گفت‌وگوی اختصاصی جام‌جم با چیریاکو گودی، سرپرست پژوهش تصویربرداری از سیاهچاله مرکزی کهکشان مسیه 87 در آرایه تلسکوپ‌های رادیویی آلما و عضو شبکه «تلسکوپ افق رویداد»
یکی از محبوب‌ترین عکس‌های تاریخ علم را گرفتیم
فروردین 1398، جامعه جهانی با مشاهده اولین عکس از یک سیاهچاله فضایی شگفت‌زده شد؛ عکسی که به مدد تلاش‌های شبکه «تلسکوپ افق رویداد» (Eht) و با مشارکت صدها دانشمند از سراسر جهان در تاریخ ثبت شد و دقیقا نتایج همان رصدهایی را نشان داد که تا پیش از آن فقط به‌صورت نظریه توصیف شده بود. در اوایل فروردین 1400 / اواخر مارس 2021، همان گروه به تصویر جدیدی از همان سیاهچاله که در مرکز کهکشان ام87 (M87) در فاصله حدود 55 میلیون سال نوری از ما قرار دارد دست یافت. با دکتر چیریاکو گودی (Dr. Ciriaco Goddi) محقق دانشگاه‌های نَیمِیخِن و لِیدن در هلند و سرپرست این پژوهش در آرایه میلیمتری و زیرمیلی‌متری بزرگ آتاکاما و عضو شبکه تلسکوپ افق رویداد درخصوص این تصویر جدید که در نور قطبیده گرفته شده و همین‌طور درباره تصویر تاریخی فروردین 1398 تلفنی گفت‌وگو کرده‌ایم.
دو سال قبل، پروژه ای‌اچ‌تی اولین تصویر واقعی ثبت شده از یک سیاهچاله فضایی را نمایش داد. پس از هیجان‌های اولیه، آنچه بسیار جالب توجه به نظر می‌رسید، شباهت میان عکس و شبیه‌سازی‌هایی بود که تا پیش از آن از سیاهچاله‌ها می‌شد. این شباهت از چه ناشی می‌شود؟
سیاهچاله‌ها اجرام کیهانی بی‌نهایت فشرده شده و حاوی مقادیر باورنکردنی جرم هستند که در منطقه‌ای متراکم شده است. وجود این اجرام به روش‌های مختلفی بر محیط پیرامون‌شان تأثیر می‌گذارد که از آن‌جمله می‌توان به تغییر شکل فضا- زمان و گرم‌‌شدن بیش از حد هر ماده‌ای که اطراف‌شان است و تبدیل آن ماده به پلاسمای درخشان اشاره کرد؛ به‌خصوص این پلاسمای درخشان سبب می‌شود منطقه پیرامون سیاهچاله بسیار روشن باشد، درحالی‌که سیاهچاله در مرکز خودش منطقه‌ای تاریک ایجاد می‌کند که شبیه سایه است. این سایه که بر اثر انحنای گرانشی و به دام افتادن نور در افق رویدادها به‌وجود می‌آید آن‌گونه‌که نظریه نسبیت عمومی اینشتین پیش‌بینی کرده شکل و ابعاد کاملا مشخصی دارد. برپایه این نظریه، همواره انتظار داشتیم حلقه‌ای کم‌وبیش مدور با ابعاد متناسب با جرم سیاهچاله را ببینیم؛ این دو انتظار در مورد سیاهچاله ام87 برآورده شد. با این توضیح باید گفت با وجود این واقعیت که ما دانشمندان درگیر در این پروژه، سال‌ها سیاهچاله‌ها را شبیه‌سازی کرده بودیم و بنابراین از آنچه منتظرش بودیم تصور روشنی داشتیم اما دقیقا خود ما هم از یافتن نتیجه‌ای چنین واضح و روشن از آنچه تصورش را می‌کردیم شگفت‌زده شدیم. اغلب مواقع در پژوهش‌های علمی، ما پروژه‌هایی را با یک هدف و نتیجه ذهنی آغاز می‌کنیم و بعد به نتیجه‌ای غیرمنتظره می‌رسیم اما در این مورد، این‌طور نبود و دقیقا ما به آنچه منتظرش بودیم، رسیدیم اما بسیار زیباتر از حدی که بخواهد واقعی باشد و در واقع شگفتی ما از این جهت بود.
