سیاه چاله ها

مقدمه

یک سیاهچاله اغلب شی‌ای تعریف می‌شود که سرعت گریز آن حتی از سرعت نور بیشتر است. سرعت گریز حداقل سرعت ممکن برای یک جسم می‌باشد تا بتواند از میدان گرانشی جسمی دیگر فرار کند. برای درک بهتر موضوع تصور کنید روی سطح یک سیاره ایستاده‌اید و سنگی را مستقیما به بالا پرتاب می‌کنید. فرض کنید که سنگ را با قدرت زیادی پرتاب نکرده باشید سنگ برای مدتی بالا خواهد رفت اما در نهایت به خاطر گرانش سیاره پایین خواهد افتاد. اگر سنگ را به اندازه کافی محکم پرتاب کنید سنگ ممکن است از گرانش سیاره بگریزد در این حالت سنگ برای همیشه به بالا رفتن ادامه خواهد داد. سرعتی که نیاز است با آن سنگ را پرتاب کنید تا از گرانش سیاره بگریزد سرعت گریز نامیده می‌شود. سرعت گریز برای کره زمین تقریبا برابر ۱۱ کیلومتر بر ثانیه می‌باشد و برای خورشید ۶۶۰ کیلومتر بر ثانیه‌است. بدین ترتیب هر چه جرم افزایش می‌یابد و یا شعاع کاهش می‌یابد و به طور کلی هرچه جسم چگال‌تر باشد سرعت گریز نیز افزایش می‌یابد. می‌توان حدس زد که سرعت گریز برای یک سیاهچاله با جرمی حدود چند میلیون برابر خورشید چقدر است.
مطمئنا سرعت گریز سیاهچاله‌ها بیشتر از سرعت نور می‌باشد در نتیجه هیچ چیز نمی‌تواند از آن فرار کند. در نظریه نسبیت عام تمام جرم یک سیاهچاله در تکینگی متمرکز می‌شود که می‌تواند یک نقطه یا یک حلقه یا یک کره باشد. در اطراف تکینگی کره فرضی به نام افق رویداد وجود دارد که «نقطه بدون بازگشت» را مشخص می‌کند. مرزی که هرچیزی که از آن عبور کند به ناچار به سمت تکینگی هدایت می‌شود. همچنین محدوده یک سیاه چاله تا جایی است که جاذبه جرمی سیاهچاله وجود دارد، به عنوان مثال محدوده سیاهچاله کهکشان راه شیری از خود کهکشان راه شیری بزرگتر میباشد.
به طور کلی سیاهچاله ها از نظر دانشمندان به دو دسته سیاهچاله‌های چرخشی و غیرچرخشی تقسیم می‌شوند. اما دسته بندی معمول بر اساس جرم آنان می‌باشد. وقتی سیاهچاله‌ها براساس فروپاشی گرانشی یک ستاره شکل می‌گیرند سیاهچاله‌های ستاره‌وار نامیده می‌شوند. سیاهچاله‌هایی که در مرکز کهکشان‌ها یافت شده‌اند جرمی چند میلیون برابر جرم خورشید دارند و در نتیجه سیاهچاله‌های پرجرم نامیده می‌شوند. دانشمندان معتقدند بین این دو اندازه سیاهچاله‌هایی با جرم چندین هزار برابر جرم خورشید نیز وجود دارند که سیاهچاله‌های جرم متوسط نامیده می‌شوند و اما ریزسیاهچاله‌ها که دانشمندان معتقدند در زمان انفجار بزرگ شکل گرفته‌اند و همچنین امکان ساخت چنین سیاهچاله‌هایی در دستگاههای شتاب دهنده ذرات روی زمین وجود دارد. با این وجود تا کنون هیچ ریزسیاهچاله‌ای از سوی دانشمندان شناسایی نشده‌است.

