تلسکوپ افق رویداد۱ یا EHT اولین تصویر از یک سیاهچاله را هفته‌ی گذشته (به تاریخ ۱۰ آوریل ۲۰۱۹) منتشر کرد. این سیاهچاله در مرکز کهکشان M87 قرار دارد.
کهکشان M87 چه کهکشانی است؟
شکل ۱: تصویر کهکشان M87 توسط تلسکوپ فضایی هابل. فوران ماده از سیاهچالهی مرکزی کهکشان نیز به رنگ آبی دیده می‌شود (تصویر ترکیبی از نور مرئی و فروسرخ است).
M87 (جرم شماره‌ی ۸۷ در فهرست مِسیه، شکل ۱) کهکشانی بیضوی در فاصله‌ی ۵۳ میلیون سال نوری از ما، در صورت‌فلکی سنبله، است. این کهکشان یکی از منابع بسیار درخشان رادیویی در آسمان است. تابش زیاد این کهکشان در امواج رادیویی و پرتو ایکس موجب شده است که از دهه‌ها پیش منجمان این کهکشان را زیر نظر بگیرند و حدس بزنند که جرمی بسیار پرنور و پرجرم در مرکز آن قرار دارد. در دهه‌ی ۸۰ میلادی مطالعه و بررسی مرکز این کهکشان آغاز شد و سرانجام در دهه‌ی ۹۰ میلادی بود که تلسکوپ فضایی هابل گازهایی را در مرکز این کهکشان نشان داد که با سرعت بالا به گرد مرکز کهکشان می‌گردند. حرکت سریع این گازها و ستاره‌ها در مرکز کهکشان نشان می‌داد که جرمی بسیار فشرده در مرکز کهکشان باید وجود داشته باشد: یک سیاهچالهی اَبَرپرجرم. اما رصد و مشاهده‌ی چنین جرم کوچکی بسیار دشوار است. گرچه این سیاهچاله بسیار پرجرم است اما اندازه‌ی آن نسبت به جرمش بسیار کم است. برای آنکه تصوری از کوچکی این سیاهچاله در آسمان داشته باشید، مثالی می‌زنیم. ماه کامل در آسمان اندازه‌ی ظاهری نیم درجه دارد. اندازه‌ی این سیاهچاله در آسمان تقریبا ۴۰ میلیونیوم یک ثانیه‌ی قوسی است (یک درجه در آسمان ۶۰ دقیقه‌ی قوسی، و یک دقیقه‌ی قوسی ۶۰ ثانیه‌ی قوسی است). اندازه‌ی ظاهری‌ای که یک تلسکوپ می‌تواند تفکیک کند به قطر تلسکوپ بستگی دارد (هرچه تلسکوپ بزرگتر باشد می‌تواند اجرام کوچک‌تری را تفکیک کند). برای دیدن چنین جرم کوچکی در آسمان احتیاج به تلسکوپی به قطر کره‌ی زمین است! منجمان برای ساخت چنین تلسکوپی از روش تداخل‌سنجی با خط‌ِ پایه‌ی بسیار بلند۲ استفاده کردند.
تداخل‌سنجی چیست؟
در روش تداخل‌سنجی چند تلسکوپ همزمان نور رسیده از یک جرم آسمانی را ثبت می‌کنند. به این مجموعه، آرایه‌ی تلسکوپی تداخل‌سنجی می‌گویند. برای آنکه مطمئن باشیم نوری که هر کدام از تلسکوپ‌های آرایه رصد کرده‌اند حتما در یک زمان واحد به آن‌ها رسیده است، داخل تلسکوپ‌ها ساعت اتمی قرار می‌دهند. سپس داده‌های ثبت شده در هر یک از این تلسکوپ‌ها همراه با زمان دقیق رصد آن‌ها، روی هارد درایوهای عظیم ثبت شده و به مرکز تحلیل داده برده می‌شود. در این مرکز، داده‌هایی که دقیقا در یک زمان گرفته شده‌اند با هم ترکیب شده و یک تصویر واحد را می‌دهند. تصویری که گویا با تلسکوپی به بزرگی فاصله‌ی میان تلسکوپ‌های آرایه‌ی تداخل‌سنجی گرفته شده است! در یک آرایه‌ی تداخل‌سنجی، بیشترین فاصله‌ی تلسکوپ‌ها مانند قطر یک تلسکوپ واحد عمل می‌کند و هر چه تلسکوپ بیشتری در میان داشته باشیم (هرچه بهتر فاصله‌ی میان دورترین دو تلسکوپ را پر کنیم) تصویر باکیفیت‌تری می‌گیریم. این گونه تصور کنید که تلسکوپی با آینه‌ای به قطر بیشترین فاصله بین دو تلسکوپ در آرایه‌ی تداخل‌سنجی دارید. تلسکوپ‌هایی که فضای میان این دو تلسکوپ را پر می‌کنند، مانند نقاطی روی آینه هستند که روکش آینه‌ای روی آن‌ها قرار داده شده است. هرچه بخش‌های بیشتری از آینه‌ی تلسکوپ شما روکش داده شود (یعنی هرچه تعداد تلسکوپ‌های آرایه‌ی تداخل‌سنجی بیشتر باشد) تصویر بهتری دریافت خواهید کرد.
از ثبت فوتون‌های نور در تلسکوپ‌های رادیویی تا تهیه‌ی تصویر نهایی یک سیاهچاله
شکل ۲. هشت پایگاه تلسکوپ افق رویداد در سال ۲۰۱۷ که رصدها انجام شده‌اند. این پایگاه‌ها در شش محل جغرافیایی واقع شده‌اند. خطوط ممتد پایه، دید دوطرفه از سیاهچالهی M87 (در زاویه‌ی میل ۱۲درجه) را نشان می‌دهد. خطوط پایه‌ی خط‌چین برای کالیبره‌سازی استفاده شده‌اند.
