على عكس العديد من علماء الفلك، لم تكبر إيرين كارا مذهولة بالنجوم. وقالت: "ليس لدي تلك القصة عن كوني ذلك الطفل الصغير الذي يحدق في النجوم ويريد القيام بذلك، الأمر الذي أصابني ببعض القلق". "هل هذا جعلني مزيفًا؟"

ولكن بعد اكتشاف الفيزياء الفلكية عندما كان طالبًا جامعيًا، أصبح كارا مدمنًا عليها. الآن عالم فيزياء فلكية رصدية وفي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، تزور منطقة محيرة للعقل. مثل رائد الفضاء في الفيلم واقع بين النجوم، تستكشف المناطق القريبة من الثقوب السوداء العملاقة. هدفها هو فهم أفضل لكيفية تصرف تلك الثقوب السوداء وكيف تعيد تشكيل المجرات باستمرار عبر الكون.

مليئة بكتلة تعادل ملايين أو مليارات الشموس، تكمن الثقوب السوداء الهائلة في مركز كل مجرة ​​تقريبًا. من الناحية الحيوية، تشبه هذه الثقوب السوداء قلوب المجرات المظلمة النابضة.

"إنهم ليسوا مجرد زينة. قال كارا: "إنهم لا يجلسون هناك بشكل سلبي فحسب". "إنهم في الواقع يمليون كيف تتطور المجرة ولماذا تبدو المجرة بالطريقة التي تبدو بها."

يحاول كارا فهم البيئة القريبة من هذه الثقوب السوداء، حيث يتم إطلاق معظم طاقتها. من خلال التتبع الدقيق للغاز والبلازما الذي يحوم بالقرب من الثقب الأسود - مكونًا ما يعرف باسم القرص التراكمي - يمكنها تقريب كتلة الثقب الأسود، على سبيل المثال. يمكن أن يساعد هذا الغاز والبلازما القريبين أيضًا في الكشف عن كيفية قيام الثقوب السوداء المتلألئة بإنشاء هياكل كونية متطرفة مثل النفاثات النسبية - وهي أشعة عملاقة من البلازما شديدة الحرارة تتسارع إلى سرعة الضوء تقريبًا.

ولكن هناك مشكلة كبيرة يجب على كارا والباحثين الآخرين التغلب عليها: هذه الثقوب السوداء المستهدفة بعيدة جدًا بحيث لا تستطيع تقنيات التصوير التقليدية تحديد محيطها المباشر. لإعادة بناء البيئة المباشرة حول الثقب الأسود، يلجأ كارا إلى ضوء الأشعة السينية المنبعث من القرص التراكمي. إنها تقيس التأخيرات الطفيفة عندما يصل هذا الضوء إلى الأرض. ومن خلال القيام بذلك، يمكنها استنتاج بنية الغاز والبلازما بدقة ملحوظة. وقد كشف عمل كارا على هذه الطريقة - التي تسمى رسم خرائط الصدى - عن جنون تغذية الثقوب السوداء بتفاصيل غير مسبوقة، مع النتائج التي تشمل أول "أصداء" للأشعة السينية رأيت من أي وقت مضى من ثقب أسود تمزيق نجم. حصلت كارا على جائزة الجمعية الفلكية الأمريكية لعام 2022 جائزة نيوتن لاسي بيرس، والذي يعترف بالإنجازات البارزة في علم الفلك الرصدي على مدى السنوات الخمس الماضية.

مجلة كوانتا تحدثت مؤخرًا مع كارا عن طريقها إلى العلوم، وعن أساسيات رسم خرائط الصدى، والثقوب السوداء التي تبقيها مستيقظة في الليل. تم تكثيف المقابلة وتحريرها من أجل الوضوح.