تاریخچه

نگاره‌ای تخیلی از صفحه تجمع پلاسمای داغ بر گِرد یک سیاهچاله (برگرفته از ناسا).
ابداع واژه «کرم‌چاله»[۱] و «سیاه‌چاله فضایی»[۲] به جان ویلر نسبت داده شده است. با این‌حال، این مفهوم از مدت‌ها قبل به صورت‌های متفاوتی مطرح بوده است.
مفهوم جسمی که آن قدر پرجرم است که حتی نور هم نمی‌تواند از آن بگریزد ابتدا از سوی زمین‌شناسی به نام جان میچل درسال ۱۷۸۳ مطرح شد که آن را در مقاله‌ای که به هنری کوندیش فرستاد و از سوی انجمن سلطنتی به چاپ رسید عنوان کرد. در آن زمان مفهوم نظریه گرانش نیوتن و مفهوم سرعت گریز شناخته شده بودند. طبق محاسبات میچل جسمی با شعاعی ۵۰۰ برابر شعاع خورشید و چگالی مشابه در سطح خود سرعت گریزی بیش از سرعت نور خواهد داشت و بنابر این غیر قابل مشاهده خواهد بود. به بیان او:
«
اگر شعاع کره‌ای با چگالی مشابه خورشید قرار باشد که ۵۰۰ بار از آن بزرگ تر باشد جسمی که از ارتفاع بینهایت به سمت آن سقوط می‌کند در سطح آن سرعتی بیش ازسرعت نور به دست می‌آورد و اگر فرض کنیم نور با نیروی مشابهی به سمت ستاره کشیده شود آنگاه تمام نوری که از چنین جسمی ساطع می‌شود به ناچار به وسیله گرانش آن به سمت خود ستاره بازمی گردد.
 »
در سال ۱۷۹۶ پیر سیمون لاپلاس ریاضی دان فرانسوی نظریه مشابهی را در ویرایش اول و دوم کتاب خود به نام آشکارسازی نظام جهان مطرح کرد. این مطالب در ویرایش‌های بعدی کتاب حذف شد. این نظریه در قرن نوزدهم توجه چندانی را به خود جلب نکرد زیرا فیزیک دانان براین باور بودند که نور به صورت موج و فاقد جرم است و بنابراین تحت تاثیر گرانش قرار نمی‌گیرد.
درسال ۱۹۱۵ آلبرت اینشتین که قبلا نشان داده بود که گرانش نور را تحت تاثیر قرار می‌دهد نظریه گرانش خود به نام نسبیت عام را مطرح کرد.چند ماه بعد کارل شوارتسشیلد راه حلی برای میدان گرانشی یک جرم نقطه‌ای و یک جرم کروی ارائه داد که نشان می‌داد سیاهچاله‌ها می‌توانند به صورت تثوری وجود داشته باشند. شعاع شوارتسشیلد امروزه به عنوان شعاع افق رویداد یک سیاهچاله غیرچرخشی شناخته می‌شود. در سال ۱۹۳۰ سابراهمانیان چاندراسخار اختر فیزیک دان هندی ادعا کرد که یک جسم غیر تابنده با جرمی معادل ۴۱٫۱ برابر جرم خورشید به این دلیل که تا آن زمان چیزی که بتواند جلوی فروپاشی آن را بگیرد شناخته نشده بود فرومی‌پاشد.
رابرت اوپنهایمر پیش بینی کرد که ستارگان پرجرم ممکن است فروپاشی گرانشی تاثیرگذاری را تجربه کنند.اصولا سیاهچاله‌ها می‌توانند در طبیعت شکل بگیرند. از دید یک ناظر خارجی فروپاشی به سرعت در حال کند شدن است و در نزدیکی شعاع شوارتسشیلد انتقال به قرمز بسیار زیادی پیدا می‌کند به همین علت چنین اجسامی تا مدت‌ها «ستارگان منجمد» نامیده می‌شدند.در سال۱۹۶۷ پیشرفت‌های نظری و تجربی علاقهٔ اخترفیزیک‌دانان را به سیاهچاله‌ها برانگیخت. استیفن هاوکینگ ثابت کرد سیاهچاله‌ها یک خصوصیت عمومی در نظریه گرانشی اینشتین هستند و با فروپاشی برخی اجسام به ناچار سیاهچاله به وجود می‌آید. جامعهٔ ستاره‌شناسی با کشف تپ اخترها علاقه دوباره‌ای به سیاهچاله‌ها پیدا کرد. پس از مدتی اصطلاح سیاهچاله (حفره سیاه) از سوی فیزیک دانی به نام جان ویلرمطرح شد. او نخستین بار در سخنرانی عمومی خود با عنوان جهان ما شناخته‌ها و ناشناخته‌ها در دسامبر سال ۱۹۶۷ از این نام استفاده کرد.برای تشخیص سیاهچاله‌های نسبیت عام از دیگر اجرام نیوتنی که از سوی لاپلاس و میچل مطرح شده بودند غالبا آن اجرام را ستارگان تاریک می‌نامند.

