تصاویر ساخته‌شده از رصدهای قدیمی، تحول طوفانی روبه‌زوالی را طی دهه‌های گذشته نشان می‌دهد.

مجموعه‌ای از تصاویری که از داده‌های رصدی و شبیه‌سازی‌های ریاضی ساخته شده‌اند، تحول سیاه‌چاله‌ی مرکزی کهکشان M87 طی سال‌های ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۷ را نشان می‌دهد. Credit: Event Horizon Telescope Collaboration; gif compiled by Nature.

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02717-3

فیلمی تهیه‌شده از پنج تصویر اول سیاه‌چاله

تصاویر ساخته‌شده از رصدهای قدیمی، تحول طوفانی روبه‌زوالی را طی دهه‌های گذشته نشان می‌دهد.

مجموعه‌ای از تصاویری که از داده‌های رصدی و شبیه‌سازی‌های ریاضی ساخته شده‌اند، تحول سیاه‌چاله‌ی مرکزی کهکشان M87 طی سال‌های ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۷ را نشان می‌دهد. Credit: Event Horizon Telescope Collaboration; gif compiled by Nature.

اولین تصویر تاریخی سیاه‌چاله که سال گذشته رونمایی شد، اکنون به فیلم تبدیل شده است. توالی کوتاهی از فریم‌ها چگونگی پیدایش تغییرات اطراف سیاه‌چاله را طی سال‌ها، همان‌طور که گرانشْ مواد اطرف آن را به‌درون مهلکه‌ی ثابتی فرامی‌خواند، نشان می‌دهد. تصویرْ حبابی نامتوازن از نور را نشان می‌دهد که اطراف سیاه‌چاله‌ی ابَرپرجرم مرکز کهکشان M87 می‌چرخد. برای ایجاد این فیلم گروه همکاری تلسکوپ افق رویداد (EHT)، که شبکه‌ای از رصدخانه‌ها در سراسر زمین را به‌هم متصل کرده، داده‌های قدیمی درباره‌ی سیاه‌چاله را استخراج و آنها را با مدل‌های ریاضی برپایه‌ی تصاویر منتشرشده در آوریل ۲۰۱۹ ترکیب کرده، تا نشان دهد چگونه اطراف سیاه‌چاله طی ۸ سال تحول یافته است. بااین‌که این کار تا حدی به حدس و گمان متکی است،‌ اما نتایج آن بینش غنی‌ای درباره‌ی رفتار سیاه‌چاله‌ها، شدت گرانشی که با آن مواد و نور اطراف را به درون می‌مکد به اخترشناسان داده است.

ماسیک ویلگوس، نویسنده‌ی اصلی و اخترفیزیک‌دان رادیویی در دانشگاه هاروارد در کمبریج، ماساچوست می‌گوید: ازآنجاکه جریان موادی که درون سیاه‌چاله می‌افتد متلاطم است، می‌توانیم لرزش‌های حلقه را با زمان ببینیم.

این کار که در ۲۳ سپتامبر در The Astrophysical Journalمنتشر شد، تجربه‌ی آن‌چه که گروه ممکن است بتواند در آینده‌ی نزدیک با بهبود تکنیک‌ها انجام دهد را ارائه داده است. ویلگوس می‌گوید طی چند سال واقعا می‌تواند مثل یک فیلم دیده شود.

حلقه‌ی لرزان

تصویر سیاه‌چاله‌ای که گروه همکاری EHT سال گذشته از آن رونمایی کرد در صفحه‌ی اول روزنامه‌های سراسر جهان جای گرفت. تصویری از M87*، ابرسیاه‌چاله‌ی پرجرمی در مرکز کهکشان M87، که حدود ۱۷ مگاپارسک (۵۵ میلیون سال نوری) از ما فاصله دارد. محققان این تصویر را با ترکیب سیگنال‌های فرکانس‌های رادیویی که از رصدخانه‌های سراسر جهان طی دو شب در آوریل ۲۰۱۷ جمع‌آوری شده بود تهیه کردند. شاهکار آنها با تفکیک و تشخیص شکل یک دونات روی سطح ماه از روی زمین قابلِ‌مقایسه است.

بااین‌که مبهم است، اما این تصویر با پیش‌بینی‌های نظریه‌ی نسبیت عام آلبرت اینشتین درباره‌ی آن‌چه که باید در نزدیکی سیاه‌چاله دیده شود، مطابقت دارد. به‌طور خاص،‌ اولین شواهد مستقیم را از سایه‌ی افق رویداد، سطح بدون بازگشتی که سیاه‌چاله را از اطرافش جدا می‌کند، به محققان نشان داد. این قرص تاریک‌تر درمقابل حلقه‌ی نوری که از مواد ابَرداغی که درست خارج از افق رویداد هستند تابیده می‌شود، قرار دارد.

به‌شکل حیرت‌آوری یک طرفِ‌ این قرص روشن‌تر به‌نظر می رسد. به‌دلیل ترکیب آثار در دینامیک‌های پیچیده‌ی اطراف سیاه‌چاله این انتظار می‌رفت. به‌خصوص موادی که در فضای خالی می‌افتند باید به‌صورت مارپیچی با سرعت بالا در خارج از استوای سیاه‌چاله آن‌چه که اخترفیزیک‌دان‌ها قرص برافزایشی می‌نامند تشکیل دهند.این ظاهر نامتوازن تا حدی مربوط به اثر دوپلر است: در سمتی از قرص که به سوی ناظر می‌چرخد، حرکت مواد باعث افزایش تابش می‌شود که باعث می‌شود درخشان‌تر به‌نظر برسد؛ عکس این اتفاق در سمت دیگر می‌افتد.

