الثقوب السوداء خجولة من الكاميرا. جاذبيتها الشديدة تمنع الضوء من الهروب. هذا يعني أن القلوب المظلمة لهؤلاء الضاربين الكونيين الثقلين تظل غير مرئية تمامًا. ومع ذلك ، فإن الثقوب السوداء الهائلة في مراكز المجرات قد تتخلى عن نفسها عن طريق إطلاق نفاثات لامعة من الجسيمات المشحونة. قد "يرى" البعض الآخر من خلال ضوء النجوم القريبة التي تنفجر بعيدًا أو تمزقها. عن قرب ، هذه العملاقة محاطة بأقراص تراكمية - أقراص متوهجة مصنوعة من المواد التي يتم امتصاصها فيها.
الشرح:ما هي الثقوب السوداء؟
أنشأ العلماء الآن بذكاء شبكة من ثمانية تلسكوبات راديوية. يعملون كواحد ، يجعلون فعليًا عينًا بحجم الأرض في السماء. وقد صوروا للتو صورة ظلية أفق حدث للثقب الأسود - الحافة التي لا يمكن رؤية أي شيء بداخلها أو الهروب منها. يمكن رؤيته مقابل قرص تراكم الثقب الأسود.
في أبريل 2017 ، قام ما يسمى Event Horizon Telescope ، أو EHT ، بجمع البيانات التي أسفرت الآن عن أول صورة لثقب أسود فائق الكتلة. يقع داخل المجرة M87.
يقول آفي لوب:"لا يوجد شيء أفضل من الحصول على صورة". إنه عالم فيزياء فلكية بجامعة هارفارد في كامبريدج ، ماساتشوستس. وعلى الرغم من أن العلماء قد جمعوا الكثير من الأدلة غير المباشرة للثقوب السوداء على مدى نصف القرن الماضي ، إلا أنه يلاحظ أن "الرؤية هي تصديق".
كان إنشاء أول صورة لثقب أسود أمرًا صعبًا. تأخذ الثقوب السوداء جزءًا صغيرًا من السماء. وهم بعيدون جدًا لدرجة أن هالة الضوء المحيطة ببعضهم تبدو باهتة جدًا. يتطلب مشروع تصوير الثقب الأسود للمركبة M87 ثمانية مراصد في جميع أنحاء العالم. من خلال العمل كطبق راديو افتراضي واحد ، ستكون رؤيتهم أكثر وضوحًا من رؤية أي مرصد واحد يعمل بمفرده.
وضع "الحل" في الحل
الثقب الأسود الهائل داخل M87 ليس زريعة صغيرة. تزن حوالي 6.5 مليار ضعف كتلة شمسنا. لكن ينظر إليها من 55 مليون سنة ضوئية بعيدًا ، يبدو أنه أصغر صورة في السماء. إنها أصغر من برتقالة على سطح القمر كما يراها شخص ما على الأرض. ومع ذلك ، بالإضافة إلى القوس A * - الثقب الأسود في مركز مجرتنا - فإن الثقب الأسود الخاص بـ M87 هو أكبر ثقب أسود مظلل في السماء.
فقط تلسكوب بدقة EHT يمكنه التقاط شيء بالغ الصغر. تعتمد دقة التلسكوب على قطره:فكلما زاد حجم الطبق ، زادت وضوح الرؤية. لذا ، فإن الحصول على صورة واضحة حتى للثقب الأسود فائق الكتلة يتطلب طبق راديو بحجم الكوكب.
يوضح لوب ، الذي لم يكن مشاركًا في EHT:"الحيلة هي أنك لا تغطي الأرض بأكملها بمرصد". بدلاً من ذلك ، يجمع علماء الفلك موجات الراديو التي تراها العديد من التلسكوبات في وقت واحد. هذا يجعل التلسكوبات تعمل بفاعلية كطبق عملاق واحد. قطر ذلك الظاهري طبق يساوي طول أطول مسافة ، أو خط أساسي ، بين تلسكوبين في الشبكة. بالنسبة إلى EHT في عام 2017 ، كانت تلك المسافة من القطب الجنوبي إلى إسبانيا.
تلسكوبات ، تجميع!
لم تكن EHT دائمًا مجموعة hotshot كما هي اليوم. في عام 2009 ، قامت شبكة أصغر من أربعة مراصد فقط - في أريزونا وكاليفورنيا وهاواي - بتصوير قاعدة نفاثة بلازما واحدة تنبعث من مركز الثقب الأسود التابع لـ M87. لكن شبكة التلسكوب الصغيرة هذه لم تمتلك بعد القوة المكبرة للكشف عن الثقب الأسود نفسه.
بمرور الوقت ، جند برنامج EHT مراصد راديو جديدة. بحلول عام 2017 ، كانت هناك ثماني محطات مراقبة في أمريكا الشمالية وهاواي وأوروبا وأمريكا الجنوبية والقطب الجنوبي. وكان من بين الوافدين الجدد مصفوفة أتاكاما الكبيرة المليمترية / ما دون المليمترية ، أو ALMA. تقع على هضبة عالية في شمال تشيلي. مع مساحة طبق مشتركة أكبر من ملعب كرة قدم أمريكي ، تجمع ALMA موجات راديو أكثر بكثير من المراصد الأخرى.
