تا به حال حتما همگی تصویر شگفت‌انگیز سیاهچاله‌ای را که توسط تلسکوپ افق رویداد (EHT) گرفته شده است، دیده‌اید. این سیاهچاله‌ ابر پرجرم در مرکز کهکشان M87 در صورت فلکی سنبله قرار گرفته است. فوتون‌های تابش شده از گازهای داغ و فوتون‌های دیگر اطراف این سیاهچاله به دور افق رویداد می‌چرخند و در نهایت این هاله‌ی درخشان و سایه‌ی سیاهچاله را ایجاد می‌کنند.
تلسکوپ افق رویداد متشکل از 8 رادیوتلسکوپ است که در سرتاسر زمین قرار گرفته است و در مجموع مانند تلسکوپی است که هم اندازه‌ی زمین می‌باشد. این تلسکوپ عظیم تا کنون دو سیاهچاله را مورد بررسی قرار داده است. یکی از آنها سیاهچاله‌ی M87 است که 53.5 میلیون سال نوری از زمین فاصله دارد و 6.5 میلیارد برابر سنگین‌تر از خورشید ماست. مورد دیگر سیاه‌چاله‌ی مرکز کهکشان راه شیری است که آن را تحت عنوان سگیتاریوس A* می‌شناسیم. این سیاهچاله نیز در فاصله‌ی 26000 سال نوری از ما قرار دارد و 4.3 میلیون برابر جرم خورشید جرم دارد.
تیم EHT ابتدا روی سیاهچاله‌ی M87 کار کردند چون در بازه زمانی‌های کوتاه، تغییرات کمتری داشت و به همین دلیل بررسی آن کار آسان‌تری بود. این تیم قصد دارد به زودی تصویری نیز از سیاهچاله‌ی سگیتاریوس A* ارائه دهد.

اگر فوتونِ در حال عبور از کنار سیاهچاله، به آن نزدیک باشد؛ در مداری درون دام گرانشی آن می‌افتد. این امر باعث ایجاد حلقه‌ی فوتون (photon ring) یا کره‌ی فوتون (photon sphere) می‌شود. حلقه‌ی فوتون حلقه‌ای از نور است که سیاهچاله را در برمی‌گیرد و در لبه‌ی داخلی قرص برافزایشی و بیرون از افق رویداد قرار دارد. نوری که در این قسمت مشاهده می‌کنید در حقیقت نزدیک‌ترین فاصله‌ای است که نور می‌تواند نسبت به سیاهچاله داشته باشد، به دور آن بچرخد؛ اما به درونش کشیده نشود. نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین اندازه و شکل این حلقه را پیش‌بینی می‌کند و برخی از دانشمندان نیز این تصویر را مهر تاییدی بر نسبیت عام انیشتین می‌دانند.
در تصویر فوق می‌توانیم قرص برافزایشی یا همان قسمت نورانی را ببینیم. قسمت سیاه در مرکز تصویر سایه‌ی سیاهچاله است. به دلیل رزولوشن پایین عکس نمی‌توانیم به صورت دقیق حلقه‌ی فوتون را مشاهده کنیم؛ اما باید جایی در لبه‌ی سایه‌ی سیاهچاله قرار گرفته باشد.
اما اگر می‌توانستیم آن را ببینیم؛ می‌توانستیم اطلاعات بسیار مهمی را درباره‌ی سیاهچاله به دست بیاوریم. اندازه‌ی این حلقه، جرم، اندازه و چرخش سیاهچاله را برای ما مشخص می‌نماید. البته به کمک قرص برافزایشی نیز این اطلاعات قابل دستیابی است؛ اما حلقه‌ی فوتون به ما اجازه می‌دهد اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق‌تری داشته باشیم.
به این ترتیب جانسون (Johnson) و همکارانش با استفاده از مدلسازی تلاش کردند دریابند مشاهده‌ی حلقه‌ی فوتون در مشاهدات آینده تا چه حد امکان‌پذیر است. آنها دریافتند این کار ممکن خواهد بود؛ اما کار آسانی نیست.
همچنین حلقه‌ی فوتون، درونی‌ترین مدار پایدار در اطراف سیاهچاله است که می‌توانید تصویرش را در ادامه ببینید. این تصویر در سال 1978 توسط ژان پیر لومینت (Jean-Pierre Luminet) اخترفیزیکدان کشیده شده است.

