منجمد در زمان: افق رویداد چگونه به نظر می‌رسد برای یک ناظر دوردست

سیاه‌چاله‌ها پدیده‌های کیهانی شگفت‌انگیزی هستند که اغلب از بقایای ستاره‌های عظیم به وجود می‌آیند.

در هسته یک سیاه‌چاله یک تکینگی وجود دارد - نقطه‌ای با چگالی بی‌نهایت. کشش گرانشی تکینگی آن‌قدر قوی است که قوانین فیزیک همان‌طور که ما آن‌ها را می‌فهمیم، شکسته می‌شود. حتی خود تار و پود جهان ما، فضا-زمان، بینهایت خم می‌شود و این ناحیه از چگالی بی‌نهایت را ایجاد می‌کند.

بین تکینگی و فضا ورای سیاه‌چاله مرزی وجود دارد که در آن کشش گرانشی تکینگی غیرقابل گریز است. این مرز به عنوان افق رویداد شناخته می‌شود که نقطه بدون بازگشت را مشخص می‌کند.

هر ذره‌ای که از افق رویداد عبور کند به ناچار به سمت مرکز سیاه‌چاله می‌افتد. این شامل نور نیز می‌شود!

در حالی که دانش ما درباره سیاه‌چاله‌ها، تکینگی‌های آن‌ها و افق‌ رویدادها محدود است، دانشمندان هر روز بیشتر تلاش می‌کنند تا درک بهتری پیدا کنند.

این مقاله به درک فعلی ما از افق رویداد، نقش آن در فیزیک سیاه‌چاله‌ها ، ابزارهای مورد استفاده دانشمندان برای مطالعه آن و اینکه اگر به داخل یکی بیفتید چه اتفاقی می‌افتد، می‌پردازد!

مبانی تاریخی

اولین مطالعه در مورد سیاه‌چاله‌ها به سال ۱۷۸۴ برمی‌گردد، زمانی که دانشمند انگلیسی جان میچل ایدهٔ ستاره‌های تاریک را پیشنهاد کرد؛ یک جسم با نیروی گرانشی به اندازه‌ای قوی که می‌تواند نور را به دام بیندازد. این ستاره‌ها به عنوان پیش‌زمینه‌ای برای مفهوم مدرن سیاه‌چاله‌ها در نظر گرفته می‌شوند.

اما تا زمانی که فیزیکدان آلمانی آلبرت اینشتین نظریه نسبیت عام خود را ارائه کرد، یک چارچوب علمی برای مطالعه این نواحی از انحنای فضا-زمان شدید به وجود نیامد.

اصطلاح افق رویداد اولین بار در سال ۱۹۵۶ توسط دانشمند اتریشی وولفگانگ ریندلر معرفی شد. او آن را به عنوان "مرزی بین اشیای قابل مشاهده و غیرقابل مشاهده" توصیف کرد.

تعریف مرز

ایده‌ای که افق رویداد به عنوان مرز نقطهٔ بدون بازگشت علامت گذاری شده توسط فیزیکدان آمریکایی دیوید فینکلشتین در سال ۱۹۵۸ تعریف شد.

در دهه ۱۹۶۰، راجر پنروز درک حدس سانسور کیهانی را به عنوان راهی برای توضیح شکست قوانین فیزیک در تکینگی فرمول‌بندی کرد. مطالب بیشتری درباره آن در ادامه بیان خواهد شد.

در دهه ۱۹۷۰، فیزیکدان انگلیسی استیون هاوکینگ مفهوم تشعشع هاوکینگ را معرفی کرد. او پیشنهاد کرد که اثرات کوانتومی در افق رویداد تشعشعاتی تولید می‌کنند که در سراسر جهان پراکنده می‌شوند.

این تشعشع با امواج گرانشی که موج های فضا-زمانی ناشی از اجسام عظیم هستند، تفاوت دارد. او همچنین نظریه‌پردازی کرد که تشعشع هاوکینگ می‌تواند باعث شود که سیاه‌چاله‌ها انرژی خود را در طول زمان از دست بدهند و در نهایت باعث ناپدید شدن آن‌ها شود.