يقول فينسينت فيش:"لقد غيرت ألما كل شيء". إنه عالم فلك في مرصد Haystack التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في ويستفورد ، ماساتشوستس. ويمكنه أن يقدم "اكتشافات قوية حقًا الآن" ، كما يقول ، "لأي شيء كنت بالكاد تكافح من أجل اكتشافه من قبل."
أكثر من مجموع أجزائها
من الأفضل تشغيل حملات مراقبة EHT في غضون 10 أيام تقريبًا في أواخر مارس أو أوائل أبريل. وذلك عندما يعد الطقس في كل مرصد بتقديم أوضح صور للسماء. أكبر عدو للباحثين هو الماء في الغلاف الجوي ، مثل المطر أو الثلج. يمكنه تشويش موجات الراديو ذات الطول الموجي المليمتر التي يتم ضبط تلسكوبات EHT عليها.
التخطيط للطقس في عدة قارات يمكن أن يكون مصدر إزعاج.
يعمل جيفري باور في معهد أكاديميا سينيكا لعلم الفلك والفيزياء الفلكية في هيلو ، هاواي. "كل صباح" خلال حملة EHT ، يلاحظ هذا الفلكي ، "هناك مجموعة محمومة من المكالمات الهاتفية والتحليلات لبيانات الطقس واستعداد التلسكوب." بعد ذلك ، "نتخذ قرار الذهاب / عدم المتابعة لمراقبة الليل". الباحثون انتقائيون بشأن الظروف. ولكن في نهاية السباق ، سيأخذون ما يمكنهم الحصول عليه.
عندما تكون السماء صافية بما يكفي للرصد ، يوجه الباحثون تلسكوبات الشبكة في كل مرصد EHT نحو محيط ثقب أسود فائق الكتلة. ثم يبدأون في جمع موجات الراديو. يظهر الثقب الأسود لـ M87 و Sgr A * في السماء واحدًا تلو الآخر. كل واحد على وشك أن يرتفع مثل المجموعات الأخرى. يسمح هذا لـ EHT بالتبديل ذهابًا وإيابًا بين مراقبة هدفيها على مدار حملة واحدة متعددة الأيام. يمكن لجميع المراصد الثمانية تتبع Sgr A *. نظرًا لوجود M87 في السماء الشمالية ، فلا يمكن رؤيتها من خلال مشهد محطة القطب الجنوبي.
تبدو البيانات من كل محطة مراقبة بمفردها هراء. ولكن يمكن لهذه البيانات مجتمعة أن تكشف عن مظهر الثقب الأسود.
وإليك كيف يعمل. تخيل زوجًا من أطباق الراديو موجهًا إلى هدف واحد. في هذه الحالة ، إنها صورة ظلية على شكل حلقة لثقب أسود.
يجب أن تنتقل موجات الراديو المنبعثة من كل جزء من تلك الحلقة في مسارات مختلفة قليلاً للوصول إلى كل تلسكوب. يمكن أن تتداخل موجات الراديو هذه مع بعضها البعض. سيعزز البعض الآخر. سيلغي الآخرون في بعض الأحيان بعضهم البعض. يعتمد نمط الموجات التي يراها كل تلسكوب على كيفية تفاعل موجات الراديو من أجزاء مختلفة من الحلقة عندما تصل إلى هذا التلسكوب.
بالنسبة للأهداف البسيطة ، مثل النجوم الفردية ، يمكن لموجات الراديو التي يلتقطها مقرابان فقط أن توفر بيانات كافية للباحثين لمعرفة كيفية توزيع الضوء عبر السماء. لكن الثقب الأسود هو مصدر ضوء معقد. هناك العديد من الحلول الممكنة لما يمكن أن تكون عليه الصورة. لذلك يحتاج الباحثون إلى المزيد من البيانات لمعرفة كيفية تفاعل موجات الراديو للثقب الأسود.
تحتوي المصفوفة المثالية على أكبر عدد ممكن من الخطوط الأساسية ذات الأطوال والتوجهات المختلفة. يمكن لأزواج التلسكوبات البعيدة عرض تفاصيل أكثر دقة. ذلك لأن هناك فرقًا أكبر بين المسارات التي تسلكها موجات الراديو من الثقب الأسود إلى كل تلسكوب. يتضمن EHT أزواج من التلسكوبات ذات اتجاهات الشمال والجنوب والشرق والغرب. ومع دوران الأرض ، تتغير هذه نسبة إلى الثقب الأسود.
تجميعها معًا
من أجل تجديل الملاحظات من كل مرصد معًا ، يحتاج الباحثون إلى تسجيل الوقت الذي يجمعون فيه بياناتهم بدقة شديدة. لذلك يستخدم علماء الفلك الساعات الذرية (تلك التي تفقد حوالي ثانية واحدة كل 100 مليون سنة).
