برای مشاهده جزئیات سیاهچاله ها، او از "پژواک" مانند خفاش استفاده می کند | مجله کوانتا

برخلاف بسیاری از ستاره شناسان، ارین کارا با ستاره بزرگ نشد. او گفت: "من آن داستان را ندارم که آن بچه کوچکی باشم که به ستاره ها خیره شده باشد و بخواهد این کار را انجام دهد، که باعث نگرانی من شد." "آیا این از من یک جعلی ساخته است؟"

اما پس از کشف اخترفیزیک در مقطع کارشناسی، کارا به قلاب افتاد. اکنون یک اخترفیزیکدان رصدی در مؤسسه فناوری ماساچوست، او از سرزمینی که ذهن خم می کند بازدید می کند. مثل یک فضانورد در فیلم در میان ستارگان، او مناطق نزدیک سیاهچاله های غول پیکر را کاوش می کند. هدف او درک بهتر این است که آن سیاهچاله ها چگونه رفتار می کنند و چگونه به طور مداوم کهکشان های سراسر جهان را تغییر می دهند.

سیاهچاله‌های پرجرم که جرمی برابر با میلیون‌ها یا میلیاردها خورشید دارند، تقریباً در مرکز هر کهکشانی در کمین هستند. از نظر انرژی، این سیاهچاله ها مانند قلب تاریک و تپنده کهکشان ها هستند.

آنها فقط زینتی نیستند. کارا گفت: آنها فقط منفعلانه آنجا نمی نشینند. "آنها در واقع دیکته می کنند که کهکشان چگونه تکامل می یابد و چرا کهکشان به شکلی که دارد به نظر می رسد."

کارا سعی می کند محیط اطراف این سیاهچاله ها را درک کند، جایی که بیشتر انرژی آنها آزاد می شود. برای مثال، با ردیابی دقیق گاز و پلاسمایی که در نزدیکی سیاهچاله می‌چرخد – و چیزی که به عنوان یک قرص برافزایشی شناخته می‌شود، تشکیل می‌شود – می‌تواند جرم سیاهچاله را تقریبی کند. این گاز و پلاسمای مجاور نیز می‌تواند به آشکار کردن چگونگی ایجاد ساختارهای کیهانی شدید مانند جت‌های نسبیتی - پرتوهای غول‌پیکر پلاسمای فوق‌گرم که تقریباً به سرعت نور شتاب می‌گیرد، کمک کند.

اما مشکل بزرگی وجود دارد که کارا و سایر محققان باید بر آن غلبه کنند: این سیاهچاله‌های هدف به قدری دور هستند که تکنیک‌های تصویربرداری معمولی نمی‌توانند محیط اطراف آن‌ها را حل کنند. برای بازسازی محیط اطراف یک سیاهچاله، کارا به نور پرتو ایکس منتشر شده توسط قرص برافزایشی روی می آورد. او تأخیرهای ظریف را در زمانی که آن نور به زمین می رسد اندازه گیری می کند. با انجام این کار، او می تواند ساختار گاز و پلاسما را با وضوح قابل توجهی استنباط کند. کار کارا روی این روش - به نام نگاشت طنین - دیوانگی های تغذیه سیاهچاله ها را با جزئیات بی سابقه ای آشکار کرده است، با یافته هایی که شامل اولین "پژواک" اشعه ایکس تا به حال از یک سیاهچاله در حال خرد کردن یک ستاره دیده شده است. کارا جایزه 2022 انجمن نجوم آمریکا را دریافت کرد جایزه نیوتن لیسی پیرس، که دستاوردهای برجسته در نجوم رصدی در طول پنج سال گذشته را به رسمیت می شناسد.

مجله Quanta اخیراً با کارا در مورد مسیر خود به سمت علم، پیچ و مهره های نقشه برداری طنین و سیاهچاله هایی که او را در شب بیدار نگه می دارند صحبت کرد. مصاحبه برای وضوح فشرده و ویرایش شده است.