تلسکوپ افق رویداد یک آرایه‌ی تداخل‌سنجی رادیویی است که از ۸ تلسکوپ رادیویی تشکیل شده است (شکل ۲): مجموعه‌ی تلسکوپ‌های رادیویی آلما و تلسکوپ رادیویی ۱۲ متری APEX در شیلی، تلسکوپ رادیویی ۳۰ متری IRAM در اسپانیا، تلسکوپ جیمز کلارک ماکسوِل و آرایه‌ی زیرمیلیمتری در هاوایی، تلسکوپ بزرگ میلیمتری در مکزیک، تلسکوپ زیرمیلیمتری در آریزونا، و تلسکوپ قطب جنوب در جنوبگان. تلسکوپ قطب جنوب یکی از مهم‌ترین اعضای این آرایه بود، چرا که باعث می‌شد خط پایه‌ی آرایه بسیار بزرگ شود. داده‌های دریافت شده از این تلسکوپ‌ها بسیار حجم زیادی داشتند. حدود ۵ پِتابایت (هر پتابایت هزار برابر یک تِرابایت است!) داده در چند روز رصد جمع شد که در نهایت به پایگاه‌های پردازش در آلمان و مؤسسه‌ی فناوری ماساچوست (MIT) در آمریکا پست شد (بله، برای انتقال این حجم داده آن‌ها را در دیسک‌های حافظه قرار دادند و با کشتی و هواپیما به مقصد منتقل کردند!). به این ترتیب اندازه‌ی مؤثر این آرایه‌ی تلسکوپی به قطر کره‌ی زمین بود!
اما برای تهیه‌ی تصویر یک سیاهچاله، ما فقط به یک تلسکوپ عظیم احتیاج نداریم، بلکه باید ابزارهای دقیق و حس‌گرهای قوی نیز داشته باشیم. بخش زیادی از تلاش دانشمندان در سال‌های گذشته صرف طراحی چنین حس‌گرهای قوی‌ای شده است. جونهان کیم (Junhan Kim)، یکی از دانشجوهای دوره‌ی دکترا در دانشگاه آریزونا است که پایان‌نامه‌ی دکترایش بر روی این پروژه بوده است. او از سفرهای پیاپی‌اش در طی چهار تابستان (نیمکره‌ی جنوبی) گذشته به قطب جنوب می‌گوید که با هواپیماهای باری به آنجا می‌رفتند و بنابر شرایط آب و هوایی گاهی روزها تا هفته‌ها طول می‌کشید تا به محل تلسکوپ برسند. آن‌ها در شرایط سخت و سرد قطب جنوب، در طی چند سال، یک گیرنده‌ی دقیق بر روی تلسکوپ قطب جنوب نصب کردند که تلسکوپ را به طور خاص برای این پروژه آماده کند. نصب این ابزار و سایر ابزارهای تلسکوپ‌های دیگر، مانند ساعت‌های اتمی، به اندازه‌ی چندین سال و چندین پایان‌نامه‌ی دکترا طول کشید تا همه چیز سرانجام در سال ۲۰۱۷ آماده‌ی رصد شود. مصاحبه‌ی ما را با جونهان در انتهای این مقاله بخوانید.
برای این رصد گروه‌های گوناگون به محل تلسکوپ‌ها رفتند (برای چنین رصدی باید حضوری فیزیکی در محل داشت) و در ۵ آوریل ۲۰۱۷ اولین رصد، در کمال تعجب در آب و هوای کاملا مساعد در هر شش محل رصد – از قطب جنوب تا اسپانیا و هاوایی – انجام شد (تصویر ۳). رصدها ۵ روز متوالی تا ۱۱ آوریل ادامه پیدا کرد و ۵ پتابایت داده جمع‌آوری و ارسال شد. اواخر ماه اکتبر همه‌ی داده‌ها در آلمان و MIT جمع شده بود و آماده‌ی پردازش بود. سپس منجمان با روش‌های گوناگون روی داده‌ها کار کردند تا حجم آن‌ها را کم کنند.
شکل ۳: گروه‌های مختلف در سراسر دنیا مشغول نخستین رصدهای تلسکوپ افق رویداد در ۵ تا ۱۱ آوریل ۲۰۱۷.
Credit: EHT Collaboration
تجزیه و تحلیل داده‌های آرایه‌های تداخل‌سنجی کار بسیار پیچیده‌ای است. داده‌ی تداخل‌سنجی «عکس» نیست. به همین علت است که برای بازسازی تصویر سیاهچاله از چندید روش متفاوت استفاده شده است. تداخل‌سنجی، «پدیداری۳» یا مؤلفه‌های فوریه‌ی۴ توزیع درخشندگی رادیویی در آسمان را اندازه می‌گیرد. وقتی زمین می‌چرخد، هر زوج تلسکوپ در آرایه‌ی تلسکوپ‌ها، تعداد زیادی فرکانس فضایی را ضبط می‌کند. هرچه تعداد تلسکوپ بیشتری در آرایه باشد، در نهایت تصویر بهتری از جرم مورد نظر می‌توان تهیه کرد. علاوه بر تعداد تلسکوپ، چرخش زمین نیز کمک می‌کند که فضای مؤلفه‌های فوریه‌ی توزیع درخشندگی جرم بیشتر پوشش داده شوند و در نهایت تصویر دقیق‌تری از جرم مورد نظر به دست بیاید. این پدیده در انیمیشن زیر از Michael Johnson نشان داده شده است. در این فیلم می‌بینید که چگونه با اضافه شدن تلسکوپ‌ها به آرایه و چرخش زمین (سمت چپ) فضای بسط فوریه‌ی توزیع درخشندگی کامل‌تر می‌شود (میانه) و تصویر سیاهچاله دقیق‌تر می‌شود (سمت راست).
