آسمان شب همیشه موردِتوجه بشر بوده است و ازجملۀ اولین مواردی که انسان‌ها با رصد مداوم آسمان دریافتند وجود اجرامی در آسمان بود که در میان ستاره‌های بی‌شمارِ ثابت حرکت می‌کردند. این موضوع در میان نوشته‌های خطوط میخیِ نگارش‌شده توسط مردم تمدن میان‌رودان بر روی قدیمی‌ترین لوح‌های گلیِ کشف‌شده کاملاً نمایان است. به عقیدۀ میان‌رودانی‌های باستانی، در آسمان هفت سیاره حضور داشتند که به آن‌ها باهم «بیبو» به‌معنای لغوی «گوسفند سرگردان» گفته می‌شد: ماه، خورشید و پنج سیارۀ عُطارِد، زهره، مریخ، مشتری و زحل که همگی با چشم غیرمسلّح قابل‌رؤیت هستند. اما حدود پنج‌هزار سال طول کشید تا سیارۀ بعدی، یعنی اورانوس کشف شود. همچنین با فاصلۀ زمانی کوتاهی، از وجود نپتون پرده‌برداری شد تا درنتیجه، دو سیارۀ دیگر به شمار سیارات باستانی اضافه شود.

در این نوشته، به‌ بهانهٔ سالروز کشف سیارهٔ نپتون در ۲۳مارس۱۸۴۶، به ماجرای کشف جالب دو سیارۀ اورانوس و نپتون می‌پردازیم که امروزه آن‌ها را با عنوان غول‌های یخیِ منظومۀ شمسی می‌شناسیم.

اورانوس، سیاره‌ای که هیچ‌گاه به چشم نیامده بود

اورانوس، هفتمین سیارۀ منظومۀ شمسی، در آسمان شب ما با قدر ۵.۳۸ تا ۶.۰۳ ظاهر می‌شود و این یعنی این سیاره را در یک آسمان تاریک، حتی با چشم غیرمسلّح نیز — هرچند کمی نیاز به تیزبینی دارد — می‌توان دید. در واقع در تمام طول هزاران سال تمدن بشری، سیارۀ اورانوس در مقابل دیدگانمان بود، ولی هیچ‌گاه نتوانسته بودیم آن را کشف کنیم؛ تنها حدود ۲۵۰ سال است که اورانوس را رسماً به‌عنوان یکی از سیارات منظومۀ شمسی می‌شناسیم.

شاید مهم‌ترین دلیلِ این تأخیر در کشف اورانوس، جابه‌جایی بسیار کُند آن در پس‌زمینۀ ستارگان باشد. از آنجایی که فاصلۀ متوسط اورانوس تا خورشید حدود ۲۰ واحد نجومی است و حدود ۸۴ سال طول می‌کشد تا یک دور به‌دور خورشید بگردد، مقدار جابه‌جایی آن در پهنۀ آسمان بسیار ناچیز است (از مرتبۀ چند ثانیۀ قوسی در هر شب). همین موضوع باعث شده، علی‌رغم رصدهایی که قبل از کشف اورانوس از این سیاره ثبت شده است، ماهیت آن پنهان باقی بماند؛ کمااینکه در کاتالوگ‌های ستارگانی که توسط «جان فلمستید» در ۱۶۹۰ میلادی یا حتی توسط «ابرخُس» در زمان یونان باستان تهیه شده، همیشه به‌عنوان یکی از ستارگان (ثوابت) گزارش شده بود. اما زمان گذشت تا آنکه قرعۀ فال به‌نام «ویلیام هرشل» زده شد.

جناب هرشل اولین بار در ۱۳مارس۱۷۸۱ میلادی با کمک یک تلسکوپ در حیاط خانه‌اش اورانوس را رصد کرد. ابتدا تصور کرد چیزی که دیده، یک دنباله‌دار است؛ چون برخلاف ستارگان که با تغییر بزرگ‌نماییِ تلسکوپ اندازۀ ظاهری‌شان تغییری نمی‌کند، این جرم آسمانی اندازه‌اش تغییر می‌کرد. اما رفته‌رفته، با رصدهای بیشتر توسط منجمان دیگر، نتایج جالبی به‌دست آمد؛ مثلاً با محاسبۀ مدار آن، مشخص شد برخلاف دنباله‌دارها که در مدارهای بسیار کشیده به‌دور خورشید می‌گردند، مدار جرم جدید ورای مدار سیارۀ زحل و تقریباً به‌شکل دایره است. یا اینکه مثلاً هیچ ردّی از یک دنباله‌ در اطراف آن رصد نشد. این شواهد منجر به این شد که هرشل در سال ۱۷۸۳ میلادی رسماً اعلام کند ستاره‌ای که دو سال قبل دیده بود، درواقع یکی از سیارات اصلی منظومۀ شمسی است.

