في العام الماضي ، صورنا أخيراً ثقبًا أسود. ماذا الآن؟

يمكن أن تساعدنا المقاريب المدارية على تخيل الثقوب السوداء كما لم يحدث من قبل.

استغرق الراعي Doleman ما يقرب من عشر سنوات لتحقيق المستحيل. بصفته مديرًا لـ Event Horizon Telescope (EHT) ، وهو مشروع يضم مجتمعًا دوليًا يضم مئات الباحثين ، سافر لسنوات على حقائب مليئة بمحركات الأقراص الصلبة حول العالم لتنسيق الملاحظات بين التلسكوبات الراديوية في أربع قارات ، بما في ذلك القارة القطبية الجنوبية. في 9 أبريل 2019 ، جلب التعاون أخيرًا ثمار عملهم ، ونظر العالم إلى الصورة الأولى للثقب الأسود .

كان هذا الإنجاز ، الذي وصفه جيمس باردين ، وهو منظّر رائد للثقب الأسود ، ميؤوس منه في عام 1973 ، إنجازًا رائعًا للتكنولوجيا الفلكية. ولكن بمجرد اكتمال معالجة البيانات وانسكاب الشمبانيا ، أصبح تعاون EHT بشكل ما مثل كلب يمسك بسيارة. يقول أندرو سترومينغر ، الفيزيائي النظري في جامعة هارفارد: "فوجئ الجميع بالحصول على مثل هذه اللقطة السريعة بهذه السرعة". "سألني شيبرد ومايكل [جونسون ، عالم الفيزياء الفلكية ومنسق هارفارد سميثونيان] عن ذلك. "ماذا نفعل بهذا؟ لقد التقطنا صورة ، والآن ماذا؟ "

الآن عاد Strominger وفريق من الباحثين متعدد التخصصات ، بما في ذلك المنظرون ، والمُجربون ، وفيلسوف واحد ، مع الجواب الجامح الذي ظهر الأسبوع الماضي في مجلة Science Advances. من خلال الوصول إلى تلسكوب بعيد إلى حد ما ، يمكن لتعاون EHT التمييز بين الانعكاسات المتعددة للضوء المتدفق حول الثقب الأسود. من خلال تحليل الأنماط الدقيقة في هذه الأشعة المتشابكة ، يمكن للفلكيين قياس الخصائص الأساسية للثقوب السوداء بشكل مباشر واختبار نظرية آينشتاين عن الجاذبية كما لم يحدث من قبل. في الواقع ، يأملون أن تصبح الثقوب السوداء أشبه بالنجوم والكواكب: ليس فقط أشياء للفكر ، ولكن للملاحظة المباشرة.

قال أليكس لوبساسكا ، أحد منظري جامعة هارفارد ، والذي عمل في مجال البحث: "هذه أشياء بالنسبة لي كانت مجرد معادلات حاولت تصورها في ذهني" . "ولكن الآن حصلنا على صورهم الحقيقية."

أجرى الفريق حسابات باستخدام القلم والورق ، استنادًا إلى نظرية النسبية لأينشتاين ومحاكاة دقة غير مسبوقة ، لتحليل ما تفعله الثقوب السوداء بالضوء. انتباه المفسد! حدث شيء غريب. تقول Lupsaska: "الثقوب السوداء ، هي الأفضل في كل شيء يفعلونه". وهذا يشمل ثني الأشعة الضوئية إلى حلقات.

نظرًا لأن الأجسام الكثيفة التي تتبع قوانين الفيزياء ، فإن الثقوب السوداء لها جاذبية كونية هائلة ، وقد عرف الفيزيائيون منذ فترة طويلة أن الهاوية مخفية في مظاريف الضوء. حيث يمكن للأرض أن تجذب الحصوه الكونية المارة - سحبها إلى عدة مدارات قبل أن تطير مرة أخرى إلى الفضاء - يمكن للثقوب السوداء التقاط جزيئات الضوء الحقيقية. كل شيء يتحطم في الثقب الأسود يعلق في الداخل إلى الأبد ، لكن الفوتونات التي تنزلق عن كثب على طول الحدود يمكن أن تحدث العديد من الثورات حول الثقب الأسود. تقول Lupsaska: "هذه هي الطبيعة المشوهة والصراخ للزمان."

قام Strominger و Lupsaska وزملاؤهم بدقة بحساب البنية المحددة لمظروف الضوء وكيف سيبدو عند مراقبته من الأرض.

وإليك كيف يعمل. عندما تقترب أشعة الضوء من ثقب أسود ، تأخذها جاذبيتها المرعبة إلى المدار. الأشعة التي تمر على مسافة معينة تدور نصف حول ثقب أسود قبل الذهاب إلى الفضاء. الأشعة الأقرب قليلاً يمكن أن تشكل دائرة كاملة قبل أن تعود من حيث أتت. لا تزال الأشعة القريبة تقترب من دور واحد ودوران ، الدوران الآخران وما إلى ذلك. يمكن لكل من هذه المجموعات التي لا نهاية لها من أشعة الضوء أن تشكل صورة (عندما تضرب الكاميرا أو مقلة العين) ، لذلك يمكن للثقب الأسود إنشاء عدد لا نهائي من هذه الصور. يقارن Strominger هذا التأثير الغريب بكيفية وقوفك بين مرآتين في متجر متعدد الأقسام ، ويرى كيف تمتد انعكاساتك هناك.