اخیراً، در سال ۲۰۰۹، یک گروه بین‌المللی از مؤسسات کار بر روی تلسکوپ افق رویداد (EHT) را آغاز کردند، مجموعه‌ای از تلسکوپ‌ها که داده‌هایی درباره دو سیاه‌چاله، یکی در مرکز کهکشان مسیه ۸۷ (M87) و دیگری در مرکز راه شیری جمع‌آوری کردند.

درباره دستاوردهای همکاری EHT در ادامه مقاله بررسی خواهد شد.

چه اتفاقی در نزدیکی افق رویداد می‌افتد؟

اگر شما به سیاه‌چاله‌ای افتاده بودید، چه اتفاقی می‌افتاد؟ آیا خرد می‌شوید؟ آیا به اسپاگتی تبدیل می‌شوید؟ یا وارد بعد دیگری می‌شوید؟

تصور کنید که در یک سفینه فضایی نشسته‌اید و به سمت یک سیاه‌چاله حرکت می‌کنید. هرچه نزدیکتر می‌شوید، کشش گرانشی سیاه‌چاله قوی‌تر می‌شود و فضا-زمان بیشتر خم می‌شود.

هنگامی که به افق رویداد نزدیک شوید، یکی از دو اتفاق ممکن است بیفتد به توجه به اندازه سیاه‌چاله.

برای سیاه‌چاله‌های بزرگتر مانند سیاه‌چاله‌های بسیار عظیم ، افق رویداد از تکینگی فاصله دارد، به این معنی که گرادیان گرانشی (تغییرات در جاذبه) در افق رویداد ملایم‌تر است. عبور از این مرز حسی متفاوت نخواهد داشت.

در مورد سیاه‌چاله‌های کوچکتر، گرادیان گرانشی به دلیل نزدیکی تکینگی به افق رویداد شدیدتر خواهد بود. میدان گرانشی به سرعت چنان تغییر می‌کند که به شدت کشیده و فشرده خواهید شد، که به عنوان اسپاگتی‌سازی شناخته می‌شود.

آنچه اتفاق می‌افتد زمانی که به هسته یا تکینگی برسید ناشناخته است، برخی نظریه‌ها پیشنهاد می‌کنند که ممکن است به عنوان کرم‌چاله عمل کنند، به این معنی که شما به نقطه‌ای متفاوت در فضا-زمان خواهید رسید.

مشاهده رویداد

اگر کسی شما را هنگام افتادن به سیاه‌چاله مشاهده می‌کرد، چه می‌دید؟

برای هر ناظر دور، شما و سفینه فضایی به نظر می‌رسد که کندتر حرکت می‌کنید چون به سیاه‌چاله نزدیک می‌شوید. این به خاطر تعدیل زمان است بر اساس نظریات ویژه و عام اینشتین.

دو عامل وجود دارند که باعث می‌شوند زمان برای ناظر کند شود. اولی سرعت نسبی بین شما و ناظر است و دومی میدان گرانشی شدید سیاه‌چاله که زمان را برای هر چیزی نزدیک به خود کند می‌کند، برای یک ناظر دور.

اگر دو ساعت وجود داشت - یکی با ناظر و دیگری روی سفینه - آنکه روی سفینه است به نظر می‌رسید که بسیار کندتر از آنکه با ناظر است، حرکت می‌کند.

همانطور که به افق رویداد نزدیک‌تر می‌شوید، اثرات تعدیل زمان شدید می‌شوند. برای ناظر به نظر می‌رسد که زمان برای شما منجمد شده است.

به طور اساسی، سفینه فضایی به نظر می‌رسد که در لبه افق رویداد گیر کرده و هرگز واقعاً از آن عبور نمی‌کند، حتی اگر شما احساس نمی‌کنید که اینطور باشد.

چون نوری که از سفینه فضایی به ما می‌رسد، طول موج آن همچنان کشیده می‌شود وقتی که از میان فضا-زمان عبور می‌کند، پدیده‌ای که به عنوان تغییر به سمت قرمز شناخته می‌شود. در نهایت، شما و سفینه فضایی کاملاً از نظر ما محو خواهید شد.