این کشف باعث شد تا جورج سوم، پادشاه وقتِ بریتانیا، حقوقی به‌صورت سالیانه به‌عنوان پاداش برای ویلیام هرشل در نظر بگیرد. هرشل نیز پیشنهاد داد نام سیارۀ جدید را «ستارۀ جورج» بگذارند؛ با این استدلال که اگر سیارات قبلی همه در زمان باستان کشف شده و نام اساطیر رومیان و یونیان باستان را بر آن‌ها گذاشته‌اند، پس این سیاره را نیز به‌نام پادشاه جورج بگذاریم تا آیندگان بدانند این سیاره در چه زمانی کشف شده است! البته نام‌های دیگری نیز ازجمله «نپتون» و حتی «هرشل» پیشنهاد شد؛ اما همان‌طور که مشخص است، این سیاره را امروزه به‌نام «اورانوس» می‌شناسیم. این نامی است که «یوهان بودی»، منجم آلمانی، آن را برای اولین‌بار در سال ۱۷۸۲ پیشنهاد داد و بعدها همه‌گیر شد.

غولی غول دیگر را صدا می‌زند

کشف اورانوس به‌عنوان یکی از بزرگ‌ترین دستاوردهای علمی قرن ۱۸ میلادی، در کانون توجه جامعۀ علمی قرار گرفت و در سال‌های بعد، رصدهای مختلفی برای مطالعۀ بیشتر آن انجام شد. «پیِر سیمون لاپلاس» — حل معادلاتی که امروزه به‌عنوان معادلات لاپلاس می‌شناسیم، ازجملۀ کارهای علمی ایشان است — در کتاب مکانیک سماوی خود معادلات ریاضیاتیِ مربوط به اختلالات گرانشی دوطرفه‌ای که سیارات به یکدیگر وارد می‌کنند را توسعه داده بود. بر همین اساس، می‌توان با استفاده از محاسبات عددی، جداولی از موقعیت سیارات در آسمان تنظیم کرد. لاپلاس وظیفۀ استخراج این جداول را که کار کمرشکنی هم بود، به چند نفر از همکارانش سپرد؛ ازجمله یکی از دانشجویان لاپلاس به‌نام «آلکسی بوار» که وظیفۀ محاسبۀ جداول موقعیت سه غول منظومۀ شمسی یعنی سیارۀ مشتری، زحل و اورانوس را بر‌ عهده گرفت.

مسئله درمورد مشتری و زحل تقریباً سرراست بود، اما درمورد سیارۀ اورانوس به نظر کار گره خورده بود؛ بوار، حتی با در نظر گرفتن اختلالات گرانشی ناشی از بقیۀ سیارات بر روی اورانوس، نمی‌توانست پارامترهای مداری‌ای که با رصدهای قبلیِ انجام‌شده مطابقت داشته باشد را برای آن پیدا کند. وقتی بوار جداول اورانوس را در سال ۱۸۲۱ منتشر کرد، در مقدمۀ آن نوشت که علت این عدم تطابق می‌تواند یا به‌دلیل دقت پایین رصدهای قبلی باشد، یا وجود یک جرمی که اثرات گرانشی آن بر روی اورانوس این اختلالات اضافی را ایجاد می‌کند.

رفته‌رفته منجمان با رصدهای بیشتر سیارۀ اورانوس، به ایدۀ وجود یک سیارۀ جدیدِ اخلالگر اقبال بیشتری نشان دادند. یکی از افرادی که به این مسئله علاقه‌مند شده بود «فردریش بسل» بزرگ — فردی که معمولاً با توابع بسل آن را می‌شناسیم — بود. او وظیفۀ جمع‌آوری و تحلیل رصدهای اورانوس را به دانشجویش فردریش فلمینگ سپرد؛ اما فلمینگ جوان‌مرگ شد. خودِ جناب بسل هم پس از تحمل یک دورۀ طولانی بیماری، در سال ۱۸۴۶ میلادی درگذشت و نتوانست در این زمینه اقدام مؤثری انجام دهد. اما درنهایت، دو دانشمند دیگر به‌نام‌های «جان آدامز» در انگلستان و «اوربن لو وریه» در فرانسه توانستند به‌طور مستقل و تقریباً هم‌زمان، پارامترهای مداری سیارۀ جدید را محاسبه و مکان آن را در آسمان پیش‌بینی کنند.

آدامز در انگلستان توانست با استفاده از معادلات «پیتر هانسن» برای مدار سیارات، پارامترهای مداری سیارۀ اخلالگر را در اکتبر ۱۸۴۵ محاسبه کند؛ اما او در انتشار نتایجش تعلل کرد و همچنین «جیمز چلیس» که مسئول رصد این سیاره در رصدخانۀ کمبریج شده بود، با کمی سهل‌انگاری، علی‌رغم مشاهدۀ سیاره، نتوانست آن را تشخیص دهد. در عوض، لو وریه و همکارانش توانستند سیارۀ جدید یعنی «نپتون» را زودتر از تیم انگلیسی کشف کنند.