وضوح زاویه‌ای۵ آرایه‌ی تلسکوپ‌ها برابر با نسبت طول‌موج رصدی به طول بیشینه‌ی خط پایه بین تلسکوپ‌های آرایه است (تصور کنید طول بیشینه‌ی خط پایه مانند قطر یک تلسکوپ عمل می‌کند). با این روش، در واقع یک تلسکوپ مجازی به اندازه‌ی قطر کره‌ی زمین شکل می‌گیرد. برای اندازه‌گیری پدیداری تداخل‌سنجی، تمام تلسکوپ‌ها به طور همزمان میدان تابشی را از منبع مورد بررسی ثبت می‌کنند. هم‌زمان‌سازی بین تلسکوپ‌ها توسط سامانه‌ی موقعیت‌یاب جهانی۶ یا GPS با دقت یک‌دهم نانوثانیه انجام می‌شود. در طول‌موج‌های میلیمتری و زیرمیلیمتری نسبت به طول‌موج‌های سانتی‌متری، چالش‌های زیادی برای از بین‌بردن نویز زمینه وجود دارد: از جمله، نویز بیشتر در سیستم الکترونیکی گیرنده‌ی رادیویی، کدری جوی بیشتر، نوسانات فازی بیشتر که توسط تلاطم جوی ایجاد می‌شود، و بازدهی کمتر و اندازه‌ی تلسکوپ‌های رادیویی. آرایه‌ی تلسکوپ افق رویداد از سال ۲۰۰۹ برنامه‌ای را آغاز کرد که توانست این نویزها را تاحد قابل‌توجهی شناسایی کند و متعاقبا حساسیت آرایه را برای رصد سیاهچاله به مقدار کافی بالا برد. رصدهای این آرایه در طول‌موج ۱.۳ میلی‌متر انجام شده‌اند و برای این کار از یک آرایه‌ی جهانی متشکل از ۸ پایگاه در ۶ محل جغرافیایی متفاوت استفاده شده است.
شکل ۴. بالا: تصویر سیاهچالهی کهکشان M87 که توسط تلسکوپ افق رویداد در ۱۱ آوریل ۲۰۱۷ گرفته شده است. این تصویر، از متوسط سه روش مختلف تصویرسازی به دست آمده است. رنگ‌ها در تصویر مشخصه‌ی دمای درخشندگی است. پایین: تصاویر مشابه که در روزهای دیگر گرفته شده‌اند و نشان می‌دهند که ساختار تصویر نسبتا پایدار است. در این تصاویر شمال به سمت بالا و شرق به سمت چپ تصویر است.
پس از ماه‌ها پردازش داده، داده‌ها آماده‌ی تحلیل شد. منجمان ماه‌ها روی تحلیل داده‌ها کار کردند و با استفاده از چندین روش مختلف کالیبره‌سازی، تصویربرداری، و تجریه‌ی و تحلیل، موفق به تهیه‌ی تصویر سیاهچاله شدند (شکل ۴). آن‌ها ساختاری حلقه‌ای با قطر ۴۲ میکروثانیه‌ی قوسی را مشاهده کرده‌اند که در جنوب تصویر روشنایی بیشتری نسبت به جاهای دیگر دارد (شکل ۴). در مرکز این ساختار، درخشندگی کم شده است که نشان‌دهنده‌ی سایه‌ی سیاهچاله است.
سیاهچاله چیست؟ سایه و حلقه‌ی روشن در تصویر سیاهچاله چیست؟
سیاهچاله یکی از پیش‌بینی‌های نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین است. بنابر نظریه‌ی نسبیت عام هر جسمی که جرم داشته باشد فضازمان را خمیده می‌کند (مانند تیله‌ی کوچکی که یک صفحه‌ی پلاستیکی را دچار انحنا می‌کند). سیاهچالهها جرم بسیار زیادی در فضای بسیار کمی دارند (چگالی بسیار زیاد) به طوری که موجب خمش بسیار زیاد فضازمان می‌شوند (مانند تیله‌ی سنگینی که صفحه‌ی پلاستیکی را سوراخ کند). هر سیاهچاله در فضازمان اطرافش مرزی دارد که هیچ ماده‌ای حتی نور نمی‌تواند از داخل آن به بیرون راه یابد. به بیان دیگر، سرعت فرار ماده در داخل این مرز سیاهچاله، مساوی سرعت نور است. به این مرز یک طرفه افق رویداد۷ گفته می‌شود. به همین علت وقتی به یک سیاهچاله نگاه می‌کنیم بخش مرکزی آن یک سایه‌ی سیاه است.
سیاهچالهها جرم‌های مختلفی دارند. برخی از آن‌ها فقط چندبرابر خورشید جرم دارند که به آن‌ها سیاهچالههای «جرم ستاره‌ای۸» گفته می‌شود. این سیاهچالهها از مرگ ستاره‌های پرجرم به وجود می‌آیند. دسته‌ی دیگری از سیاهچالهها جرم‌هایی برابر با چند میلیون تا د‌ه‌ها میلیارد جرم خورشید دارند که به آن‌ها سیاهچالههای اَبَرپرجرم۹ گفته می‌شود. سیاهچالههای ابرپرجرم در مرکز کهکشان‌ها واقع‌اند، از جمله در مرکز کهکشانهای راه شیری و M87. به مرکز کهکشان‌هایی که سیاهچالهی ابرپرجرم دارند هسته‌ی کهکشانی فعال می‌گوییم. هسته‌های کهکشانی فعال بیشتر از نور همه‌ی ستاره‌های کهکشانشان می‌درخشند. برخی از اجرامی که هسته‌ی کهکشانی فعال دارند، اختروَش‌ها یا کوازارها۱۰ هستند که درخشنده‌ترین منابع پایدار عالم‌اند و احتمالا به علت چرخش و برافزایش ماده به دور سیاهچالهی ابرپرجرم مرکزی‌شان به وجود آمده‌اند. قرص برافزایشی اختروَش‌ها از لحاظ هندسی نازک و از لحاظ تابشی ضخیم محسوب می‌شوند، به این معنا که با وجود قطر نازک گاز، نور از آن نمی‌تواند عبور کند. در مقابل آن‌ها، اکثر هسته‌های کهکشانی فعال در عالم محلی، از جمله مرکز کهکشان ما و کهکشان M87، سیاهچالههای ابرپرجرمی دارند که جریان برافزایشی آن‌ها نرخ بسیار کم‌تری دارد و از لحاظ تابشی، نازک و شفاف محسوب می‌شوند (یعنی نور به راحتی از آن‌ها می‌گذرد). وقتی سیاهچالهها توسط یک منطقه‌ی تابشی شفاف محاط می‌شوند، می‌توان از داخل قرص اطراف سیاهچاله، افق رویداد و سایه‌ی تاریک را دید (این پدیده در شبیه‌سازی‌ای که در بخش بعد آمده است نشان داده شده است). این اثر به خاطر خم‌شدن نور در گرانش زیاد سیاهچاله و تسخیر فوتون در داخل افق رویداد به وجود می‌آید. در واقع حلقه‌ی روشن اطراف سیاهچاله، تصویر همگرایی گرانشی فوتون‌هایی است که در نزدیکی سیاهچاله هستند.