شما سرپرست مطالعه‌ای با عنوان «خواص قطبش‌سنجی هدف‌های آلما در همکاری با تلسکوپ افق رویداد» هستید که مارس 2021 در ژورنال The Astrophysical Jounal Letters منتشر شد. مشارکت گروه شما در تصویر جدیدی که به‌تازگی از سیاهچاله ارائه شده، چه بود؟
این مقاله جزئیات رصدهایی را که با آلما داخل شبکه ای‌اچ‌تی انجام دادیم شرح می‌دهد. ALMA (آرایه میلیمتری و زیرمیلی‌متری بزرگ آتاکاما) با 66 آنتن با دقت بالا، پرقدرت‌ترین تلسکوپ رادیویی است که تاکنون ساخته شده و نقشی مرکزی در این تصویر جدید سیاهچاله ایفا کرده است. اما فقط این نیست. مزیت بزرگ آلما به‌عنوان بخشی از شبکه تلسکوپ افق رویداد این است که می‌توانیم از داده‌هایی که طی رصدهای ای‌اچ‌تی به‌دست آورده‌ایم به‌طور مستقل از این شبکه هم استفاده کنیم و از منطقه‌ای که تا هزاران سال نوری از سیاهچاله مرکزی گسترش یافته تصاویری را در نور قطبیده تهیه کنیم؛ به‌خصوص، مقاله ما برپایه داده‌های آلما، سهمی بنیادی برای این توضیح عرضه می‌کند که کهکشان ام87 چگونه از هسته‌اش فواره‌های بسیار پرقدرت انرژی و ماده را که «فواره‌های نسبیتی» نامیده می‌شوند تابش می‌کند. این فواره‌ها از ذراتی ساخته می‌شود که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند و به فاصله دست‌کم
5000 سال نوری از مرکز کهکشان پخش می‌شود. در طول سال‌ها با ابزارهای مختلف از‌جمله تلسکوپ فضایی هابل مطالعاتی درخصوص فواره‌های نسبیتی انجام شده است اما فقط اکنون با کمک آلما موفق شدیم شرح کاملی از ساختارهای میدان مغناطیسی به‌دست آوریم که این فواره‌ها را احاطه کرده‌اند. تحلیل‌های کامل داده‌های مربوط به نور قطبشی که برای این نتیجه جدید ضروری است تا دو سال دیگر هم جمع‌آوری می‌شود. باید بگویم کاری که من در سکان هدایت آن بودم و مسؤولیتی بزرگ به‌عهده‌ام گذاشته بود تلاشی شگرف به‌شمار می‌رود زیرا نشان می‌دهد هرچند آلما عنصر مهمی در شبکه ای‌اچ‌تی است اما خودش هم به‌تنهایی بسیار ارزشمند است.
درباره ویژگی تصویر جدید در نور قطبیده برایمان بگویید.
تصویر جدید، اولین اندازه‌گیری نور قطبیده را ارائه می‌دهد. این پدیده حضور میدان‌های مغناطیسی را نشان می‌دهد، به‌ویژه، شدت و جهت قطبش - که در عکس به‌صورت خطوط و رگه‌هایی قابل رويت، دیده می‌شود - نقشه‌برداری از خطوط میدان مغناطیسی حاضر در لبه داخلی سیاهچاله را میسر کرده است. نور وقتی از بین فیلترهای مشخصی عبور می‌کند قطبیده می‌شود؛ برای مثال وقتی از عدسی‌های عینک‌های آفتابی پُلاریزه عبور می‌کند، پدیده مشابه زمانی پیش می‌آید که نور از مناطق بسیار گرم فضا که با میدان‌های مغناطیسی احاطه شده‌اند عبور کند. این‌گونه به‌راحتی می‌توان فهمید که توزیع خطوط قطبیده تصادفی نیست؛ بلکه توزیعی منظم است و این یعنی پلاسمای نزدیک سیاهچاله‌ای که این تابش را منتشر می‌کند تحت تاثیر نفوذ یک میدان مغناطیسی منظم قرار دارد.
کهکشان ام87 چه ویژگی خاصی دارد که سیاهچاله‌های مرکزی آن برای این پروژه انتخاب شد؟
سیاهچاله مرکز کهکشان ام87 به‌همراه سیاهچاله قوس ای* (Sgr A*) که در مرکز کهکشان ما قرار دارد، از سیاهچاله‌هایی است که ابعاد ظاهری (زاویه‌ای) بسیار بزرگی دارد که از زمین قابل رصد است. در واقع سیاهچاله‌های ام87 و قوس ای* تنها سیاهچاله‌هایی به‌شمار می‌روند که با فناوری کنونی قابل بررسی هستند.