سیارۀ جدید آنجاست

در سال ۱۸۴۵ میلادی مسئلۀ پیدا کردن موقعیت سیارۀ ناشناخته به لو وریه، ریاضی‌دان فرانسوی، سپرده شد. او اولاً تمام رصدها تا آن سال، به‌خصوص نتایج رصدخانۀ پاریس و همچنین نتایج رصدخانۀ گرینویچ که به‌تازگی برایش ارسال کرده بودند را بررسی کرد. ثانیاً محاسباتی که بوار برای جداول اورانوس انجام داده بود را دوباره انجام داد و اشکالات کارش را تصحیح کرد. سپس سعی کرد با استفاده از معادلات لاپلاس مسئلۀ محاسبۀ پارامترهای مداری سیارۀ ناشناخته را کشف کند. این مسئله‌ای کاملاً جدید بود؛ چون تا پیش از آن، موقعیت سیارات با در نظر گرفتن اختلالات گرانشی از سوی سیارات دیگری که مکانشان از قبل مشخص بود تعیین می‌شد، اما در اینجا مسئله معکوس است؛ یعنی باید موقعیت یک سیاره‌ای را پیدا کنیم که در واقع هیچ چیزی جز اثر اختلالات گرانشی آن بر روی سیارۀ دیگر نمی‌دانیم. این مسئلۀ بسیار سختی است؛ چون پارامترهای مجهول زیادی وجود دارد. ضمناً در آن زمان، حتی درمورد سیارۀ اورانوس هم، به‌دلیل ناهم‌خوانی رصدها با محاسبات، پارامترهای مداری آن کاملاً مشخص نبود. بنابراین لو وریه باید درواقع این پارامترها را هم‌زمان برای اورانوس و سیارۀ جدید به دست می‌آورد؛ مسئله‌ای با ۱۲ مجهول!

معمولاً در فیزیک در هنگام مواجهۀ با چنین مسائلی سعی می‌کنیم با در نظر گرفتن فرض‌هایی معقول، مسئله را ساده‌تر کنیم. لو وریه با کمک رابطۀ تیتیوس-بوده فرض کرد که فاصلۀ سیارۀ جدید از خورشید حدود دو برابر فاصلۀ سیارۀ قبلی، یعنی اورانوس تا خورشید است. همچنین از آنجایی که مدار سه سیارۀ قبلی انحراف بسیار کمی نسبت به صفحۀ دایرة‌البروج دارند، فرض کرد که مدار سیارۀ جدید کاملاً منطبق بر صفحۀ دایرة‌البروج است (اصطلاحاً میل مداری آن صفر است). این دو فرض را برای سیارۀ اورانوس هم در نظر گرفت. بنابراین با در نظر گرفتن این ۴ فرض، تعداد مجهولات به ۸ عدد رسید که با احتساب جرم سیاره، تعداد کل مجهولات ۹ عدد شد.

جزئیات محاسبات لو وریه بسیار پیچیده و طولانی و از حوصلۀ بحث خارج است. یک فیزیک‌دان فرانسوی به‌نام «ژان-بتیست بیو» تلاش کرد طی سال‌های ۱۸۴۶ و ۱۸۴۷، روش‌های لو وریه را برای حل این مسئله شرح دهد. نتیجۀ کار او شش مقاله شد! او وقتی به مقالۀ سوم رسیده بود نوشت: «هرچقدر در وظیفه‌ای که متقبّل شده‌ام جلوتر می‌روم، ظاهراً سختی موضوع افزایش می‌یابد.»

لو وریه نتایج اولیۀ خود را در ۱ژانویه۱۸۴۶ به آکادمی علوم فرانسه ارائه کرد و ۹ ماه بعد، نتایج دقیق‌تر را طی مقاله‌ای منتشر کرد. او در این مقاله مکان سیاره را در حدود ۵درجه‌ای سمت شرق ستارۀ دلتای صورت فلکی جَدی اعلام کرد و حتی تقریبی از اندازۀ ظاهری قرص آن و روشنایی‌اش در آسمان — احتمالاً برای ترغیب بیشتر رصدگران — ارائه داد. متأسفانه در آن زمان تلسکوپ رصدخانۀ پاریس در وضعیت مطلوبی نبود و همچنین نقشۀ دقیقی هم از آن قسمت موردِنظر آسمان در رصدخانه وجود نداشت تا بتوانند ستارگان در آسمان را با مشاهدۀ خود مقایسه کنند. بنابراین لو وریه بلافاصله شروع به نامه‌نگاری‌ با رصدخانه‌های مختلف در کشورهای دیگر کرد. او برخلاف آدامز که در انتشار نتایج محاسباتش دچار تردید بود، با قاطعیت فراوان به منجمان رصدگر اعلام کرد: «به محلی که من تعیین کرده‌ام نگاه کنید تا در آنجا سیاره را ببینید.»

در ۱۸سپتامبر۱۸۴۶ لو وریه نامه‌‌ای به «یوهان گاله» در رصدخانۀ برلین فرستاد. این نامه پنج روز بعد، یعنی در ۲۳ سپتامبر به دست او رسید. گاله اجازه‌های لازم را از «یوهان اِنکه»، مدیر رصدخانه، دریافت و مقدمات لازم را با کمک یک دانشجوی ارشد از کوپنهاگن به‌نام «هنریش لوئیس دارست» مهیا کرد. خوشبختانه یک نقشۀ آسمان از دانشگاه برلین نیز در رصدخانه موجود بود که همۀ ستارگان تا قدر ظاهری ۱۰ را در مجدودۀ موردنظر در برداشت. این‌گونه بود که گاله دقیقاً در شب همان روزی که نامۀ لو وریه را دریافت کرد، توانست با تلسکوپ شکستیِ ۹ونیم‌اینچی رصدخانه، با اختلاف اندکی در حدود ۱ درجه از محل تعیین‌شده، سیارۀ نپتون را کشف کند! او این رصد را در شب بعد نیز تکرار کرد و از صحت‌و‌سقم آن مطمئن شد. روز بعد گاله و اِنکه نامه‌ای برای لو وریه نوشتند و ضمن شرح رصد سیارۀ مذکور، این کشف بزرگ را به او تبریک گفتند.

