همه چیز راجع به سیاه‌چاله‌ها ، ساکنین مرموز کیهان

سیاه‌چاله‌ها از عجیب‌ترین و خارق‌العاده‌ترین ساکنین جهان بیرون ما هستند. این اجرام در واقع چگالی بی‌نهایت زیادی دارند و چنان میدان گرانشی قوی‌ای تولید می‌کنند که حتی نور هم، اگر از حدی به آن نزدیک‌تر شود، دیگر نمی‌تواند از آن فرار کند.

آلبرت انیشتین در سال 1916 و در شاهکار علمی خود، تئوری نسبیت عام،‌ اولین کسی بود که وجود سیاه‌چاله‌ها را پیش‌بینی کرد. عبارت «سیاه‌چاله» را اولین بار یک منجم آمریکایی به نام جان ویلر در سال 1967 ابداع کرد. اولین سیاهچاله (ماکیان ایکس 1) در سال 1971 کشف شد.

سیاه‌چاله‌ها به سه نوع عمده طبقه‌بندی شده‌اند:‌ سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای، سیاه‌چاله‌های فوق سنگین و سیاهچاله‌های میان‌رده.

سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای:‌ کوچک ولی مرگبار

هر ستاره‌ای در آخر عمر خود، وقتی آخرین ذخیره سوخت هسته‌ای خود را به مصرف رساند، چون دیگر تشعشعی به بیرون ندارد که تعادلی بوجود بیاورد، در اثر جاذبه خود از هم فرو پاشیده و در خود فرو می‌افتد. برای ستاره‌های کوچکتر که جرمشان حداکثر تا سه برابر جرم خورشید ماست، هسته جدید جرمی به نام ستاره نوترونی یا کوتوله سفید را تشکیل می‌دهد. اما اگر جرم ستاره بیشتر باشد، این هسته همین‌طور به انقباض و فروپاشی ادامه می‌دهد تا به یک سیاه‌چاله ستاره‌ای تبدیل گردد.

سیاه‌چاله‌هایی که بدین صورت تشکیل می‌شوند، به نسبت کوچک هستند اما چگالی خارق‌العاده‌ای دارند. این پدیده‌های بی‌نظیر، جرمی معادل سه برابر (و یا بیشتر) خورشید را در جایی به کوچکی یک شهر متمرکز کرد‌ه‌اند. به همین خاطر یک میدان گرانشی غیر قابل تصور بوجود می‌آید که اشیای اطراف را به سمت خود می‌کشد. سیاه‌چاله‌ها گرد و غبار و مواد اطراف خود در کهکشان را جذب کرده، روز به روز بر جرم خود می‌افزایند.

بر طبق اطلاعات مرکز نجوم هاروارد-اسمیتسونین «راه شیری حدود چند صد میلیون سیاه‌چاله ستاره‌ای دارد.»

سیاه‌چاله‌های عظیم الجثه: تولد غول‌ها

سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای با جمعیتی کثیر در کیهان پراکنده‌اند، اما سیاه‌چاله‌های عظیم جثه به کیهان حکمرانی می‌کنند. این سیاه‌چاله‌های غول‌پیکر میلیون‌ها و شاید میلیاردها برابر خورشید جرم دارند. اما اندازه‌شان به بزرگی نزدیک‌ترین ستاره به زمین است. تصور بر این است که سیاه‌چاله‌هایی از این نوع در مرکز اکثر کهکشان‌ها، از جمله کهکشان راه‌شیری واقع شده‌اند.

سیاه‌چاله‌ها

دانشمندان هنوز به درستی نمی‌دانند که سیاه‌چاله‌هایی به این عظمت چطور درست می‌شوند. اما بعد از تشکیل، شروع به جذب گازها و گرد و غبار اطراف خود می‌کنند. با توجه به این‌که مرکز کهکشان‌ها مملو از گاز و غبار است، این سیاه‌چاله‌ها می‌توانند این قدر بزرگ شوند.