ویژگی‌ها

نظریه «بدون مو»ی جان ویلر بیان می‌دارد تنها سه ویژگی سیاهچاله‌ها قابل تشخیص هستند که عبارتند از: جرم و بار الکتریکی و اندازه حرکت زاویه‌ای. این ویژگی‌ها خاص هستند چون از بیرون سیاهچاله قابل تشخیص اند.آن چه بین دانشمندان متداول است دسته‌بندی سیاهچاله‌ها بر اساس جرم آنان می‌باشد. بر اساس جرم سیاهچاله ها به سه دسته کم جرم، جرم متوسط و پر جرم دسته بندی می شوند .

طبقه بندی بر اساس جرم

سیاهچاله‌های پرجرم

جرمی بین چندمیلیون تا چند میلیارد برابر جرم خورشید دارند و پیش بینی می‌شود که در مرکز همه کهکشان‌ها از جمله کهکشان راه شیری وجود داشته باشند. بزرگ‌ترین سیاهچاله شناخته شده، سیاه چاله ام۸۷ است که ۴٫۶ میلیارد برابر سنگین تر از خورشید است.
سیاهچاله‌های جرم متوسط
این سیاهچاله‌ها جرمی هزاران برابر جرم خورشید دارند و گمان می‌رود که این سیاهچاله‌ها نیروی منابع پرتو ایکس را در فضا تامین می‌کنند. هیچ راه مستقیمی برای شکل گیری آنان شناخته نشده‌است اما محتمل است این نوع از برخورد سیاهچاله‌های با جرم کمتر شکل می‌گیرد. البته منبع پرتو ایکس صادره ناشی از سقوط اجسام به سیاه چاله است، نه خود سیاه چاله.
سیاهچاله‌های ستاره‌وار
این سیاهچاله‌ها جرمی بین سه تا پانزده برابر جرم خورشید دارند و از دو طریق تشکیل می‌شوند. یکی فروپاشی گرانشی ستاره‌های منفرد و دیگری برخورد ستاره‌های دودویی نوترونی.
ریزسیاهچاله‌ها
جرم این سیاهچاله‌ها به اندازه‌ای است که در آنها اثرات مکانیک کوانتومی اهمیت زیادی پیدا می‌کند. به طور کلی سیاهچاله‌هایی که جرمی کمتر از جرم خورشید دارند ریزسیاهچاله نامیده می‌شوند.
افق رویداد
محدوده‌ای از سیاهچاله است که هیچ چیز حتی نور نمی‌تواند به خارج از آن بگریزد. افق رویداد یک سطح جامد نیست و مانع ورود ماده یا تابشی که به سمت ناحیه داخل آن در حرکت است نمی‌شود. در واقع افق رویداد یک ویژگی تعریف شده سیاهچاله‌است که حدود سیاهچاله را مشخص می‌کند.علت سیاه بودن افق رویداد هم این است که هیچ پرتوی نور یا تابش دیگری نمی‌تواند از آن بگریزد. از این رو افق رویداد هر آنچه را که درون آن اتفاق می‌افتد از دید دیگران پنهان نگه می‌دارد. در حال حاضر بهترین نظریه‌ای که می‌توان با استفاده از آن اتفاقات درون افق رویداد را پیش بینی کرد نظریه نسبیت عام اینشتین است.
تکینگی
براساس نسبیت عام جرم یک سیاهچاله به طور کامل در داخل ناحیه‌ای با حجم صفر فشرده شده‌است. این ادعا بدین معناست که چگالی و گرانش این نقطه بی نهایت است.علاوه بر این خمیدگی فضا-زمان در این نقطه بی نهایت خواهد بود. این مقادیر بی نهایت باعث می‌شوند که بیشتر معادلات فیزیکی از جمله معادلات نسبیت کارایی خود را در مرکز سیاهچاله از دست بدهند. از اینرو فیزیک دانان این ناحیه بی نهایت چگال با حجم صفر در مرکز سیاهچاله را تکینگی می‌نامند.