بلافاصله بعد از اعلام کشف سیارۀ جدید، بسیاری از منجمان و دانشمندان دیگر ازجمله خودِ لو وریه آن را رصد کردند. لووریه که بسیار خوشحال از کشف انجام‌گرفته بود، در ۵ اکتبر نوشت: «این موفقیت این آرزو را در پی دارد که بعد از رصدهای سیارۀ جدید طی ۳۰-۴۰ سال آینده، امکانی فراهم شود تا با استفادۀ از آن، مدار سیارۀ بعدی — به ترتیبِ فاصلۀ از خورشید — کشف شود و همین‌طور این ماجرا ادامه پیدا کند.» البته بعدها اجرام دیگرِ دورتری مانند سیارۀ کوتولۀ پلوتو و اِریس کشف شدند، اما نه از طریق تأثیرات گرانشی‌شان بر روی مدار نپتون — این دو آن‌چنان کم‌جرم و دور هستند که عملاً هیچ اثر محسوسی بر روی مدار نپتون ندارند — بلکه از طریق پیمایش‌هایی که توسط حسگرهای تصویربرداری CCD انجام شد.

نحوۀ کشف دو سیارۀ اورانوس و نپتون، مانند هر ماجرای بزرگ دیگری در تاریخ علم، بسیار درس‌آموز است؛ گاهی پیشرفت در ساخت یک ابزار، کشف اتفاقیِ سیاره‌ای را رقم می‌زند‌ و گاهی قدرت پیش‌گویی مدل ریاضیاتی از وجود یک سیاره پرده‌برداری می‌کند؛ اما در همۀ این دستاوردهای علمی می‌توان ردّپای وجوه انسانی را مشاهده کرد؛ ما انسان‌ها تلاش می‌کنیم تا با وجود همۀ ضعف‌ها و ناتوانی‌ها، از همۀ ظرفیت‌ها و توانمندی‌هایمان استفاده کنیم تا بیشتر یاد بگیریم و بیشتر عالم پیرامونمان را درک کنیم.

پی‌نوشت: نوشتهٔ بالا در نشریهٔ علمی کوارک (انجمن علمی دانشکده فیزیک دانشگاه شهید بهشتی) در شمارهٔ دوم – بهار ۱۴۰۲ منتشر شده است.

چرا ستاره‌ها و سیارات کروی هستند و کهکشان‌ها معمولاً شکل دیسکی دارند؟

می‌خواهیم بدانیم شکل اجرام نجومی که در آسمان می‌بینیم به چه صورتی هستند؟ بگذارید ببینیم در آسمان بالای سرمان چه ‌چیزهایی می‌بینیم؟ در طول روز عمدتاً خورشید را می‌بینیم! ولی در شب می توانیم ستاره‌ها را هم مشاهده کنیم. در مناطق شهری تعداد خیلی کمی از آن‌ها و در مناطق خیلی تاریک و به‌دور از آلودگی نوری شهرها تا حدود پنج الی شش هزار ستاره! امروزه می‌دانیم که خورشید یک کره بزرگ گازی است که ‌به‌دلیل هم‌جوشی هسته‌ای در مرکز آن شعله‌ور و درخشان است. ستاره‌های آسمان شب هم همگی خورشیدهایی هستند کروی‌شکل؛ در اندازه‌ها و دماهای مختلف. دیگر چه‌چیزهایی می‌توانیم در آسمان شب ببینیم؟ ماه و گاهی، بعضی‌ از سیارات منظومه‌شمسی. ماه و سیارات منظومه‌شمسی هم همگی به‌شکل کروی هستند؛ سنگی، گازی یا یخی. هم‌چنین می‌بینیم که خورشید، ماه و سیارات در محدوده‌ای در آسمان که به ‌آن منطقه‌البروج گفته می‌شود، حرکت ‌می‌کنند و این موضوع یعنی تقریباً همگی در یک صفحه حول خورشید می‌گردند.‌ بنابراین اگر می‌توانستیم از بالا به منظومه‌شمسی نگاه کنیم می‌دیدیم که ساختاری شبیه به یک دیسک دارد. دیگر چه؟ اگر در مناطق تاریک و به‌دور از شهرها باشیم این شانس را خواهیم داشت که نوار مه‌آلود کهکشان راه‌شیری را هم ببینیم. چرا نوار مه‌آلود؟ چون ما در واقع از داخل دیسک کهکشان به مناطق مرکزی آن نگاه می‌کنیم؛ بنابراین آن را به‌صورت یک نوار می‌بینیم و گرد‌ و غباری که در راستای دید ما قرار گرفته باعث می‌شود این نوار به‌شکل مه‌آلود باشد. با کمک تلسکوپ می‌توانیم کهکشان‌های دیگر را هم ببینیم که عمدتاً ساختاری دیسکی‌شکل دارند. گه‌گاه در آسمان شب می‌توانیم دنباله‌دارها و شهاب‌ها را هم ببینیم. دنباله‌دارها را می‌توان از جمله اجرام سرگردان منظومه‌شمسی دانست که معمولاً شکل‌های نامنظم دارند. دنباله‌دارها حاوی مقادیر زیادی یخ (مواد فرار مثل آب، متان، آمونیاک و غیره) هستند و معمولاً در مدارهای کشیده‌ی باز یا بسته به‌دور خورشید می‌گردند. با نزدیک شدن به خورشید یخ‌ آن‌‌ها آب شده و فوران می‌کند و به‌همراه خود بخش‌هایی از این گلوله‌های برفی کثیف را در فضا بر جای باقی می‌گذارند که تشکیل دنباله را می‌دهند. این مواد بر‌جای‌مانده که به‌شکل گرد و غبار و تکه‌سنگ‌های بزرگ و کوچک هستند می‌توانند با عنوان شهواب‌وارها گاهی در مسیر حرکت زمین قرار گرفته، وارد جو شوند و به‌دلیل اصطکاک بالا با مولکول‌های داخل جو بسوزند و ردّی درخشان از خود به‌نمایش بگذارند. همان شهاب‌های جذاب آسمان!