چرا و چگونه سیاهچاله را شبیه‌سازی می‌کنیم؟
پیش از رصد سیاهچاله، برای آنکه بفهمیم با چه چیزی روبه‌رو خواهیم شد، احتیاج به شبیه‌سازی‌های زیادی که متکی یه تکنولوژی روز هستند داریم. از جمله فن‌آوری‌هایی که برای شبیه‌سازی‌های سیاهچاله استفاده شده‌اند، شبیه‌سازی‌های تعاملی۱۱ و واقعیت مجازی۱۲ هستند. واقعیت مجازی و شبیه‌سازی‌های تعاملی به منجمان کمک کردند که بفهمند چرا سیاهچاله شکل خاصی دارد و تغییرات گوناگون در ویژگی‌های سیاهچاله چگونه شکل آن را تغییر می‌دهد. این شبیه‌سازی‌ها به ما کمک کردند که بفهمیم در هر طول‌موجی چه تصویری از سیاهچاله باید انتظار داشته باشیم. به کمک چنین شبیه‌سازی‌هایی منجمان متوجه شدند که برای دیدن سایه‌ی سیاهچاله باید آن را در طول‌موج ۱.۳ میلیمتری رصد کرد، طولی‌موجی که قرص سیاهچاله در آن شفاف است و می‌توان سایه را در ورای آن دید.
یکی از روش‌های شبیه‌سازی که کاربرد بسیاری پیدا کرده است، استفاده از روش ردیابی اشعه۱۳ است. این روش در تولید عکس‌های کامپیوتری هم بسیار کاربرد دارد. آرش روشنی‌نشاط، دانشجوی دکترا در دانشگاه آریزونا که در این زمینه کار می‌کند (مصاحبه‌ی اسطرلاب را با او در انتهای مقاله بخوانید)، طرز کار این روش شبیه‌سازی را این‌گونه توضیح می‌دهد: به زبان ساده، فرض کنید یک صفحه‌ی ۱۰ پیکسل در ۱۰ پیکسل دارید که هر پیکسل آن از خود، دو اشعه‌ی نور منتشر می‌کند که در مجموع ۲۰۰ اشعه می‌شود. برای شبیه‌سازی سیاهچاله، هر اشعه را دنبال می‌کنیم تا ببینیم با توجه به مدل فیزیکی یک سیاهچاله چه اتفاقی برای اشعه می‌افتد و انرژی و جهتش چه تغییری می‌کند. تا کجا این دنبال کردن را ادامه می‌دهیم؟ تعداد بازتاب یا زمان حرکت یک اشعه دست خود ماست و می‌توانیم آن را کم یا زیاد کنیم. هرچقدر یک اشعه را به مدت طولانی‌تری دنبال کنیم عکس نهایی کیفیت بیشتری خواهد داشت. حالا تصور کنید که تعداد اشعه‌ها و تعداد پیکسل‌ها چندین برابر شود، در این حالت به کامپیوترهای قدرتمند برای شبیه‌سازی احتیاج خواهیم داشت. با توجه به محدودیت سخت‌افزاری و قدرت پردازش، امکان زیادکردن تعداد اشعه‌ها و مدت‌زمان دنبال‌کردن آن‌ها همیشه وجود ندارد. در زیر یکی از شبیه‌سازی‌های اصلی پروژه‌ی افق رویداد را که با این روش تهیه شده است، از سی‌کِی چان (CK Chun)، منجم در دانشگاه آریزونا، می‌بینید. این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که تصویر یک سیاهچاله در طول‌موج ۱ سانتی‌متر تا ۱ میلی‌متر چه تغییری می‌کند (به متن بخش قبل مراجعه کنید).
با کمک شبیه‌سازی سیاهچالهها ما همچنین درباره‌ی ویژگی‌های سیاهچالهها بیشتر می‌فهمیم و می‌بینیم که سیاهچالهها شکل‌های متغیر و متفاوتی می‌توانند داشته باشند.
نسبیت عام انیشتن چه پیش‌بینی‌ای کرده بود؟
شاید هیجان‌انگیزترین بخش این پروژه، آزمودن نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین است. با وجود گوناگونی سیاهچالهها در شبیه‌سازی‌ها، همه‌ی آن‌ها یک ویژگی مشترک دارند و آن عدم وجود نور در مرکز سیاهچاله (سایه) و حضور حلقه‌ی روشن موادی که در اطراف آن می‌گردند، است. چراکه این‌ها از پیش‌بینی‌های نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین هستند. علاوه بر وجود سایه، نسبیت عام، شکل و اندازه‌ی بسیار خاصی برای سیاهچاله پیش‌بینی می‌کند. منجمان با روش‌های متعدد، قطر دقیق سیاهچاله را برابر ۶۰ میکروثانیه‌ی قوسی اندازه گرفتند. با استفاده از این اندازه و نظریه‌ی نسبیت عام، جرم سیاهچاله برابر ۶.۵ میلیارد جرم خورشیدی تخمین زده می‌شود. جرم سیاهچالهی مرکزی M87 در گذشته نیز از روش‌های دیگر تخمین زده شده بود. سال‌هاست که منجمان مدار و سرعت حرکت ستاره‌ها را به گرد سیاهچالهی M87 دنبال می‌کنند. با اندازه‌گیری سرعت و فاصله‌ی ستاره‌ها از مرکز کهکشان می‌توان جرم سیاهچالهی مرکزی را اندازه گرفت. بنابر این رصدها جرم سیاهچاله ۶.۵ میلیارد برابر جرم خورشید تخمین زده شده است — کاملا برابر آنچه با نسبیت عام پیش‌بینی می‌شود!