احتمالش وجود دارد که این سیاه‌چاله‌های غول‌آسا ناشی از ادغام هزاران سیاه‌چاله کوچک‌تر باشند. و یا احتمالی دیگری برای منشأ آن‌ها می‌تواند ابرهای بزرگ گازی باشد که منقبض شده و به سرعت جرم خود را افزایش داده‌اند. احتمال دیگر نیز فروپاشی همزمان و مسلسل‌وار ستارگان در یک خوشه ستاره‌ای است.

سیاه‌چاله‌های میان‌رده: نه این طرف نه آن طرف

دانشمندان تا مدت‌ها تصور می‌کردند که سیاه‌چاله‌ها تنها در دو اندازه هستند:‌ یا خیلی کوچک‌اند یا خیلی بزرگ و غول‌آسا. اما تحقیقات جدید نشان داده است که دسته دیگری از سیاه‌چاله‌ها با جرمی بینا‌بین نیز وجود دارند. این اجرام موقعی تشکیل می‌شوند که ستارگان داخل یک خوشه ستاره‌ای به صورت زنجیره‌وار با هم برخورد کنند. اگر تعدادی از این اجسام در مرکز یک کهکشان در نواحی نزدیک بهم واقع شده باشند، می‌توانند بعدها با هم برخورد کرده و یک سیاه‌چاله عظیم‌الجثه را پدید بیاورند.

در سال 2014 دانشمندان یک جرم را که احتمالا یک سیاه‌چاله میان‌رده بود، در یکی از بازوهای یک کهکشان مارپیچی رویت کردند. تیم رابرتز که یکی از این محققان از دانشگاه دورهام بریتانیاست، در یک مصاحبه گفته است: «منجمین سالهاست به سختی تلاش می‌کنند تا سیاه‌چاله‌های میان رده را رصد کنند. تا به حال فقط توانسته بودند نشانه‌هایی دال بر وجود آن‌ها را بیابند. مثل آن دسته از فامیل‌های دور می‌مانند که تمایلی به پیدا شدن ندارند.

نظریه سیاه‌چاله‌ها و روش‌های شناسایی آن‌ها

سیاه‌چاله‌ها به شدت سنگین هستند، اما تنها فضایی کوچک اشغال می‌کنند. به دلیل رابطه میان جرم و جاذبه، همین موضوع باعث به وجود آمدن یک میدان گرانشی به شدت قوی می‌شود. تقریبا هیچ چیز یارای فرار از آن‌ها را ندارد. در واقع طبق فیزیک کلاسیک، حتی نور هم نمی‌تواند از آن بگریزد.

این جاذبه قوی مشکلی جدی سر راه کشف آن‌ها پدید می‌آورد:‌ دانشمندان همان‌طور که بقیه ستارگان و اجرام فضا را می‌بینند،‌ این اشیا را نمی‌توانند رصد کنند. به همین خاطر دانشمندان دست به دامان تشعشعاتی شده‌اند که گاز و غبار در حال جذب به این اجسام چگال تولید می‌کنند. این گازها که با سرعتی بسیار زیاد و نزدیک به سرعت نور به دور سیاه‌چاله می‌چرخند، به دمایی بسیار بالا در حد میلیون‌ها درجه کلوین می‌رسند. گازها در این دمای زیاد از خود اشعه ایکس ساطع می‌کنند. از جمله تلسکوپ‌های متخصص در یافتن منابع اشعه ایکس، تلسکوپ چاندرا (ناسا) است. اما سیاه‌چاله‌های عظیم‌الجثه مراکز کهکشان ممکن است میان گاز و غبار متراکم نواحی مرکزی کهکشان‌ها چنان غرق شوند که این غبار مانعی در برابر این تشعشعات اثبات کننده، پدید بیاورد.

اما در پاره‌ای از موارد، وقتی ماده به داخل سیاه‌چاله کشیده می‌شود، از حد افق رویداد آن کمانه کرده و به جای این‌که به دهان عظیم سیاه‌چاله کشیده شود به بیرون پرتاب می‌شود. در این مواقع جت‌هایی درخشان از موادی که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند، درست می‌شود. اگر چه سیاه‌چاله‌ها را نمی‌توان دید، اما این فواره‌های ماده را می‌توان از مسافت‌های خیلی دور مشاهده کرد.