با این توضیحات، اجرام و ساختارهای نجومی می‌توانند اشکال مختلفی داشته باشند، اما چرا این اشکال را دارند؟ چرا تمام ستاره‌ها و سیارات به‌شکل کروی هستند؟ چرا منظومه‌شمسی و هم‌چنین بیشتر کهکشان‌ها ساختاری دیسکی دارند؟ و چرا دنباله‌دارها و اجرام سرگردان در منظومه‌شمسی شکل‌های نامنظم دارند؟

در ویدیوی زیر که قسمت اول از سری لایوهای اینستاگرامی «علامت‌ سؤال» بوده درمورد پاسخ این سؤالات توضیح داده‌ام. 

«علامت سؤال» عنوان سری لایوهای اینستاگرامی‌ای است که در هر قسمت از آن به‌ یک سؤال نجومی پاسخ داده می‌شود. این سؤال می‌تواند ساده اما حاوی نکته‌ای مهم باشد! در علامت سؤال اول درمورد شکل‌ اجرام سماوی و دلیل آن توضیح داده شده است.

ویدیو در اینستاگرام

View this post on Instagram

A post shared by Mahdi Mousavi (@vegastromahdi)

متن پیش رو ترجمه‌ جستاری از کارلو روولی فیزیک‌دان ایتالیایی است. او عمدتا در زمینه گرانش کوانتومی کار می‌کند و بنیان‌گذار نظریه گرانش کوانتومی حلقه است. اصل این نوشته اخیرا در کتابی با عنوان There Are Places in the World Where Rules Are Less Important Than Kindness منتشر شده است. این جستار پیش از رصد امواج گرانشی نوشته شده است. رصد مستقیم امواج گرانشی در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ پنج ماه پس از انتشار این مقاله انجام شد. در سال ۲۰۱۷ این مشاهده منجر به دریافت جایزه نوبل در فیزیک شد.

• 

• 

شکی نیست که آلبرت آینشتین یکی از دانشمندان بزرگ قرن بیستم بود که عمیق‌تر از دیگران رازهای طبیعت را دید. آیا این به معنی این است که ما باید هر کاری را که او انجام داده‌است، درست بدانیم؟ او هرگز اشتباه نمی‌کرد؟ برعکس!
در واقع، تعداد کمی از دانشمندان به اندازه آینشتین اشتباه کرده‌اند و آن‌هایی که به اندازهٔ او نظر خود را تغییر داده‌اند انگشت‌شمارند. در مورد اشتباهات او در زندگی روزمره که موضوعی شخصی است و در نهایت به خودش مربوط است صحبت نمی‌کنم. بلکه در مورد اشتباه‌های کاملا علمی او سخن می‌گویم؛ ایده‌های اشتباه، پیش‌بینی‌های نادرست، معادلات پر از خطا و ادعاهای علمی‌ای که خود او پسشان گرفت و آن‌هایی که نادرست بودنشان ثابت شد.

اجازه دهید برایتان چند نمونه بیاورم. امروزه می‌دانیم که جهان در حال انبساط است. ژرژ لومتر، فیزیک‌دان بلژیکی، با استفاده از نظریه‌های خودِ آینشتین، موفق به درک این موضوع شد و او را از یافته‌های خود آگاه کرد. آینشتین اما آن ایده‌ها را رد کرد و در پاسخ گفت که آن‌ها بی‌معنی‌اند و تنها در دههٔ سی میلادی که انبساط واقعاً مشاهده شد حرف خود را پس گرفت. یکی دیگر از پیامدهای نظریه او وجود سیاه‌چاله‌ها است؛ او چندین متن پراشتباه در این زمینه نوشت و ادعا کرد که جهان در لبه سیاه‌چاله پایان می‌یابد. وجود امواج گرانشی که اکنون برای آن شواهد غیرمستقیم داریم نیز در نتیجهٔ نظریه‌های آینشتین است. آینشتین ابتدا نوشت که این امواج وجود دارند، اما درست پیش از آن‌که به دنبال تفسیر اشتباه نظریه خودش ادعا کند که آن‌ها وجود ندارند. سپس دوباره نظر خود را تغییر داد تا نتیجه مخالف و درست را بپذیرد.

