سیاه چاله چیست؟
سیاهچالهها میلیاردها سال است که درون کهکشانها جا خوش کرده‌اند. هیچ نیرویی در هستی قدرتمندتر از نیروی سیاهچالهها نیست. میدان گرانشی سیاهچالهها چنان نیرومند است که حتی نور نیز توان گریختن از آن را ندارد.
سیاه چاله به ناحیه‌ای از فضا گفته می‌شود که در آن جرم بسیار زیادی در ناحیه‌ای بسیار کوچک متمرکز شده است. برای نمونه فرض کنید جرمی به اندازه ۱۰ برابر خورشید در ناحیه‌ای به اندازه قطر نیویورک جمع شده باشد. جالب است بدانید یک قاشق غذاخوری از جرم سیاه چاله، جرمی برابر با ۹۰۰ میلیارد تن را دارد. این فضای بسیار متراکم منجر به ایجاد میدان گرانشی قدرتمندی خواهد شد به نحوی که حتی نور نیز نمی‌تواند از آن فرار کند. در حقیقت در این ناحیه، فضا-زمان بسیار خم شده و حالت نقطه‌ای پیدا می‌کند. در شکل زیر به صورت کیفی میزان خم شدن صفحه فضا-زمان در حضور خورشید، ستاره نوترونی و سیاه چاله نشان داده شده است.
ایده وجود داشتن جسمی بسیار سنگین در فضا به قرن‌ها پیش باز می‌گردد. آلبرت انیشتین (Albert Einstein) نخستین بار در سال ۱۹۱۶ با استفاده از نظریه نسبیت عام وجود آنها را پیش بینی کرد. این نظریه پیش‌بینی کرد، هنگامی که ستاره‌ای سنگین بمیرد، ناحیه‌ای با جرم سنگین از آن باقی خواهد ماند. اگر جرم ناحیه باقیمانده، بیشتر از ۳ برابر جرم خورشید باشد، نیروی گرانش بر دیگر نیرو‌ها غلبه کرده و منجر به متمرکز شدن جرم می‌شود. نهایتا این جرم متمرکز شده منجر به تشکیل سیاه چاله می‌شود.
اصطلاح سیاهچاله (Black Holes) سال‌ها بعد و در سال ۱۹۶۷ توسط جان ویلر (John Wheeler) اخترشناس آمریکایی ابداع شد. پس از ده‌ها سال که سیاهچالهها صرفاً به عنوان اشیاء نظری شناخته می‌شدند، در سال ۱۹۷۱ اولین سیاهچاله فیزیکی کشف شد.
در 2019 اولین تصویر واقعی از یک سیاه چاله منتشر شد. این تصویر که در ادامه ارائه شده، افق رویداد مربوط به ابرسیاه‌چاله‌ای است که در کهکشان M87 قرار گرفته است. جرم این سیاهچاله، ۶.۵ میلیارد برابر خورشید بوده و فاصله آن از زمین نیز برابر با ۵۰۰ میلیون تریلیون کیلومتر است.
شناسایی سیاه چاله
شاید نتوانیم سیاهچاله را همانند تصاویر خیالی فوق ببینیم اما حضور آن را می توان با استفاده از اندازه گیری اثرات آن روی اجسام اطراف می توان متوجه شد. طرق زیر می تواند مورد استفاده قرار بگیرد:
- محاسبه جرم از طریق اجسامی که دور سیاهچاله می چرخند یا به مرکز آن فرو می روند
- اثر همگرایی گرانشی
- تشعشعات خارج شده از سیاهچاله
محاسبه جرم
بسیاری از سیاهچاله ها اطراف شان پر از اجسام دیگر است و با نگاه کردن و بررسی رفتار آن ها می توان به حضور سیاهچاله در آن ناحیه پی برد. سپس با استفاده از سرعت حرکت آن ها در اطراف یک سیاهچاله فرضی، جرم آن را نیز محاسبه می کنیم.
باید به دنبال یک ستاره یا صفحه ای از گازها باشید که در حال کشیده شدن هستند. برای مثال، اگر ستاره ای بزرگ یا صفحه ای از گازها حرکتی لرزشی یا چرخشی داشته باشند و دلیل واضح و قابل دیدنی هم برای حرکت شان دیده نشود، احتمالا یک عامل پنهانی می تواند این اثر را روی ستاره ای به آن عظمت ایجاد کند. پس با محاسبه حرکت ستاره می توان اندازه سیاهچاله را هم حساب کرد.