بازبینی داده‌ها

ویلگوس برپایه‌ی این نتایج خواست تا به عقب برگردد و نگاهی به داده‌های قدیمی‌تر EHT بیندازد تا ببیند که آیا می‌تواند بااستفاده‌از تصویر سال ۲۰۱۷ به‌عنوان راهنما، آنها را دوباره تفسیر کند. EHT از سال ۲۰۰۹ M87* را رصد می‌کرد، در ابتدا فقط با تلسکوپ‌هایی از سه مکان. وقتی گروه رصدخانه‌های بیشتری به شبکه EHT اضافه کرد، کیفیت رصدها بالا رفت. این همکاری در سال ۲۰۱۷ شامل هشت رصدخانه بود که کل کره‌ی زمین از هاوایی و شیلی تا اروپا را دربر می‌گرفت و برای اولین بار به سطحی رسیدند که EHT توانست یک تصویر واقعی تولید کند.

https://youtu.be/YNGBIC1zq8c

داده‌های قدیمی‌تر شامل چهار دسته بود که در سال‌های ۲۰۰۹، ۲۰۱۱، ۲۰۱۲ و ۲۰۱۳ جمع‌آوری شده بود، دو قسمت از آنها منتشر نشده بود. ویلگوس می‌گوید این‌ها تا حدی فراموش شده بودند، چرا که داده‌های سال ۲۰۱۷ همه را شگفت‌زده کرده بود. او به‌همراه گروه دیگری از محققان EHT داده‌ها را دوباره تجزیه‌وتحلیل کرد و دریافت که با نتایج کارزار ۲۰۱۷، که شامل قرص تاریک و حلقه‌ی روشن است، تطابق دارد. و اگرچه بسته‌های داده‌های ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۳ به‌خودی‌خود وضوح کافی برای ایجاد تصویر نداشتند، گروه توانست بااستفاده‌از مدل ریاضی ساخت سیاه‌چاله از داده‌های سال ۲۰۱۷، با ترکیب داده‌های محدودِ دردسترس برای هر سال تصاویر ترکیبی تولید کند. تصاویر به‌دست‌آمده دارای اطلاعاتی بیشتر از سطح انتظار ویلگوس بود. این تصاویر، مانند تصویر سال ۲۰۱۷، نشان دادند که یک سمتِ حلقه روشن‌تر از سمت دیگر آن است، اما این قسمت روشن به اطراف حرکت می‌کند؛ می‌تواند به این دلیل باشد که نواحی مختلف قرص برافزایشی روشن‌تر و تاریک‌تر می‌شود، که می‌تواند باعث تقویت یا گاهی اوقات ازبین‌رفتن درخشندگی دوپلر شود.

دینامیک قرص

نویسندگان مقاله می‌گویند که این غیرمنتظره نبود: با این‌که خودِ سیاه‌چاله‌ی M87* سال‌تاسال تغییری نمی‌کند، اما محیط اطراف آن تغییر می‌کند. در مقیاس‌های چند هفته، میدان‌های مغناطیسی قوی قرص برافزایشی را به‌حرکت درمی‌آورند و لکه‌های داغ‌تری تولید می‌کنند که سپس به‌دور سیاه‌چاله می‌چرخند. در سال ۲۰۱۸ گروه دیگری، مستقل از گروه پیشین، شواهدی از حباب گاز داغ که طی یک دوره‌ی حدوداً یک‌ساعته به‌دور قنطورس A*، سیاه‌چاله‌ی مرکزی راه شیری، می‌چرخند، گزارش کرد. ازآنجاکه M87* جرمی ۶.۵ میلیارد برابر جرم خورشید دارد و بیش از ۱۰۰۰ برابر بزرگ‌تر از A* است، کشف دینامیک اطراف M87* زمان بیشتری طول کشید.

گروه همکاری EHT هرساله، اواخر ماه مارس یا اوایل آوریل، برای رصد M87* و A* تلاش می‌کند. این زمانی است که به‌احتمال زیاد شرایط جوی در بسیاری از مکان‌های شبکه به‌طور هم‌زمان خوب است. کارزار مربوط به سال ۲۰۲۰ به‌خاطر محدودیت‌های ناشی از همه‌گیری COVID–19 کنار گذاشته شد، اما گروه امیدوار است که شانس دیگری در سال ۲۰۲۱ داشته باشد. اگر همه چیز خوب پیش رود، رصدخانه‌های بیشتری – شامل یک رصدخانه در گرینلند و یکی در فرانسه – نیز به این کار می‌پیوندند.

همچنین گروه امیدوار است که کارزار سال آینده شامل اولین رصدهای جهانی بااستفاده از تابش‌های طول‌موج کوتاه‌تر باشد. با این‌که دیدن از میان جو زمین چالش‌برانگیزتر است، اما می‌تواند باعث بهبود وشوح تصاویر EHT شود. سارا ایسائون، از اعضاء گروه EHT و اخترفیزیک‌دان رادیویی در دانشگاه رادبود نیمخن در هلند، می‌گوید: هنوز هم نزدیک‌تر به سایه‌ی آن سیاه‌چاله می‌شویم و تصاویر واضح‌تری می‌گیریم.

منبع:

Nature 586, 18-19 (2020)

https://doi.org/10.1038/d41586-020-02717-3

مرجع:

1.

Wielgus, M. et al. Astrophys. J. 901, 67 (2020)