افق رویداد سیاه‌چاله و تکینگی

سیاه‌چاله‌ها سه لایه دارند: حد افق رویداد بیرونی و درونی، و تکینگی.

حد افق رویداد، مرزی پیرامون دهانه سیاه‌چاله است که دیگر نور از داخل آن یا روی آن نمی‌تواند از دام جاذبه بگریزد. هر جسم یا ذره‌ای (از جمله فوتون‌ها که ذرات تشکیل دهنده نور هستند) که وارد این حد افق شود، دیگر نمی‌تواند از سیاه‌چاله خارج شود. میدان جاذبه در کل نقاط این افق مقدار ثابتی دارد.

سیاه‌چاله‌ها

ناحیه داخلی سیاه‌چاله که جرم در آن متمرکز شده را تکینگی سیاه‌چاله می‌گویند. در واقع این ناحیه نقطه‌ای در فضازمان است که کل جرم سیاه‌چاله در آن جمع شده است.

بر طبق قوانین مکانیک کلاسیک، هیچ چیز نمی‌تواند از سیاه‌چاله فرار کند. اما مکانیک کوانتمی این دیدگاه را کمی دستخوش تغییر کرده است. در مکانیک کوانتمی برای هر ذره یک پاد ذره وجود دارد، ذره‌ای با جرم برابر اما با بار مخالف. اگر یک ذره و پادذره به هم برخورد کنند، همدیگر را از بین می‌برند.

اگر در جایی در مرز افق رویداد یک سیاه‌چاله، یک  زوج ذره – پادذره تشکیل شود، احتمال دارد که یکی از آن‌ها جذب سیاه‌چاله شود، اما دیگری به بیرون پرتاب شود. نتیجه این که سطح افق رویداد کاهش می‌یابد. به همین‌خاطر است که سیاه‌چاله‌ها در گذر زمان ممکن است دچار فرسایش شوند. این گونه است که سیاه‌چاله‌ها هم عمر محدودی دارند، مثلا پایان عمر اولین سیاه‌چاله شناخته شده یا ماکیان ایکس 1 تا حدود 66^10 سال بعد است که البته حتی در قیاس با عمر جهان (از مرتبه 10^10 سال) مقیاسی دیوانه‌کننده است. در مکانیک کلاسیک چنین موضوعی موجودیت نداشت. معادلات حاکم بر فیزیک سیاه‌چاله‌ها هنوز ذهن بسیاری از دانشمندان را به خود مشغول ساخته است.

یادت نره اینو بخونی!  گردشی آگاهانه در نرم‌افزار قرآنی Quran Pro Muslim: MP3 Audio Offline & Read Tafsir، آوازی خوش!

نوری که بر سیاه‌چاله‌های دوگانه تابید

در سال 2015، دانشمندان رصدخانه امواج گرانشی با تداخل سنج لیزری، یا لایگو توانستند برای اولین بار امواج گرانشی را ثبت کنند که به خاطر این کشف امسال جایزه نوبل فیزیک به سه تن از آنان تعلق گرفت. از آن موقع تا به حال، چند اتفاق مشابه هم رصد شده است. این امواج گرانشی که توسط لایگو ثبت شده‌اند،‌ در واقع از سیاه‌چاله‌های در هم ادغام شونده ساطع می‌شوند. نکته جالب راجع به این سیاه‌چاله‌ها این است که تا به حال سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای در این سطح از جرم پیدا نشده بودند، منظور بیش از 15یا 20 برابر جرم خورشید است.