در مرکز کهکشان NGC 4261، دیسک چرخان و قهوه ای رنگی وجود دارد. این دیسک هم اندازه منظومه شمسی ماست اما وزن آن ۱.۲ میلیارد برابر خورشید است. حجمی چنین عظیم نشان می دهد که سیاهچاله ای در این ناحیه جای خوش کرده است.
همگرایی گرانشی
نظریه عمومی نسبیت اینشتین پیش بینی می کند که گرانش می تواند در فضا-زمان خمیدگی ایجاد نماید. این بخش از نظر اینشتین بعدها در زمان وقوع یک کسوف خورشیدی به اثبات رسید، زمانی که جایگاه یک ستاره قبل، بعد و هنگام کسوف اندازه گرفته شد. جایگاه ستاره تغییر کرد آن هم به این دلیل که نور دریافتی از ستاره توسط جاذبه خورشید دچار خمش شد.
در نتیجه جسمی با جاذبه شدید (همانند یک کهکشان یا سیاهچاله) اگر میان زمین و جسمی درخشان در دوردست قرار بگیرد می تواند در مسیر نور خمیدگی ایجاد کند، دقیقا همانطور که لنزها یا عدسی ها این کار را انجام می دهند. این اثر در تصویر فوق دیده می شود.
در تصویر بالا، همگرایی گرانشی برای MACHO-96-BL5 رخ داد و تلسکوپ هابل که این اتفاق را نظاره گر بود متوجه تفاوت شد. در نتیجه با تحقیق و جستجو محققین متوجه شدند که سیاهچاله ای از آن میان گذر کرده است.
تشعشعات
وقتی که ماده ها درون سیاهچاله می افتند، یک ستاره همراه را به وجود می آورند، گرمای جسم بالا می رود، به میلیون ها درجه کلوین می رسد و شتاب می گیرد. ماده بسیار داغ اشعه اکس از خود به بیرون ساطع می کند که آن را می توان اندازه گرفت.
ستاره Cygnus X-1 یک منبع قوی اشعه اکس است و کاندیدای خوبی برای تبدیل شدن به یک سیاهچاله نیز هست. همانطور که در تصویر فوق می بینید، امواج خورشیدی از ستاره همراه با نام HDE 226868، اجسام بسیاری را وارد دیسک چرخان سیاهچاله می کند. به محض اینکه مواد وارد سیاهچاله شوند، تابش اشعه اکس آغاز می شود.
علاوه بر اشعه اکس، سیاهچاله ها می توانند موادی را با سرعت بالا پرتاب کنند و فواره های اختر فیزیکی را شکل دهند. بسیاری از کهکشان ها با چنین اجرامی دیده شده اند. در حال حاضر باور بر این است که کهکشان های مذکور سیاهچاله های عظیمی در مرکز خود دارند. در تصویر فوق یک نمونه از آن ها را می توانید مشاهده نمایید.
البته، به یاد بسپرید که سیاه چاله ها جارو برقی های فضا نیستند، آن ها هیچ چیزی را مصرف نمی کنند. بنابراین اگرچه ما نمی توانیم آن ها را ببینیم اما شواهد غیرمستقیمی وجود دارد که بودن شان را تایید می کند. بسیاری از دانشمندان، نظریه پردازان و حتی داستان نویسان سیاهچاله را با سفر در زمان و کرمچاله ها مرتبط می دانند و هیچ بعید نیست که چنین نیز باشد.
تقسیم بندی سیاه چاله‌ها
ستاره شناسان تاکنون سه نوع سیاهچاله را شناسایی کرده‌اند که بر مبنای جرمشان به سیاهچالههای ستاره‌ای (ریز سیاهچاله)، سیاهچالههای جرم متوسط و سیاهچالههای کلان جرم تقسیم می‌شوند.
سیاهچالههای ستاره‌ای: کوچک اما کشنده
هنگامی که یک ستاره در حال سوزاندن آخرین سوخت خود است، ممکن است فروپاشی یا در خود فرو ریزش کند. در ستاره‌های کوچک‌تر (با جرم کمتر از سه جرم خورشیدی) با پایان سوخت، هسته به یک ستاره نوترونی یا کوتوله سفید تبدیل می‌شود. اما وقتی یک ستاره بزرگ‌تر فرو می‌ریزد، به فشرده سازی ادامه داده و یک سیاهچاله ستاره‌ای (Stellar Black hole) یا ریز سیاهچاله (Small Black hole) ایجاد می‌کند.