وقتی آینشتین نظریه نسبیت خاص‌اش را نوشت، از ایده فضازمان استفاده نکرد. این ایده که گویی به مفهوم یک پیوستار (فضای پیوسته) چهاربعدی شامل فضا و زمان اشاره می‌کند، در واقع کار هرمان مینکوفسکی بود که از آن برای بازنویسی نظریهٔ آینشتین استفاده کرد. هنگامی که آینشتین از آنچه مینکوفسکی انجام داده بود آگاه شد، ادعا کرد که این کار فقط از نظر ریاضیاتی بغرنج‌کردن بیهودهٔ نظریه‌اش است، البته پس از مدت کوتاهی کاملاً نظر خود را تغییر داد و دقیقاً از مفهوم فضازمان برای نوشتن نظریهٔ نسبیت عام استفاده کرد. در موضوع نقش ریاضی در فیزیک، آینشتین بارها دیدگاهش را تغییر داد و در طول زندگی‌اش طرفدار ایده‌های گوناگونی بود که با هم صریحا در تناقض بودند.
آینشتین پیش از نوشتن معادلاتِ درست کار اصلی‌اش، یعنی نظریهٔ نسبیت عام، مجموعه مقاله‌هایی منتشر کرد که همه غلط بودند و هرکدام معادلهٔ نادرستِ متفاوتی را پیشنهاد می‌دادند. او حتی تا جایی پیش رفت که یک اثر پیچیده و مفصل منتشر کرد تا استدلال کند که این نظریه نمی‌تواند تقارن خاصی داشته باشد، تقارنی که او بعداً به عنوان اساس نظریه‌اش برگزید!

آینشتین در سال‌های پایانی زندگی‌اش، سرسختانه پافشاری می‌کرد که می‌خواهد یک نظریهٔ وحدت‌بخش برای گرانش و الکترومغناطیس بنویسد، بدون توجه به این که الکترومغناطیس جزئی از یک نظریه بزرگ‌تر (نظریهٔ الکتروضعیف) است، کما این‌که پس از مدت کوتاهی نشان داده شد. بنابراین، پروژه او در متحد کردن آن با گرانش بی‌فایده بود.
آینشتین همچنین بارها موضع خود را در مناظره‌های مربوط به مکانیک کوانتومی تغییر داد. او در ابتدا می‌گفت که این نظریه در تضاد با بقیه چیزها است. سپس پذیرفت که این‌طور نیست و خودش را محدود به پافشاری بر این ایده کرد که این نظریه ناکامل است و نمی‌تواند تمام طبیعت را توصیف کند.
در مورد نسبیت عام، اینشتین برای مدت طولانی متقاعد شده بود که معادلات در نبودِ ماده نمی‌توانند جواب داشته باشند و بنابراین، میدان گرانشی به ماده وابسته است. او دست از این باور برنداشت تا زمانی که ویلم دوسیته و دیگران نشان دادند که او اشتباه می‌کند. سرانجام نظریه را این گونه تفسیر کرد که میدان گرانشی یک موجود مجزای واقعی است که به خودی‌ خود وجود دارد.

در اثر خارق‌العادهٔ ۱۹۱۷ او کیهان‌شناسی نوین را بنیان گذاشت. آینشتین به این پی برد که جهان می‌تواند یک ۳-کره باشد. او ثابت کیهان‌شناسی را معرفی کرد که امروز مورد تایید است ولی با این کار همزمان یک خطای فاحش به فیزیک (عدم تغییر عالم در زمان) و یک خطای چشمگیر به ریاضی اضافه کرد؛ او متوجه نشد جوابی که ارائه کرده بود ناپایدار است و نمی‌تواند دنیای واقعی را توصیف کند. در نتیجه، آن مقاله‌ ترکیب عجیبی از ایده‌های بزرگِ جدید و انقلابی و انبوهی از خطاهای جدی است.

آیا این اشتباه‌ها و تغییر رویه‌ها چیزی از تحسین و ستایش ما نسبت به آلبرت آینشتین کم می‌کند؟ به‌ هیچ‌ وجه. اگر تغییری هم در ما باشد، برعکس است. به نظر من در عوض، این چیزها نکته‌ای راجع به ذات هوش به ما می‌آموزند. هوش، طرفداری سرسختانه از نظرات خود نیست بلکه آمادگی لازم برای تغییر و حتی کنار گذاشتن آن نظرات است. برای درک جهان، باید شهامت آن را داشته باشید که ایده‌ها را بدون ترس از شکست آزمایش کنید، پیوسته نظرات خود را بازبینی کنید و آن‌ها را بهبوبد ببخشید.

آینشتینی که بیش از هر کس دیگری مرتکب خطا می‌شود دقیقاً همان آینشتینی است که بیش‌تر از دیگران در فهم طبیعت موفق است و این‌ها مکمل هم و از جنبه‌های ضروری همان هوش عمیق هستند: بی‌پروایی در تفکر، شهامت خطر کردن، ایمان نداشتن به ایده‌های دریافت‌شده، از همه مهم‌تر ایده‌های خود شخص. اینکه شهامت اشتباه کردن داشته باشی، ایده‌های خود را تغییر دهی، و نه یک بار بلکه بارها، تا به مرحله کشف برسی.
آنچه مهم است درست بودن نیست، تلاش برای فهمیدن است.

