جایزه نوبل فیزیک برای پیشرفت درباره سیاهچاله‌ها

منتشرشده در مجله Quanta به تاریخ ۶ اکتبر ۲۰۲۰لینک مقاله اصلی: Physics Nobel Awarded for Black Hole Breakthroughsاخیرا سیاه‌چاله‌ها به مرکز توجه تبدیل شده‌اند. سال گذشته، یک شبکه جهانی از تلسکوپ‌ها تصویر سایه یک سیاهچاله ابرسنگین را در مرکز یک کهکشان همسایه مشاهده کردند. آشکارسازهای موج جاذبه اکنون به طور منظم لرزش‌های نامریی ناشی از برخورد سیاهچاله‌ها را حس می‌کنند.جایزه نوبل فیزیک در سال جاری برای کارهای قبلی که به طور غیر مستقیم وجود سیاه‌چاله‌ها را ثابت کرده بودند، اهدا شد. بنا به گفته کمیته نوبل فیزیک، راجر پنروز، فیزیکدان انگلیسی، برای مقاله ۱۹۶۵ خود که نشان می‌داد «تشکیل سیاه‌چاله یک پیش‌بینی قوی از تئوری نسبیت عام است» برنده نیمی از جایزه شد. نیمه دیگر توسط دانشمندان اخترفیزیک رقیب، راینهارد گنزل و آندره گز، که مشاهدات پیشگامانه ای از ستارگان حول مرکز کهکشان راه شیری انجام دادند و نشان دادند که یک جسم فشرده و ابرسنگین نامرئی باید در آن‌جا قرار داشته باشد، به اشتراک گذاشته شد.امروز صبح، وقتی از گز پرسیده شد که وقتی مشاهدات بسیار مهمی را در اوایل دهه ۲۰۰۰ انجام داد که وجود یک سیاه‌چاله در مرکز کهکشان راه شیری را آشکار کرد، چه اتفاقی افتاد، او گفت: « اولین چیز شک است.» او گفت: «هم شک و هم هیجان. این احساس بودن در مرز تحقیقات که همیشه باید درباره آنچه می‌بینید سوال کنید.»دو دهه بعد، دیگر هیچ شکی در مورد سیاهچاله ها و نقش حیاتی آن‌ها در کیهان وجود ندارد.سیاه‌چاله‌ها چه هستند؟سیاه‌چاله‌ها مناطقی حاوی مواد بسیار زیادی هستند که در فضای بسیار کمی فشرده شده‌اند به طوری که جاذبه اثر فراری دارد: جسم به سمت یک نقطه مرکزی با چگالی بسیار زیاد، به نام تکینگی، پیش می‌رود. همه چیز در یک فاصله مشخص از تکینگی به دام می‌افتد و به سمت داخل سقوط می‌کند. حتی نوری که از داخل سطح کروی بدون بازگشت سیاهچاله عبور می‌کند، که افق رویداد نامیده می‌شود، به درون کشیده شده و باعث نامرئی شدن سیاه‌چاله‌ها می‌شود.یک راه رایج برای تجسم یک سیاهچاله به صورت یک ورقه دو بعدی است که در یک قیف کشیده شده‌است. اگر بیش از حد به پایین بروید و خواهید دید که نمی‌توانید از آن خارج شوید. با این حال سعی کنید قیف را در سه بعد تصویر کنید، که در آن مواد از هر جهت به سمت یک نقطه مرکزی به سمت داخل سقوط می‌کنند.از برخی جهات، سیاهچاله‌ها فوق‌العاده ساده هستند. گفته می‌شود که آن‌ها «مو ندارند» و به این معنی است که وقتی شکل می‌گیرند تمام ویژگی‌های متمایز از بین می‌روند. هر یک از آن‌ها را می توان تنها با جرم، بار الکتریکی و تکانه زاویه‌ای خود مشخص کرد که آن‌ها را بیشتر شبیه به ذرات اولیه می‌سازد.