پاسخ به پرسشی نامتعارف؛ دقیقا چقدر می‌توان به یک سیاهچاله نزدیک شد؟

جریان‌های گازی در برابر سرنوشت شوم‌شان مقاومتی نمی‌کنند، به درون سیاهچاله کشیده می‌شوند و دیگر هیچوقت جایی در کیهان نخواهند داشت. در واپسین لحظات‌شان، این ذرات گازی آخرین پرتو نور را هم ساطع می‌کنند که برخی از روشن‌ترین پرتوهای کیهانی به حساب می‌آیند.

مرگ این ذرات در چنان فاصله دوری اتفاق می‌افتد که به صورت مستقیم امکان مشاهده‌شان وجود ندارد، اما اخترشناسان حالا تکنیکی تازه برای رصد فریادهای گریان ذرات، هنگامی که به درون سیاهچاله کشیده می‌شوند یافته‌اند. دانشمندان از این متد برای آزمایش دانش‌مان راجع به گرانش در غیر عادی‌ترین نقاط جهان استفاده می‌کنند.

در یک تحقیق تازه، فیزیک‌دانان به ویژگی‌های خاص نور نگاهی انداخته و به دنبال پاسخ به این پرسش بوده‌اند که بدون نیاز به تلاشی سخت برای جلوگیری از وقوع یک فاجعه، بشر دقیقا چقدر می‌تواند به سیاهچاله‌ها نزدیک شود. این داشمندان دریافتند که متد تازه، با تلسکوپ‌های اشعه ایکس دقت و کارایی بیشتری خواهد داشت.

بر فراز آبشار

مفهومی به نام افق رویداد وجود دارد که براساس آن، پیرامون یک سیاهچاله خطی نامریی کشیده شده که با عبور از آن، دیگر هیچوقت قادر به بازگشت نیستید. به محض اینکه هرچیزی از افق رویداد عبور کند -حتی نور- دیگر قادر به بازگشت به جهان نیست. گرانش سیاهچاله در این شعاع، بیش از حد قدرتمند است.

بیرون سیاهچاله اما همه‌چیز نرمال است. یک سیاهچاله، جرمی مشخص دارد که می‌تواند بین جرمی چندین برابر خورشید (در سیاهچاله‌های کوچک‌تر) یا میلیون‌ها برابر سنگین‌تر از آن (در سیاهچاله‌های غول‌آسا که بر کیهان حکمرانی می‌کنند) متفاوت باشد. و گشت زدن در مدار سیاهچاله درست مانند هر چیز دیگری است که چنین جرمی دارد. گرانش همواره گرانش است و مدارها همواره مدار.

در واقع اجرام بسیار زیادی می‌توان در کیهان یافت که به دور سیاهچاله‌ها می‌گردند. اما به محض اینکه این ماجراجویان سرخوش خودشان در آغوش گرانشی سیاهچاله‌ها می‌یابند، سفر تازه‌ای به سمت نابودی آغاز می‌شود.

درحالی که مواد به درون سیاهچاله سقوط می‌کنند، معمولا به درون باندی بسیار باریک به نام قرص برافزایشی کشیده می‌شوند. این قرص می‌چرخد و می‌چرخد و حرارت، اصطکاک و نیروهای الکتریکی و مغناطیسی به آن انرژی می‌رسانند. همین باعث می‌شود ماده بخت‌برگشته، شدیدا بدرخشد.

وقتی نوبت به سیاهچاله‌های عظیم‌الجثه می‌رسد، قرص برافزایشی پیرامون آن‌ها آنقدر درخشان است که اخترشناسان نامی دیگر برایشان انتخاب کرده‌اند: هسته کهکشانی فعال. این هسته آنقدر درخشان است که نوری بیشتر از میلیون‌ها کهکشان تولید می‌کند.

در قرص برافزایشی، خرده‌های مواد با یکدیگر سایش می‌‌کنند که انرژی گردشی را از آن‌ها می‌گیرد و آن‌ها را بیشتر به سمت سیاهی مطلق افق رویداد سوق می‌دهد. اگر به خاطر این نیروهای اصطکاکی نبود، آن مواد می‌توانستند تا ابدیت به دور سیاهچاله بگردند، درست همانطور که سیاره‌ها برای میلیون‌ها سال در مدار خورشید باقی می‌مانند.

تقاضای کمک

همین‌طور که به مرکز سیاهچاله نزدیک‌تر می‌شوید، به نقطه‌ای مشخص خواهید رسید که امید به ثبات جای خودش را به گرانش مطلق می‌دهد. درست بیرون از سیاهچاله اما قبل از اینکه به افق رویداد برسید، نیروهای گرانشی آنقدر قدرتمند هستند که شکل‌گیری مدارهای باثبات غیر ممکن می‌شود.

