هیولای سیاه راه شیری

سینا فلاح‌زاده راسته‌کناری

در دوازدهم ماه می ‌۲۰۲۲، اخترشناسان گروه تلسکوپ افق رویداد (EHT) نخستن تصویر (شکل شماره 1) از سیاهچاله کلان‌جرم (supermassive black hole یا به اختصار SMBH) مرکز کهکشان راه شیری موسوم به کمان ای* یا *Sagittarius A را (که در منابع علمی به اختصار*Sgr A نیز نامیده می‌شود) منتشر کردند. گروه تلسکوپ افق رویداد مجموعه‌ای شامل بیش از 300 دانشمند از اقصی‌نقاط جهان است که سال‌هاست روی نتایج حاصل از آرایه‌ای از رادیوتلسکوپ‌ها با همین نام کار می‌کنند. این آرایه از رادیوتلسکوپ‌ها شامل هشت تلسکوپ است که در شش نقطه از جهان قرار دارند و امواج رادیویی ساطع‌شده از اجرام آسمانی دریافت می‌کنند (شکل شماره 2). نام تلسکوپ افق رویداد با انتشار تاریخ‌ساز تصاویر مربوط به سیاهچاله کلان‌جرم *M87 در دهم آوریل ۲۰۱۹ که نخستین تصویر از یک سیاهچاله بود، بر سر زبان‌ها افتاد. این خبر از جهات متعددی برای جامعه علمی و علاقه‌مندان به علم و به‌خصوص دستاوردهای علمی در حوزه اخترفیزیک و کیهان‌شناسی حائز اهمیت است. نخستین و شاید مهم‌ترین نتیجه این تصاویر و تصاویر مشابه آن، فراهم‌شدن تأییدات بسیار قوی برای نظریه نسبیت عام اینشتین است که در سال ۱۹۱۶ منتشر شد و یکی از بزرگ‌ترین دستاوردهای فیزیک نوین در قرن بیستم به شمار می‌رود. البته مشاهدات مربوط به این سیاهچاله در ماه آوریل سال ۲۰۱۷ انجام شده بود، اما نتایج مربوط به آن در تاریخ ۱۲ می ‌۲۰۲۲ برای اولین‌بار در قالب شش مقاله منتشر شد که شامل جزئیات تمام مشاهدات و مدل‌سازی‌ها و تحلیل‌های مربوطه هستند. پیش از اینکه در مورد ویژگی‌های سیاهچاله *Sgr A و مقایسه آن با سیاهچاله *M87 سخن بگوییم، مناسب است مختصری درباره سیاهچاله‌ها و تاریخچه شناخت ما از آنان ارائه کنیم.

یک راکت برای اینکه بتواند از جاذبه زمین فرار کند باید به سرعت مشخصی که بستگی به جرم زمین و فاصله راکت از مرکز جرم سیاره دارد، دست پیدا کند. این سرعت فرار از سطح کره زمین برابر با 11.2 کیلومتر بر ثانیه است و برای خورشید 617.4 کیلومتر بر ثانیه. با درنظرداشتن این نکته، یک سیاهچاله ناحیه‌ای از فضاست که در آن نیروی گرانش چنان قوی است که هیچ چیز، حتی نور نمی‌تواند به سرعت کافی برای فرار از قسمت داخلی آن دست پیدا کند. اگرچه سیاهچاله‌ها نخستین‌بار تنها در تصورات فیزیک‌دانان نظری پا به عرصه گذاشتند، امروزه شواهد قطعی بسیاری درباره آنها داریم و تحقیق و پژوهش درباره آنها بخش مهمی از کیهان‌شناسی معاصر به حساب می‌آید. اگرچه خود سیاهچاله‌ها قابل رؤیت نیستند، اندرکنش آنها با فضای اطرافشان و همچنین تأثیراتی که روی اجرام آسمانی اطرافشان اعم از ستارگان و گازها و غبارها می‌گذارند، به نحو بارزی قابل آشکارسازی است. نخستین بنیادهای ریاضی مربوط به دیدگاه مدرن درباره سیاهچاله‌ها در سال ۱۹۱۵ و در کارهای فیزیک‌دان آلمانی «کارل شوارتزشیلد» گذاشته شدند که معادلات میدان مربوط به نسبیت عام اینشتین را برای یک جرم منزوی بدون چرخش در فضا حل کرد. نسبیت عام اینشتین یک نظریه در مورد انحنای فضازمان در اطراف اجرام است که گرانش را به هندسه 