نسبیت عام پیش‌بینی دیگری نیز می‌کند و آن شکل بسیار مشخصی برای سایه است: سایه حتما باید یک دایره‌ی کامل باشد. مستقل از اینکه شکل حلقه‌ی نورانی اطراف سیاهچاله چگونه است (که به موادی که اطراف آن می‌گردند وابسته است) سایه باید شکل دایره داشته باشد. اگر نسبیت عام صحیح نباشد، سایه هر شکل دیگری می‌تواند داشته باشد. پس از اندازه‌گیری‌های متعدد، شکل سیاهچالهی M87 (با دقت ۱۰٪) یک دایره است! و این موفقیت دیگری است برای نظریه‌ی انیشتین!
براساس مدل‌سازی و اطلاعات مربوط به زاویه‌ی تمایل سیاهچاله، احتمالا جهت چرخش آن ساعتگرد است و این یعنی اسپین سیاهچاله به سمت مخالف ما است. مقدار مازاد درخشندگی در بخش جنوبی حلقه‌ی تابشی این‌طور توجیه می‌شود که پرتوافکنی نسبیتی مواد از دید رصدگر در جهت ساعتگرد می‌چرخد و این یعنی بخش پایینی منطقه‌ی تابش، حرکتی به سمت ما دارد.
گفتگو با چند نفر از دانشجویان پروژه‌ی تلسکوپ افق رویداد
پروژه‌ی تلسکوپ افق رویداد با مشارکت بیش از ۲۰۰ نفر شکل گرفته است. بخشی از اعضای این گروه بین‌المللی دانشجویانی هستند که پایان‌نامه‌های دکترای خود را صرف این پروژه کرده‌اند و نقش بسزایی در موفقیت پروژه داشته‌اند. اسطرلاب با سه نفر از این دانشجویان که در دانشگاه آریزونا مشغول به تحصیل هستند (یا به تازگی فارغ‌التحصیل شده‌اند) مصاحبه‌ی کوتاهی کرده است تا نقش آن‌ها را در پروژه نشان دهد.
لیا مِدیروس، Lia Medeiros، به تازگی با مدرک دکترا از دانشگاه کالیفرنیا در سانتاباربارا و دانشگاه آریزونا فارغ‌التحصیل شده است و به عنوان پژوهشگر پسادکترا سال آینده در هاروارد آغاز به کار خواهد کرد. پایان‌نامه‌ی دکترای او بر روی ساخت و تحلیل شبیه‌سازی سیاهچالهها زیر نظر دیمیتریوس سالتیس (Dimitrios Psaltis) و فِریال اوزل (Feryal Özel)، از دانشمندان پروژه‌ی تلسکوپ افق رویداد و اساتید دانشگاه آریزونا، بود. به طور دقیق‌تر، پروژه‌ی او بر روی شبیه‌سازی تغییرات سیاهچالهی مرکزی راه‌شیری و پیاده‌سازی این تغییرات در کدهای تحلیل داده‌ی تداخل‌سنجی افق رویداد است. تلسکوپ افق رویداد دو نشانه داشت، سیاهچالهی مرکز M87 و راه‌شیری. او می‌گوید: «تصویر سیاهچالهی مرکزی راه‌شیری منتشر نشده است زیرا تصویربرداری از آن پیچیده‌تر از سیاهچالهی مرکزی M87 است. علت اصلی این پیچیدگی آن است که سیاهچالهی راه‌شیری ۱۰۰۰ بار کوچکتر و تغییرات آن ۱۰۰۰ بار بیشتر از سیاهچالهی M87 است. به همین علت ساختار سیاهچاله تغییرات بیشتری دارد که تصویربرداری از آن را دشوارتر می‌کند. شبیه‌سازی‌های ما این پیچیدگی را پیش از رصد سیاهچاله پیش‌بینی کردند». لیا اکنون با استفاده از شبیه‌سازی‌هاش در حال بررسی راهکارهایی برای بازسازی تصویر سیاهچالهی متغیر از داده‌های بسیار متغیر است. نقش او در تهیه‌ی تصویر سیاهچالهی راه‌شیری بسیار مهم و ضروری است.
وقتی از لیا پرسیدیم که کار کردن در چنین پروژه و گروه عظیمی چگونه است، او پاسخ داد «هم هیجان‌انگیز و هم چالش‌برانگیز». چنین پروژه‌ای هم احتیاج به تلسکوپ‌های زیادی در اقصی نقاط دنیا دارد و هم به افراد زیادی با تخصص‌های گوناگون در زمینه‌های تجربی و تئوری. او می‌گوید: «ما در سراسر دنیا همکار داریم و پیدا کردن زمان مشترکی برای قرارهای گروهی اینترنتی‌مان که برای همه‌ی کسانی که در هر بخش از پروژه نقش دارند مناسب باشد، با توجه به اختلاف‌های زمانی، کار بسیار دشواری است! می‌دانم که این مساله به نظر بی‌اهمیت می‌رسد اما ارتباط موثر بین اعضای گروه بسیار مهم است.»