تقضي الكثير من الوقت في التفكير في الثقوب السوداء، إلى الحد الذي وصلت إليه تحويل محاكاة لهم إلى أصوات. يعتقد الكثير من الناس أن الثقوب السوداء "غريبة" أو "مخيفة" أو "غريبة". هل تشتري هذا التوصيف؟

هناك صورة نمطية مفادها أن الثقوب السوداء هي أشياء سيئة يجب علينا جميعًا أن نخاف منها، ولكن المدهش هو أن الثقوب السوداء تمنحنا الحياة بالفعل، إذا كنت تريد أن تأخذها إلى هذا المستوى من التجريد. سبب وجودنا جميعًا هنا هو أن الغاز الموجود في مجرتنا متوزع بحيث يمكن أن تتشكل النجوم، مما أدى في النهاية إلى الكوكب الذي نعيش عليه. وكان هذا، في بعض النواحي، يمليه الثقب الأسود المركزي في مجرتنا.

الثقوب السوداء ليست مثل زوال ونهاية كل شيء. إنها في الواقع، في بعض النواحي، البداية.

على مستوى الصورة الكبيرة، ما هي الأسئلة المتعلقة بالثقوب السوداء التي تهتم أكثر بالإجابة عليها؟

إذا فهمت كيف تتصرف تدفقات الغاز في الزمكان المنحني بقوة حول الثقب الأسود، فيمكنك استخدام هذه المعلومات لقياس الخصائص الأساسية للثقب الأسود: كتلته ودورانه، وهو مقياس لمدى سرعة دورانه.

هل يمكنك وصف الإعداد العام للثقوب السوداء التي تنظر إليها؟

جميعها محاطة بأقراص الغاز والغبار. يمكن أن تصبح هذه الأقراص المتراكمة ساخنة بما يكفي لإصدار الأشعة الضوئية والأشعة فوق البنفسجية، لكنها ليست ساخنة بما يكفي لتكوين الأشعة السينية. ما نراه من خلال التلسكوبات لدينا هو أن الثقوب السوداء المتراكمة - والتي هي في طور استهلاك تلك الأقراص - تنتج دائمًا الأشعة السينية. إذا رأيت الأشعة السينية من على بعد مليار سنة ضوئية، فمن المحتمل أنها صادرة عن ثقب أسود فائق الكتلة.

كيف تنتج الثقوب السوداء تلك الأشعة السينية؟

نحن نعلم أنه لا بد من وجود بلازما عالية الطاقة حول الثقب الأسود والتي تنتج فوتونات الأشعة السينية. نحن نسمي ذلك الإكليل، مثل البلازما الساخنة الموجودة حول الشمس. تشبه هالة الثقب الأسود التاج الموجود أعلى القرص التراكمي. يمكن أن يصبح الجو حارًا جدًا، وينتج الكثير من الأشعة السينية. تبلغ قيمة المادة الموجودة في القرص التراكمي حوالي مليون كلفن، لكن الإكليل يساوي مليار كلفن. في الواقع، لا نعرف الكثير عن هذا الكورونا، وأحد الأسئلة الكبيرة هو: كيف يتكون؟ ما هي هندستها؟

إذًا كيف يمكن للتقنية التي تستخدمها، رسم خرائط الصدى، أن تنتقل من جمع الأشعة السينية إلى الكشف عن الإكليل والمناطق المحيطة به؟

لديك هذا الإكليل حول ثقب أسود، بالإضافة إلى قرص تراكمي. وبينما تشع الهالة القرص التراكمي البارد بالأشعة السينية، فإنها تجعل الأيونات الموجودة في القرص تشع أشعة سينية خاصة بها، وذلك بشكل رئيسي من خلال التألق.

في الأساس، تشبه هذه الأشعة السينية الثانوية أصداء الضوء، لذلك نسميها أصداء الارتداد. ما نقوم به هو قياس التأخير الزمني بين وميض أولي من ضوء الأشعة السينية من الهالة والأصداء المقابلة من القرص التراكمي. إذا تمكنا من قياس تلك الأصداء، فيمكننا إعادة بناء الشكل الذي تبدو عليه حول الثقب الأسود.

إنه مشابه لكيفية استخدام الخفافيش لتحديد الموقع بالصدى. لا يمكنهم رؤية الكهف المظلم الذي يطيرون عبره، لكنهم يعلمون أن الصدى سيعود إليهم مع بعض التأخير، ويمكنهم استخدام حقيقة أن الصدى ينتقل بسرعة الصوت لرسم خريطة كهف مظلم. نحن نفعل ذلك، باستثناء الضوء الذي يسافر بسرعة الضوء.