با این حال به نظر می‌رسد آنقدرها هم که فکر می‌کردیم اطلاعات کاملی از این حلقه در دست نداریم. در مطالعاتی که توسط تیمی از دانشمندان دانشگاه هاروارد صورت گرفته است؛ حلقه‌ی فوتون در سیاهچاله‌های چرخان تنها یک حلقه نیست. بلکه مجموعه‌ی بی‌نهایتی از زیرحلقه‌های هم‌مرکزی است که در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند و وقتی این زیرحلقه‌ها به لبه‌ی سیاهچاله یا همان «سایه» می‌رسند؛ به صورت نمایی، باریک‌تر و کم‌نورتر شده و تعداد مدارهایشان افزایش پیدا می‌کند. احتمالا مشاهدات و مطالعات بیشتر در زمینه‌ی این زیرحلقه‌ها به ما کمک خواهد کرد چگونگی خمیده شدن فضا زمان توسط سیاهچاله‌ها را بهتر درک کنیم. برای اطلاعات بیشتر در مورد سیاهچاله‌ها می‌توانید به اینجا مراجعه کنید.
بشقاب‌های رادیویی چگونه زیرحلقه‌های سیاهچاله را آشکارسازی می‌کنند؟

فوتون‌هایی که این زیرحلقه‌ها را می‌سازند همچون گروگان‌های موقت سیاهچاله هستند که به خاطر گرانش سیاهچاله از مسیر خود منحرف شده‌اند. یک فوتون پیش از فرار از سیاهچاله و رسیدن به ما، بر اساس اینکه چند بار به دور سیاهچاله چرخیده است در زیرحلقه‌های متفاوتی قرار می‌گیرد. هرچقدر فوتون‌ بیشتر چرخیده باشد؛ زیرحلقه‌ی مربوط به آن نازک‌تر شده و این تصویر نسبت به افق رویداد در فاصله‌ی نزدیک‌تری قرار می‌گیرد.
چگونگی تغییر ضخامت، شکل و روشنایی این زیرحلقه‌ها نسبت به یکدیگر بستگی به چگونگی خمیده شدن فضازمان اطراف سیاه‌چاله دارد و البته این خمیدگی نیز وابسته به جرم و چرخش سیاهچاله است. به این ترتیب مطالعه‌ی زیرحلقه‌ها نه تنها در درک مباحث گرانشی به ما کمک می‌کند؛ بلکه می‌تواند این دو ویژگی معرف سیاهچاله را نیز برایمان مشخص نماید.
به گفته‌ی جانسون وقتی این دو پارامتر را در مورد این سیاهچاله بفهمیم دیگر همه چیز را درباره‌ی آن خواهیم دانست. مشاهدات کنونی EHT تنها تا حدود 10 درصد اجازه‌ی محاسبات جرمی را به دانشمندان می‌دهد. اما با وجود این مشاهدات، نمی‌توانند هیچ اطلاعاتی در مورد چرخش سیاهچاله به دست بیاورند. اما اگر پروژه را به فراتر از مرزهای زمین هدایت کنند؛ این امر ممکن‌تر خواهد شد.