وقتی از لیا خواستیم که یکی از خاطرات جالبش را از کار با این گروه بگوید، او از شرکت در یک کارگاه پردازش تصویر در ماه جون سال گذشته گفت که در طی آن چهار گروه با چهار روش متفاوت و مستقل برای اولین بار تصویر سیاهچاله را پردازش کردند و همه همزمان تصویر یکسانی روی کامپیوترهایشان نمایان شد! لیا می‌گوید: «دیدن تصویر برای اولین بار واقعا تجربه‌ی هیجان‌انگیزی بود. من بسیار ذوق‌زده بودم که کار حقیقتا به نتیجه رسیده است و کمی هم شوکه بودم که پیش‌بینی‌ها انقدر دقیق بودند و این سیاهچاله به نظر می‌رسد که همان‌طوری رفتار می‌کند که پیش‌بینی کرده بودیم.»
آرش روشنی‌نشاط در سال ۲۰۱۷ به عنوان دانشجوی کارشناسی ارشد رشته‌ی برق در دانشگاه ایالتی کلیولند و سپس محقق در دانشگاه هاروارد عضو پروژه‌ی تلسکوپ افق رویداد شد و در قسمت پردازش سیگنال کار کرد. او هم‌اکنون دانشجوی دکترا در دانشگاه آریزونا است و بر روی طراحی نسل بعدی تلسکوپ‌های رادیویی زیر نظر دنیل مارونی، Daniel Marrone، استاد دانشگاه آریزونا و از محققان پروژه‌ی تلسکوپ افق رویداد، کار می‌کند. آرش می‌گوید: «نرخ نمونه‌برداری از سیگنال فضایی حدود ۶۴ هزار میلیون نمونه در ثانیه است. این تعداد زیاد نمونه به سرعت و قدرت پردازش بالایی احتیاج دارد». یک کامپیوتر از دو بخش پردازشی استفاده می‌کند، واحد پردازش مرکزی یا CPU و واحد پردازش گرافیکی یا GPU. جی‌پی‌یو از هزاران پردازشگر کوچکتر تشکیل شده است و طوری ساخته شده است که پردازش را به صورت موازی و با سرعت خیلی بالا انجام دهد. آرش می‌گوید: «در پروژه‌ی تلکسوپ افق رویداد، اگر پردازش سیگنال‌ها توسط واحد پردازشگر مرکزی یا سی‌پی‌یو انجام شود، گرفتن نتایج حدود چندین ماه زمان می‌برد، درصورتی که این پردازش توسط واحد جی‌پی‌یو می‌تواند خیلی سریعتر اتفاق بیفتد. درحال حاضر کدی که برای این پروژه نوشته شده از سی‌پی‌یو استفاده می‌کند که من در سال ۲۰۱۷ بر روی تبدیل این کد به کد جدیدی که از جی‌پی‌یو استفاده کند کار کردم». این پروژه موجب می‌شود که سرعت پردازش سیگنال بیشتر و در نتیجه هزینه‌ی پروژه کمتر شود. آرش همچنین بر روی روش جدیدی برای شبیه‌سازی سیاهچالهها که از الگوریتم ردیابی اشعه استفاده می‌کند (به متن بالا رجوع کنید) کار می‌کند.
آرش درباره‌ی همکاری‌های بین‌المللی این پروژه می‌گوید که همکاری در این پروژه به او این فرصت را داد که با افراد مختلف در کشورهای گوناگون آشنا شود. وقتی از او درباره‌ی یکی از خاطراتش در این گروه می‌پرسیم می‌گوید: «من کارم معمولا در آزمایشگاه و با قطعات الکترونیکی و کامپیوتری بود که همزمان روشن بودند و صدای زیادی تولید می‌کردند. داخل آزمایشگاه معمولا فرد دیگری نبود و من برای اینکه صدای محیط را کم کنم از هدفن استفاده میکردم و معمولا به موسیقی هم گوش می‌دادم. یک بار یکی از دوستان سراسیمه وارد آزمایشگاه شد و ازم پرسید چرا نشستی و بیرون نمیای. متوجه شدم که صدای زنگ خطر آتش روشن شده و من نشنیدم. این اتفاق سه بار دیگر افتاد و من هر سه بار هدفن روی گوشم داشتم و نشنیدم. این موضوع باعث شد از دفعات بعدی دوستان قبل از اینکه از ساختمان خارج شوند، سر راه به آزمایشگاه بیاید و من را خبردار کنند!»
جونهان کیم، Junhan Kim، دانشجوی مقطع دکترا در دانشگاه آریزونا است که در تابستان دکترای خود را دفاع خواهد کرد و به عنوان پژوهشگر پسادکترا به کلتک خواهد رفت. جونهان می‌گوید «من بسیار خوش‌شانس بوده‌ام که در بخش‌های زیادی از این پروژه، از جمله طراحی و توسعه‌ی فن‌آوری و رصد تا مقایسه‌ی داده‌های رصدی با شبیه‌سازی‌های سیاهچاله، مشارکت داشته‌ام.» او تاثیرگذارترین مشارکتش در این پروژه را کارهای تجربی خود با تلسکوپ قطب جنوب می‌داند. تلسکوپ قطب جنوب یکی از مهم‌ترین تلسکوپ‌های این پروژه است، چراکه خط‌پایه‌ی موثر تلسکوپ را از یک جهت بسیار بلند (تقریبا به اندازه‌ی قطر زمین) می‌کند. موضوع اصلی پایان‌نامه‌ی جونهان، طراحی و توسعه‌ی گیرنده‌ی این تلسکوپ است که با راهنمایی دنیل مارونی، Daniel Marrone، استاد دانشگاه آریزونا و از محققان پروژه‌ی تلسکوپ افق رویداد، انجام شده است. او می‌گوید «برای آنکه بتوانیم تلسکوپ قطب جنوب را وارد آرایه‌ی تداخل‌سنجی این پروژه کنیم، من از سال اول دکترایم گیرنده‌ی این تلسکوپ را در آزمایشگاهی در زیرزمین دانشکده‌ی نجوم طراحی، توسعه و تست کردم، و تاکنون چهار تابستان نیمکره‌ی جنوبی را (سه کریسمس و سه سال نوی میلادی) در قطب جنوب گذرانده‌ام!»