اخترفیزیکدان‌ها با نقشه‌برداری از ساختار نور قطبیده‌ای که از میدان گرانش هسته کهکشان فرار می‌کند، به چه یافته‌ای خواهند رسید؟
شناخت میدان مغناطیسی، بنیادی است زیرا همراه با میدان گرانش یکی از نیروهای اصلی است. بیشتر ماده‌ای که نزدیک لبه یک سیاهچاله قرار دارد داخل آن سقوط می‌کند اما به‌هر حال بعضی از ذرات موفق می‌شوند فرار کنند و در قالب اشکالی از فواره در فضا پرتاب شوند. برهم‌کنش میان جاذبه و میدان‌های مغناطیسی سرنوشت ذراتی را که در مدار پیرامون سیاهچاله می‌چرخند تعیین می‌کند و تصاویر در نور قطبیده دقیقا کلید ما برای درک این نکته است که میدان مغناطیسی چگونه اجازه می‌دهد سیاهچاله ماده را «غوطه‌ور» و فواره‌های پرقدرت را تابش کند. بنابراین قطبیده شدن نور حامل اطلاعاتی است که به ما امکان می‌دهد فیزیک سیاهچاله‌ها را بهتر درک کنیم.
هرچند عکس تاریخی سیاهچاله کهکشان ام87 برنده جایزه نوبل فیزیک نشد اما به‌نظر شما این تصویر به کارگروه نوبل برای جایزه نوبل فیزیک سال 2020 انگیزه‌های لازم را ارائه کرد؟
گرچه این مسأله هرگز بین دلایل رسمی برای جایزه نوبل فیزیک سال 2020 نقل نشد اما شخصا فکر می‌کنم که نتایج پیشگام تلسکوپ افق رویداد، علاقه‌ای دوباره به مطالعه سیاهچاله‌ها به‌وجود آورد. تصویر ماندگار 21 فروردین 1398/10آوریل 2019 که از سیاهچاله مرکزی کهکشان ام87 منتشر شد و یک‌روز بعد نه فقط در ایالات متحده و کشورهای اروپایی که روی صفحه اول تمام روزنامه‌های مهم آسیا و آمریکای لاتین قرار گرفت، تاثیر بسیار زیادی بر مردم گذاشت. در حقیقت بر‌اساس بعضی آمارها نیمی از جمعیت جهان تحت تاثیر این عکس قرار گرفتند؛ تاثیری که پیش از این مشابه آن را فقط در مورد تصویر اولین گام انسان بر ماه دیده بودیم. از این‌رو بسیار مفتخریم که این نتیجه - که به‌حتم نتیجه‌ای تاریخی است- نه‌فقط مورد توجه جامعه علمی که به‌خصوص مورد توجه عموم مردم و رسانه‌ها هم قرار گرفت و اشتیاقی تقریبا غیرمنتظره را نشان داد. به همین دلیل فکر می‌کنم این رویداد می‌تواند مورد توجه اعضای کمیسیون نوبل هم قرار گرفته باشد و امیدوارم نوبل فیزیک 2020 آخرین جایزه نوبلی نباشد که به پژوهش‌های مربوط به سیاهچاله‌ها اعطا می‌شود.
سیاهچاله‌ها اجرام کیهانی بی‌نهایت فشرده شده و حاوی مقادیر باورنکردنی جرم هستند که در منطقه‌ای متراکم شده است. وجود این اجرام به روش‌های مختلفی بر محیط پیرامون‌شان تأثیر می‌گذارد که از آن‌جمله می‌توان به تغییر شکل فضا- زمان و گرم‌‌شدن بیش از حد هر ماده‌ای که اطراف‌شان است و تبدیل آن ماده به پلاسمای درخشان اشاره کرد؛ به‌خصوص این پلاسمای درخشان سبب می‌شود منطقه پیرامون سیاهچاله بسیار روشن باشد، درحالی‌که سیاهچاله در مرکز خودش منطقه‌ای تاریک ایجاد می‌کند که شبیه سایه است. این سایه که بر اثر انحنای گرانشی و به دام افتادن نور در افق رویدادها به‌وجود می‌آید آن‌گونه‌که نظریه نسبیت عمومی اینشتین پیش‌بینی کرده شکل و ابعاد کاملا مشخصی دارد. برپایه این نظریه، همواره انتظار داشتیم حلقه‌ای کم‌وبیش مدور با ابعاد متناسب با جرم سیاهچاله را ببینیم؛ این دو انتظار در مورد سیاهچاله ام87 برآورده شد. با این توضیح باید گفت با وجود این واقعیت که ما دانشمندان درگیر در این پروژه، سال‌ها سیاهچاله‌ها را شبیه‌سازی کرده بودیم و بنابراین از آنچه منتظرش بودیم تصور روشنی داشتیم اما دقیقا خود ما هم از یافتن نتیجه‌ای چنین واضح و روشن از آنچه تصورش را می‌کردیم شگفت‌زده شدیم. اغلب مواقع در پژوهش‌های علمی، ما پروژه‌هایی را با یک هدف و نتیجه ذهنی آغاز می‌کنیم و بعد به نتیجه‌ای غیرمنتظره می‌رسیم اما در این مورد، این‌طور نبود و دقیقا ما به آنچه منتظرش بودیم، رسیدیم اما بسیار زیباتر از حدی که بخواهد واقعی باشد و در واقع شگفتی ما از این جهت بود.