آیا اطلاعات در افق رویداد گم می‌شود؟

ما درباره کاهش کنترل در افق رویداد صحبت کردیم، اما چه اتفاقی برای اشیایی که به داخل می‌افتند می‌افتد؟ آیا این قوانین فیزیک را نقض می‌کند؟

چه اتفاقی می‌افتد زمانی که سیاه‌چاله کوچک شده و ناپدید و تشعشع هاوکینگ انرژی را از سیاه‌چاله می‌گیرد؟

این ما را به پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله می‌برد.

طبق قوانین مکانیک کوانتوم ، اطلاعات درباره یک سیستم نمی‌تواند نابود شود. با این حال، به نظر می‌رسد که سیاه‌چاله‌ها برعکس آن عمل می‌کنند با کشیدن همه چیز به داخل وقتی که از افق رویداد عبور می‌کنند.

دانشمندان تلاش کرده‌اند برای توضیح گم شدن اطلاعات با ارائه نظریه‌های مختلف، اما ما به پاسخ نزدیک نیستیم. دو دیدگاه عمده وجود دارد، روش نظریه ریسمان و روش جاذبه حلقوی کوانتوم .

بر اساس دیدگاه نظریه ریسمان، اطلاعات در تشعشع هاوکینگ رمزگذاری می‌شود. این به این معنی است که حتی اگر سیاه‌چاله ممکن است هنگام تبخیر اطلاعات را از دست بدهد، اطلاعات به وسیله تشعشع به فضا-زمان منتقل می‌شود.

افق رویداد نقشی حیاتی در این فرآیند ایفا می‌کند، که اطمینان می‌دهد اطلاعات می‌توانند از طریق تشعشع هاوکینگ فرار کرده و در تکینگی گیر نکند.

روش جاذبه حلقوی کوانتوم، از سوی دیگر، بر روی تکینگی سیاه‌چاله تمرکز دارد. این نظریه پیشنهاد می‌کند که اطلاعات درون تکینگی باقی می‌ماند و تنها زمانی که سیاه‌چاله تبخیر می‌شود فرار می‌کند.

آیا می‌توانیم فراتر از افق رویداد را ببینیم؟

همانطور که پیشتر ذکر شد، تکینگی نقطه‌ای است که قوانین فیزیک در آن شکست می‌کند. این به این معنی است که دو نظریه فیزیکی قوی ما—نسبیت عام و مکانیک کوانتوم—نمی‌توانند پدیده‌ها در محیط‌های شدید را توضیح دهند.

در سال ۱۹۶۹، پنروز حدسی برای جلوگیری از تاثیر شکست قوانین فیزیک در تکینگی بر روی باقی جهان ارائه کرد. این به عنوان حدس سانسور کیهانی شناخته می‌شود.

طبق این حدس، افق رویداد یک سیاه‌چاله ما را از ناشناخته‌های فیزیکی تکینگی محافظت می‌کند. با پوشاندن تکینگی، حدس مانع از آن می‌شود که جهان قابل مشاهده تحت تاثیر چگالی بی‌نهایت و شکست قوانین بنیادی قرار گیرد.

به طور اساسی، افق رویداد ما را از دیدن شکست قوانین فیزیک در تکینگی حفاظ می‌کند و بر کاربردپذیری قوانین فیزیک در باقی جهان تاثیر نمی‌گذارد.

مشارکت‌های پنروز در درک ما از سیاه‌چاله‌ها او را در سال ۲۰۲۰ برنده جایزه نوبل کردند. افق رویداد به عنوان بیش از یک مرز بدون بازگشت عمل می‌کند بلکه ما را از دیدن شکست قوانین فیزیک در تکینگی محافظت می‌کند.

تلسکوپ افق رویداد

بیشتر فرضیات ما درباره فیزیک سیاه‌چاله‌ها بر اساس نظریات، عمدتاً نظریه عام نسبیت اینشتین بوده است. اخیراً، شواهد مشاهده‌ای از این فرضیات حمایت کرده‌اند.