شما زمان زیادی را صرف فکر کردن در مورد سیاهچاله ها می کنید، تا جایی که حتی دارید شبیه سازی آنها را به صدا تبدیل کرد. بسیاری از مردم سیاهچاله‌ها را «عجیب» یا «شبه‌آمیز» یا «وهم‌آور» می‌دانند. آیا آن شخصیت پردازی را می خرید؟

این کلیشه وجود دارد که سیاهچاله ها چیزهای بدی هستند که همه ما باید از آنها بترسیم، اما آنچه شگفت انگیز است این است که سیاهچاله ها در واقع به ما زندگی می دهند، اگر می خواهید آن را به آن سطح از انتزاع ببرید. دلیل اینکه همه ما اینجا هستیم این است که گاز در کهکشان ما به گونه ای توزیع شده است که ستاره ها می توانند شکل بگیرند، که در نهایت منجر به سیاره ای شد که در آن زندگی می کنیم. این امر به نوعی توسط سیاهچاله مرکزی کهکشان ما دیکته شده است.

سیاهچاله‌ها یک مرگ و پایان همه چیز نیستند. آنها در واقع، از برخی جهات، شروعی هستند.

در سطح تصویر بزرگ، چه سوالاتی در مورد سیاهچاله ها وجود دارد که بیشتر به آنها علاقه دارید؟

اگر می‌دانید که چگونه جریان گاز در فضا-زمان به شدت منحنی حول یک سیاه‌چاله رفتار می‌کند، می‌توانید از این اطلاعات برای اندازه‌گیری ویژگی‌های اساسی سیاه‌چاله استفاده کنید: جرم و چرخش آن، معیاری از سرعت چرخش آن.

آیا می توانید محیط کلی سیاهچاله هایی را که به آنها نگاه می کنید توضیح دهید؟

همه آنها توسط دیسک های گاز و غبار احاطه شده اند. این دیسک‌های برافزایشی می‌توانند به خودی خود به اندازه کافی داغ شوند تا تشعشعات نوری و فرابنفش ساطع کنند، اما به اندازه کافی برای ایجاد پرتو ایکس داغ نیستند. چیزی که ما با تلسکوپ‌های خود می‌بینیم این است که سیاه‌چاله‌های برافزایش - که در فرآیند مصرف آن دیسک‌ها هستند - همیشه اشعه ایکس تولید می‌کنند. اگر پرتوهای ایکس را از فاصله یک میلیارد سال نوری از ما می بینید، احتمالاً از یک سیاهچاله ابرپرجرم در حال افزایش است.

چگونه سیاهچاله ها آن اشعه ایکس را ایجاد می کنند؟

ما می دانیم که باید مقداری پلاسمای بسیار پرانرژی در اطراف سیاهچاله وجود داشته باشد که این فوتون های پرتو ایکس را ایجاد می کند. ما آن را تاج می نامیم - مانند پلاسمای داغی که در اطراف خورشید است. تاج سیاهچاله مانند تاج بالای قرص برافزایش است. می تواند بسیار داغ شود و اشعه ایکس زیادی تولید می کند. ماده موجود در قرص برافزایشی حدود یک میلیون کلوین است، اما تاج یک میلیارد کلوین است. ما در واقع چیز زیادی در مورد این کرونا نمی دانیم، و یکی از سؤالات بزرگ این است: چگونه شکل می گیرد؟ هندسه آن چیست؟

بنابراین، تکنیکی که شما استفاده می‌کنید، یعنی نقشه‌برداری طنین، چگونه می‌تواند از جمع‌آوری اشعه ایکس به آشکار کردن کرونا و محیط اطراف آن برسد؟

شما این تاج را در اطراف یک سیاهچاله و همچنین یک قرص برافزایشی دارید. و همانطور که تاج به دیسک برافزایشی سردتر با اشعه ایکس تابش می‌کند، باعث می‌شود یون‌های موجود در دیسک پرتوهای ایکس خود را، عمدتاً از طریق فلورسانس، ساطع کنند.

اساساً، این اشعه ایکس ثانویه مانند پژواک نور هستند، بنابراین ما آنها را پژواک طنین می نامیم. کاری که ما انجام می دهیم اندازه گیری تاخیرهای زمانی بین فلاش اولیه نور پرتو ایکس از تاج و پژواک های مربوطه از دیسک برافزایشی است. اگر بتوانیم آن پژواک‌ها را اندازه‌گیری کنیم، می‌توانیم ظاهر آن را در اطراف سیاه‌چاله بازسازی کنیم.

این شبیه به نحوه استفاده خفاش ها از پژواک است. آن‌ها نمی‌توانند غار تاریکی را که در آن پرواز می‌کنند ببینند، اما می‌دانند که پژواک با کمی تأخیر به سمت آنها باز می‌گردد، و می‌توانند از این واقعیت که پژواک با سرعت صوت حرکت می‌کند برای ترسیم نقشه استفاده کنند. غار تاریک ما این کار را انجام می دهیم، مگر اینکه نور با سرعت نور حرکت کند.