اینجاست که شبکه‌ی جهانی رادیوتلسکوپ‌های افق رویداد وارد کار می‌شوند. این مجموعه تلسکوپ‌ها برای رصد از روش تداخل‌سنجی خط پایه‌ی بسیار طولانی یا VLBI استفاده می‌کنند. در این روش اطلاعات به دست آمده از این مجموعه تلسکوپ‌ها را در کنار یکدیگر قرار می‌دهند تا در نهایت بتوانند تصویری یکپارچه به دست بیاورند. هر جفت بشقاب‌ رادیویی در مقیاس‌های متفاوتی به رصد می‌پردازد که وابسته به فاصله‌ی بشقاب‌ها یا به عبارت دیگر خط پایه است.
اکنون تلسکوپ افق رویداد تنها می‌تواند حلقه فوتون مبهمی را در اطراف سیاهچاله‌ی M87 نشان بدهد. اما اگر محققان بتوانند این آرایه‌ی تلسکوپی را در فضا نیز تشکیل بدهند؛ آنگاه خط پایه‌ای خواهند داشت که برای تشخیص ضخامت این حلقه به اندازه‌ی کافی طولانی خواهد بود. از آنجا که هر زیرحلقه ضخامت متفاوتی دارد؛ هر خط پایه‌ای تنها می‌تواند فوتون‌هایی را از یک زیرحلقه‌ی مشخص و زیرحلقه‌های باریک‌تر از آن دریافت کند که در کنار هم مانند یک کیک عروسی چندطبقه دیده می‌شوند.
تلسکوپ افق رویداد به کمک دو تلسکوپ فضایی (مثلا یک ماهواره‌ی ارتباطی همزمان و ایستگاهی در ماه) می‌تواند دریابد در چه مکان‌هایی این زیرحلقه‌های مجزا ناپدید می‌شوند. همچنین می‌توانند قطر این زیرحلقه‌ها را اندازه‌گیری کرده و در نتیجه جرم سیاهچاله را به دست بیاورند. از طرفی اگر حلقه‌ی فوتون کاملا دایره‌ای نباشد و حالتی بی‌شکل داشته باشد؛ آنگاه ستاره‌شناسان می‌توانند جهت چرخش سیاهچاله را تعیین کنند.
به گفته‌ی جانسون و الکساندرو لوپساسکا (Alexandru Lupsasca) زیرحلقه‌ها یکی از پیش‌بینی‌های به دست آمده از نسبیت عام هستند که تا مدت‌ها کشف نشده باقی مانده بودند. لوپساسکا به کمک یکی از همکارانش زمان زیادی را صرف محاسبات سخت و پیچیده کرد تا بتواند صحت این موضوع را بسنجد و نتایجی که در نهایت به دست آورد فرضیه‌ی زیرحلقه‌ها را تایید می‌نمود.
انیمیشن زیر نشان می‌دهد که چطور تصویر سیاهچاله از چندین زیرحلقه‌ی فوتونی و مسیر فوتون‌های به وجود آورنده‌ی تصویر به دست آمده است. سیاهچاله‌ روی درخشندگی مواد اطرافش سایه می‌اندازد و دلیلش هم میدان گرانشی قوی آن است که می‌تواند نور را خمیده کرده و آن را در دام بیندازد. دور این سایه را حلقه‌های روشنی از نور گرفته است. این حلقه‌ها مربوط به فوتون‌هایی هستند که قبل فرار، از نزدیکی سیاهچاله می‌گذرند. اما مسئله اینجاست که این حلقه تنها از یک حلقه تشکیل نشده است. بلکه مجموعه‌ای از چندین زیرحلقه‌ی مجزاست. nامین زیرحلقه مربوط به فوتون‌هایی است که پیش از رسیدن به چشم ناظر، n/2 بار دور سیاهچاله چرخیده‌اند.
فوتون‌های مربوط به حلقه‌ی n=0 تنها به سیاهچاله نزدیک شده اما آن را دور نمی‌زنند و به دلیل گرانش سیاهچاله مسیرشان منحرف شده و به سمت ناظر می‌آیند. فوتون‌های درون حلقه‌ی n=1 تنها نیم دور به دور سیاهچاله چرخیده و به سمت ناظر می‌آیند و الی آخر.

اطراف حلقه‌ی فوتون سیاهچاله

راه دومی هم برای کشف راز نهان در پس سیاهچاله‌ها به کمک این زیرحلقه‌ها وجود دارد. برای درک این موضوع برای لحظه‌ای مجموعه‌ی هم‌مرکز این حلقه‌ها را فراموش کنید و بیایید فرض کنیم تنها یک حلقه وجود دارد.
یک حلقه‌ی فوتون از نورهایی به وجود آمده است که در مدارهایی ناپایدار با اندازه‌هایی متفاوت به دور سیاهچاله می‌چرخند. اما به گفته‌ی جانسون این فوتون‌های در حال گردش، در کمان‌ها یا دایره‌هایی ساده حرکت نمی‌کنند. یک سیاهچاله‌ی چرخان، فضا زمانِ اطرافش را به نسبت چرخشی که دارد خمیده می‌کند و فوتون‌ها باید مسیرهای پیچ در پیچی را طی کنند که ابتدا آنها را به یک سمت و سپس وقتی به طرف دیگر سیاهچاله می‌روند، به سمت دیگر می‌کشد. به این ترتیب این مسیرها مانند کش‌های لاستیکی پیچ خورده‌ای می‌شوند.
فوتون‌ها می‌توانند در هر کجا از مسیرشان از گرانش سیاهچاله فرار کنند و مسیر تصادفی دیگری را در پیش بگیرند. اما اگر به سیاهچاله نگاه کنید؛ همه‌ی این فوتون‌ها را نخواهید دید. بلکه تنها فوتون‌هایی را مشاهده می‌کنید که به چشم شما رسیده‌اند. این فوتون‌ها از یکی از دو نقطه‌ی خروجی به سمت شما می‌آیند. مکان این نقاط وابسته به شعاع مدار چرخش فوتون‌ها به دور سیاهچاله است. تمامی فوتون‌های یک مدار مشخص، از این دو نقطه‌ی فرار به سمت شما می‌آیند. فوتون‌هایی که در مدارهای دیگر قرار دارند از زوایای دیگری به چشم ما می‌رسند.
این دو نقطه‌ی مجزا مانند علامت‌های روی صفحه‌ی ساعت می‌باشند. آنها به خودی خود تنها دو نقطه در فضا محسوب می‌شوند. اما اگر تمامی آنها را در نظر بگیرید حلقه‌ای از نور را در اطراف سیاهچاله مشاهده خواهید کرد. اساسا حلقه‌ی فوتون مانند یک هولوگرام است که ساختار سه بعدی فضا زمان در اطراف سیاهچاله را به شکلی 2 بعدی نشان می‌دهد. کاربرد آن این است که ستاره‌شناسان می‌توانند به نقطه‌ای بر روی حلقه‌ی فوتون نگاه کنند و بدانند این فوتون‌ها دقیقا پیش از فرار به چه صورتی در اطراف سیاهچاله حرکت می‌کردند.
پوسته‌ی فوتونی که در شکل زیر مشاهده می‌کنید در حقیقت ناحیه‌ای از فضا زمان یک سیاهچاله است که ژئودزیک پوچ (نول) مقید یا «مدارهای مقید» دارد (به جهان خط هر ذره در متریک فضازمان ژئودزیک می‌گویند. ژئودزیک پوچ، دارای جهان خط نور گونه می‌باشد). این مدارها نه به سمت بی‌نهایت فرار می‌کنند و نه به درون افق رویداد می‌افتند.