فضا-زمان مرتبط می‌کند. بنا بر این نظریه هرچه میزان جرم در ناحیه‌ای از فضا-زمان بیشتر باشد میزان خمیدگی فضا زمان بیشتر خواهد بود. در فضای خمیده اطراف اجرام آسمانی، نور به خط مستقیم سیر نمی‌کند؛ درواقع از آنجا که این نظریه از هندسه نااقلیدسی برای توصیف فضا استفاده می‌کند خط سیر مستقیم در این نظریه از لحاظ درک عادی ما خمیده است. در این نظریه، ماده به فضا-زمان خمیدگی و نحوه و میزان آن را می‌دهد و فضا-زمان خمیده به نور و ماده مسیر حرکت. حال اگر با اجرام بسیار بسیار بزرگ که در ناحیه‌ای بسیار کوچک جا گرفته‌اند طرف باشیم، خمیدگی فضا-زمان چنان زیاد خواهد بود که فیزیک‌دانان برای توصیف آن از مفهوم تکینگی (singularity) استفاده می‌کنند. چیزی نزدیک به این حالت (و نه دقیقا خود آن) در سیاهچاله‌ها رخ می‌دهد. هر سیاهچاله توسط کره‌ای احاطه شده است که افق رویداد آن نامیده می‌شود. شعاع این افق رویداد از فرمول شوارتزشیلد به دست می‌آید و برابر با فاصله‌ای از مرکز سیاهچاله است که از آنجا سرعت فرار از گرانش سیاهچاله برابر با سرعت نور باشد. این افق رویداد درواقع یک مرز مشخص فیزیکی مانند سطح سیارات و ستاره‌ها نیست، بلکه یک تعریف ریاضیاتی است. شعاع این کره افق رویداد برای تمام اجرام قابل محاسبه است. برای مثال اگر تمام جرم کره زمین در یک نقطه فشرده شود شعاع افق رویداد آن برابر با ۹ میلی‌متر خواهد بود، درحالی‌که اگر این شعاع را برای خورشید محاسبه کنیم به عددی حدود سه کیلومتر می‌رسیم. از آنجا که هیچ چیز نمی‌تواند با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کند، هرچه در داخل افق رویداد یک سیاهچاله است تا ابد داخل آن باقی خواهد ماند. به دلیل وجود همین افق رویداد هیچ‌گونه اطلاعاتی نمی‌تواند از داخل سیاهچاله‌ها به بیرون درز کند؛ چراکه اطلاعات باید توسط متحرکی مثل نور از جایی به جای دیگر برود و هیچ‌چیز از سیاهچاله بیرون نمی‌آید تا در مورد محتویات داخل آن چیزی را برای ما آشکار کند. به همین دلیل در مورد سیاهچاله‌ها (به غیر از فاصله‌ای که با ما دارند و کهکشان میزبان‌شان) تنها دو خاصیت قابل گزارش دیگر وجود دارد که عبارت‌اند از جرم و اسپین (که مربوط به سرعت چرخش سیاهچاله به دور خود است). بنابراین سیاهچاله‌ها به هر روشی که ایجاد بشوند در همه‌چیز شبیه به هم هستند مگر در جرم و اسپین. سیاهچاله‌های چرخنده (دارای اسپین) اشیا را نه فقط مستقیما به سمت مرکز بلکه حول محور چرخش خود می‌کشند. معادلات میدان مربوط به سیاهچاله‌های دارای اسپین 50 سال بعد از ارائه نظریه نسبیت در سال ۱۹۶۵ توسط «روی کر» دانشمند نیوزیلندی حل شدند. به‌طور کلی تفاوتی که میان سیاهچاله‌های دارای چرخش (کِر) و سیاهچاله‌های بدون چرخش (شوارتزشیلد) وجود دارد این است که این‌گونه سیاهچاله‌ها چاه پتانسیل گرانشی قوی‌تری دارند و هرچه میزان اسپین بیشتر باشد سیاهچاله نسبت به سیاهچاله‌های دارای جرم مشابه بدون چرخش، منبع انرژی قوی‌تری خواهد بود. بنابراین رفتار سیاهچاله‌های شوارتزشیلد تنها وابسته به میزان جرم آنهاست، اما رفتار سیاهچاله‌های کِر علاوه بر جرم به سرعت چرخش آنها نیز وابستگی دارد. اما خود این سرعت چرخش سیاهچاله‌ها نمی‌تواند تا بی‌نهایت بالا برود و یک حد نهایی دارد که توسط جرم سیاهچاله مشخص می‌شود؛ هرچه جرم یک سیاهچاله بیشتر باشد حد سرعت چرخش آن نیز بالاتر می‌رود. در اطراف سیاهچاله‌های چرخنده علاوه بر افق رویداد یک ناحیه دیگر هم وجود دارد که ارگوسفر (ergosphere) نامیده می‌شود و شامل بخشی از فضاست که همراه سیاهچاله می‌چرخد. این قسمت از فضای اطراف سیاهچاله از این جهت اهمیت دارد که انرژی می‌تواند از آنجا خارج شود؛ زیرا ماده موجود در آن همراه با فضای در حال چرخش به حرکت درمی‌آید و از سویی مانند ناحیه داخل افق رویداد خروج از این ناحیه غیرممکن نیست. آنچه ما ممکن است از یک سیاهچاله ببینیم در واقع دیسکی شامل گازها، گردو‌غبار و باقی‌مانده‌های ستاره‌هاست که با سرعت بسیار بالا دور سیاهچاله در حال گردش هستند و به دلیل انرژی بسیار زیاد و برخوردهایی که با هم دارند، به حالت پلاسما درمی‌آیند. در دو تصویری که تاکنون از سیاهچاله‌ها منتشر شده‌اند، این حلقه اطراف سیاهچاله به رنگ نارنجی قابل رؤیت است. وجود این محیط سرشار از گردوغبار و گازها و سایر اجرام در اطراف سیاهچاله‌ها باعث می‌شود استفاده از رادیوتلسکوپ‌ها برای رصد آنها معقول‌ترین گزینه باشد؛ زیرا امواج رادیویی برخلاف امواج مرئی بسیار کمتر از گردوغبار و گازهای اطراف اجرام کیهانی متأثر می‌شوند و امروزه تکنولوژی‌های به نسبت خوبی برای بالابردن وضوح تصاویری که از رادیوتلسکوپ‌ها به دست می‌آیند، در اختیار داریم.

