پروژه شکارچیان سیاهچاله: کمک شهروندان برای یافتن سیاهچاله‌های پنهان

سیاهچاله‌های گمشده: چرا فقط ۷۰ سیاهچاله از ۱۰ میلیون سیاهچاله را می‌بینیم؟

کهکشان راه شیری در طول ۱۳ میلیارد سال تاریخ خود، بیش از ۱۰ میلیون سیاهچاله تولید کرده است. این تخمین بر اساس تعداد ستارگان پرجرمی است که در طول عمر کهکشان منفجر شده‌اند. با این حال، اخترشناسان تاکنون تنها حدود ۷۰ سیاهچاله را شناسایی کرده‌اند. این شکاف عظیم بین پیش‌بینی نظری و مشاهدات، یکی از بزرگترین معماهای اخترفیزیک مدرن است.

اکنون گروهی از اخترشناسان در بریتانیا پروژه‌ای به نام شکارچیان سیاهچاله (Black Hole Hunters) راه‌اندازی کرده‌اند که از عموم مردم برای پر کردن این شکاف کمک می‌گیرد. این پروژه از داوطلبانی با رایانه و چند دقیقه وقت آزاد می‌خواهد تا داده‌های جمع‌آوری شده توسط تلسکوپ فضایی TESS ناسا را بررسی کنند و الگوهای قابل تشخیصی را که ممکن است به یک سیاهچاله پنهان اشاره کند، علامت‌گذاری کنند.

سیاهچاله چگونه تشکیل می‌شود و چرا نامرئی است؟

سیاهچاله‌ها زمانی شکل می‌گیرند که ستارگان بسیار پرجرم — حدود ۲۰ برابر جرم خورشید — سوخت خود را تمام می‌کنند و تحت گرانش خود فرو می‌ریزند. نتیجه، پرتگاهی است با گرانشی چنان عظیم که حتی نور نیز نمی‌تواند از آن بگریزد. به همین دلیل، سیاهچاله‌ها به خودی خود نامرئی هستند و تنها از طریق اثرات گرانشی خود بر محیط اطراف قابل شناسایی‌اند.

یکی از این اثرات، همگرایی گرانشی (Gravitational Lensing) است. زمانی که یک سیاهچاله از مقابل یک ستاره پس‌زمینه عبور می‌کند، گرانش شدید آن مانند یک عدسی ذره‌بین cosmic عمل می‌کند و نور ستاره را خمیده و بزرگنمایی می‌کند. در نتیجه، ستاره به طور موقت درخشان‌تر به نظر می‌رسد. این پدیده به اخترشناسان امکان می‌دهد سیاهچاله‌های نامرئی را شناسایی کنند.

چگونه یک سیاهچاله پنهان را شکار کنیم؟

ستارگان پرجرم اغلب به صورت دوتایی تشکیل می‌شوند. زمانی که یکی از این ستارگان به سیاهچاله تبدیل می‌شود، ستاره همدم ممکن است از انفجار ابرنواختری جان سالم به در ببرد و همچنان به دور سیاهچاله بگردد. اگر این جفت دوتایی با زمین هم‌راستا شود، سیاهچاله به طور دوره‌ای از میان ستاره همدم و سیاره ما عبور می‌کند. در این لحظه، گرانش سیاهچاله نور ستاره را خمیده و بزرگنمایی می‌کند و ستاره به طور موقت درخشان‌تر دیده می‌شود.

پروژه شکارچیان سیاهچاله از داده‌های تلسکوپ TESS (ماهواره بررسی سیارات فراخورشیدی عبوری) استفاده می‌کند. اگرچه مأموریت اصلی TESS جستجوی سیارات فراخورشیدی است، روش جمع‌آوری داده‌های آن — ردیابی تغییرات کوچک و مداوم در روشنایی ستارگان در طول زمان — برای شناسایی رویدادهای بزرگنمایی ناشی از سیاهچاله‌ها ایده‌آل است.