اما اگر چه از بیرون ساده به نظر می‌رسند، سیاه‌چاله‌ها عمیقا در داخل اسرار آمیز هستند. تئوری نسبیت عام آلبرت انیشتین پیش‌بینی می‌کند که انحنای فضا-زمان در تکینگی سیاهچاله بی‌نهایت می‌شود، اما این از نظر فیزیکی ممکن نیست. این موضوعات نشان می‌دهند که نظریه باید ناقص باشد. فیزیکدانان بر این باورند که برای درک تکینگی سیاهچاله‌ها، باید یک نظریه کوانتومی جاذبه ارائه دهند.سیاه‌چاله‌ها چگونه شکل می‌گیرند؟سیاه‌چاله‌ها زمانی شکل می‌گیرند که ماده یا انرژی به اندازه کافی متراکم شده باشد. چقدر متراکم؟ برای تشکیل یک سیاهچاله، زمین باید به یک کره کوچک‌تر از یک توپ پینگ‌پنگ تبدیل شود.اگر چه چنین سیاهچاله های کوچکی ممکن است در طول بیگ بنگ شکل بگیرند (اینها ماهیت‌های فرضی شناخته‌شده به عنوان «سیاهچاله های اولیه» هستند، که ممکن است شامل ماده تاریک از دست رفته جهان باشد) ، آن‌هایی که امروزه در جهان مشاهده می‌شوند بزرگ‌تر هستند. آن‌ها به طور معمول زمانی تشکیل می‌شوند که ستاره‌هایی با جرم حداقل ۱۰ برابر خورشید، سوختشان تمام می‌شود. فشار تابش بیرونی دیگر نمی‌تواند چرخش درونی گرانش را خنثی کند، در نتیجه هسته ستاره در درون فرو می‌ریزد-رویدادی که معمولا با انفجاری دراماتیک به نام ابرنواختر (supernova) همراه است.قطعیت کمتری در مورد تشکیل سیاهچاله‌های ابرسنگین وجود دارد، مانند سیاه‌چاله با ۴ میلیون جرم خورشیدی به نام صورت فلکی A* [که A استار یا A ستاره خوانده می‌شود] که راینهارد گنزل، آندره گز و تیم‌هایشان در مرکز کهکشان راه شیری مطالعه کرده‌اند. این ارواح احتمالا در اولین یک میلیارد سال زندگی جهان شکل گرفته‌اند، چون کهکشان‌ها در اطراف آن‌ها شکل گرفته‌اند. اما اینکه آن‌ها به عنوان ستاره‌هایی شروع شده و از نظر گرانشی فرو ریخته و به سیاهچاله تبدیل شده باشند یا از فروپاشی مستقیم بخش‌های بزرگ پلاسما-یا به طریقی دیگر-شکل گرفته‌اند، یک سوال بی‌پاسخ باقی مانده. در سال‌های آینده، تلسکوپ فضایی جیمز وب می‌تواند مشاهدات کهکشان‌های بسیار دور و بسیار جوان را حل کند.راجر پنروز در مورد سیاه‌چاله‌ها چه چیزی فهمیده بود؟راجر پنروز در سال ۱۹۶۵ پس از کشف اشیا فوق نورانی به نام اختروش‌ها، نقش کلیدی خود را ایفا کرد. این اشیا به قدری روشن بودند که محققان فرض کردند که ممکن است نور موادی باشند که به اجسام فوق فشرده و ابر پرجرم می‌افتند. این موضوع علاقه به این پرسش چند دهه‌ای که آیا سیاهچاله ها فقط یک محصول ریاضی از نظریه انیشتین هستند یا واقعا در جهان شکل می‌گیرند را تجدید کرد.