می‌خواستم بگویم، دیوارهای اطراف خفاش با سرعت نسبیتی حرکت نمی‌کنند، بنابراین تصور می‌کنم وقتی این کار را انجام می‌دهید، اوضاع کمی سخت‌تر است.

[می خندد.] کمی پیچیده تر از آن است، فقط کمی…

بنابراین، برای رفتن از داده های خود - فوتون های اشعه ایکس در یک سطل - به نقشه ای از منطقه اطراف یک سیاهچاله، چه چیزی لازم است؟

در اصل، ما فقط به دنبال طیفی از طول موج‌های پرتو ایکس بودیم که می‌دانستیم تحت سلطه انتشار از تاج است، و محدوده‌ای که می‌دانستیم تحت سلطه آن پژواک است. ما متوجه شدیم که اگر تاخیر زمانی بین آن محدوده‌ها را به مسافتی برای حرکت نور تبدیل کنید، تقریباً با نقشه‌برداری جریان گاز بسیار نزدیک به سیاه‌چاله مطابقت دارد - چیزی در شعاع چند برابر افق رویداد.

اکنون ما سعی می‌کنیم شبیه‌سازی‌های مختلفی از سیستم‌های دیسک برافزایش تاج ایجاد کنیم و سپس آن‌هایی را که شبیه داده‌هایی هستند که می‌بینیم شناسایی کنیم. ما این کار را با آنچه شبیه سازی ردیابی پرتو نسبیتی عام نامیده می شود انجام می دهیم. شبیه‌سازی‌های ردیابی پرتو در انواع بازی‌های ویدئویی استفاده می‌شوند، و این یک نوع اصل است: ما نقطه‌ای را انتخاب می‌کنیم که مدلی برای کرونا است، پرتوهای نوری را از آن در تمام جهات مختلف می‌تابانیم، و فقط دنبال می‌کنیم که آن نور کجاست. اشعه ها می روند برخی از آنها به سمت یک ناظر دور می روند و برخی از آنها به دیسک می افتند، به دیسک تابش می کنند و سپس پریده و به صفحه تلسکوپ منعکس می شوند.

نقشه برداری طنین چه تفاوتی با، مثلاً، کاری که تلسکوپ افق رویداد برای به دست آوردن تصاویر مستقیم از سیاهچاله ها انجام داد، دارد؟

تلسکوپ افق رویداد برای تصویربرداری از سیاه‌چاله‌های مرکز کهکشان ما و M87 شگفت‌انگیز بوده است، اما واقعاً فقط می‌تواند این دو سیاه‌چاله را انجام دهد. بیشتر از آن، اگر بخواهیم به این سوال بپردازیم که سیاهچاله ها چگونه رشد می کنند، باید به سیاهچاله هایی نگاه کنیم که در حال حاضر فعالانه در حال رشد هستند - یا بهتر بگوییم، سیاهچاله هایی که در اشعه ایکس بسیار درخشان هستند.

سیاهچاله در مرکز کهکشان ما باید این مرحله را داشته باشد که در آن به طور فعال در حال رشد بود و مواد زیادی می خورد. در حال حاضر، این کار را انجام نمی دهد - و دقیقاً به این دلیل است که تلسکوپ افق رویداد می تواند مستقیماً از آن تصویربرداری کند. برای مطالعه سیاهچاله هایی که به طور فعال در حال رشد هستند، جایی که مواد با چگالی بالا به سمت سیاهچاله هجوم می آورند، به تکنیک دیگری نیاز داریم. و اینجاست که نگاشت طنین وارد می شود.

آیا سیاهچاله خاصی وجود دارد که به آن نگاه کرده اید که به طور خاص برای شما آموزنده باشد؟

تاکتیک کلی تحقیق من این است که سیاهچاله‌هایی را بیابم که به گونه‌ای رفتار می‌کنند که ما انتظار داریم. اگر بتوانید جزئیات آن سیستم ها را درک کنید و واقعاً بتوانید هندسه اطراف سیاهچاله را ردیابی کنید، می توانید اندازه گیری های دقیقی از جرم و چرخش سیاهچاله انجام دهید.