انواع سیاهچاله‌ها

بنا بر نظر کیهان‌شناسان، دست‌کم چهار نوع از این هیولاهای وهم‌انگیز تاریک در کیهان قابل تصور است که عبارت‌اند از: سیاهچاله‌های جرم-ستاره‌ای (stellar-mass black hole)، سیاهچاله‌های میانه‌جرم (intermediate-mass black hole)، سیاهچاله‌های کلان‌جرم و

(supermassive black hole) و سیاهچاله‌های سرآغازین (primordial black hole). از میان این چهار نوع سیاهچاله، سیاهچاله‌های جرم-ستاره‌ای بهتر از همه شناخته شده‌اند. این سیاهچاله‌ها زمانی به وجود می‌آیند که ستاره‌های سنگین به انتهای عمر خود می‌رسند و طی یک فرایند فروپاشی به درون‌ خود منفجر می‌شوند. فعل انگلیسی مورد استفاده برای این فروپاشی فعل implode است که معادل دقیق فارسی ندارد، ولی به‌طور تقریبی معادل انقباض ناگهانی به ابعاد بسیار کوچک است. اگر ستاره در حال فروپاشی بین هشت الی ۲۰ برابر جرم خورشید ما را داشته باشد تبدیل به یک سیاهچاله نخواهد شد و به جای آن ماده تشکیل‌دهنده آن طی یک فعل و انفعال نسبتا ناگهانی منفجر شده و تشکیل یک اَبَرنواختر (supernova) می‌دهد. اما اگر جرم ستاره بیش از ۲۰ برابر جرم خورشید باشد هسته ستاره به اندازه کافی قوی نخواهد بود که جلوی انقباض را بگیرد و در این حالت تشکیل سیاهچاله حتمی است. بسته به جرم ستاره اولیه سیاهچاله تشکیل شده می‌تواند جرمی معادل صد برابر (یا بیشتر) جرم خورشید داشته باشد. سیاهچاله‌های میان‌جرم چنان‌که از نامشان پیداست، جرمی بین سیاهچاله‌های جرم-ستاره‌ای و سیاهچاله‌های کلان‌جرم دارند. این نوع سیاهچاله‌ها از پدیده‌های نادر کیهان به شمار می‌روند و گفته می‌شود تشکیل آنها بر اثر به‌هم‌پیوستن چند سیاهچاله جرم-ستاره‌ای رخ می‌دهد. چنین به‌هم‌پیوستنی در نقاط بسیار متراکم کهکشان‌ها امری عادی به حساب می‌آید، اما یک روال مستقیم و سریع ندارد. اجرام آسمانی در حین پیوستن به هم به نحوی به دور هم چرخ می‌زنند و بعد از یک رقص دوتایی طولانی روال پیوستن آنها کامل می‌شود. بعد از چند مرحله به‌هم‌پیوستن این اجرام، هیولایی با جرمی معادل صد الی یک میلیون برابر خورشید ما ایجاد می‌شود؛ هرچند حدود بازه جرم سیاهچاله‌های میانه‌جرم هنوز مورد مناقشه محققان است. در دهه‌های اخیر شواهدی مبنی بر وجود چنین سیاهچاله‌هایی یافته شده است. در مورد نحوه تشکیل سیاهچاله‌های کلان‌جرم نظریه‌های متعددی مطرح است. بنا بر یک نظریه، هسته اولیه یک سیاهچاله از جایی در یک کهکشان با «بلعیدن» اجرام دیگر تا حدی بزرگ می‌شود که نهایتا بر اثر سنگینی زیاد به مرکز کهکشان می‌رود. دو سیاهچاله‌ای که تاکنون توسط مجموعه تلسکوپ‌های افق رویداد رصد شده‌اند از نوع اخیر هستند. چهارمین نوع سیاهچاله‌ها سیاهچاله‌های سرآزین هستند که گمان می‌رود در مراحل اولیه تشکیل کیهان پس از انفجار بزرگ به وجود آمده باشند. گمان می‌رود آنها در ثانیه اول پس از انفجار بزرگ و قبل از تشکیل کهکشان‌ها، زمانی که هنوز کیهان ناهمگن بود، به وجود آمدند. بنا بر نظر کیهان‌شناسان، با توجه به زمان تشکیل‌شان این گونه سیاهچاله‌ها می‌توانند تا صدهزار برابر جرم خورشید ما جرم داشته باشند.