سیاهچالههایی که با فروپاشی ستاره‌های منحصر بفرد ایجاد می‌شوند نسبتاً کوچک اما فوق العاده متراکم هستند. یکی از این اجسام بیش از سه برابر جرم خورشید را در فضایی به اندازه یک شهر کوچک فشرده می‌کند. این باعث می‌شود تا مقدار بسیار زیادی گرانش در آن ایجاد شده و اجسام نزدیک را به سمت خود بکشد. سیاهچالههای ستاره‌ای از گرد و غبار و گازهای کهکشان اطراف خود تغذیه می‌کنند که در نتیجه سبب رشد اندازه آنها می‌شود. به گفته مرکز نجوم هاروارد-اسمیتسونیان (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) کهکشان راه شیری حاوی چند صد میلیون سیاهچاله ستاره‌ای است.
سیاهچالههای جرم متوسط: در وسط گیر کرده‌ها
دانشمندان روزگاری تصور می‌کردند که سیاهچالهها فقط در اندازه‌های کوچک و بزرگ هستند، اما براساس تحقیقات جدید این احتمال را می‌دهند که سیاهچالههای جرم متوسط (Intermediate Black holes or IMBHs) نیز می‌توانند وجود داشته باشند. بسیاری از این سیاهچالههای جرم متوسط که در یک منطقه تشکیل می‌شوند، می‌توانند سرانجام در مرکز یک کهکشان به همدیگر پیوسته و یک سیاهچاله کلان جرم ایجاد کنند.
در سال ۲۰۱۴ ستاره شناسان جسمی را که به نظر می‌رسید یک سیاهچاله جرم متوسط است در بازوی یک کهکشان مارپیچی کشف کردند. تیم رابرتز (Tim Roberts) از اعضای آن تیم تحقیقاتی در یک بیانه گفت: اخترشناسان برای کشف این نوع سیاهچاله تلاش بسیار زیادی انجام داده و به سختی به دنبال یافتن آن بودند. شواهدی از وجود سیاهچالههای جرم متوسط به دست آمده، اما آنها مانند اقوام دوری هستند که کسی علاقه‌ای به پیدا کردنشان ندارد. [۱]
تحقیقات جدید در سال ۲۰۱۸ نشان داد که ممکن است سیاهچالههای جرم متوسط در قلب کهکشان‌های کوتوله (Dwarf Galaxies) یا کهکشان‌های بسیار کوچک وجود داشته باشند. مشاهدات ۱۰ مورد از این کهکشانها که بر مبنای فعالیت‌های اشعه ایکس سیاهچالهها بود، حاکی از وجود سیاهچالههایی با جرم ۳۶۰۰۰ تا ۳۱۶،۰۰۰ جرم خورشیدی است. این اطلاعات توسط نقشه‌بردار آسمانی دیجیتال اسلون (Sloan Digital Sky Survey) بدست آمده که حدود ۱ میلیون کهکشان را بررسی کرده و میتواند نوع نوری که هنگام خوردن گرد و غبار توسط سیاهچاله منتشر می‌شود را تشخیص دهد.
سیاهچالههای کلان جرم: تولد غول‌ها
سیاهچالههای کوچک بسیار زیادند اما سیاهچالههای کلان جرم در جهان حمکرانی می‌کنند. این سیاهچالههای عظیم از نظر جرم میلیون‌ها یا حتی میلیاردها برابر خورشید جرم دارند اما قطر آنها تقریباً به اندازه قطر خورشید است. تصور می‌شود چنین سیاهچالههایی تقریباً در مرکز همه کهکشانها از جمله راه شیری قرار داشته باشند (اولین فیلم از سیاهچاله کمان ای در مرکز کهکشان راه شیری).
سیاهچاله کلان جرم میلیون‌ها یا حتی میلیاردها برابر خورشید جرم دارند اما قطر آنها تقریباً به اندازه قطر خورشید است. تصور می‌شود این نوع سیاهچالههای تقریباً در مرکز همه کهکشانها از جمله راه شیری قرار داشته باشند.
کیهان شناسان هنوز چگونگی تشکیل این اجرام غول پیکر را نمی‌دانند به همین علت نظریات مختلفی درباره نحوه شکل گیری آنها وجود دارد. براساس یک نظریه سیاهچالههای کلان جرم ممکن است نتیجه ادغام صدها یا هزاران سیاهچاله کوچک باشند. نظریه دوم می‌گوید که ابرهای بزرگ گازی نیز می‌توانند عامل بوجود آمدن آنها باشند، این ابرها در خود فروریخته و جرمشان به سرعت افزایش می‌یابد. نظریه سوم سقوط یک خوشه ستاره‌ای است، گروهی از ستاره‌ها که همگی با هم در خود فروریخته و این هیولاهای فضایی را می‌سازند. اما چهارمین نظریه می‌گوید که سیاهچالههای کلان جرم می‌توانند از خوشه‌های بزرگ ماده تاریک بوجود آیند. ماده‌ای که می‌توانیم اثر گرانشی آن را بر روی اجسام دیگر مشاهده کنیم، با این حال ما نمی‌دانیم که ماده تاریک از چه چیزی تشکیل شده زیرا نوری از آن ساطع نمی‌شود و نمی‌توان مستقیماً آن را مشاهده کرد.