یکی از موارد مورد علاقه من در حال حاضر یک باینری اشعه ایکس به نام MAXI J1820+070 است. این یک سیاهچاله کلان جرم نیست. جرم آن فقط 10 برابر خورشید است. این در یک سیستم همراه با یک ستاره است، و گاز را از آن ستاره می کشد و یک قرص برافزایشی و یک تاج را تشکیل می دهد. این فقط یک سیستم بسیار تمیز است و بسیار نزدیک به زمین است: برای ما تقریباً هزار برابر روشن‌تر از این سیاه‌چاله‌های پرجرم است.

و از طرف دیگر، کدام سیاهچاله‌ها برای شما به‌عنوان شدید یا به‌ویژه عجیب و غریب متمایز هستند؟

من دوست دارم بچه های معمولی را مطالعه کنم، و سپس دوست دارم همه چیز را بالا ببرم و ببینم اوضاع از کجا خراب می شود. آنچه واقعاً جالب است سیستم‌های عجیب و غریبی هستند که شما را در شب بیدار نگه می‌دارند: چگونه طبیعت اجازه داد این اتفاق بیفتد؟ و منبعی که من را در شب بیدار نگه داشته ASASSN-18el نام دارد که یک سیاهچاله بسیار پرجرم است.

ASASSN-18el توسط بررسی تمام آسمان ASAS-SN به عنوان یکی از این سیاه‌چاله‌ها که به نوعی ظاهری عادی داشتند و سپس، ناگهان، به این طغیان دیوانه‌وار رفتند. ما شروع به مشاهده آن با مشاهدات نوری، UV، و بسیاری از مشاهدات اشعه ایکس کردیم، و کاملاً موز شد. این انفجارهای اولیه را داشت، و سپس خاموش شد - مانند کاهش چهار مرتبه قدر در درخشندگی. و سپس دوباره روشن شد و برای حدود یک سال تبدیل به درخشان ترین منبع اشعه ایکس در آسمان فراکهکشانی شد و سپس دوباره شروع به خاموش شدن کرد. اکنون به نظر می رسد که ممکن است دوباره روشن شود.

ما فکر می‌کردیم که محدوده زمانی برای خاموش شدن چیزی با چهار مرتبه بزرگی حداقل میلیون‌ها سال باشد. و با این حال ما دیدیم که این اتفاق در یک سال - یا در چند ماه رخ داد. چگونه چنین چیزی اتفاق می افتد؟

از نظر تاریخی، آنچه را که ما در مورد این سیاهچاله‌های پرجرم برافزایش می‌دانیم - که هسته‌های فعال کهکشانی نامیده می‌شوند - از بررسی‌هایی که هر چند وقت یک‌بار به آنها نگاه می‌کردیم، آموختیم. اما اکنون ما این بررسی‌های سراسر آسمان را داریم که هفته‌ای یکی دو بار آسمان را اسکن می‌کنند، و ما فقط به این سیاه‌چاله‌ها خیره می‌شویم و می‌بینیم چه می‌کنند. و معلوم شد که وقتی ما به آنها نگاه نمی کردیم، آنها انواع و اقسام کارهای دیوانه کننده را انجام می دادند. حالا بالاخره داریم متوجه میشیم

انگیزه شما برای ورود به نجوم و مطالعه سیاهچاله ها چیست و چه چیزی امروز شما را الهام می بخشد؟

چیزی که واقعاً مرا در مورد دنبال کردن نجوم هیجان زده کرد، جنبه کشف آن بود: این که اولین کسی باشم که به نوری که یک میلیارد سال پیش از اطراف یک سیاهچاله رها شده بود نگاه می‌کردم، بسیار هیجان‌انگیز بود. این شگفت انگیز است. چگونه است که ما انسان‌های ضعیف حتی می‌توانیم درباره این چیزها فکر کنیم، یا گرد هم می‌آییم تا فناوری‌هایی بسازیم تا به برخی از این سؤالات بنیادی عظیمی که مردم از ابتدای تفکر بشر می‌پرسند پاسخ دهیم؟

و من جنبه اجتماعی گرد هم آوردن مردم برای یک هدف مشترک را دوست دارم. ما این ایده را در مورد اینکه "علم" چیست داریم - اینکه شما به تنهایی نشسته اید و از نبوغ خلاق خود الهام گرفته اید و همه این اکتشافات را به تنهایی انجام داده اید. اما این چیزی نیست که در مورد آن فوق العاده الهام بخش است. از نظر من این است که ما می توانیم با هم کار کنیم و از تخصص یکدیگر برای ایجاد چیزی بسیار بزرگتر از هر یک از ما استفاده کنیم.