چگونه اولین تصویر سیاهچاله، نظریه اینشتین را تأیید کرد

آلبرت اینشتین در سال 1915 با ارائه نظریه نسبیت عام خود، درک بشر از فیزیک را متحول کرد و با توصیف روابط بین فضا، زمان، گرانش و ماده، منجر به پیش بینی وجود پدیده هایی شد که تا سال ها بعد اثبات و تعریف آنها ممکن نبود.

سیاهچاله یکی از این پدیده های کیهانی است که دیروز برای نخستین بار یک تصویر واقعی از آن منتشر شد. اما چه ارتباطی بین سیاهچاله ها و نظریه نسبیت عام اینشتین وجود دارد؟ برای درک موضوع، ابتدا لازم است مروری مختصر بر مفهوم گرانش و ارتباط فضا-زمان با اجرام داشته باشیم:

جان ویلر دانشمند آمریکایی، نسبیت عام را توصیف کننده رفتار فضا-زمان، خصوصاً در حضور یک جرم، می داند و آن را این گونه تعریف می کند: «جرم، فضا-زمان را خمیده می کند و فضا-زمان هم نحوه حرکت جرم را مشخص می نماید.»

یک صفحه از جنس لاستیک انعطاف پذیر (فضا-زمان) با ابعاد 2 در 2 متر را تصور کنید که از سطح زمین 1.5 متر فاصله دارد؛ اگر یک جرم سنگین مانند یک توپ بولینگ را در وسط صفحه قرار دهیم، آن را خم کرده و در صفحه فرو می رود؛ این رفتار دقیقاً همان خمیده کردن فضا-زمان توسط جرم است.

جرم، فضا-زمان را خمیده می‌کند و فضا-زمان هم نحوه حرکت جرم را مشخص می‌نماید

حالا یک تیله کوچک را درون صفحه و بالاتر از توپ بولینگ قل بدهید؛ خواهید دید که خمیدگی صفحه (فضا-زمان) مسیر حرکت تیله را تعیین می کند و با توجه به سرعت و اصطکاک با سطح، تیله قبل از ایستادن و برخورد با توپ بولینگ، به دور آن می چرخد. این مسئله همان تعیین شدن نحوه حرکت جرم توسط فضا-زمان است که در این بین گرانش با توجه به جرم اجسام، در میزان خمیدگی فضا-زمان مؤثر خواهد بود.

با در نظر داشتن قواعد فوق، اکنون تصور کنید که یک تکینگی (نقطه فرضی با چگالی بی نهایت) را در وسط صفحه لاستیکی قرار داده ایم؛ در چنین شرایطی چه اتفاقی برای صفحه (فضا-زمان) رخ می دهد؟

جالب است بدانید که فیزیکدان نظری آلمانی «کارل شوارتزشیلد» (و نه خود آلبرت اینشتین) نخستین کسی بود که با استفاده از نظریه نسبیت عام، چنین شرایطی را توصیف کرد. شوارتزشیلد در محاسبات خود به این نتیجه رسید که نقطه تکینگی، فضا-زمان را سوراخ خواهد کرد. البته وجود نقطه تکینگی واقعی در آن زمان قابل تصور نبود و هیچ مکانیزمی هم برای بازتولید یا شناسایی آن وجود نداشت.

کارل شوارتزشیلد تا پایان عمر خود در سال 1916 تئوری مورد بحث را گسترش داد و بر این باور بود که یک نقطه تکینگی در فضا-زمان آنچنان چاله عمیقی ایجاد می کند که حتی سرعت نور هم برای فرار از آن کافی نخواهد بود.

در تئوری شوارتزشیلد، فضای کروی اطراف نقطه تکینگی که پس از ورود به آن، امکان بازگشت برای هیچ جرمی وجود ندارد، «افق رویداد» نام گرفته که به احترام دانشمند آلمانی، از آن با نام «شعاع شوارتزشیلد» نیز یاد می شود.

