با جزئیات بیشتر تصویرهای سیاه‌چاله‌ها، ممکن است متوجه شویم که نظریهٔ آینشتاین کاملاً صحیح نیست
نظریهٔ گرانش آینشتاین، یعنی نسبیت عام، ممکن است بهترین توصیف برای سیاه‌چاله‌ها نباشد.
تحقیقات جدید نشان می‌دهد که تصاویر آینده‌ای سیاه‌چاله‌ها می‌توانند به‌اندازه کافی دقیق باشند تا به دانشمندان اجازه دهند بررسی کنند آیا این اجرام توسط نظریهٔ گرانش آینشتاین (نسبیت عام) به‌دقت توصیف می‌شوند یا بهتر است با نظریه‌های جایگزین مدل‌سازی شوند.
این پژوهش دربارهٔ سیاه‌چاله‌ها به‌دلیل پیشرفت‌های اساسی در تصویربرداری از سیاه‌چاله‌ها که توسط تلسکوپ افق رویداد (EHT) پیشرو شد، امکان‌پذیر شد؛ این تلسکوپ نخستین تصویر سیاه‌چاله را در سال ۲۰۱۹ منتشر کرد. این تصویر بر سیاه‌چالهٔ ابر‌جرم در مرکز کهکشان دوردست M87 متمرکز بود. در واقع، کهکشان ما نیز سیاه‌چالهٔ ابر‌جرم مرکزی به نام سگیتاریوس A* (Sgr A*) دارد — و همکاران EHT در سال ۲۰۲۲ تصویری از همان سیاه‌چاله به‌دست آوردند.
با این حال، باید توجه داشت که سیاه‌چاله‌ها، بر پایهٔ تعریف، نواحی فضا هستند که نیروی گرانش در آن‌ها به‌قدری قوی است که حتی نور نیز ناتوان از داشتن سرعت کافی برای فرار می‌شود. به همین دلیل، تصاویری که توسط EHT به‌دست می‌آیند، در اصل خود سیاه‌چاله‌ها را نشان نمی‌دهند؛ بلکه ماده‌ای بسیار داغ را که به‌صورت گردابی دور این خلاها می‌چرخد، دنبال می‌کنند. در واقع، در تصاویر M87* و Sgr A* ما سایهٔ این سیاه‌چاله‌ها را می‌بینیم.
دستور پخت سیاه‌چاله‌های آینشتاین
در سال ۱۹۱۵، صد سال پیش از تصویربرداری توسط EHT، آینشتاین «نظریهٔ هندسی گرانش» خود را که بیشتر به‌عنوان نسبیت عام شناخته می‌شود، تدوین کرد. تا آن زمان، بهترین توصیف گرانش که داشتیم، نظریهٔ اسحاق نیوتن بود.
بر خلاف نیوتن، آینشتاین بر این عقیده بود که اجسام دارای جرم، ساختار فضازمان را منحنی می‌کنند؛ ترکیبی یکتا که «فضازمان» نامیده می‌شود. گرانش همان پدیده‌ای است که از این خمیدگی می‌آید. هر چه جرم یک جسم بیشتر باشد، خمیدگی فضازمان به‌مراتب شدیدتر و نیروی گرانشی آن قوی‌تر می‌شود.
مفهوم سیاه‌چاله از نسبیت عام در سال ۱۹۱۶ پدید آمد، زمانی که اخترفیزیک‌دان کارل اشوارتسشییلد، که در آن زمان در جبههٔ شرقی جنگ جهانی اول سرویس می‌داد، راه‌حلی برای معادلات بنیادی نسبیت عام ارائه کرد (که برای آینشتاین نیز شگفت‌آور بود). این راه‌حل نشان داد که نسبیت عام پیش‌بینی می‌کند که در ناحیه‌ای به‌طور نامتناهی کوچک از فضازمان، جایی که جرم به طور نامحدود چگال می‌شود، قوانین فیزیک سقوط می‌کنند؛ این نقطه، یکتای موجود در قلب یک سیاه‌چاله است. همچنین این راه‌حل نشان داد که ناحیه‌ای به‌نام «شعاع اشوارتسشییلد» پیرامون یکتا باید وجود داشته باشد، که در آن سرعت فرار فضای محلی بیش از سرعت نور است. این مرز بیرونی که نور را به دام می‌اندازد، به‌عنوان «افق رویداد» شناخته می‌شود.
با این حال، دانشمندان مدت‌ها پیش پیش‌بینی کرده‌اند که شاید نسبیت عام فرمول مناسبی برای توصیف سیاه‌چاله‌ها نباشد. این فرض جذاب است، زیرا نظریه‌های جایگزین برای سیاه‌چاله‌ها احتمالاً شامل یکتای مرکزی مشکل‌ساز که در آن فیزیک — از جمله نسبیت عام — سقوط می‌کند، نیستند.
