌ای به موسسه اخترشناسی رادیویی ماکس پلانک در آلمان و رصدخانه هایستاک در موسسه فناوری ماساچوسست (MIT) تحویل داده شد. به گفته دوئلمن «داده‌های تلسکوپ قطب جنوب تا دسامبر ۲۰۱۷ به دست ما نرسید چون در زمستان قطب جنوب عملا هیچ چیز نمی‌تواند به آنجا برود یا از آنجا خارج شود.» در نهایت ۴ گروه مستقل از پژوهشگران کار سرهم‌کردن تصاویر از داده‌های خام را آغاز کردند. برای حفظ بی‌طرفی و رفع سوگیری، در تمام مدت پردازش داده‌ها این گروه‌ها هیچ تماسی با هم نداشتند.

داده‌هایی که هر یک از این رصدخانه‌های رادیویی جمع کرد، بیش از کل داده‌هایی بود که «برخورددهنده هادرونی بزرگ» (LHC) در طول یک سال تولید می‌کند. پردازش این داده‌ها و وصله کردن تصاویر به شکل یک تصویر کلی، فرایند طاقت‌فرسایی بود که ۲ سال طول کشید. پس از ترکیب داده‌های به‌دست‌آمده از رصدخانه‌ها، پژوهشگران کار تحلیل داده‌ها را در اواسط ۲۰۱۸ آغاز کردند. خیلی طول نکشید که دریافتند نخستین عکس تر و تمیز را می‌توانند از M۸۷ به دست بیاورند. به گفته فالک «وقتی نخستین نتایج را دیدیم، تمام توجه‌مان را معطوف مسیه ۸۷ کردیم چون متوجه شدیم که قرار است فوق‌العاده شود.»

گام بزرگ بعدی

گروه همکاری تلسکوپ افق رویداد اکنون دارد روی عکس سیاه‌چاله مرکز کهکشان راه شیری موسوم به «کمان-ای» کار می‌کند. برخلاف سیاه‌چاله ابرپرجرم مسیه ۸۷ که جرمش چیزی در حدود ۵/۶ میلیارد برابر جرم خورشید است، سیاه‌چاله‌ای در قلب راه شیری نشسته که بسیار کوچک‌تر است و جرمش تنها ۴ میلیون برابر جرم خورشید است. ماده و نور با سرعت بسیار بیشتری به دور این سیاه‌چاله کوچک‌تر می‌چرخد که باعث می‌شود نمای ظاهری‌اش در آسمان دقیقه به دقیقه تغییر می‌کند. به همین علت با اینکه کمان-ای در مقایسه با سیاه‌چاله مسیه ۸۷ به مراتب به ما نزدیک‌تر است اما عکس گرفتن از هیولای صد چهره به مراتب دشوارتر است.

گام بعدی پژوهشگران همکاری تلسکوپ افق رویداد فیلمبرداری از سیاه‌چاله‌ها است، کار بسیار بزرگی که شاید نیازمند استفاده از تلسکوپ‌های مدارگردی باشد که بتوانند با سرعت بسیار بالایی عکس‌های متوالی بگیرند. فیلمبرداری از سیاه‌چاله‌ها می‌تواند به دانشمندان کمک کند پرده از برخی رازهای این موجودات اسرارآمیز بردارند. از جمله اینکه آنها چگونه آنچه را به درون‌شان سقوط می‌کند مصرف می‌کنند، میدان‌های شدید پیرامون‌شان چگونه فواره‌های ذرات زیراتمی را به فضا پرتاب می‌کنند، و اینکه چطور می‌شود سیاه‌چاله‌ها از مجموع تمام ستاره‌های درون کهکشان‌شان درخشان‌تر باشند؟

دوئلمن می‌گوید: «جایزه‌هایی مانند این به معنی ارج نهادن به سنت ریشه‌دار و هدفمند یادگیری است؛ سنت مایی که می‌خواهیم جایگاه‌مان در کیهان را درک کنیم. این چیزی است که ما را به درنگ وامی‌دارد، لحظه‌ای برای درک ارزش این مساله که جهان به راستی جای شگفت‌‌انگیزی است.»

منبع: سازندگی

24