دیوید شومیکر محقق MIT که سخنگوی جامعه علمی لایگو است، در مصاحبه‌ای گفته است: «الان روشی جدید برای اثبات وجود سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای با جرمی بیش از 20 برابر جرم خورشید، در اختیار داریم.» جامعه علمی لایگو از بیش از هزار دانشمند از سرتاسر جهان تشکیل شده که تحقیقات خود را به طور مشترک با یک تیم علمی دیگر مستقر در اروپا تحت عنوان ویرگو، انجام می‌دهند.

اسپین (جهت گردش به دور خود) سیاه‌چاله ها

رصدهای لایگو شواهدی جدید راجع به اسپین سیاه‌چاله‌ها در اختیار دانشمندان گذاشته است. دو سیاه‌چاله را در نظر بگیرید که به دور یکدیگر در حال چرخش هستند. شاید این دو در یک جهت در حال چرخش به دور خود باشند، شاید هم اسپین آن‌ها کاملا با هم تفاوت داشته باشد.

بانگالور ساتیاپرادش از دانشگاه ایالتی پن و کاردیف می‌گوید: «برای اولین بار به شواهدی دست پیدا کرده‌ایم که نشان می‌دهد سیاه‌چاله‌ها لازم نیست هم جهت باشند. درنتیجه احتمالا داریم به اثبات این‌ مسأله که واقعا سیاه‌چاله‌ها می‌توانند از یک خوشه ستاره‌ای چگال درست شوند، نزدیک می‌شویم.

امروزه دو تئوری اصلی برای پیدایش سیاه‌چاله‌های دوگانه وجود دارد: بر طبق نظریه اول، این سیاه‌چاله‌ها از دو ستاره که کنار هم متولد شده‌اند و با هم مرده و با هم منفجر شده‌اند، تشکیل شده‌اند. در این صورت ستاره‌های اصلی اسپین‌های برابر داشته و درنتیجه سیاه‌چاله‌هایی که از این ستاره‌ها به جا می‌مانند نیز خواص مشابهی دارند. بر طبق مدل دوم،‌ سیاه‌چاله‌هایی که در خوشه‌های ستاره‌ای بوجود می‌آیند، به سمت مرکز خوشه رفته و در آن‌جا ممکن است با هم جفت شوند. رصدهای لایگو، شامل سیاه‌چاله‌های دوگانه‌ای که اسپین‌های متفاوت دارند، بیشتر همین تئوری اخیر را اثبات می‌کنند.

کیتا کاوابه از کالتک در رصدخانه لایگو مستقر در هانفرد، کار می‌کند. وی معتقد است: «تازه جمع‌آوری داده در این خصوص را شروع کرده‌ایم و کم‌کم می‌توانیم مدل‌هایی را که بیشتر با یافته‌های ما سازگار هستند انتخاب کنیم. حتی بعد از این مدت کم هم،‌ معلوم است که یک سری از مدل‌ها سازگاری بیشتری با نتایج دارند. در آینده می‌توانیم تصمیم‌های دقیق‌تری بگیریم و مدل‌هایی را انتخاب کنیم که به نتایج مشاهدات ما نزدیک‌تر باشند.»

حقایقی جالب راجع به سیاه‌چاله‌ها

بیایید با هم تعدادی از نکات جالب راجع به این ساکنین مرموز کیهان را مرور کنیم.

