شاید نظریه «اینشتین» درباره سیاه‌چاله‌ها کاملا درست نباشد

به گزارش ایسنا به نقل از اسپیس، نظریه «نسبیت عام» مطرح‌شده توسط «آلبرت اینشتین»(Albert Einstein) ممکن است بهترین دستورالعمل برای توصیف سیاه‌چاله‌ها نباشد.

یک پژوهش جدید نشان می‌دهد تصاویر آینده از سیاه‌چاله‌ها ممکن است به قدری دقیق باشند که دانشمندان بتوانند تعیین کنند آیا این اجرام به طور دقیق توسط نظریه نسبیت عام اینشتین توصیف شده‌اند یا بهترین مدل‌سازی آنها توسط نظریه‌های جایگزین انجام خواهد شد.

چنین پژوهشی درباره سیاه‌چاله‌ها به دلیل پیشرفت‌های صورت‌گرفته در تصویربرداری از سیاه‌چاله‌ها امکان‌پذیر شده که پیشگام آنها «تلسکوپ افق رویداد»(Event Horizon Telescope) بوده است. اولین تصویر این تلسکوپ از یک سیاه‌چاله در سال ۲۰۱۹ منتشر شد. این تصویر بر سیاه‌چاله فوق‌سنگین در قلب کهکشان دوردست M87 متمرکز بود. در واقع، کهکشان ما سیاه‌چاله فوق‌سنگین مرکزی خود به نام «کمان ای*»(* Sgr A) را دارد و تلسکوپ افق رویداد، یک تصویر دیگر از آن را نیز در سال ۲۰۲۲ آشکار کرد.

سیاه‌چاله‌ها براساس تعریف رایج، مناطقی از فضا هستند که در آنها تأثیر گرانش بسیار زیاد می‌شود؛ به طوری که حتی نور هم سرعت لازم را برای فرار از آنها ندارد. بنابراین، تصاویر گرفته‌شده توسط تلسکوپ افق رویداد در واقع خود سیاه‌چاله‌ها را نشان نمی‌دهند. در عوض، آنها ماده داغ و سوزانی را ردیابی می‌کنند که به دور این حفره‌ها می‌چرخد. آنچه ما در تصاویر M87 و کمان ای* می‌بینیم، در واقع سایه‌های این سیاه‌چاله‌ها هستند.

به نظر این گروه پژوهشی، تصاویر این سایه‌ها روزی می‌توانند آن قدر دقیق باشند که انحرافات احتمالی نظریه نسبیت عام را نشان دهند. این به دانشمندان امکان می‌دهد تا بررسی کنند که دستورالعمل توصیف واقعی سیاه‌چاله‌ها چیست.

«آخیل یونیال»(Akhil Uniyal) پژوهشگر «دانشگاه جیائو تونگ شانگهای»(SJTU) گفت: ما یک روش عملی و مبتنی بر شبیه‌سازی را توسعه دادیم تا تصاویر گاز داغ اطراف سیاه‌چاله‌ها که در نظریه نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی شده بود، با تصاویر پیش‌بینی‌شده جدید مقایسه‌ کنیم. اجرای شبیه‌سازی‌های سه‌بعدی واقع‌گرایانه از گاز و میدان‌های مغناطیسی برای بسیاری از موارد فضا-زمان‌ فرضی سیاه‌چاله، تصاویر مصنوعی را تولید کرد و تعریفی را از معیارهای مقایسه‌ تصویر ارائه داد که میزان تفاوت دو تصویر را تعیین می‌کند. نتیجه‌ کلیدی این است که اگرچ بسیاری از جایگزین‌ها در کیفیت تصویر امروزی بسیار شبیه به سیاه‌چاله‌ استاندارد به نظر می‌رسند اما با بهبود وضوح و دقت تصویربرداری، تفاوت‌ها به طور قابل پیش‌بینی افزایش می‌یابند و ثابت می‌کنند که تصویربرداری نسل بعدی می‌تواند سیاه‌چاله‌های اینشتینی را از سیاه‌چاله‌های غیر اینشتینی متمایز کند.

دستورالعمل سیاه‌چاله اینشتین

در سال ۱۹۱۵ بیش از ۱۰۰ سال پیش از این که تلسکوپ افق رویداد تصویری را از یک سیاه‌چاله ثبت کند، اینشتین نظریه هندسی گرانش خود را که بیشتر با نام نسبیت عام شناخته می‌شود، تدوین کرد. تا آن زمان بهترین توصیف از گرانش، نظریه «آیزاک نیوتن»(Isaac Newton) بود.

برخلاف نیوتن، اینشتین معتقد بود که اجرام فضایی دارای جرم، تار و پود فضا و زمان را خم می‌کنند و آن را به عنوان یک موجودیت واحد به نام فضازمان متحد می‌سازند و آنچه ما به عنوان گرانش تجربه می‌کنیم، از این خمیدگی ناشی می‌شود. هرچه جرم بیشتر باشد، خمیدگی فضازمان ناشی از آن شدیدتر و تأثیر گرانشی آن بیشتر است.