چرا به انسان‌ها نیاز است؟

الگوریتم‌های خودکار ابتدا داده‌های TESS را غربال می‌کنند و میلیون‌ها ستاره احتمالی را برای یافتن بارزترین نامزدهای سیاهچاله بررسی می‌کنند. اما همان‌طور که پژوهشگران اشاره می‌کنند، هوش مصنوعی با واقعیت‌های آشفته کیهان — مانند شراره‌های ستاره‌ای و تپش‌های طبیعی ستارگان — دست‌وپنجه نرم می‌کند و این پدیده‌ها می‌توانند الگوریتم‌ها را به تشخیص‌های مثبت کاذب فریب دهند.

اینجاست که داوطلبان انسانی نقش کلیدی پیدا می‌کنند. هر نمودار به چندین داوطلب نشان داده می‌شود و پاسخ‌های آن‌ها ترکیب می‌شود تا خطاهای فردی میانگین گرفته شوند. به گفته آدام مک‌مستر، یکی از سرپرستان پروژه از دانشگاه ساوتهمپتون: «شما دقیقاً مشخص می‌کنید که تلسکوپ‌های بعدی ما کجا را نشانه بگیرند و ممکن است خود شما کاشف یک سیاهچاله باشید.»

یک کار ساده با تأثیر واقعی

گریس کلارک، دانشجوی کارشناسی فیزیک و نجوم در دانشگاه ساوتهمپتون که در این پروژه مشارکت دارد، می‌گوید: «من می‌توانم از اتاق خوابم با لپ‌تاپم به جستجوی سیاهچاله بپردازم و تأثیر واقعی بر علم فضای واقعی بگذارم. داده‌ها آسان هستند — فقط تشخیص الگو است — و برای خواندن آن‌ها به مدرک نجوم نیاز ندارید.»

از زمان راه‌اندازی این پروژه در پلتفرم Zooniverse در اکتبر ۲۰۲۱، نزدیک به ۲۳ هزار داوطلب در آن شرکت کرده‌اند و بیش از ۱۲ میلیون طبقه‌بندی را تکمیل کرده‌اند. این فهرست کوتاه جمعی به اخترشناسان اجازه می‌دهد تا مشاهدات پیگیری را به سمت ستارگان خاصی هدایت کنند، مانند اندازه‌گیری دقیق اینکه آیا ستاره توسط یک همدم نامرئی کشیده می‌شود یا خیر. چنین اندازه‌گیری‌هایی زمان‌بر و گران هستند، بنابراین یک فهرست کوتاه خوب به پژوهشگران کمک می‌کند تا زمان محدود تلسکوپ را عاقلانه خرج کنند.

گام‌های بعدی

پیش از روی آوردن به TESS، تیم پروژه جستجوی مشابهی را با استفاده از داده‌های SuperWASP — یک بررسی زمینی که از سال ۲۰۰۴ تا ۲۰۱۶ ستارگان را برای نشانه‌های سیارات پایش می‌کرد — انجام داده بود. نتایج آن هنوز در حال تحلیل است و انتظار می‌رود به زودی منتشر شود.

این تیم همچنین قصد دارد جستجوی خود را با مشاهدات از ابزارهای دیگر، از جمله مأموریت اقلیدس آژانس فضایی اروپا و تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن ناسا که به تازگی پرتاب شده است، گسترش دهد. مک‌مستر می‌گوید: «با احتمال هزاران کشف جدید، ما به تمام کمک‌هایی که می‌توانیم دریافت کنیم نیاز داریم.»

این پروژه نمونه‌ای از علم شهروندی (Citizen Science) است، جایی که پژوهشگران حرفه‌ای و عموم مردم برای پیشبرد مرزهای دانش همکاری می‌کنند. شکار سیاهچاله‌های گمشده نه تنها درک ما از تکامل کهکشان را عمیق‌تر می‌کند، بلکه نشان می‌دهد که علم می‌تواند با مشارکت همگان پیشرفت کند.