در سال ۲۰۱۶، همکاران رصدخانه گرانشی-موج لیزری (LIGO) اولین تشخیص امواج گرانشی را اعلام کردند. این موج‌های فضا-زمانی ناشی از رویدادهای کیهانی عظیم تأییدی قوی بر نسبیت اینشتین در شرایط شدید بود.

این کشف همچنین به دانشمندان بینشی درباره رویدادهای ادغام سیاه‌چاله‌ها ارائه کرد، که از پدیده‌های خشونت‌آمیز در جهان هستند. از آن زمان، LIGO چندین مشاهده از امواج گرانشی حاصل از سیاه‌چاله‌های ادغامی انجام داده است.

گرفتن عکس

برای نگاهی دقیق‌تر به مرکز سیاه‌چاله‌ها، EHT در سال ۲۰۰۹ آغاز شد. همکاری شامل مشارکت‌های ۶۰ مؤسسه در سراسر جهان است.

EHT یک شبکه جهانی از تلسکوپ‌ها است که داده‌ها را از تلسکوپ‌های رادیویی در سراسر جهان ترکیب می‌کند. این یک تلسکوپ مجازی ایجاد می‌کند که به اندازه شعاع زمین گسترده است تا تصاویر با وضوح بالا از مرکز یک سیاه‌چاله به دست آید.

پس از ۱۰ سال جمع‌آوری داده، در ۲۰۱۹، EHT اولین تصویر مستقیم از یک سیاه‌چاله در مرکز کهکشان M87، یکی از بزرگترین کهکشان‌ها در محیط کهکشانی محلی ما، منتشر کرد.

دو سال بعد، همکاری EHT یک تصویر قطبی از سیاه‌چاله در مرکز M87 را فاش کرد که میدان‌های مغناطیسی و اولین نگاه مستقیم ما به یک افق رویداد را نمایش می‌دهد.

سپس، تلسکوپ همچنین سیاه‌چاله در مرکز کهکشان ما، قوس A*، را نشان داد.

این دستاورد یک گام مهم در مطالعه فیزیک سیاه‌چاله‌ها است، زیرا نگاهی به میدان‌های مغناطیسی و افق‌های رویداد سیاه‌چاله‌ها ارائه می‌دهد، چیزی که تنها به صورت نظری مطالعه شده است.

مأموریت‌های آینده

آینده فیزیک سیاه‌چاله‌ها روشن است، با چندین مأموریت در حال اجرا یا برنامه‌ریزی برای کاوش پدیده‌های مختلف سیاه‌چاله.

اسرو (ISRO) ظرفیت‌های علمی خود را امسال با پرتاب XPoSat افزایش داد. مأموریت به مطالعه قطبش موج‌های کیهانی از اجسام آسمانی، از جمله سیاه‌چاله‌ها، می‌پردازد.

ناسا برنامه دارد که تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن را پرتاب کند که حتی اگر بر روی فیزیک سیاه‌چاله تمرکز دارد، به مطالعه سیاه‌چاله‌های ابتدایی که در ابتدای جهان شکل گرفته‌اند، خواهد پرداخت. انتظار می‌رود که در ۲۰۲۷ پرتاب شود.

آژانس فضایی اروپا (ESA) برنامه دارد که آنتن فضایی لیزری یا لیزا را پرتاب کند - اولین رصدخانه فضا پایه که از سه فضاپیما که در یک تشکیل مثلثی پرواز می‌کنند، تشکیل شده است.

علاوه بر این، ESA همچنین یک رصدخانه مبتنی بر اشعه ایکس به نام تلسکوپ پیشرفته برای آستروفیزیک پرانرژی یا آتنا را برای مشاهده سیاه‌چاله‌های نزدیک و دور، از جمله آن‌هایی که در ابتدای جهان شکل گرفته‌اند، راه‌اندازی می‌کند.

هر دو مأموریت ESA انتظار می‌رود که در ۲۰۳۵ پرتاب شوند.

هر مأموریت به تحقیقات سیاه‌چاله لایه‌ جدیدی از پیچیدگی‌های کیهانی را آشکار می‌کند.