تکینگی در یک سیاهچاله غیر باردار غیرچرخشی یک نقطه‌است به عبارت دیگر ناحیه‌ای است که طول عرض و ارتفاع آن صفر است.امادر مورد این تعریف تردیدهایی وجود دارد.براساس مکانیک کوانتومی هیچ جسمی نمی‌تواند دارای اندازه صفر باشد. بنابر تعریف مکانیک کوانتومی مرکز یک سیاهچاله تکینگی نیست بلکه ناحیه‌ای است که در آن مقادیر زیادی ماده در کوچک‌ترین حجم ممکن فشرده شده‌است.
فوتون کره
فوتون کره یک سیاهچاله غیرچرخشی محدوده‌ای است کروی با ضخامت صفر و فوتون‌هایی که در طول مسیر مماس بر این کره حرکت می‌کنند در مداری دایره‌ای گرد آن به دام می‌افتند. در سیاهچاله‌های غیرچرخشی شعاع فوتون کره یک و نیم برابر شعاع افق رویداد است.
آرگوسفر
هر جسم فوق چگال و بزرگ در حال چرخش اثری ایجاد می‌کند که به «کشش چارچوب» معروف است. کشش چارچوب باعث می‌شود که فضا-زمان اطراف جسم در راستای چرخش آن کشیده شود. آرگوسفر یکی از ویژگی‌های سیاهچاله‌های چرخشی است این کره با این نواحی هم مرز است:
از بیرون با سطح کروی شکل پهنی که در قطب‌هایش بر افق رویداد منطبق است و به طرز قابل توجهی در ناحیه استوایی خود پهن تر است. این محدوده را معمولاً «ارگوسرفس» یا سطح کار می‌نامند.
از درون با افق رویداد بیرونی.
روش‌های شناسایی سیاهچاله‌ها
در بعد تئوری هیچ چیز نمی‌تواند از درون افق رویداد یک سیاهچاله به بیرون آن راه یابد. با این وجود سیاهچاله‌ها را می‌توان با مشاهده پدیده‌های نزدیک آنها یا حلقهٔ تجمعی وعدسی گرانشی و فوران‌های کهکشانی شناسایی کرد.
حلقه‌های تجمعی و فوران‌های پرانرژی
حلقهٔ تجمعی بسیار داغ و چرخان پیرامون سیاهچاله که متشکل از مواد در حال سقوط به درون سیاهچاله‌است آشکارترین نشانه برای شناسایی سیاهچاله‌ها است. غلظت داخلی حلقه باعث می‌شود حلقه داغ شده و مقادیر زیادی پرتوی ایکس و تابش فرابنفش از خود ساطع کند. با این همه حلقه‌های تجمعی و فوران‌های پرانرژی تنها به سیاهچاله‌ها اختصاص ندارند بلکه در اطراف اجسام دیگری از قبیل ستارگان نوترونی نیز یافت می‌شوند.
عدسی گرانشی
جزو آن پدیده‌هایی است که پیدایش آن می‌تواند دلایل دیگری به جز وجود سیاهچاله‌ها داشته باشد. یک عدسی گرانشی می‌تواند با خمیده کردن پرتوهای نور که در عدم حضور آن هرکدام به سویی می‌رفتند به سمت تلسکوپ‌های ما تصاویر چندگانه‌ای از اجرام بسیار دور به ارمغان آورد.
آشکارسازی سیاهچاله‌ها
یکی از راه‌های کشف سیاهچاله‌ها استفاده از امواج گرانشی است که هنگام فروپاشی گسیل می‌دارند. هر جرم اختری از حیث شکل نامتقارن تشعشع ممکن است یک منبع قابل اکتشاف مشخص به وجود آورد. جوزف وبر از دانشگاه مریلند، پیش کسوت رشته تشعشع گرانشی، رویدادهای زیادی را کشف کرده‌است که حاکی از ویرانی وسیع ماده در جهان، از راه فروپاشی گرانشی است. کارافزار او عبارت است از آنتن‌های آلومینیومی، ابزاری که به‌وسیله سیم‌هایی در داخل اتاق‌های حفاظداری آویزانند. این کارافزار او قادر به کشف سیاهچاله است، اما این کار را نمی‌تواند به دقت انجام دهد.
تبدیل ستارگان بزرگ به سیاه‌چاله‌ها
ابتدا برای فهم بهتر سیاهچاله‌ها بد نیست این را بدانید سیاهچاله‌ها به قدری متراکمند که اگر کل کرهٔ زمین قطرش به ۰٫۹ سانتیمتر تقلیل یابد اما جرمش ثابت بماند به یک سیاهچاله تبدیل می‌گردد.