سیاهچاله مرکز کهکشان ما

مرکز کهکشان راه شیری پر از ستاره‌ها و سایر اجرام کوچک و بزرگی است که با سرعت و جنب‌وجوش فراوان در حال گردش به دور مراکز مختلف هستند. دانشمندان با دقت بر روی مسیر و سرعت این ستاره‌ها در مرکز کهکشان به بررسی وجود احتمالی سیاهچاله‌های کلان‌جرم در آن ناحیه می‌پردازند. یکی از اتفاقات علمی مهم در رابطه با سیاهچاله مرکز کهکشان راه شیری اعطای جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۰ به سه دانشمند در رابطه با کارهایشان در مورد سیاهچاله‌ها بود. یکی از این سه دانشمند «راجر پنروز» است (برنده نیمی از جایزه) که کارهایش در ریاضیات و فیزیک نظری و همچنین نظریه مناقشه‌برانگیزش درباره ارتباط مکانیک کوانتومی و آگاهی در محافل علمی جهانی مشهور است. نیم دیگر جایزه به دو دانشمند دیگر به نام‌های «آندریا گز» و «راینهارد گنتسل» به خاطر کشف و اندازه‌گیری جرم یک مرکز پرقدرت امواج رادیویی در مرکز کهکشان راه شیری (که حالا دقیقا می‌دانیم همان سیاهچاله کلان‌جرم کمان ای* است) اعطا شد. خانم «گز» که چهارمین زن برنده جایزه نوبل هم هست، به مدت نزدیک به سه دهه بر روی حرکت ستاره‌ها در مرکز کهکشان راه شیری کار کرده است. به‌طور خاص استفاده از تکنیک‌های عکس‌برداری دارای وضوح فضایی بالا مانند اپتیک تطبیقی (adaptive optics) در تلسکوپ‌های کک (Keck telescopes) او را قادر کرد تا بر روی حرکت‌شناسی منطقه تشکیل ستاره‌ها در مرکز کهکشان راه شیری مطالعه کند. نتایج مطالعات او کمک مهمی به روال کار گروه علمی دکتر «گنتسل» کرد که بر روی مسائل مشابهی کار می‌کردند. مطالعات این دو دانشمند نشان می‌داد جرمی به اندازه حدود چهار میلیون برابر جرم خورشید در ناحیه مورد بررسی از صورت فلکی کمان وجود دارد. اولین توضیحی که برای چیستی چنین جرم بزرگی به ذهن دانشمندان می‌رسید، وجود یک سیاهچاله کلان‌جرم بود. اما حصول اطمینان از درستی این توضیح تا زمان انتشار مقالات گروه دانشمندان افق رویداد در ماه می ‌۲۰۲۲ به تعویق افتاد. شش مقاله مذکور که پس از پنج سال کار محاسباتی روی نتایج حاصل از رصد رادیویی سیاهچاله *‌Sgr A منتشر شدند درواقع به صورت قطعی به ما نشان دادند آنچه جرم آن قبلا اندازه‌گیری شده بود، درواقع یک سیاهچاله کلان‌جرم است. بنا بر یافته‌های گروه دانشمندان افق رویداد این سیاهچاله کلان‌جرم که در فاصله حدود 26 هزار سال نوری از زمین قرار دارد، دارای شعاعی حدود 52 میلیون کیلومتر است. محور چرخش این سیاهچاله تقریبا رو به زمین است. در مقام مقایسه می‌توان گفت سیاهچاله کلان‌جرم *M87 با جرمی حدود 6.5 میلیارد برابر جرم خورشید حدود 1500 برابر سنگین‌تر از سیاهچاله مرکز کهکشان راه شیری است، اما از آنجایی که این سیاهچاله در فاصله حدود 55 میلیون سال نوری از ما قرار دارد، اندازه ظاهری آن تقریبا شبیه به سیاهچاله *Sgr A است (شکل شماره 3).