شما سرپرست مطالعه‌ای با عنوان «خواص قطبش‌سنجی هدف‌های آلما در همکاری با تلسکوپ افق رویداد» هستید که مارس 2021 در ژورنال The Astrophysical Jounal Letters منتشر شد. مشارکت گروه شما در تصویر جدیدی که به‌تازگی از سیاهچاله ارائه شده، چه بود؟
این مقاله جزئیات رصدهایی را که با آلما داخل شبکه ای‌اچ‌تی انجام دادیم شرح می‌دهد. ALMA (آرایه میلیمتری و زیرمیلی‌متری بزرگ آتاکاما) با 66 آنتن با دقت بالا، پرقدرت‌ترین تلسکوپ رادیویی است که تاکنون ساخته شده و نقشی مرکزی در این تصویر جدید سیاهچاله ایفا کرده است. اما فقط این نیست. مزیت بزرگ آلما به‌عنوان بخشی از شبکه تلسکوپ افق رویداد این است که می‌توانیم از داده‌هایی که طی رصدهای ای‌اچ‌تی به‌دست آورده‌ایم به‌طور مستقل از این شبکه هم استفاده کنیم و از منطقه‌ای که تا هزاران سال نوری از سیاهچاله مرکزی گسترش یافته تصاویری را در نور قطبیده تهیه کنیم؛ به‌خصوص، مقاله ما برپایه داده‌های آلما، سهمی بنیادی برای این توضیح عرضه می‌کند که کهکشان ام87 چگونه از هسته‌اش فواره‌های بسیار پرقدرت انرژی و ماده را که «فواره‌های نسبیتی» نامیده می‌شوند تابش می‌کند. این فواره‌ها از ذراتی ساخته می‌شود که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند و به فاصله دست‌کم
5000 سال نوری از مرکز کهکشان پخش می‌شود. در طول سال‌ها با ابزارهای مختلف از‌جمله تلسکوپ فضایی هابل مطالعاتی درخصوص فواره‌های نسبیتی انجام شده است اما فقط اکنون با کمک آلما موفق شدیم شرح کاملی از ساختارهای میدان مغناطیسی به‌دست آوریم که این فواره‌ها را احاطه کرده‌اند. تحلیل‌های کامل داده‌های مربوط به نور قطبشی که برای این نتیجه جدید ضروری است تا دو سال دیگر هم جمع‌آوری می‌شود. باید بگویم کاری که من در سکان هدایت آن بودم و مسؤولیتی بزرگ به‌عهده‌ام گذاشته بود تلاشی شگرف به‌شمار می‌رود زیرا نشان می‌دهد هرچند آلما عنصر مهمی در شبکه ای‌اچ‌تی است اما خودش هم به‌تنهایی بسیار ارزشمند است.
درباره ویژگی تصویر جدید در نور قطبیده برایمان بگویید.