چهارشنبه ۱۲ شهریور، اعلام شد که رصدخانه امواج گرانشی لایگو در امریکا و ویرگو در ایتالیا، امواج گرانشی حاصل از ادغام دو سیاه‌چاله‌ را آشکارسازی کرده‌اند که عظیم‌ترین امواج گرانشی ثبت‌شده تا به امروز بوده‌اند. هرچند ادغام دو سیاه‌چاله چیز جدیدی نبوده و قبلاً هم چند مورد از آن آشکارسازی شده بود؛ اما این یکی، ویژگی‌های غیرمعمولی داشته که باعث شده این خبر اهمیتی دوچندان برای اخترفیزیک‌دان‌ها و پژوهشگران فعال در حوزه سیاه‌چاله‌ها داشته باشد.

وقتی عالم نیمی از عمر اکنونش را داشت، دو سیاه‌چاله سنگین در هم ادغام شدند و امواج گرانشی تولید کردند. این طنین‌های گرانشی، موجی را پیش بردند و تار‌و‌پود فضا-زمان را شبیه به یک صدای زنگ کیهانی لرزاندند و سیگنالی برای ما به‌جای گذاشتند. ساعت ۷:۳۲:۲۹ صبح روز سه‌شنبه ۳۱ اردیبهشت ۹۸، سه رصدخانه امواج گرانشی (ویرگو و هر‌دو رصدخانه لایگو) بر روی زمین، این سیگنال کوتاه را که فقط یک دهم ثانیه به‌طول انجامید، دریافت کردند. محققان می‌گویند: احتمالاً منشأ این سیگنال ـ که «جی‌دبلیو ۱۹۰۵۲۱» نام‌گذاری شده ـ ادغام دو سیاه‌چاله سنگین‌وزن با جرمی حدود ۶۶ و ۸۵ برابر جرم خورشید بوده که در‌نهایت، یک سیاه‌چاله بزرگتر را با جرمی حدود ۱۴۲ برابر جرم خورشید به‌وجود آورده و مقادیر زیادی انرژی (حدود ۸ برابر جرم خورشید) به‌شکل امواج گرانشی در سراسر جهان آزاد کرد‌ه‌اند. هم‌چنین محققان پروژه لایگو و ویرگو، اسپین (راستای محور و سرعت چرخش) دو سیاه‌چاله اولیه را محاسبه کرده و دریافتند، همان‌طور که این دو سیاه‌چاله به دور یکدیگر دوران داشته و به هم نزدیک می‌شدند، هرکدام حول محور خودشان با زاویه‌ای که هم‌راستا با محور دوران سامانه نبوده می‌چرخیدند؛ احتمالاً همین ناهم‌راستایی محور‌های چرخش، باعث شده وقتی به هم نزدیک‌تر می‌شدند، مدارهایشان حرکت تقدیمی داشته باشد و مثل دو مست میکده تلو‌تلو‌خوران دور یکدیگر بگردند! 🙂

همه سیاه‌چاله‌های مشاهده‌شده تا به امروز، در یکی از این دو دسته قرار می‌گیرند: سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای، که تصور می‌شود موقع مرگ ستاره‌های عظیم تشکیل می‌شوند و می‌توانند طیف جرمی از حدود چند برابر جرم خورشید، تا ده‌ها برابر جرم خورشید داشته باشند؛ یا سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم که در در قلب کهکشان‌ها هستند و جرمی از مرتبه صدها هزار، تا میلیاردها برابر جرم خورشید دارند (برای آشنایی بیشتر با سیاه‌چاله‌ها، نوشته قیام علیه سیاهی را بخوانید). با این حال، سیاه‌چاله نهایی ایجاد شده در ادغام جی‌دبلیو ۱۹۰۵۲۱، در یک محدوده جرمی متوسط ​​بین این دو دسته قرار گرفته است. در‌واقع، این سیاه‌چاله‌ تشکیل شده با جرمی حدود ۱۴۲ برابر جرم خورشید، به دسته جدیدی از سیاه‌چاله‌ها تعلق دارد که «سیاه‌چاله‌های میانه‌جرم» نام دارند و این مورد، اولین آشکارسازی واضح از این نوع سیاه‌چاله‌ها است.