مفهوم سیاه‌چاله‌ها در سال ۱۹۱۶ از نسبیت عام پدیدار شد؛ زمانی که «کارل شوارتزشیلد»(Karl Schwarzschild) اخترفیزیکدان آلمانی یک راه حل را برای معادلات زیربنای نسبیت عام ارائه داد و اینشتین را بسیار شگفت‌زده کرد. این راه حل‌ نشان داد که نسبیت عام پیش‌بینی می‌کند در یک ناحیه بی‌نهایت کوچک از فضازمان که جرم در آن بی‌نهایت متراکم می‌شود، قوانین فیزیک از کار می‌افتند. آن نقطه، تکینگی در قلب یک سیاه‌چاله است. همچنین، این راه حل نشان داد احتمالا حدی در اطراف تکینگی به نام «شعاع شوارتزشیلد» وجود دارد که در آن سرعت فرار این ناحیه فضا از سرعت نور فراتر می‌رود. این حد به عنوان مرز بیرونی به دام انداختن نور یک سیاه‌چاله یا افق رویداد شناخته می‌شود.

با وجود این، دانشمندان مدت‌هاست فکر می‌کنند که نسبیت عام ممکن است دستورالعمل درستی برای سیاه‌چاله‌ها نباشد. این یک احتمال جذاب به نظر می‌رسد زیرا سایر نظریه‌های مطرح‌شده درباره سیاه‌چاله‌ها ممکن است تکینگی مرکزی نگران‌کننده را که در آن فیزیک و نسبیت عام فرو می‌ریزد، نداشته باشند.

از سوی دیگر، نظریه‌های جایگزین اغلب به ماده‌ای با ویژگی‌های بسیار ویژه یا حتی انواع دیگری از نقض قوانین فیزیک نیاز دارند. در واقع، سیاه‌چاله‌های چرخان استانداردی وجود دارند که به صورت کلی توصیف شده‌اند. یونیال گفت: گزینه‌های متنوعی وجود دارند که توسط نظریه‌های گوناگون برانگیخته می‌شوند. همه این گزینه‌ها پیچیده‌تر از گزینه‌های پیشنهادی اینشتین هستند اما تا زمانی که رد نشوند، از نظر تئوری قابل قبول باقی می‌مانند.

یک مانع اصلی برای آزمایش نظریه‌های جایگزین، افق رویداد است که از رسیدن هرگونه اطلاعات از درون سیاه‌چاله به ناظر بیرونی جلوگیری می‌کند. با توجه به این که تصویربرداری از سیاه‌چاله اکنون یک عامل مهم است و با پیشرفت‌هایی که در تصویربرداری افق رویداد حاصل شده، یونیال و همکارانش به بررسی چیزهایی پرداختند که دانشمندان می‌توانند در این تصاویر و در سایه‌های سیاه‌چاله‌ها ببینند و می‌توانند نشان‌دهنده انحراف از نسبیت عام باشند.

یونیال گفت: سایه سیاه‌چاله، شبح تاریکی است که با جذب فوتون و عدسی گرانشی قوی تشکیل شده است و هندسه فضازمان را بسیار نزدیک به جرم فشرده رمزگذاری می‌کند. انحرافات کوچک به تغییرات کوچک و سیستماتیک در اندازه و شکل سایه و نحوه تشکیل حلقه‌های نوری در اطراف آن تبدیل می‌شوند. بنابراین بررسی دقیق سایه، تشخیص مستقیمی را از این موضوع ارائه می‌دهد که آیا گرانش زمینه‌ای با پیش‌بینی‌های اینشتین مطابقت دارد یا خیر.

یونیال ادامه داد: از آنجا که فضازمان اطراف یک سیاه‌چاله، مدارهای ذرات و مسیرهای نور را کنترل می‌کند، تغییرات کوچک محل مدارهای گاز و نحوه تابش آن را تغییر می‌دهد که می‌تواند پویایی برافزایش، مناطق پرتاب فوران، بازده تابشی و الگوهای روشنایی و قطبش مشاهده‌شده توسط ناظران دور را عوض کند. در موارد شدید، یک ساختار داخلی متفاوت مانند عدم وجود یک افق رویداد واقعی می‌تواند به رصدهای متفاوت از نظر کیفی نیز منجر شود.

وی افزود: می‌توان یک تصویر آینده‌نگر با جزئیات کافی از یک سیاه‌چاله را ارزیابی کرد تا مشخص شود آیا داده‌ها با سیاه‌چاله‌ای که توسط نسبیت عام توصیف می‌شود، سازگاری بیشتری دارند یا با سیاه‌چاله‌ای که توسط یک نظریه جایگزین توصیف می‌شود، سازگارتر هستند.

این پژوهش در مجله «Nature Astronomy» به چاپ رسید.