هناك الكثير من البيانات للطابع الزمني. "في تجربتنا الأخيرة ، سجلنا البيانات بمعدل 64 جيجابت في الثانية." يوضح Bower ، أن هذا "أسرع بنحو 1000 مرة من اتصال الإنترنت في منزلك."
ثم يتم نقل هذه البيانات إلى مرصد MIT Haystack ومعهد Max Planck لعلم الفلك الراديوي في بون ، ألمانيا. هناك ، تتم معالجة البيانات في نوع خاص من أجهزة الكمبيوتر العملاقة. إنه يسمى رابط.
تجمع كل محطة تلسكوب مئات تيرابايت من المعلومات خلال حملة مراقبة واحدة. هذا كثير جدًا لإرساله عبر الإنترنت. لذلك يستخدم الباحثون الخيار التالي الأفضل:البريد الحلزون. حتى الآن ، لم تكن هناك حوادث كبيرة في الشحن. ومع ذلك ، يعترف Bower أن إرسال الأقراص بالبريد دائمًا ما يكون أمرًا محطمًا للأعصاب قليلاً.
على الرغم من أن معظم بيانات EHT وصلت إلى Haystack و Max Planck في غضون أسابيع من حملة المراقبة لعام 2017 ، لم تكن هناك رحلات جوية من القطب الجنوبي حتى نوفمبر.
ملء الفراغات
لا يزال دمج بيانات EHT غير كافٍ لتقديم صورة واضحة لثقب أسود فائق الكتلة. إذا كان الثقب الأسود لجهاز M87 عبارة عن أغنية ، فإن تصويرها ستكون بيانات EHT مثل الاستماع إلى القطعة التي يتم عزفها على البيانو مع مجموعة من المفاتيح المكسورة. كلما زادت مفاتيح العمل - أو أزواج خط الأساس للتلسكوب - أصبح من الأسهل الحصول على جوهر اللحن.
يقول فيش:"حتى لو كان لديك بعض المفاتيح المعطلة ، إذا كنت تعزف كل المفاتيح الباقية بشكل صحيح ، يمكنك معرفة اللحن". "هذا جزئيًا لأننا نعرف شكل الموسيقى" ، يلاحظ. "السبب في قدرتنا على إعادة بناء الصور ، على الرغم من أننا لا نملك 100 بالمائة من المعلومات ، هو أننا نعرف كيف تبدو الصور" بشكل عام.
توجد قواعد حسابية حول مقدار العشوائية التي يمكن أن تحتويها أي صورة - مثل مدى سطوعها ومدى احتمالية ظهور وحدات البكسل المجاورة متشابهة. يمكن أن توضح هذه الإرشادات الأساسية كيفية تحديد برامج الكمبيوتر لتفسيرات البيانات الأكثر منطقية.
الثقوب السوداء وما بعدها
من المتوقع أن تساعد عمليات رصد الثقب الأسود من EHT في الإجابة عن أسئلة مثل كيفية إطلاق بعض الثقوب السوداء الهائلة ، بما في ذلك ثقوب M87 ، مثل هذه النفاثات البلازمية الساطعة. يقول لوب إن فهم كيفية سقوط الغاز في الثقوب السوداء وتغذيتها يمكن أن يساعد أيضًا في حل لغز كيفية نمو بعض الثقوب السوداء بهذه السرعة في بدايات الكون.
الشرح:ما هي موجات الجاذبية؟
يقول لوب إنه يمكن أيضًا استخدام EHT للعثور على أزواج من الثقوب السوداء الهائلة التي تدور حول بعضها البعض. اصطدم اثنان من الثقوب السوداء الصغيرة نسبيًا ، مما أدى إلى إنشاء موجات الجاذبية تم اكتشافه في عام 2015. قد يساعد الحصول على إحصاء لمثل هذه الأزواج من الثقوب السوداء الباحثين في تحديد أهداف لمقياس التداخل الليزري الهوائي الفضائي ، أو LISA. سيكون الهدف هو البحث من الفضاء عن موجات الجاذبية الناتجة عن حركة كائنات مثل الثقوب السوداء.
يقول دانيال مارون إن EHT لديه عدد قليل من الأهداف القابلة للحياة بخلاف الثقوب السوداء الهائلة. إنه عالم فيزياء فلكية بجامعة أريزونا في توكسون. هناك القليل من الأشياء الأخرى في الكون التي تبدو صغيرة ولكنها مشرقة مثل الفضاء المحيط بالثقب الأسود الهائل. يوضح مارون:"يجب أن تكون قادرًا على الحصول على ضوء كافٍ من بقع السماء الصغيرة جدًا". "من حيث المبدأ ، يمكن أن نقرأ لوحات ترخيص غريبة أو شيء من هذا القبيل ،" لكن يجب أن تكون فائقة السطوع.
سيء للغاية بالنسبة للباحثين عن الفضائيين. ومع ذلك ، فإن التجسس على الثقوب السوداء الهائلة هو خدعة رائعة.
