نحن عادة نتعامل مع الصورة الفوتوغرافية على أنها سجل للحظة واحدة من الزمن.

سواء أكانت لقطة تحفظ أسعد ذكرياتك أو تعريضًا ضوئيًا طويلًا يتتبع التحرك البطيء للنجوم عبر سماء الليل، فإن الصورة عادة ما تكون لها علاقة مباشرة مع الوقت.

حول الثقوب السوداءلكن تلك العلاقة تنهار.

هناك، وبفضل الالتواء الشديد للزمكان، قد تجمع صورة واحدة الضوء الذي ترك مصدره في لحظات مختلفة قبل أن يصل أخيرًا إلى الراصد، وهو تعقيد يصفه الفيزيائيون عادةً باستخدام نماذج الضوء “السريعة” و”البطيئة”.

الآن أظهر الفيزيائيان دانييل روخاس باترنينا من جامعة كولومبيا الوطنية وأليخاندرو كارديناس أفيندانيو من جامعة ويك فورست في ورقة بحثية تم قبولها للنشر المقبل في رسائل المراجعة البدنية عندما تكون هذه الاختلافات الخفية في وقت السفر الخفيف مهمة – ومتى يمكن تجاهلها بأمان.

قال كارديناس أفيندانيو لموقع ScienceAlert: «نقطة البداية المفيدة هي الصورة العادية.

“تسجل الكاميرا الفوتونات التي تصل إلى الكاشف خلال فترة تعريض قصيرة. ولم تغادر هذه الفوتونات الجسم في نفس الوقت بالضبط… ولكن نظرًا لأن سرعة الضوء كبيرة جدًا، فإننا عادةً ما نتعامل مع الصورة كسجل للحظة واحدة.”

إطار الحدود = “0” سماح = “مقياس التسارع؛ التشغيل التلقائي؛ الكتابة في الحافظة؛ الوسائط المشفرة؛ جيروسكوب؛ صورة داخل صورة؛ مشاركة الويب” Referrerpolicy=”strict-origin-when-cross-origin”allowfullscreen>

وقد تمكن العلماء حتى الآن من تصوير ثقبين أسودين هائلين، M87* في مجرة ​​بعيدة و الرامي أ* في قلب مجرة ​​درب التبانة – لكن الصور لا تظهر الثقوب السوداء نفسها بالطبع.

تُظهر هذه الصور ظلًا داكنًا محاطًا بهالة برتقالية متوهجة. تأتي هذه الهالة المتوهجة من دوامة من الغاز شديد السخونة التي تدور حولها الثقب الأسود في قرص متراكم، يسطع بدرجة كافية من السطوع بحيث يمكن تصويره على بعد عشرات الملايين من السنين الضوئية.

من خلال الجمع بين الملاحظات والمحاكاة المتطورة، يمكن للعلماء بناء نماذج لكيفية تغير هذه المادة مع مرور الوقت، مما يسمح لهم بمقارنة الملاحظات بالنظرية، وحتى إنشاء أفلام محاكاة للمادة والضوء المتدفق حول الثقب الأسود.

تعد سرعة الضوء في الفراغ إحدى الثوابت الأساسية للكون، وهذه الورقة البحثية الجديدة لم تغير ذلك. وبدلاً من ذلك، يتم استخدام تسميات الضوء “السريع” و”البطيء” لنمذجة كيفية انتقال الضوء حول الثقب الأسود.

وقال كارديناس أفيندانيو: “إن جاذبية الثقب الأسود يمكن أن تحني الضوء بقوة كبيرة”.

“يمكن لبعض الفوتونات أن تتخذ مسارات مباشرة تقريبًا إلينا، بينما يمكن لفوتونات أخرى أن تدور حول الثقب الأسود قبل الوصول إلى الكاشف. وهذا يعني أن الفوتونات التي تصل إلى نفس إطار الصورة ربما تركت الغاز المنبعث في أوقات مختلفة.”

يتعامل نموذج الضوء السريع مع ملاحظات الثقب الأسود بنفس الطريقة التي تتعامل بها مع صورة لكلبك، متجاهلاً الاختلافات الصغيرة في الوقت الذي بدأت فيه تلك الفوتونات رحلاتها. ربما يكون الضوء من أنفها قد انبعث بعد الضوء من ذيلها بقليل، لكنك تقبله كلحظة واحدة.

من ناحية أخرى، يحافظ نموذج الإضاءة البطيئة على هذه التأخيرات.

لكن معلومات التأخير الزمني التي يتم الاحتفاظ بها في نموذج الإضاءة البطيئة لها تكلفة. إنه أكثر تكلفة من الناحية الحسابية، لذلك قد يختار الفيزيائيون أحيانًا نموذج الضوء السريع من أجل البساطة والسرعة.