به دلیل عدم کشف پدیده طبیعی با خصوصیات نقطه تکینگی، جامعه علمی توجه چندانی به آن نکرد

با عبور از افق رویداد، فیزیکی که می شناسیم دیگر نمی تواند پدیده ها را توصیف کند و از آنجایی که هیچ چیز (حتی نور) هم امکان خروج از آن را ندارد، عملاً هیچ اطلاعاتی هم قابل دستیابی نیست. با اینکه چنین مبحثی می تواند بسیار جذاب باشد، اما در زمان معرفی آن توسط شوارتزشیلد (بر مبنای نظریه نسبیت عام اینشتین)، به دلیل عدم کشف پدیده طبیعی با خصوصیات نقطه تکینگی، جامعه علمی توجه چندانی به آن نکرد.

در سال 1935 «چاندراسخار» اخترفیزیکدان هندی متوجه شد که در صورت پایان یافتن سوخت یک ستاره و توقف چرخه تولید عناصر سنگین تر، فشار گرانشی عظیم آن در یک نقطه متمرکز شده و موجب رُمبِش (در هم فروریختگی) فضا-زمان خواهد شد.

چاندراسخار موفق شد با برقراری ارتباط میان مفاهیم ریاضی و احتمالات علمی، پایه های نظری امکان شکل گیری یک نقطه تکینگی واقعی در طبیعت را پی ریزی کند. البته با وجود تلاش های دانشمند هندی برای درک جامعه علمی از مفهوم جدید در طبیعت، تکینگی اخترفیزیکی در بهترین حالت بسیار نادر تصور می شد.

در سال 1960 اما استیون هاوکینگ و راجر پنروز ثابت کردند که نقاط تکینگی در عالم نتنها نادر نیستند، بلکه بخشی از اکوسیستم کیهانی بوده و یکی از مراحل تکامل ستاره پس از پایان سوخت و مرگ را تشکیل می دهند.

در نهایت در سال 1967 و 12 سال پس از مرگ آلبرت اینشتین، تکینگی های اخترفیزیکی نام «سیاهچاله» را به خود گرفتند؛ لقبی که فیزیکدان آمریکایی جان ویلر طی کنفرانسی در نیویورک برای توصیف مرحله آخر زندگی یک ستاره به کار برد.

گفتنی است با وجود اینکه اینشتین در زمان ارائه شواهد علمی برای اثبات وجود سیاهچاله در قید حیات نبود، اما نظریه نسبیت عام او بود که راه را برای کشف سیاهچاله ها هموار کرد و با طرح احتمال وجود چنین پدیده ای، دانشمندان دیگر را به تحقیق درباره وجود تکینگی در طبیعت ترغیب نمود.

با توجه به تصاویری که در پروژه اخیر به دست آمد محققان دریافتند که این سیاهچاله جرمی 6.5 میلیارد برابر خورشید و ابعادی 40 میلیارد کیلومتری داشته و به این ترتیب، از مدار چرخش نپتون به دور خورشید هم بزرگتر است. نظریه نسبیت عام اینشتین با دقت بدون خطا مشاهدات سیاهچاله اخیر را پیش بینی کرده بود. سرعت جرمی که به دور مرکز این سیاه چاله می چرخد، ثابت و نزدیک به سرعت نور است.

از آنجایی که نور مشاهده شده از کهکشان راه شیری تغییرات سریعی دارد، مشاهده سیاهچاله های آن با چالش های فراوانی روبرو است و به همین خاطر در پروژه اخیر از سیاهچاله ای در کهکشان M87 تصویربرداری شده است.

امید می رود در آینده با اضافه شدن تلسکوپ های بیشتر به مجموعه تلسکوپ های افق رویداد، تصاویر واضح تری از سیاهچاله ها ثبت شود و احتمالا در آینده نزدیک قادر به مشاهده قلب تاریک کهکشان خودمان هم خواهیم بود.