چه چیزی در درون سیاه چاله وجود دارد؟
درون یک سیاهچاله از دو بخش افق رویداد و تکینگی تشکیل شده است.
افق رویداد
افق رویداد (Event Horizon) سیاهچاله مرز اطراف دهانه و مهمترین ویژگی یک سیاهچاله بوده و نیروی گرانش در تمام افق رویداد ثابت است. افق رویداد به شکل کروی یا تقریباً کروی حول نقطه مرکزی سیاهچاله است. این کره ناحیه‌ای از فضا-زمان است که عبور نور و ماده از آن تنها در یک جهت و صرفاً به سمت درون امکان پذیر است.
درون این کره سرعت گریز از سرعت نور بیشتر است ولی از آنجایی که هیچ جسم و ذره‌ای توانایی حرکت با سرعت بیشتری از نور را ندارد در نتیجه هیچ جسمی توانایی گریز از این منطقه را ندارد. هر جرم یا انرژی که به یک سیاهچاله نزدیک شود، پس از گذر از دیسک برافزایشی به طور مقاومت ناپذیری به درون سیاهچاله کشیده می‌شود.
نوری که از اطراف یک سیاهچاله عبور می‌کند اگر به افق رویداد نرسد در نتیجه گرانش بسیار زیاد خم شده و در مسیر منحنی شکل از کنار آن می‌گذرد، ولی اگر به افق رویداد برسد در سیاهچاله سقوط می‌کند. افق رویداد را از این رو به این نام می‌خوانند که از درون آن اطلاعات راجع به آن رخداد به بیرون نمی‌رسد و مشاهده کننده نمی‌تواند از این که این اتفاق رخ داده یقین حاصل کند. [۲]
تکینگی
براساس نظریه نسبیت عام انیشتین بخش مرکزی یک سیاهچاله نقطه تکینگی (Singularity) گرانشی است، ناحیه‌ای که در آن خمیدگی فضا-زمان بی‌نهایت می‌شود، نقطه واحدی در فضا-زمان که جرم سیاهچاله در آن متمرکز است. حجم ناحیه تکینگی صفر است به همین دلیل چگالی ناحیه تکینگی، بی‌نهایت خواهد بود.
جسمی که به درون سیاهچاله سقوط می‌کند به محض اینکه از افق رویداد بگذرد، دیگر نمی‌تواند در برابر سرازیر شدن به سوی نقطه تکینگی مقاومت کند. این جسم تنها میتواند تا میزان محدودی زمان سقوط خود را با سرعت گرفتن در جهت مخالف طولانی‌تر کند اما سرانجام به نقطه تکینگی سقوط خواهد کرد.
زمانی که به این نقطه برسد به چگالی بی‌نهایت برخورد کرده و جرم آن به جرم سیاهچاله افزوده می‌شود. البته پیش از این اتفاق در طی فرآیندی که به اسپاگتی سازی یا اثر نودلی معروف است، اجزای وی بر اثر نیروهای جزر و مدی در حال گسترش از هم گسیخته می‌شود.
دانشمندان در تلاشند تا دریابند که پس از ورود ماده به دورن سیاهچاله چه اتفاقی می‌افتد و اساساً چه چیزی در درون سیاهچاله وجود دارد. هنگامی که یک اتم هیدروژن از ستاره در حال فروپاشی وارد افق رویداد شود، نظریه گرانش می‌گوید که در تکینگی فشرده می‌شود، البته آن اتم مطمئناً دیگر هیدروژن نیست. بنابراین داخل یک سیاهچاله به نظر نمی‌رسد که شبیه فیلم‌ها باشد.
عبارت سیاهچالهها مو ندارند (black holes have no hair) این نظریه را توصیف می‌کند که اطلاعات وارد شده به سیاهچالهها به طور ناگهانی برای ناظران خارجی از بین رفته و دیگر قابل اندازه گیری نیستند. اما هاوکینگ در آخرین تحیقاتش اظهار داشت: برخی از اجرامی که درون سیاهچاله هستند همچنان که در حال نابودی هستند می‌توانند به آهستگی از آن بیرون رفته و یا توسط سیاهچاله آزاد شوند، در این صورت، این نظریه هاوکینگ احتمالاً در مغایرت با نظریه عمومی گرانش است.
دیدگاه