"في عالم مثالي مع تلسكوب مثالي ، ستنظر إلى ثقب أسود ولن ترى فقط عددًا لا نهائيًا من الصور المضمنة في صور أخرى ، ولكن في الكون كله" ، كما يقول.

لكن EHT ، مثل جميع التلسكوبات ، ليست مثالية. هذا ليس حتى تلسكوب ، بل مقياس تداخل تقني. تعمل مقاييس التداخل من خلال مقارنة ملاحظات نقطة بعيدة من مكانين مختلفين. كلما ابتعدت الأماكن عن بعضها البعض ، كلما كانت العناصر الأكثر دقة للكائن يمكن التقاطها. نظرًا لأن الانعكاسات المتتالية للثقوب السوداء (التي قد تظهر على شكل حلقات للمراقب) أصبحت أرق وأرق ، يجب على الفلكيين استخدام مراصد أكثر بعدًا لرؤيتها.

لاكتشاف الحلقات العاكسة ، سيتعين على EHT أن تذهب أبعد من ذلك. في النهاية ، خلص مؤلفو الدراسة إلى أن التعاون يجب أن يضيف مرصدًا فضائيًا إلى شبكتهم. واحد فقط يجب أن يفعل ذلك. يمكن لقمر صناعي يدور حول الأرض أن يحدد الحلقة الأولى بوضوح ، أو يمكن للمركبة التي تدور حول القمر رؤية الحلقة الثانية. إذا استطاعوا أخذ المركبة الفضائية إلى المكان بين الأرض والشمس ، والمعروفة باسم نقطة لاغرانج الثانية (وجهة تلسكوب جيمس ويب الفضائي المستقبلي) ، فيمكنهم تحديد الحلقات الثلاث الأولى. يمكن أن تكلف هذه المهمة عدة مئات من ملايين الدولارات - باهظة الثمن ، ولكنها ليست باهظة التكلفة مثل أكبر المشاريع العلمية. تقول لوبساسكا: "هذا شيء سيفعله شخص ما يومًا ما". "إنها مسألة وقت".

مع هذا طن من المال ، سيشتري علماء الفيزياء الفلكية الكثير من المعرفة بالثقب الأسود. ستكون مراقبة الحلقات بمثابة الاختبار الأول للنظرية النسبية العامة في وسط ذي جاذبية قوية بما يكفي لثني الأشعة الضوئية في حلقات كاملة. تضييق الحلقات دقيق للغاية ، لذا فإن أي انحراف سيشير إلى حدوث شيء غريب. تقول لوبساسكا: "ليس هناك مكان للمناورة". "تذهب إلى هناك وتتخذ قياسًا ، وهو إما يناسب النظرية أم لا."

يتوقع عدد قليل من المنظرين تدمير نظرية أنشتاين الأكثر نجاحًا. بدلاً من ذلك ، فإنهم أكثر حماسًا لأن الحلقات يمكن أن تثبت وجود ثقبين أسودين قريبين بما يكفي لاستلام الصورة بهذه الطريقة. يمتلك الفلكيون عدة طرق لقياس الخصائص الأساسية للثقب الأسود ، مثل كتلته ودورانه ، ولكن يتعين عليهم إجراء الكثير من الافتراضات للتحقق من ذلك. يعتمد نمط الحلقات فقط على الثقب الأسود - الذي لا علاقة له بالبلازما المضيئة والحطام القريب - لذا فإن مثل هذه الملاحظات يمكن أن توفر للفيزيائيين طريقة أوضح للإجابة على أسئلتهم الأساسية حول هذه الأشياء الغامضة.

وهذا التحليل هو البداية فقط. بعد تقديم العمل في الصيف الماضي (تحسبًا لتقييم خبير) ، تسبب في موجة من البحث اللاحق ، حيث كان الفيزيائيون في عجلة من أمرهم لتطوير هذه النظرية. تقول إليزابيث هيمويتش ، طالبة دراسات عليا في جامعة هارفارد حللت كيف يتغير نوع الضوء من حلقة إلى أخرى: "تم التأكيد على أن هناك العديد من التفاصيل المثيرة للاهتمام التي لم نستكشفها بعد ، وقد ألهمتنا بدراسات جديدة محتملة" .

يقارن Lupsaska الجهود المبذولة في المراحل الأولية من خلال مثال علم الأحياء. "قبل أن ترغب في فهم كيفية ترتيب الحمض النووي واستخدام التكرارات القصيرة المتناظرة العنقودية لنسخ وتحرير الحمض النووي ، عليك أولاً الذهاب إلى الغابة وتحديد:" هذه شجرة ، هذه زهرة ، "يقول. "نحن هنا في مجال الفيزياء في دراسة الثقوب السوداء كعلم تجريبي".