حالا بقیه زیرحلقه‌ها را هم در نظر می‌گیریم. همان طور که اشاره شد هر زیرحلقه متشکل از فوتون‌هایی است که پیش از فرار از دام گرانشی سیاهچاله به دفعات مختلفی به دور آن چرخیده‌اند. به این ترتیب اگر ستاره‌شناسان به یک بخش (فرضا محل ساعت 6) از زیرحلقه‌های مختلف نگاه کنند؛ مانند این است که دارند به تصویر لحظه‌ای فوتون‌های درون یک مدار می‌نگرند. از این رو می‌توانند دریابند که نور درون مدار چگونه با گذشت زمان تغییر می‌کند. هر تغییری می‌تواند به ما بگوید سیاهچاله چه بر سر فضا زمان اطرافش می‌آورد.
در حقیقت هر زیرحلقه از فوتون‌هایی تشکیل شده است که پس از جمع‌آوری از هر کجای عالم هستی توسط پوسته‌ی فوتون، به سمت ناظر آمده‌اند. بنابراین در یک شرایط ایده‌آلِ بدون جذب، هر زیرحلقه می‌تواند تصویر مجزای کوچک شده‌ای از کل جهان را دربرداشته باشد و هر زیرحلقه‌ی بعدی نشان دهنده‌ی جهان قابل مشاهده در زمانی ابتدایی‌تر خواهد بود. به عبارت دیگر این مجموعه زیرحلقه‌ها در کنار یکدیگر شبیه به فریم‌های فیلمی هستند که تاریخچه‌ی جهان قابل مشاهده را ارائه می‌دهند.
قرار دادن یک تلسکوپ در پایین‌ترین مدار زمین شروع خوبی برای این پژوهش خواهد بود. اما تنها تصویر واضحی از یکی از حلقه‌ها را در اختیار ما قرار خواهد داد.
برای مشاهده‌ی دومین زیرحلقه باید تلسکوپی را در ماه قرار دهیم و برای مشاهده‌ی سومین زیرحلقه نیز باید یک تلسکوپ در L2 قرار داده شود (نقاط لاگرانژی نقاطی هستند که نیروی گرانشی دو جسم در آن نقطه خنثی است و معمولا ماهواره‌ها در یکی از این 5 نقطه قرار می‌گیرند).

هیچ کدام این کارها غیر ممکن نیست. ناسا در حال برنامه‌ریزی ماموریتی برای ارسال انسان به ماه است. تا به امروز هم چندین ماهواره به نقطه‌ی L2 فرستاده‌ایم. قطعا این اتفاق در آینده‌ی نزدیک نخواهد افتاد. اما در نسل‌های بعدی تسکوپ افق رویداد شاهد چنین تحقیقاتی خواهیم بود.

برای دریافت اطلاعات بیشتر و اطلاع از شیوه‌های علمی انجام شده در این زمینه، می‌توانید مقاله‌ی سال 2020 جانسون و همکاران را از این لینک مطالعه کنید.

منابع: SKY&TELESCOPE، SCIENCEALERT