تا آن زمان، محققان در تلاش برای کشف اینکه آیا اشیایی مانند «راه‌حل شوارز چایلد» معادلات انیشتین-ساده‌ترین نوع سیاهچاله که کارل شوارز چایلد در سال ۱۹۱۶ در مقاله‌اش برروی آن کار کرد-واقعا در طبیعت امکان پذیر بودند، دچار سردرگمی شده بودند. چنین راه‌حل‌های نظری تنها تحت این فرض ساده کننده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند که ماده‌ای که فروپاشی گرانشی را انجام می‌دهد یک کره کامل است. سوال این بود که آیا تکینگی حاصل صرفا محصولی از یک تقارن کروی کامل است یا نه-چیزی که روی کاغذ ممکن اما در طبیعت نامعقول است.پنروز این نمودار را در مقاله ۱۹۶۵ خودش آورد که فروپاشی گرانشی ماده را نشان می‌داد که در تشکیل یک سیاه‌چاله رخ می‌دهد. زمان در جهت عمودی جریان دارد و پرتوهای نور که در زوایای ۴۵ درجه حرکت می‌کنند وارد سیاه‌چاله شده و به سمت تکینگی مرکزی حرکت می‌کنند. پنروز همانطور که در مقاله ۱۹۶۵ خود نوشت، نشان داد که «انحراف از تقارن کروی نمی‌تواند مانع از ایجاد تکینگی زمان-مکان شود». به عبارت دیگر، حتی زمانی که یک ستاره از شکل اصلی خود خارج شود، هنوز هم به یک نقطه فرو خواهد شکست. او این مساله را با معرفی مفهوم «سطح به‌دام‌افتاده» و همچنین یک طرح نموداری معروف برای تحلیل اینکه چگونه سطح در فضا-زمان قرار می‌گیرد، نشان داد. بر خلاف یک سطح معمولی، که می‌تواند پرتوهای نوری داشته باشد و آن‌ها را به هر سمتی بتاباند، یک سطح به دام افتاده یک سطح دو بعدی بسته است-حتی زمانی که از شکل خود خارج می‌شود بنابراین دیگر یک کره نیست- که تنها اجازه می‌دهد پرتوهای نور به یک سمت بروند: به سمت مرکز.پنروز دریافت که ابعاد مکان و زمان در یک سطح گیر افتاده نقش‌های خود را جابه‌جا می‌کنند. زمان مسیری است که به سمت مرکز اشاره می‌کند، بنابراین فرار از یک سیاهچاله به اندازه به عقب برگشتن در زمان، غیر ممکن است. پنروز، به همراه استیون هاوکینگ، خیلی زود نشان داد که تجزیه و تحلیل مشابهی در کل جهان اعمال می‌شود: یک تکینگی به ناچار، زمانی که ماده و انرژی در بیگ بنگ به طور متراکم جمع شده‌بودند، وجود خواهد داشت.ما چگونه سیاهچاله ها را مشاهده می‌کنیم؟ما حضور نامریی آن‌ها را به روش‌های مختلف شناسایی می‌کنیم. آشکارسازهای موج گرانشی برخورد سیاهچاله‌ها را با اندازه‌گیری کشش و فشردگی فضا-زمان حس می‌کنند. تلسکوپ Event Horizon از یک شبکه جهانی از تلسکوپ‌ها برای مشاهده حلقه روشن نور درست بیرون از افق رویداد یک سیاهچاله ابر پرجرم، با وضوح بسیار بالا، استفاده می‌کند. اما چنین مشاهدات مستقیمی تنها در پنج سال گذشته رخ داده‌است.از دهه ۱۹۶۰، ستاره شناسان شروع به مشاهده مقدار عظیمی از انرژی آزاد شده توسط اشیا دور به نام اختروش‌ها کردند. محققان شک کردند که اختروش‌ها در واقع سیاهچاله های ابر پرجرمی باشند که مقادیر زیادی گاز و گرد و خاک را به داخل می‌کشند. در همان زمان، تلسکوپ‌ها پرتوهای ایکس تابیده از ستاره‌هایی را تشخیص دادند که نباید می‌توانستند خودشان اشعه تولید کنند. محققان در نهایت به این نتیجه رسیدند که سیاهچاله‌های نامرئی باید ماده ستارگان را بمکند و نور را تولید کنند.