سفری به اعماق تاریکی: شبیه‌سازی جدید ناسا ما را به درون سیاهچاله می‌برد

«جرمی اشنیتمن» اخترفیزیکدان در مرکز پرواز فضایی گدارد ناسا می‌گوید: «مردم اغلب چنین سؤالی را مطرح می‌کنند و شبیه‌سازی این فرآیندهای دشوار به من کمک می‌کند تا ریاضیات نسبیت عام را به رویدادهای واقعی عالم مرتبط کنم. من دو سناریو مختلف را شبیه‌سازی کرده‌ام: در سناریوی اول، دوربین (پایه متصل به لباس فضانوردی جسور) از کنار افق رویداد می‌گذرد و در مانور قلابسنگ گرانشی به دوردست‌ها پرتاب می‌شود؛ و سناریوی دوم که دوربین از مرز سیاهچاله می‌گذرد و سرنوشت محتوم خود را تثبیت می‌کند.

پژوهشگران ناسا برای این شبیه‌سازی از ابررایانه Discover در مرکز شبیه‌سازی آب‌وهوای ناسا استفاده کردند. این پروژه حدود ۱۰ ترابایت داده (معادل نصف محتوای متنی تخمین زده‌شده در کتابخانه کنگره) تولید کرد و پردازش آن‌ها برای تنها ۰٫۳ درصد از ۱۲۹هزار پردازنده «دیسکاور» حدود ۵ روز طول کشید. انجام همین کار در لپ‌تاپی معمولی بیش از ۱۰ سال طول می‌کشد.

مقصد سفر، سیاهچاله بسیار پرجرمی شبیه به هیولای مقیم در مرکز کهکشان راه‌شیری است که ۴٫۳ میلیون برابر خورشید ما جرم دارد. افق رویداد این سیاهچاله حدود ۲۵ میلیون کیلومتر را در برمی‌گیرد که معادل حدود ۱۷ درصد از فاصله زمین تا خورشید است. ابر مسطح و چرخانی از گازهای داغ و درخشان به نام قرص برافزایشی آن را احاطه کرده و به‌عنوان مرجع بصری در طول سقوط عمل می‌کند. ساختارهای درخشانی به نام حلقه‌های فوتونی نیز وجود دارند که در فاصله نزدیک‌تری از ساهچاله تشکیل می‌شوند و منشأ آن‌ها، پرتوهای نوری است که یک یا چند بار به دور سیاهچاله چرخیده‌اند. درنهایت، پس‌زمینه‌ای از آسمان پرستاره که همان چشم‌انداز شبانگاهی آسمان زمین است، صحنه را کامل می‌کند.

کدام سیاهچاله برای سقوط، بهتر است؟

اگر حق انتخاب داشته باشیم، بهتر است که در سیاه‌چاله‌های عظیم سقوط کنیم. سیاه‌چاله‌های با جرم ستاره‌ای که ۳۰ برابر خورشید جرم دارند، افق رویداد بسیار کوچک‌تر و نیروهای جزرومدی قوی‌تری دارند که می‌توانند اجرام نزدیک‌تر را قبل از رسیدن به افق رویداد، از هم پاره‌پاره کنند.

اثرات جزرومدی به آن دلیل اتفاق می‌افتد که کشش گرانشی در انتهای نزدیک‌تر جسم به سیاه‌چاله، بسیار قوی‌تر از سمت دیگر آن است. اجسام طی سقوط و تحت تأثیر جزرومد گرانشی، مانند رشته‌فرنگی کش می‌آیند و در فرآیندی که اخترفیزیکدانان آن را رشته‌ای شدن یا اسپاگتی شدن می‌نامند، پاره‌پاره می‌شوند.

در فیلم چه می‌بینیم؟

فیلم‌ها با دوربینی شروع می‌شود که نزدیک به ۶۴۰ میلیون کیلومتر از سیاهچاله دورتر است ولی سیاه‌چاله به‌سرعت منظره را پر می‌کند. در طول مسیر، قرص سیاهچاله، حلقه‌های فوتونی و آسمان شب به شکل فزاینده‌ای منحرف می‌شوند و حتی با عبور نور آن‌ها از فضازمان که به شکل فزاینده‌ای پیچ‌وتاب برمی‌دارد، تصاویر متعددی را تشکیل می‌دهند.

همان‌طور که دوربین به سیاهچاله نزدیک می‌شود و به سرعتی نزدیک‌تر به سرعت خود نور می‌رسد، درخشش قرص برافزایشی و ستارگان پس‌زمینه تقریباً به همان شکلی تقویت می‌شود که صدای ماشین مسابقه‌ای که در حال نزدیک شدن است، زیرتر و بلندتر می‌شود. نور آن‌ها بر اثر پدیده «انتقال دوپلر» با نگاه کردن به جهت حرکت، روشن‌تر و سفیدتر به نظر می‌رسد.

در زمان واقعی، حدود ۳ ساعت طول می‌کشد تا دوربین به افق رویداد بیفتد و تقریباً دو مدار کامل ۳۰ دقیقه‌ای را در طول مسیر انجام دهد؛ اما برای کسی که از دور مشاهده می‌کند، دوربین هرگز به مقصد نمی‌رسد. فضازمان هرچه بیشتر به افق منحرف می‌شود، تصویر دوربین کند می‌شود و سپس به نظر می‌رسد که از آن دور می‌شود. به همین دلیل است که ستاره شناسان در ابتدا از سیاهچاله‌ها به‌عنوان «ستاره‌های بی‌تحرک» یاد می‌کردند.

در افق رویداد، حتی خود فضازمان با سرعت نور که همان بالاترین محدودیت سرعت کیهانی است، به داخل جریان می‌یابد. هنگامی‌که به داخل مرز وارد می‌شویم، هم دوربین و هم فضازمان که در آن در حال حرکت است، به سمت مرکز سیاهچاله هجوم می‌برند. مرکز سیاه‌چاله، نقطه‌ای تک‌بعدی به نام «تکینگی» است که قوانین فیزیک، آن‌طور که ما می‌شناسیم، عمل نمی‌کنند.

زمانی که دوربین از افق رویداد می‌گذرد، فقط ۱۲٫۸ ثانیه طول می‌کشد تا طی اثر رشته‌رشته‌شدن، متلاشی شود. از آنجا فقط ۱۲۸هزار کیلومتر تا تکینگی فاصله است که این آخرین مرحله هم در چشم به هم زدنی به پایان می‌رسد.

سناریوی دوم

در سناریوی جایگزین، دوربین نزدیک به افق رویداد می‌چرخد اما هرگز از آن عبور نمی‌کند و به محل امن می‌گریزد. اگر فضانورد در این سفر رفت‌وبرگشت ۶ ساعته با فضاپیمایی پرواز کند و همکارانش در سفینه مادر، در فاصله‌ای امن از سیاهچاله باقی مانده باشند، ۳۶ دقیقه جوان‌تر از همکارانش برمی‌گشت. دلیل این پدیده آن است که زمان در نزدیکی منبع گرانشی قوی و زمانی که نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنید، کندتر می‌گذرد.

البته این وضعیت می‌تواند به‌مراتب شدیدتر باشد. اگر سیاهچاله به سرعت در حال چرخش باشد، مانند آنچه در فیلم میان‌ستاره‌ای (Interstellar، اثر کریستوفر نولان، محصول سال ۲۰۱۴) به نمایش درآمده، او سال‌ها جوان‌تر از هم‌سفرانش برمی‌گشت.

منبع: ناسا