كنت على وشك أن أقول، الجدران المحيطة بالخفاش لا تتحرك بسرعات نسبية، لذا أتخيل أن الأمور تكون أكثر صعوبة قليلاً عندما تفعل هذا.

[يضحك.] الأمر أكثر تعقيدًا من ذلك قليلًا، فقط قليلًا...

ما الذي يتطلبه الأمر إذن للانتقال من بياناتك – فوتونات الأشعة السينية في دلو – إلى خريطة المنطقة المحيطة بالثقب الأسود؟

في الأصل، كنا نبحث فقط عن نطاق من الأطوال الموجية للأشعة السينية التي عرفنا أن انبعاث الهالة يهيمن عليها، والمدى الذي عرفنا أن هذا الصدى يهيمن عليه. لقد وجدنا أنه إذا قمت بتحويل التأخير الزمني بين تلك النطاقات إلى مسافة ليقطعها الضوء، فهذا يتوافق تقريبًا مع رسم خريطة لتدفقات الغاز بالقرب من الثقب الأسود، وهو شيء يقع ضمن عدة أضعاف نصف قطر أفق الحدث.

نحاول الآن إنشاء العديد من عمليات المحاكاة المختلفة لأنظمة قرص تراكم الإكليل ومن ثم تحديد تلك التي تشبه البيانات التي نراها. نحن نفعل ذلك باستخدام ما يسمى بمحاكاة تتبع الأشعة النسبية العامة. تُستخدم محاكاة تتبع الأشعة في جميع أنواع ألعاب الفيديو، وهي نفس المبدأ: نأخذ نقطة تمثل نموذجًا للإكليل، ونسلط أشعة الضوء منها في جميع الاتجاهات المختلفة، ونتتبع فقط مكان تلك الأضواء تذهب الأشعة. سيذهب بعضها إلى مراقب بعيد، وسيقع بعضها في القرص، ويشع القرص، ثم يرتد وينعكس في مستوى التلسكوب.

كيف يختلف رسم خرائط الصدى عن ما فعله تلسكوب أفق الحدث للحصول على صور مباشرة للثقوب السوداء؟

لقد كان تلسكوب أفق الحدث مذهلاً للغاية في تصوير الثقوب السوداء في مركز مجرتنا وM87، لكنه في الحقيقة لا يمكنه تصوير سوى هذين الثقبين الأسودين. والأكثر من ذلك، إذا أردنا أن نتناول مسألة كيفية نمو الثقوب السوداء، فنحن بحاجة إلى النظر إلى الثقوب السوداء التي تنمو بنشاط الآن - أو بالأحرى، الثقوب السوداء المضيئة للغاية في الأشعة السينية.

لا بد أن الثقب الأسود الموجود في مركز مجرتنا قد مر بهذه المرحلة حيث كان ينمو بشكل نشط ويأكل الكثير من المواد. في الوقت الحالي، لا يفعل ذلك - ويرجع السبب في ذلك على وجه التحديد إلى أنه لا ينمو كثيرًا، حيث يستطيع تلسكوب أفق الحدث تصويره مباشرةً. لدراسة تلك الثقوب السوداء التي تنمو بشكل نشط، حيث توجد مواد عالية الكثافة تندفع نحو الثقب الأسود، نحتاج إلى تقنية أخرى. وهنا يأتي دور رسم خرائط الصدى.

هل هناك أي ثقوب سوداء محددة نظرت إليها وتبرز لك أنها مفيدة بشكل خاص؟

تكتيكي العام في البحث هو العثور على ثقوب سوداء تتصرف بطريقة نتوقعها نوعًا ما. إذا تمكنت من فهم تفاصيل تلك الأنظمة، ويمكنك حقًا تتبع الشكل الهندسي حول الثقب الأسود بشكل واضح، فيمكنك إجراء قياسات دقيقة لكتلة الثقب الأسود ودورانه.