وأوضح كارديناس أفيندانيو: “في الضوء السريع، يأخذ المرء لقطة واحدة من التدفق التراكمي ويصورها. ثم ينتقل المرء إلى اللقطة التالية ويكرر العملية”.

“في الإضاءة البطيئة، حتى إطار صورة واحد قد يتطلب العديد من اللقطات لتدفق التراكم، لأن وحدات البكسل المختلفة تتوافق مع أوقات انبعاث مختلفة.”

الدراسات السابقة اقترح أن تقريب الضوء السريع كان دقيقًا بما يكفي للعديد من الملاحظات.

تخيل أن القرص التراكمي المتوهج لا يتغير كثيرًا من لحظة إلى أخرى. لن يهم حقًا إذا غادر فوتون متأخرًا قليلًا عن فوتون آخر، فأنت في الأساس لا تزال تنظر إلى نفس المشهد.

الآن تخيل أن الغاز المضطرب هو الخفقان بعنف، مع عقدة ودوامات تتسابق حول التدفق. في إطار واحد، قد تنظر إلى الفوتونات قبل وبعد التوهج؛ وفجأة، أصبح هذا الفارق الزمني ذا أهمية كبيرة.

تتلخص المشكلة في التنافس بين ساعتين: مدى سرعة تغير الغاز المتوهج، ومدى تباعد أوقات سفر الفوتونات.

ولسد الفجوة بين الضوء السريع والبطيء، قدم الباحثون حلاً وسطًا، وهو ما يسمونه الضوء السريع، وهو ليس سريعًا تمامًا ولا بطيئًا تمامًا.

قال كارديناس أفيندانيو: “يعمل الضوء السريع على تقليص الصورة بأكملها إلى مصدر زمني واحد. ويحتفظ الضوء البطيء بخريطة التأخير الزمني الكاملة عبر الصورة. أما الضوء السريع فهو وصفة وسيطة”.

“إنه يحافظ على بنية التأخير الزمني السائدة مع تقليل التكلفة الحسابية بالنسبة للضوء البطيء الكامل. وفي بعض الحالات، يقترب من نتيجة الضوء البطيء دون الحاجة إلى النفقات الكاملة.”

والخبر السار هو أننا لا نحتاج إلى العودة إلى لوحة الرسم لتلك الصور المميزة لـ M87* وSgr A*. وتمت رؤية تلك الثقوب السوداء من زوايا حيث لا يزال تقريب الضوء السريع يعمل مع الصور التي ينتجها تلسكوب أفق الحدث.

قد تأتي المكاسب الحقيقية مع الجيل التالي من مراصد الثقوب السوداء، التي تهدف إلى العمل في أنظمة حيث يمكن لتوقيت الضوء السريع أن يعطي صورة قد تبدو صحيحة، ولكن لا تزال تحتوي على معلومات توقيت خاطئة.

الجيل القادم من المراصد، مثل مستكشف الثقب الأسود، وتأمل في استكشاف المزيد من الميزات الدقيقة مثل حلقات الفوتونحيث تصبح أوقات الوصول النسبية للفوتونات جزءًا من الإشارة.

لا تهيمن على إشارة حلقة الفوتون المادة المتراكمة المتدفقة، بل هندسة الزمكان حول الثقب الأسود. نظرًا لأن الحلقة تتشكل بواسطة الفوتونات التي تتخذ مسارات مختلفة حول الثقب الأسود، فإن الحفاظ على تلك التأخيرات الزمنية المخفية يصبح أكثر أهمية بكثير.

متعلق ب: ربما اكتشف العلماء التوقيع الأول لأفق حدث الثقب الأسود

وقال كارديناس أفيندانيو: “لن نرى تدفق التراكم في لحظة واحدة. كل إطار سيجمع الضوء المنبعث في عدة أوقات مختلفة”.

“وبهذا المعنى المحدود ولكن الدقيق، فإن فيلم الثقب الأسود هو فيلم أغرب من فيلم عادي.”

حاليًا، تعاون Event Horizon Telescope هو العمل على صنع فيلم M87*. نحن بعيدون عن الملاحظات الواضحة والمفصلة للعمليات التي تحدث حول الثقب الأسود، لكننا أقرب من أي وقت مضى رؤية واحدة في العمل.

عندما يأتي ذلك اليوم، سيكون كل إطار أكثر بكثير مما يبدو عليه – آلة زمنية تكشف لحظات متعددة من التاريخ الحديث لأحد أغرب أنظمة الزمكان في الكون.

وقد تم قبول الورقة للنشر في الطبعة القادمة من المراجعة البدنية د. وحتى ذلك الحين، يمكنك قراءة نسخة ما قبل الطباعة على arXiv.

تم التحقق من صحة هذه المقالة بواسطة ريبيكا داير وتم تحريره بواسطة مايكل ايرفينغ. وبينما نفخر بعمليتنا، فإننا بشر فقط. إذا لاحظت خطأً، يرجى اعلامنا.