در مورد سیاه‌چاله در مرکز کهکشان راه شیری نیز، اولین نشانه حضور آن در سال ۱۹۳۱ مشخص شد؛ زمانی که ستاره‌شناس رادیویی پیشگام کارل یانسکی یک سیگنال رادیویی را مشاهده کرد که از سمت صورت فلکی قوس می‌آمد. سپس در سال ۱۹۷۴، ستاره شناسان رادیویی، بروس بالیک و رابرت براون، جسم روشن و متراکم را در مرکز کهکشانی که به نام قوس A* شناخته می‌شود، به دقت نشان دادند. مشاهدات بیشتر در دهه ۱۹۹۰ شواهد بیشتری را برای حضور اجسام فوق سنگین در مراکز کهکشانی ایجاد کرد، اما تکنولوژی بهتر و استراتژی‌های مشاهده جدید هوشمندانه قبل از اینکه ستاره شناسان بتوانند به طور قطعی نشان دهند که این لنگرهای مرکزی سیاهچاله های ابرپرجرم هستند مورد نیاز بود.گنزل و گرز چگونه ثابت کردند که قوس A* یک سیاه‌چاله ابر پرجرم است؟آن‌ها حرکات ستاره‌هایی را که بسیار نزدیک به هم تاب می‌خوردند دنبال کردند. اگر قوس A * یک دسته گسترده‌شده از مواد باشد، ستاره‌هایی که از آن عبور می‌کنند از چند جهت کشیده می‌شوند و مدار ناشی آن‌ها بسیار معمولی خواهد بود. اما اگر یک سیاهچاله ابر پرجرم فشرده بود، آن وقت ستاره‌ها باید با سرعت زیادی از آن می‌گذشتند.تلسکوپ فاقد قدرت تفکیک فضایی لازم برای ردیابی دقیق این مدارها بود تا زمانی که گر و گنزل در دهه ۱۹۹۰ وارد این موضوع شدند. هر دو تیم برای از بین بردن تاری جو زمین پیشگام بودند. اولین تکنیک-که تصویربرداری اسپکل نامیده می‌شود-شامل ترکیب چندین نوردهی کوتاه است، که هر کدام به اندازه کافی کوتاه هستند تا از اعوجاج گسترده جوی جلوگیری کنند. سپس یک روش پیشرفته‌تر به نام اپتیک تطبیقی امکان مشاهداتی با جزئیات بیشتر را فراهم کرد. در اپتیک تطبیقی، لیزر به آسمان شب می‌تابد و یک «ستاره مصنوعی» ایجاد می‌کند که به طور همزمان توسط تلسکوپ تصویربرداری می‌شود. (گروه گز در رصدخانه کک در هاوایی و گنزل با تلسکوپ بسیار بزرگ در شیلی کار می‌کردند.) ستاره مصنوعی دقیقا نشان می‌دهد که چگونه جو تصویر را تحریف می‌کند. یک الگوریتم نحوه مقابله با این اثرات را نشان می‌دهد و عملگرهای کوچک سپس شکل آینه تلسکوپ را تغییر می‌دهند تا اعوجاج‌ها را در همان زمان حذف کنند.هر دو تیم بر روی یک ستاره خاص به نام S2، که مدار آن از میان یک پرتاب سنگ کهکشانی از قوس A* گذشت، به هم پیوستند. در اوایل دهه ۲۰۰۰، خط سیر S2 همراه با چند ستاره نزدیک به هم دیگر، نشان داد که اندازه قوس A* کمتر از ۱۲۵ برابر فاصله بین زمین و خورشید است، حتی با اینکه ۴ میلیون جرم خورشیدی دارد. این تنها می‌تواند یک سیاهچاله ابرپرجرم باشد.این متن با استفاده از ربات مترجم تخصصی مقالات اخترفیزیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.