تصویر جدید، اولین اندازه‌گیری نور قطبیده را ارائه می‌دهد. این پدیده حضور میدان‌های مغناطیسی را نشان می‌دهد، به‌ویژه، شدت و جهت قطبش - که در عکس به‌صورت خطوط و رگه‌هایی قابل رويت، دیده می‌شود - نقشه‌برداری از خطوط میدان مغناطیسی حاضر در لبه داخلی سیاهچاله را میسر کرده است. نور وقتی از بین فیلترهای مشخصی عبور می‌کند قطبیده می‌شود؛ برای مثال وقتی از عدسی‌های عینک‌های آفتابی پُلاریزه عبور می‌کند، پدیده مشابه زمانی پیش می‌آید که نور از مناطق بسیار گرم فضا که با میدان‌های مغناطیسی احاطه شده‌اند عبور کند. این‌گونه به‌راحتی می‌توان فهمید که توزیع خطوط قطبیده تصادفی نیست؛ بلکه توزیعی منظم است و این یعنی پلاسمای نزدیک سیاهچاله‌ای که این تابش را منتشر می‌کند تحت تاثیر نفوذ یک میدان مغناطیسی منظم قرار دارد.
کهکشان ام87 چه ویژگی خاصی دارد که سیاهچاله‌های مرکزی آن برای این پروژه انتخاب شد؟
سیاهچاله مرکز کهکشان ام87 به‌همراه سیاهچاله قوس ای* (Sgr A*) که در مرکز کهکشان ما قرار دارد، از سیاهچاله‌هایی است که ابعاد ظاهری (زاویه‌ای) بسیار بزرگی دارد که از زمین قابل رصد است. در واقع سیاهچاله‌های ام87 و قوس ای* تنها سیاهچاله‌هایی به‌شمار می‌روند که با فناوری کنونی قابل بررسی هستند.
اخترفیزیکدان‌ها با نقشه‌برداری از ساختار نور قطبیده‌ای که از میدان گرانش هسته کهکشان فرار می‌کند، به چه یافته‌ای خواهند رسید؟
شناخت میدان مغناطیسی، بنیادی است زیرا همراه با میدان گرانش یکی از نیروهای اصلی است. بیشتر ماده‌ای که نزدیک لبه یک سیاهچاله قرار دارد داخل آن سقوط می‌کند اما به‌هر حال بعضی از ذرات موفق می‌شوند فرار کنند و در قالب اشکالی از فواره در فضا پرتاب شوند. برهم‌کنش میان جاذبه و میدان‌های مغناطیسی سرنوشت ذراتی را که در مدار پیرامون سیاهچاله می‌چرخند تعیین می‌کند و تصاویر در نور قطبیده دقیقا کلید ما برای درک این نکته است که میدان مغناطیسی چگونه اجازه می‌دهد سیاهچاله ماده را «غوطه‌ور» و فواره‌های پرقدرت را تابش کند. بنابراین قطبیده شدن نور حامل اطلاعاتی است که به ما امکان می‌دهد فیزیک سیاهچاله‌ها را بهتر درک کنیم.
هرچند عکس تاریخی سیاهچاله کهکشان ام87 برنده جایزه نوبل فیزیک نشد اما به‌نظر شما این تصویر به کارگروه نوبل برای جایزه نوبل فیزیک سال 2020 انگیزه‌های لازم را ارائه کرد؟
گرچه این مسأله هرگز بین دلایل رسمی برای جایزه نوبل فیزیک سال 2020 نقل نشد اما شخصا فکر می‌کنم که نتایج پیشگام تلسکوپ افق رویداد، علاقه‌ای دوباره به مطالعه سیاهچاله‌ها به‌وجود آورد. تصویر ماندگار 21 فروردین 1398/10آوریل 2019 که از سیاهچاله مرکزی کهکشان ام87 منتشر شد و یک‌روز بعد نه فقط در ایالات متحده و کشورهای اروپایی که روی صفحه اول تمام روزنامه‌های مهم آسیا و آمریکای لاتین قرار گرفت، تاثیر بسیار زیادی بر مردم گذاشت. در حقیقت بر‌اساس بعضی آمارها نیمی از جمعیت جهان تحت تاثیر این عکس قرار گرفتند؛ تاثیری که پیش از این مشابه آن را فقط در مورد تصویر اولین گام انسان بر ماه دیده بودیم. از این‌رو بسیار مفتخریم که این نتیجه - که به‌حتم نتیجه‌ای تاریخی است- نه‌فقط مورد توجه جامعه علمی که به‌خصوص مورد توجه عموم مردم و رسانه‌ها هم قرار گرفت و اشتیاقی تقریبا غیرمنتظره را نشان داد. به همین دلیل فکر می‌کنم این رویداد می‌تواند مورد توجه اعضای کمیسیون نوبل هم قرار گرفته باشد و امیدوارم نوبل فیزیک 2020 آخرین جایزه نوبلی نباشد که به پژوهش‌های مربوط به سیاهچاله‌ها اعطا می‌شود.
