يقترح العلماء طريقة لاختبار النظرية العامة للنسبية لأينشتاين من خلال تحليل صور عالية الدقة لظلال الثقوب السوداء. تشير محاكاتهم الجديدة إلى أن التقدم المستقبلي في التلسكوبات يمكن أن يكشف ما إذا كانت النظريات البديلة للجاذبية صحيحة. يظهر العمل، الذي قاده باحثون من جامعة غوته في فرانكفورت ومعهد تسونغ-داو لي، في مجلة Nature Astronomy.
الثقوب السوداء، التي يُوصفها على أنها نهم كوني يلتهم كل شيء بما في ذلك الضوء، تم تصويرها من قبل تعاون تلسكوب أفق الحدث (EHT)، الذي التقط ثقوبًا سوداء فائقة الكتلة في مجرة M87 ودرب التبانة. هذه الصور لا تظهر الثقوب السوداء نفسها، بل المادة الساخنة في محيطها. «ما تراه في هذه الصور ليس الثقب الأسود نفسه، بل المادة الساخنة في محيطه المباشر»، يشرح البروفيسور لوتشيانو ريزولا من جامعة غوته في فرانكفورت، الذي ساهم فريقه في الاكتشاف. بينما تدور المادة خارج أفق الحدث قبل أن تسحب إليه، فإنها تصدر إشارات ضوئية قابلة للكشف.
نظرية النسبية العامة لأينشتاين، التي تشكل الأساس منذ أكثر من قرن، تتنبأ بالثقوب السوداء وأفاق الحدث الخاصة بها، والتي لا يفلت منها شيء. ومع ذلك، تتنبأ نظريات افتراضية أخرى أيضًا بالثقوب السوداء لكنها قد تتطلب خصائص مادة محددة أو تنتهك قوانين فيزيائية معروفة. «ومع ذلك، هناك أيضًا نظريات أخرى، لا تزال افتراضية، تتنبأ أيضًا بوجود الثقوب السوداء»، يلاحظ ريزولا.
في دراسة نُشرت في Nature Astronomy، يرسم ريزولا وزملاؤه من معهد تسونغ-داو لي في شنغهاي إطارًا لاختبار هذه البدائل باستخدام صور ظلال الثقوب السوداء. يتطلب ذلك صورًا عالية الدقة لقياس أنصاف قطر الظلال بدقة ونماذج نظرية للانحرافات عن تنبؤات أينشتاين. استخدم الفريق محاكاة ثلاثية الأبعاد لنمذجة المادة والمجالات المغناطيسية حول الثقوب السوداء، مولدًا صورًا اصطناعية للبلازما المتوهجة.
«كانت السؤال المركزي: بأي درجة تختلف صور الثقوب السوداء عبر النظريات المختلفة؟» يقول المؤلف الرئيسي أخيل أونيال من معهد تسونغ-داو لي. حددوا أنماطًا يمكن للصور الأكثر حدة في المستقبل تمييزها، على الرغم من أن دقة EHT الحالية غير كافية. تم تطوير وصف عالمي للثقوب السوداء ليشمل إطارات مختلفة.
حتى الآن، تتوافق الملاحظات مع نظرية أينشتاين، مستبعدة الsingularities العارية والثقوب الدودية في ثقوب M87 ودرب التبانة السوداء. «إحدى أهم مساهمات تعاون EHT في علم الفلك الفيزيائي هي تحويل الثقوب السوداء إلى أجسام قابلة للاختبار»، يؤكد ريزولا. «حتى النظرية المثبتة يجب اختبارها باستمرار، خاصة مع أجسام متطرفة مثل الثقوب السوداء».
يجمع EHT بين التلسكوبات الراديوية العالمية ليعمل كآلة بحجم الأرض، ويخطط لتوسعات تشمل تلسكوبًا فضائيًا لدقة أفضل —ربما أقل من مليون جزء من الثانية القوسية— لتمكين اختبارات حاسمة.