به‌طور کلی، سیاه‌چاله‌های دوران‌دار استاندارد که توسط نسبیت عام توصیف می‌شوند و به نام سیاه‌چاله‌های کر شناخته می‌شوند، وجود دارند؛ و سپس انواعی از مدل‌های جایگزین که بر پایهٔ نظریه‌های مختلف بنا شده‌اند. این مدل‌های جایگزین به‌صورت کلی پیچیده‌تر یا پرپیچ‌وخم‌تر از آنچه آینشتاین پیش‌نهاد کرده‌اند، هستند، اما تا زمانی که رد نشوند، از نظر نظری قابل‌قبول‌اند.
عقبةٔ اصلی بر سر راه آزمون نظریه‌های جایگزین، «افق رویداد» است که مانع از انتقال هرگونه اطلاعات از داخل سیاه‌چاله به ناظر خارج می‌شود. اکنون که تصویربرداری از سیاه‌چاله‌ها به‌عنوان ابزاری در دسترس است و پیشرفت‌های جدید در این زمینه در افق (به‌معنی بهبودهای تکنیکی) رخ داده‌اند، یونیال و همکارانش به بررسی این پرداختند که دانشمندان در این تصاویر و سایه‌های سیاه‌چاله‌ها چه نکاتی می‌توانند ببینند که نشانگر انحراف از نسبیت عام باشد.
سایهٔ سیاه‌چاله، سیلوئت تاریکی است که توسط جذب فوتون و لنز‌گذاری گرانشی قوی شکل می‌گیرد؛ این سایه ساختار فضازمان را در نزدیکی شیء فشرده کدگذاری می‌کند، و انحرافات جزئی متریک به‌صورت تغییرات کوچک و سیستماتیک در اندازه و شکل سایه و نحوهٔ تشکیل حلقه‌های نوری اطراف آن تجلی می‌یابد. بنابراین، اندازه‌گیری دقیق سایه، تشخیص مستقیمی از اینکه آیا گرانش پایه‌ای با پیش‌بینی‌های آینشتاین همخوانی دارد یا خیر، فراهم می‌کند.
چون فضازمان اطراف یک سیاه‌چاله مسیرهای ذره‌ها و نور را تعیین می‌کند، تغییرات جزئی در متریک باعث می‌شود که مکان و رفتار گازهای دورانی و تابش آن‌ها دگرگون شود؛ این می‌تواند دینامیک جذب، مناطق پرت کردن جت، کارایی تابشی و الگوهای روشنایی و قطبی‌شدن دیده‌شده توسط ناظران دوردست را تغییر دهد. در موارد حاد، ساختار داخلی متفاوت، مانند عدم وجود افق رویداد حقیقی، می‌تواند به نشانه‌های مشاهده‌ای کاملاً متفاوت منجر شود.
پژوهشگر افزود که تصویری آینده‌نگرانه و با جزئیات کافی از یک سیاه‌چاله می‌تواند به‌گونه‌ای ارزیابی شود که تعیین کند آیا داده‌ها بیشتر با «سیاه‌چالهٔ الف» (مثلاً توصیف‌شده توسط نسبیت عام) یا «سیاه‌چالهٔ ب» (مطابق یک نظریهٔ جایگزین) سازگارند.
نتایج ما نشان می‌دهد که صرف‌نظر از اینکه سیاه‌چالهٔ «الف» یا «ب» را در نظر بگیریم، تفاوت‌ها کوچک خواهند بود و بنابراین نیاز به اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق داریم. خوشبختانه، این مشاهدات در آیندهٔ نزدیک قابل‌دسترس خواهند بود.
گام‌های بعدی این پژوهش شامل ادامهٔ تلاش برای ارتقای کیفیت تصویربرداری از سیاه‌چاله‌ها است؛ با افزودن تلسکوپ‌های بیشتر به شبکهٔ ۱۱ دستگاهی که EHT را تشکیل می‌دهد، و همچنین بررسی امکان استفاده از ابزارهای تداخل‌سنجی بسیار طولانی‌برد فضایی.
بررسی سناریوهای مختلف نجومی می‌تواند محدودیت‌های کمی بر انحرافات از سیاه‌چاله‌های کر اعمال کند یا، در صورت وجود، نشانه‌های نظریه‌های جایگزین را با کمک مشاهدات آینده کشف نماید.
تحقیقات این تیم در روز پنج‌شنبه (۳۰ اکتبر) در ژورنال «Nature Astronomy» منتشر شد.