  • اگر به داخل یک سیاه‌چاله سقوط کنید،‌ بنا به تئوریهای موجود، مثل یک اسپاگتی پخش می‌شوید و قبل از رسیدن به تکینگی می‌میرید. اما بنا بر نتایج یک تحقیق که در سال 20112 در نشریه ساینس به چاپ رسید، برخی دانشمندان ادعا می‌کنند که اثرات کوانتمی افق رویداد را تبدیل به چیزی مثل دیوار آتش می‌کند که با رسیدن به آن حد، درجا سوخته و می‌میرید.
  • سیاه‌چاله‌ها عمل مکش انجام نمی‌دهند. در حقیقت برای مکش باید خلایی وجود داشته باشد و سیاه‌چاله‌ها با آن همه جرم، یقینا خلا نیستند. اشیا به جای این که در آن‌ها مکیده شوند، داخل آن‌ها سقوط می‌کنند.
  • اولین سیاه‌چاله‌ای که کشف شد Cygnus X-1  (به فارسی، ماکیان ایکس یک) بود. موشک‌های حامل شمارنده‌های گیگر 8، منبع جدیدی از اشعه X شناسایی کردند. در سال 1971 دانشمندان از Cygnus X-1  تشعشعات رادیویی نیز ثبت کردند. یک همراه سنگین نیز برای این جسم پیدا شد که بعدها معلوم شد آن هم یک سیاه‌چاله است.
  • در سال 1974 یک شرط بندی دوستانه راجع به Cygnus X-1 بین استفان هاوکینگ و یک فیزیکدان دیگر به نام کیپ تورن انجام شد. هاوکینگ معتقد بود این جسم/منبع (در صورت فلکی قو یا Cygnus X-1 ) سیاهچاله نیست. وی در سال 1990 شرط را واگذار کرد. البته خود هاوکینگ واقعا به سیاه‌چاله بودن این جسم معتقد بود! به اعتقاد وی، این شرط‌بندی یک سیاست «عاقبت اندیشانه» بوده و در واقع بیمه‌نامه او، که مهمترین اثرش (تاریخچه زمان) و تز دکترایش راجع به سیاه‌چاله‌هاست، بوده است.
  • سیاه‌چاله‌های مینیاتوری هم ممکن است وجود داشته باشند. این اجرام می‌توانند در لحظات اولیه بیگ‌بنگ به وجود آمده باشند. فضازمان در حال انبساط سریع، ممکن است نواحی‌ای از فضا را به صورت سیاه‌چاله‌هایی با جرم کمتر از خورشید در خود فشرده باشد.
  • اگر یک ستاره بیش از حد به یک سیاه‌چاله نزدیک شود، احتمالا از هم فرو می‌پاشد.
  • دانشمندان تخمین می‌زنند که تنها در کهکشان راه شیری چیزی بین 10 میلیون تا یک میلیارد سیاه‌چاله ستاره‌ای وجود دارد. اجسامی با جرم‌هایی حدود 3 برابر جرم خورشید.
  • در نظریه ریسمان‌ها، انواع جالب توجه دیگری از سیاه‌چاله‌ها هم ظاهر می‌شوند که در تئوری‌های کلاسیک مکانیک اثری از آن‌ها نیست.
  • برای فیلم‌های علمی تخیلی یا کتاب‌هایی با همین موضوع، سیاه‌چاله‌ها منبع الهام فوق‌العاده‌ای هستند. مثلا می‌توانید در مقاله‌های سایت Space نظریه‌های علمی پشت صحنه‌های فیلم «بین ستارگان» را بخوانید. این فیلم دقیقا بر اساس نظرات کیپ تورن ساخته شده است. به نظر برخی صاحب نظران، پای علم واقعی با این فیلم سینمایی به هالیوود کشیده شده است. در واقع کار بر روی برخی صحنه‌های حاوی جلوه‌های ویژه خاص در این فیلم، منجر به یک سری پیشرفت‌های علمی در زمینه سیاه‌چاله‌ها شد. از جمله این‌که ستارگان نزدیک به یک سیاه‌چاله که سرعت دورانی بسیار بالایی دارد، از دید یک ناظر بیرونی چطور دیده می‌شوند.
  • اگر همین الان به جای خورشید ما، یک سیاه‌چاله با جرمی برابر با خورشید در مرکز منظومه شمسی قرار بگیرد … نه به سمت آن سقوط نمی‌کنیم. در واقع هیچ تغییر قابل توجهی در وضع ما پیش نمی‌آید، حداقل در کوتاه‌مدت!

 

توضیح شکل 1: تصویری حاصل تخیلات یک هنرمند:‌ عبور یک سیاه‌چاله (از دیدگاه ناظری در زمین) از مقابل ابر ماژلانی بزرگ.


منبع:  SPACE

 

می‌خوای نظر بدی؟

مطمئن باش، آدرس ایمیلت منتشر نمی‌شه.