در زیر ویدئوی ۳۶۰درجه‌ای از جونهان را می‌بینید که مسیر تردد او را از محل تلسکوپ قطب جنوب به پایگاه قطب جنوب که حدود ۱ کیلومتر از هم فاصله دارند، نشان می‌دهد. برای تردد بین این دو مکان هم می‌توان از ماشین‌های برفی (در فیلم زیر) استفاده کرد و هم راه رفت. جونهان می‌گوید که البته او ترجیح می‌دهد این مسیر را پیاده برود. عکس‌ها و فیلم‌های بیشتر جونهان از سفرهای قطب جنوبش را می‌توانید در وبسایتش ببینید.
از آنجایی که تجربه‌ی کاری جونهان در قطب جنوب بسیار خاص و جالب است، از او پرسش‌هایی درباره‌ی کارش در قطب جنوب پرسیدیم.
– برنامه‌ی روزانه‌‌ات در قطب جنوب چیست؟
- هر روز صبح پس از صبحانه ابتدا به جلسه صبح‌گاهی تیم تلسکوپ قطب جنوب می‌رویم. در این جلسه تصمیم می‌گیریم که تلسکوپ در آن روز قرار است چه کار کند، چرا که به دلیل تفاوت زیاد ابزاری، تلسکوپ قطب جنوب در هر روز یا می‌تواند پروژه‌ی اصلی‌اش را که رصد تابش زمینه‌ی کیهانی است، انجام دهد یا پروژه‌ی تلسکوپ افق رویداد را. سپس به تلسکوپ می‌روم، کار میکنم، برای نهار به پایگاه برمی‌گردم، دوباره به تلسکوپ می‌روم، کار میکنم، و برای شام به پایگاه برمی‌گردم. بعد از شام معمولا وقتمان آزاد است، مگر آنکه مجبور باشیم سر کار برگردیم، و این موقع کارهای تفریحی انجام می‌دهیم.
– مثلا چه کارهایی؟
- هر شب همیشه برنامه‌ای در پایگاه هست، مثلا پخش فیلم، والیبال، بازی trivia، یا سخنرانی‌های علمی عمومی شب‌های یکشنبه. ممکن است تصور کنید که این مکان با اینترنت محدود و افراد کم (حدود ۱۵۰ نفر در تابستان) باید مکان خسته‌کننده‌ای باشد. اما برعکس، به همین علت است که برای بقا در چنین مکان دوری ارتباط برقرار کردن بسیار مهم است. برای مثال، فصل گذشته من عاشق گلف بازی کردن در برف با استادم، دانیل مارونی، و یکی دیگر از دانشمندان پروژه، تام کرافورد، Tom Crawford، بودم. ما همیشه یک کار تفریحی جالب پیدا می‌کنیم!
– چگونه با اینترنت کم‌سرعت و محدود کنار می‌آمدی؟
- اینترنت کم سرعت آن هم فقط چند ساعت در روز (بسته به برنامه‌ی ماهواره‌ها) ممکن است برای برخی افراد خیلی مضطرب‌کننده باشد، اما من آن را خیلی دوست داشتم! من همیشه به این نتیجه می‌رسیدم که ما چقدر وقتمان را با اینترنت هدر می‌دهیم. محیط قطب جنوب مردم را مجبور می‌کند که با هم حرف بزنند به جای آنکه همه‌ی روز به گوشی‌های موبایلشان نگاه کنند، دور از همه چیزهایی که حواسمان را پرت می‌کند مثل ایمیل، پیام، و … .
– چه چیزی را بیشتر از همه درباره‌ی کار کردن در قطب جنوب دوست داری؟
- چیزی که بیشتر از همه درباره‌ی کار در قطب جنوب دوست دارم این است که آنجا گاهی مجبوریم «خلاقانه» همکاری کنیم، به خصوص افرادی که کارهای تجربی می‌کنند. قطب آنقدر منطقه‌ی دوردستی است که معمولا آنچه برای تست ابزار احتیاج داری در دسترست نیست. گاهی نیاز داریم راهی پیدا کنیم که با ابزارهای موجود (قطعات فلزی، برخی قطعات اضافی سخت‌افزاری، هرجور ابزار اندازه‌گیری‌ای که داری!) کاری را که می‌خواهی انجام دهی! هر کسی نظر متفاوتی دارد، و برخی از افراد خیلی از آنجا بدشان می‌آید. واقعا تا زمانی که آنجا نروی و تجربه نکنی، نمی‌توانی بگویی که از آنجا خوشت می‌آید یا نه. اما در هر صورت برای من مکان بسیار جذابی است، و برای همین است که من واقعا لذت بردم که هر زمستان (تابستان نیمکره‌ی جنوبی) ۶ تا ۸ هفته را آنجا گذراندم.
آینده چیست؟
یکی دیگر از اهداف اصلی تلسکوپ افق رویداد مشاهده و تصویرسازی سیاهچالهی مرکز کهکشان راه شیری یا *Sagittarius A است. گرچه این سیاهچاله بسیار به ما نزدیک‌تر است، جرم آن ۳ مرتبه‌ی بزرگی کمتر از جرم کهکشان M87 است (حدود ۴ میلیون جرم خورشیدی) که موجب می‌شود رصد آن سخت‌تر شود. مدارهای ستاره‌ای اطراف سیاهچالهی مرکزی کهکشان سال‌ها است که با کمک فن‌آوری اپتیک سازگار با دقت زیادی رصد می‌شوند. تغییرات این سیاهچاله نیز بسیار سریعتر از سیاهچالهی M87 است که تصویربرداری از آن را دشوارتر می‌کند. مقیاس زمانی دینامیکی این سیاهچاله (به جای روز در مورد M87) در حد دقیقه است. لیا مِدیروس، Lia Medeiros، که به تازگی با مدرک دکترا از دانشگاه کالیفرنیا در سانتاباربارا و دانشگاه آریزونا فارغ‌التحصیل شد، بر روی شبیه‌سازی تغییرات این سیاهچاله کار می‌کند (مصاحبه‌ی اسطرلاب را با او در انتهای مقاله بخوانید). با این شبیه‌سازی‌ها می‌توان به بیشترین میزان تغییرات سیاهچاله پی برد و بنابر آن تصویر متغیر از یک جرم متغیر را بازسازی کرد. مشاهده‌ی سیاهچالهی مرکزی کهکشان ما نیازمند درنظرگرفتن پدیداری و اثرات پراکندگی ناشی از محیط بین‌ستاره‌ای نیز است. گروه تلسکوپ افق رویداد همچنان مشغول بررسی و کار بر روی داده‌های سال ۲۰۱۷ و ۲۰۱۸ هستند.