وقتی به این نقطه برسید، نمی‌توانید در مداری ساکن باقی بمانید. به این ترتیب دو انتخاب پیش رویتان است: اگر موشک یا منبعی دیگر از انرژی داشته باشید، می‌توانید بر گرانش مقابله کرده و خودتان را به جایی امن برسانید. اما اگر یک ماده گازی یا چیزی شبیه به آن باشید، محکوم به کشیده شدن درون کابوس سیاهی هستید که آن پایین انتظارتان را می‌کشد.

این کرانه که «درونی‌ترین مدار گردشی باثبات» (یا به اختصار ISCO) نامیده شده، یکی از پیش‌بینی‌های به ظاهر درست اینشتین در نظریه نسبیت است، همان نظریه‌ای که اصلا وجود سیاهچاله‌ها را پیش‌بینی کرده بود.

علی‌رغم موفقیت نظریه نسبیت عام در پیش‌بینی و توضیح پدیده‌های مختلف در سراسر کیهان و علی‌رغم دانش قطعی ما نسبت به وجود سیاهچاله‌ها، بشر هیچگاه نتوانسته وجود درونی‌ترین مدار گردشی باثبات را اثبات کند یا اصلا پیش‌بینی‌های نسبیت عام را زیر سوال ببرد.

اما مشاهده گازی که به درون سیاهی سقوط می‌کند، احتمالا راهی برای اثبات وجود این مدار باشد.

نورهای رقصان

تیمی از اخترشناسان اخیرا مقاله‌ای در ژورنال Monthly Notice منتشر کرده و توضیح دادند که چطور می‌توان از نورهای در حال مرگ برای مطالعه روی درونی‌ترین مدار گردشی باثبات استفاده کرد. تکنیک‌ آن‌ها متکی بر ترفندی اخترشناسانه است که به آن نقشه‌برداری پژواک گفته می‌شود و با استفاده از این حقیقت صورت می‌گیرد که مناطق مختلف درون سیاهچاله، به طرق گوناگون روشن می‌شوند.

وقتی گاز از قرص برافزایشی و ISCO -یعنی درون‌ترین بخش درون قرص برافزایشی- عبور کرده و به درون سیاهچاله می‌رود، آنقدر داغ می‌شود که یک پرتوی اشعه ایکس بسیار پرانرژی و وسیع از خود ساطع می‌کند. این نور اشعه ایکس به تمام جهات پیرامون سیاهچاله می‌درخشد. امکان مشاهده همین نور از زمین هم وجود دارد اما مشکل اینجاست که جزییات ساختار قرص برافزایشی میان انفجار باشکوه اشعه ایکس از چشم دور می‌ماند.

همان نور اشعه ایکس، مناطق بیرون قرص برافزایشی را هم روشن می‌کند. مناطقی که در تصرف توده‌های گازی سرد هستند. گاز سرد با اشعه‌های ایکس انرژی به دست می‌آورد و نور مخصوص به خودش را ساطع می‌کند و این فرآیندی است که به آن فلورسانس می‌گوییم. انسان قادر به رصد این نورها هم هست و خوشبختانه آن‌ها را می‌توانیم به صورت جداگانه از اشعه‌های ایکسی که از مناطق نزدیک به سیاهچاله ساطع می‌شوند مشاهده کنیم.

زمان می‌برد تا نور از ISCO و دیگر نقاط بیرونی قرص برافزایشی به گاز سرد برسد. اگر به دقت مشغول رصد باشیم، در ابتدا قادر به مشاهده نور مناطق مرکزی (یعنی ISCO و درونی‌ترین نقاط قرص برافزایشی) خواهیم بود و بعد به فاصله‌ای کوتاه، نوبت به «پژواک» روشنایی لایه‌های بیرونی ISCO و پیرامون قرص برافزایشی می‌رسد.

زمان‌بندی و جزییات نور پژواک شده، بستگی به ساختار قرص برافزایشی دارد که اخترشناسان از آن برای تخمین جرم سیاهچاله‌ها استفاده می‌کنند. در این تحقیق تازه، محققان از شبیه‌سازهای پیچیده کامپیوتری استفاده کرده‌اند تا ببینند که حرکت گاز در ISCO -چگونگی مرگ گاز در حالی که به سمت افق رویداد کشیده می‌شود- چه تاثیری بر ساطع شدن اشعه‌های ایکس نزدیک سیاهچاله و همینطور اشعه‌های گاز بیرونی می‌گذارد.

این محققان متوجه شدند که گرچه ما هنوز به دقت لازم برای اندازه‌گیری حرکات گازهای محکوم به نابودی دسترسی نداریم، نسل بعدی تلسکوپ‌های اشعه ایکس می‌توانند مشکل‌مان را حل کرده، اجازه دهند وجود ISCO را تایید کنیم و بالاخره ببینیم همه‌چیز با آنچه نظریه نسبیت عام مطرح کرده سازگار است یا خیر.