أحد الأشياء المفضلة لدي الآن هو ثنائي الأشعة السينية المسمى MAXI J1820+070. إنه ليس ثقبًا أسودًا فائق الضخامة؛ إنها مجرد 10 أضعاف كتلة الشمس. إنه في نظام مصاحب مع نجم، وهو يسحب الغاز من ذلك النجم ويشكل قرصًا متراكمًا وهالة. إنه مجرد نظام نظيف جدًا، وهو قريب جدًا من الأرض: إنه أكثر سطوعًا بالنسبة لنا بحوالي ألف مرة من هذه الثقوب السوداء الهائلة.

وعلى الجانب الآخر، ما هي الثقوب السوداء التي تعتبرها متطرفة أو غريبة بشكل خاص؟

أحب أن أدرس الأشخاص العاديين، ثم أحب أن أحرك الأمور وأرى أين تتعطل الأمور. الأمر الممتع أيضًا هو الأنظمة الغريبة التي تبقيك مستيقظًا في الليل وتتساءل: كيف سمحت الطبيعة بحدوث ذلك؟ والمصدر الذي أبقاني مستيقظًا في الليل يسمى ASASSN-18el، وهو ثقب أسود هائل.

تم العثور على ASASSN-18el بواسطة مسح ASAS-SN لجميع السماء كواحد من تلك الثقوب السوداء التي كانت ذات مظهر طبيعي نوعًا ما ثم، فجأة، دخلت في هذا الانفجار المجنون. لقد بدأنا بمراقبتها باستخدام أجهزة الرصد البصرية والأشعة فوق البنفسجية والعديد من عمليات الرصد بالأشعة السينية أيضًا، وقد سارت الأمور على ما يرام. كان لديه تلك الانفجارات الأولية، ثم توقف - مثل انخفاض بمقدار أربعة مراتب في السطوع. وبعد ذلك تم تشغيله مرة أخرى وأصبح مصدر الأشعة السينية الأكثر سطوعًا في السماء خارج المجرة لمدة عام تقريبًا، ثم بدأ في التوقف مرة أخرى. الآن يبدو أنه قد يتم تشغيله مرة أخرى.

لقد اعتقدنا أن الجدول الزمني لتوقف شيء ما بمقدار أربعة أضعاف الحجم سيكون ملايين السنين على الأقل. ومع ذلك فقد شهدنا حدوث ذلك خلال عام واحد، أو خلال بضعة أشهر. كيف يحدث شيء كهذا؟

تاريخيًا، ما عرفناه عن هذه الثقوب السوداء المتراكمة فائقة الكتلة - والتي تسمى نوى المجرة النشطة - تعلمناه من المسوحات حيث كنا ننظر إليها من حين لآخر. لكن لدينا الآن هذه المسوحات الشاملة للسماء والتي تقوم بمسح السماء عدة مرات في الأسبوع، ونحن نحدق في هذه الثقوب السوداء ونرى ما تفعله. واتضح أنه عندما لم نكن ننظر إليهم، كانوا يقومون بكل أنواع الأشياء المجنونة. الآن نحن ندرك ذلك أخيرًا.

ما الذي دفعك إلى دخول علم الفلك ودراسة الثقوب السوداء، وما الذي يلهمك اليوم؟

الشيء الذي جعلني متحمسًا حقًا لمتابعة علم الفلك هو جانب الاكتشاف: لقد كان من المثير للغاية أن أكون أول شخص ينظر إلى الضوء الذي تم إطلاقه من حول ثقب أسود قبل مليار سنة. هذا مذهل. كيف يمكن لنا نحن البشر الضعفاء أن نفكر في هذه الأشياء، أو أن نجتمع معًا لبناء تقنيات للإجابة على بعض هذه الأسئلة الأساسية الضخمة التي ظل الناس يطرحونها منذ بداية التفكير البشري؟

وأنا أحب الجانب المجتمعي المتمثل في جمع الناس معًا لتحقيق هدف مشترك. لدينا هذه الفكرة حول ماهية "العلم" - أنك كنت، مثلًا، تجلس بمفردك وتستمد الإلهام من عبقريتك الإبداعية، وقمت بكل هذه الاكتشافات بنفسك. ولكن هذا ليس ما هو ملهم للغاية حول هذا الموضوع. بالنسبة لي، الأمر هو أننا قادرون على العمل معًا واستخدام خبرات بعضنا البعض لإنشاء شيء أكبر بكثير من أي واحد منا.