تلسکوپ افق رویداد با اولین تصویر از سیاهچاله، نشان داده است که مطالعه‌ی مستقیم سایه‌ی افق رویداد سیاهچالههای ابرپرجرم با استفاده از امواج الکترومغناطیسی امکان‌پذیر است. این گام مهمی از مدل‌های ریاضی به واقعیت فیزیکی است که می‌تواند با مشاهدات نجومی پیاپی مطالعه و تایید شود. تصاویر باکیفیت و وضوح بیشتر در آینده با اندازه‌گیری در طول‌موج‌های کوتاه‌تر (۰.۸ میلی‌متر)، اضافه‌کردن تلسکوپ‌های بیشتر به آرایه، و حتی شاید قرار دادن آرایه‌های تلسکوپی در فضا و شاید حتی ماه برای بزرگتر کردن آرایه و توان تفکیک سیاهچالهها در کهکشانهای دیگر، امکان‌پذیر خواهد شد.
در یکی از سخنرانی‌های عمومی، دیمیتریوس سالتیس (Dimitrios Psaltis)، یکی از دانشمندان پروژه‌ی تلسکوپ افق رویداد، در پاسخ به پرسش «آیا ممکن است سیاه‌چاله‌ای را پیدا کنید که با پیش‌بینی‌های نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین سازگار نباشد؟»، گفت: «آرزویمان است که چنین اتفاقی بیفتد!». فراموش نکنیم هیچ چیز در علم قطعی نیست و هرچه بیشتر می‌آموزیم، به پرسش‌هایمان نیز افزوده می‌شود.
(۱) Event Horizon Telescope
(۲) Very long baseline
(۳) visibility
(۴) Fourier
(۵) Angular Resolution
(۶) Global Positioning System
(۷) event horizon
(۸) stellar-mass black holes
(۹) supermassive black holes
(۱۰) quasars
(۱۱) Interactive Simulations
(۱۲) Virtual Reality
(۱۳) Ray Tracing
گروه تلسکوپ افق رویداد شش مقاله درباره‌ی این دستاورد در نشریه‌ی ApJL منتشر کرده است: https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205/page/Focus_on_EHT
گردآوری: آزاده کیوانی و آیرین شیوایی
درود بر شما . عالی بود . سپاس فراوان
ممنون از پیامتان. خوشحالیم که مقاله برایتان مفید بوده است.
دوستان عزیز اسطرلاب، بویژه آزاده و آیرین گرامی،
این متن، بی تردید، دقیقترین و کاملترین پوشش خبری این کشف بزرگ به زبان فارسی است که تا حال منتشر شده است. جامع، دقیق و قابل فهم. استفاده از ویدیو ها و شبیه سازیها و همچنین مصاحبه با دانشمندان درگیر در این پروژه غنای مقاله را دو چندان کرده است. دستتان درد نکند!
آقای حیدرزاده‌ی عزیز، بسیار ممنونم از پیامتان. باعث افتخار و خوشحالی ماست.
سلام
چرا این عکس رو موفقیتی بر نسبیت عام می‌دانند؟ مگر نظریه‌های دیگر گرانشی وجود سیاهچاله ها رو پیش‌بینی نمی‌کنند؟
نسبیت عام پیش‌بینی‌های خاصی برای شکل و وجود سایه‌ی سیاهچاله کرده است که در این عکس دقیقا همان شکل دیده شده است. برای اطلاعات دقیق‌تر به بخش «نسبیت عام انیشتین چه پیش‌بینی‌ای کرده بود» در مقاله مراجعه کنید.
متن بسیار خوبى است و اطلاعات مفیدى را در اختیار خواننده مى گذارد به خصوص که مصاحبه ها خواننده را با جنبه هاى اجرایى چنین پروژه هایى نیز آشنا مى کند. ممنون از اطلاع رسانى و امیدوارم در چنین موقعیتهایى باز هم چنین مقاله هایى را که ضمن پرهیز از مطالب غیر علمى، رویدادها را به شکلى قابل فهم براى علاقمندان توضیح مى دهد در اسطرلاب ارائه دهید.
بسیار ممنون از پیام و تشویق‌های همیشگی‌تان. خیلی خوشحالیم که مقاله برایتان مفید و جالب بوده است.
بنده از طریق مقاله مجله نجوم در مورد جایزه چراغ ،با سایت شما آشنا شدم
با توجه به اینکه بنده بسیار علاقمند نجوم هستم و بیشتر در شبکه های اجتماعی مطالب عمومی و تخصصی نجوم را مطالعه میکنم،اما سایت شما و کانال شما را در هیچ مطلبی ندیده بودم و این جای تعجب و بررسی دقیق‌تری دارد که چرا با اینکه ۲ سال است بنده مطالب مختلف را مطالعه میکنم اما حتی لینکی به مطالب سایت شما ندیده بودم
خوشحالیم که الان با وبسایت آشنا شدید. سعی می‌کنیم تبلیغات بیشتری برای وبسایت بکنیم.
ممنون.