تلاش‌های ما برای مطالعه سیاهچاله‌ها دلایل علمی فراوانی دارد. ازجمله مهم‌ترین این دلایل این است که این هیولاهای رازآمیز درواقع شامل محیط حدی بسیار عجیب و غریب هستند که در هیچ جای دیگر نظیر آن وجود ندارد و بررسی آنها از این جهت کمک فراوانی به فهم رفتار 

فضا-زمان و ماده در شرایط بسیار حدی می‌کند. از مهم‌ترین پروژه‌های کلان فیزیک معاصر، دستیابی به یک نظریه فراگیر برای یکپارچه‌سازی ساحت‌های مختلف فیزیک اعم از نسبیتی و کوانتومی است. شواهد نظری و مشاهداتی نشان می‌دهند مطالعه سیاهچاله‌ها علاوه بر فراهم‌کردن اطلاعات و بصیرت‌های ارزشمند درباره ساختار کیهان، می‌تواند به دانشمندان در مسیر رسیدن به این نظریه وحدت‌یافته به طرزی چشمگیر یاری برساند. تصویربرداری از سیاهچاله مرکزی کهکشان راه شیری و همین‌طور موفقیتی که در تصویربرداری از سیاهچاله مرکزی کهکشان مسیه 87 حاصل شد در کنار نخستین آشکارسازی امواج گرانشی در رصدخانه امواج گرانشی (LIGO) که برای نخستین‌بار در سال 2016 گزارش شد، جدا از ارزش علمی و پژوهشی بی‌نظیرشان، مجموعا سه موفقیت بسیار بزرگ برای نظریه نسبیت عام اینشتین نیز به حساب می‌آیند؛ زیرا هسته نظری تمام این اکتشافات در فیزیک نسبیتی ریشه دارد که بنیان‌گذارش «اینشتین» است. نکته بسیار مهم دیگر وجه تکنولوژیکی این اکتشافات است. دانشمندانی مثل «اینشتین» و «شواتزشیلد» تنها با استفاده از ذهن نابغه و دانشی که از ریاضیات داشتند، سخن از پدیده‌هایی مثل امواج گرانشی و انحنای فضا-زمان به میان آوردند، اما امروزه بعد از بیش از صد سال، گروه‌های بزرگ دانشمندان و مهندسان از ده‌ها کشور با توجه به پیشرفت تکنولوژی‌های مختلف قادرند آن پدیده‌ها را آشکارسازی و گاهی مشاهده کنند. این نکته بار دیگر نشان می‌دهد علم و تکنولوژی در دوران ما در واقع یک پدیده واحد هستند که توسط برخی از فیلسوفان تکنوساینس نامیده می‌شود.