به نظر می‌رسد دو سیاه‌چاله اولیه که سیاه‌چاله نهایی را ایجاد کرده‌اند نیز از نظر جرم بی‌همتایند. طبق مدل‌های اخترفیزیکی فعلی، ستارگانی با جرم ۱۳۰ برابر جرم خورشید می‌توانند سیاه‌چاله‌هایی را به‌وجود بیاورند که جرمشان حداکثر ۶۵ برابر جرم خورشید باشد. اما برای ستاره‌های پرجرم‌تر ، تصور می‌شود پدیده‌ای موسوم به «ناپایداری جفت» رخ دهد؛ وقتی فوتون‌های هسته خیلی پرانرژی می‌شوند، می توانند به یک جفت الکترون و پاد الکترون تبدیل شوند. این جفت‌ها فشار کمتری نسبت به فوتون‌ها ایجاد می‌کنند و باعث می‌شوند ستاره در برابر فروپاشی گرانشی ناپایدار شود؛ این ناپایداری به انفجاری می‌انجامد که به حدی قوی است که هیچ چیزی از خود به‌جای نخواهد گذاشت. حتی ستارگان پر‌جرم‌تر (بیشتر از ۲۰۰ برابر جرم خورشید) سرانجام مستقیماً فرو پاشیده و به سیاه‌چاله‌ای با حداقل ۱۲۰ برابر جرم خورشید تبدیل می‌شوند. بنابراین ، یک ستاره در حال فروپاشی قادر نیست یک سیاه‌چاله با جرمی بین ۶۵ تا ۱۲۰ برابر جرم خورشید را ایجاد کند؛ این محدوده جرمی، با عنوان شکاف جرمِ ناپایداری جفت (Pair Instability Mass Gap) شناخته می‌شود. می‌توان ادعا کرد یک یا هردو سیاه‌چاله اولیه‌ در این محدوده جرمی قرار دارند. یک احتمال برای این مسأله ـ که محققان در مقاله دوم منتشر شده در نظر گرفته‌اند ـ عبارت است از ادغام سلسله‌مراتبی؛ به این معنا که دو سیاه‌چاله اولیه قبل از نزدیک شدن و ادغام نهایی، خود از یک ادغام کوچک‌تر دیگر تشکیل شده باشند.

آلن واینستین، از اعضای پروژه لایگو و استاد فیزیک در دانشگاه کلتک، می‌گوید:

«این رویداد، بیشتر از اینکه پاسخگوی سوالات باشه، سؤال‌های بیشتری رو مطرح می‌کنه. از نقطه‌نظر کشف کردن [پدیده‌ها] و فیزیک، این چیز خیلی هیجان‌انگیزیه».

• مقاله اول تیم لایگو و ویرگو در‌مورد جزئیات کشف ادغام جی‌دبلیو۱۹۰۵۲۱، چاپ‌شده در مجله فیزیکال ریویو لِترز
• مقاله دوم تیم لایگو و ویرگو در‌مورد ویژگی‌ها و پیامدهای اخترفیزیکی ادغام جی‌دبلیو۱۹۰۵۲۱، چاپ‌شده در مجله آسترو‌فیزیکال ژورنال لِترز

بخش ششم از سری گفت‌وگوهای «پشت‌پرده نجوم»

امروزه با پیشرفت تکنولوژی، نقش داده‌ها در حوزه‌های مختلف علم، از‌جمله علم نجوم، بیش‌از‌پیش نمایان شده است. به‌نظر می‌رسد ابزار برنامه‌نویسی و شبیه‌سازی در آینده‌ای نزدیک، به یکی از مهارت‌های مهم و ضروری برای پژوهش در علم (نجوم) تبدیل شود؛ کما اینکه هم‌اکنون نیز تا حدی همین‌گونه است. در ششمین بخش از «پشت پرده علم» با علیرضا وفایی صدر، پژوهشگر فیزیک در مقطع پسا‌دکتری در IPM، در‌مورد جایگاه علم داده در نجوم امروزی گفت‌و‌گو کرده‌ایم. ویدیو و صوت این گفت‌وگو ضبط شده و در ادامه این متن می‌توانید آن را ببینید و بشنوید.

در علم نجوم امروزی، به‌دلیل ساخت تلسکوپ‌ها و آشکارساز‌های بزرگ متعدد ـ و ترکیب تلسکوپ‌های بزرگ با یکدیگر با استفاده از روش تداخل‌سنجی، برای ساخت تلسکوپ‌های مجازیِ حتی بزرگ‌تر ـ و هم‌چنین افزایش کیفیت و رزولوشن تصاویر دریافتی از آسمان، حجم داده‌ها بسیار افزایش پیدا کرده و کار با داده‌های کلان، به مسئله‌ای مهم تبدیل شده است. به‌عنوان مثال، برای ثبت اولین تصویر از یک سیاه‌چاله که سال پیش توسط تیم تلسکوپ افق رویداد منتشر شد، هشت آرایه‌ از تلسکوپ‌های رادیویی، حدود یک هفته رصد انجام دادند که منجر به دریافت داده‌ای با حجم حدود ۲۷ پتا‌بایت شد و کار انتقال، پاکسازی و تحلیل آن حدود ۲ سال طول کشید (برای اطلاعات بیشتر درمورد جزئیات ثبت این تصویر، این نوشته را بخوانید)! 

در گفت‌وگویمان با علیرضا وفایی‌صدر، به مسائل مختلفی در ‌زمینه نقش داده در نجوم پرداخته‌ایم؛ از جمله اینکه: چطور می‌توان داده‌های کلان را سرو‌سامان داد؟ ماشین‌‌ها (کامپیوترها) چه جنس کارهایی را در زمینه نجوم می‌توانند برای ما انجام دهند؟ همکاری‌های بین‌المللی چه نقشی در این زمینه دارند؟

به این گفت‌وگو گوش دهید: