چه چیزی شکل سایۀ یک سیاهچاله را تعیین می‌کند؟

MacTavish · 7/1/20

بیگ بنگ: در ماه آوریل امسال، تلسکوپ “افق رویداد” نخستین تصویر از سایه‌ی یک سیاهچاله را ثبت کرد. اکنون در پژوهشی تازه، یک گروه از دانشمندان به بررسی چیزی که اندازه و شکل سایۀ سیاهچاله‌هایی مانند این نمونه را تعیین می‌کند پرداختند.

نمایی از شبیه‌سازی گازهای برافزایشی که به دور یک ابرسیاهچاله می‌چرخند. جزئیات این گاز چه تاثیری بر نمایی که از سایۀ سیاهچاله می‌بینیم می‌گذارد؟
تصویربرداری از یک سایه

تصویر رادیویی خیره‌کننده از ابرسیاهچاله‌ی مرکز کهکشان ام۸۷ که در بهار امسال گرفته شد یک حلقۀ درخشانِ تابشی را گرداگرد یک منطقه‌ی دایره‌ای تیره نشان می‌دهند. این ساختار روشن از نتایج خمش و تابیده شدن فضا-زمان به دور اجسام پرجرمی همانند سیاهچاله‌هاست.

نخستین عکس دقیق از یک سیاهچاله (در مرکز کهکشان ام۸۷) که به کمک تلسکوپ افق رویداد گرفته شده است.
این حلقه‌ی نور از فوتون‌هایی تشکیل شده که از گازهای داغ و درخشان ِ اطراف ِ سیاهچاله منتشر شده و مسیرشان پیش از رسیدن به تلسکوپ‌های ما دورِ سیاهچاله خم شده است. منطقه‌ی تیره در مرکز سایۀ سیاهچاله نام دارد؛ این سیاهی مجموعۀ مسیرهای فوتون‌هایی‌ است که نتوانسته‌اند بگریزند، بلکه به دام ِ سیاهچاله افتاده‌اند.

تصویر سایه‌ی سیاهچاله در ۳ مدلِ این پژوهش: فضا-زمان غیرنسبیتی (بالا)، فضا-زمان نسبیتی با گازهای ایستای پیرامون (مرکز)، و فضا-زمان نسبیتی با قرص گازی برافزایشی که مارپیچ‌وار به درون سیاهچاله فرومی‌ریزد.
با آنکه در برخی پژوهش‌های گذشته شکل سایۀ سیاهچاله‌ای که با قرص نازکی از گازهای برافزوده (قرص برافزایشی) در بر گرفته شده، پرداخته شده بود (یک سیاهچاله‌ با قرص فیلم اینترستلار را در نظر بگیرید)، ولی بیشتر ابرسیاهچاله‌ها -مانند ابرسیاهچالۀ مرکز ام۸۷ و همچنین ابرسیاهچالۀ کهکشان خودمان- به احتمال زیاد با قرص‌هایی از گاز برافزودۀ داغ در بر گرفته شده‌اند که بسیار گسترده‌تر هستند و یک قرص ضخیم انبوه و یا شبه-کروی را ایجاد کرده‌اند. اما آیا هندسه و حرکت گازهای برافزایشی بر اندازه و شکل سایۀ یک سیاهچاله تاثیر می‌گذارد؟

مدل‌های هیولاها

در یک پژوهش تازه، سه دانشمند به نام‌های رامش نارایان و مایکل جانسون از بنیاد اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونین و چارلز گَمی از دانشگاه ایلینوی در اربانا-شمپین به بررسی چگونگی تغییرات سایۀ سیاهچاله بر پایه‌ی رفتار گاز داغ اطرافش پرداختند.

این محققان مدل‌های تحلیلی از یک سیاهچاله که با گاز داغ و نورگذر (نور از گاز می‌گذرد و دیده می‌شود) در بر گرفته شده را پدید آورند. سپس نما و ظاهر سایه را به کمک فضا-زمان‌های گوناگون، حرکت‌های گازیِ گوناگون، و رفتارهای گوناگونِ گازِ نزدیک به سیاهچاله بررسی کردند.

کاهش پیچیدگی‌ها

این دانشمندان با شگفتی دریافتند که نمای سایۀ سیاهچاله به جزئیاتِ قرص برافزایشِ گازِ نزدیک سیاهچاله بستگی ندارد. اندازۀ سایه به طور عمده توسط خود فضا-زمان (که تحت تاثیر جرم سیاهچاله است) تعیین می‌شود. ولی اینکه توزیع گازها در اطراف ِ سیاهچاله چگونه است، و اینکه گاز ایستا است یا چرخش یافته و به درون سیاهچاله کشیده می‌شود، اثر آنچنانی روی نمای سایه نمی‌گذارند.

مقایسه‌ سیاهچاله‌ای با قرص برافزایشی نازک و سیاهچاله‌ای با قرص برافزایشی انبوه
اما سیاهچاله‌های واقعی کمی آشفته‌تر و پیچیده‌تر از این مدل سادۀ با تقارن کروی هستند؛ چرخش سیاهچاله و وجود فواره‌ها یا برون‌ریزی‌ها باعث بی‌تقارنی سایه می‌شوند. ولی نتایج این پژوهشگران به طور کلی به ما می‌گوید که جزئیات نزدیک به جریان‌های برافزایشی آنچه ما می‌بینیم را پیچیده نمی‌کنند. و این آگاهی ارزشمندی است که می‌توانیم از آن برای تفسیر و برداشت عکس‌های آیندۀ سیاهچاله‌ها بهره ببریم!