بر سر ستاره در حال مرگی که بیش از ۱٫۴ برابر خورشید است چه می‌آید؟ حتی نیروی قوی نیز نمی‌تواند سرعت فروپاشی درونی آن را متوقف سازد. و این ستاره کاملاً فرو می‌پاشد و از مرحله ستاره نوترونی فراتر رفته و حتی به یک شی کوچک‌تر و چگال‌تر یعنی سیاهچاله تبدیل می‌شود. اگر هر جسم را به اندازه شعاع شوارتز شیلد منقبض کنیم آن جسم به یک سیاهچاله تبدیل می‌شود شعاع شوارتز شیلد زمانی ایجاد می‌شود که سرعت گریز از جاذبه به سرعت نور برسد
فروپاشی کامل به معنای آن نیست که سیاهچاله از روی صفحه جهان محو می‌شود. همان طور که به‌وسیله اینشتین توصیف شده‌است ساختار فضا- زمان فرو پاشی بی پایان را منتفی می‌کند و به جای آن یک انحنای غیر مادی، نامرئی و واقعی فضا را به وجود می‌آورد. یک سیاهچاله را می‌توان به مرد نامرئی سنگین وزنی تشبیه کرد که روی یک نیمکت نشسته‌است. او دیده نمی‌شود ولی وزن او در نیمکت فرورفتگی ایجاد می‌کند.
سیاهچاله برای فیزیکدانان نظری چیز تازه‌ای نیست. در سال ۱۹۳۹ج. اوپنهایمرو هارتلند و اس. اشنایدر برای نخستین بار سیاهچاله‌ها را به عنوان نتیجه‌ای از نسبیت عمومی پیشنهاد کردند ولی در آن زمان برای تشخیص آنها هیچ راه معلومی وجود نداشت. اما با پیشترفت اخیر اخترشناسی رادیویی و کشف علائم رادیویی توضیح ناپذیر از اعماق فضا، سیاهچاله‌ها به صورت موضوع بسیار مهم اخترشناسی درآمده‌اند. دانشمندان معتقدند که این اشیای نظری پدیده‌های با انرژی فوق العاده چون اختر نماها و تپ اخترها می‌توانند نقشی داشته باشند. سیاهچاله‌ها و ستارگان نوترونی تنها اشیای شناخته شده در فیزیک هستند که برای انجام مشاهده‌های اخترشناختی روی چنان فرستنده‌های بسیار نیرومند تشعشع، به اندازه کافی فشرده و پر جرمند.
تعداد سیاهچاله‌ها در جهان
به عقیده‌ای.جی.دابلیو. کامرون از دانشگاه یشیوا ممکن است جهان پر از سیاهچاله باشد. نظریه کیهان‌شناسی پیش بینی می‌کند که جهان شامل مقدار مشخصی ماده‌است. اما اخترشناسان از مشاهده‌هایشان استنباط کرده‌اند که تقریباً ماده به اندازه کافی وجود ندارد تا این پیش بینی‌ها را عملی سازد. ماده مشاهده شده به اندازه قابل ملاحظه‌ای کمتر از ماده پیش بینی شده‌است. دکتر کامرون بر آن است که ماده گمشده ممکن است به وسیله شمار زیادی سیاهچاله بلعیده شده باشد.
تاریخ شیمیایی جهان نشان می‌دهد که نخستین ستارگانی که تشکیل شده‌اند بسیار بزرگ بوده‌اند و انتظار می‌رود به سیاهچاله‌ها تبدیل شوند. با قطعیت نمی‌توان گفت که همه ستارگان ناگزیر به سیاهچاله‌ها مبدل می‌شوند. دانشمندان نشان داده‌اند که ستارگان نامتقارن ستارگانی که تقارن کروی تقریباً کامل ندارند به این سرنوشت دچار می‌شوند. اما به عقیده وای. ب. زلدوویچ فیزیکدانان شوروی و گروه انگلیسی استیون هاوکینگ، راجر بن روز و روبرت چراک، عدم تقارن شکلی کوچک، یک ستاره بزرگ را نجات نخواهند داد.
جهان حفره‌ها
سیاهچاله، این اجرام نادر و عجیب، را می‌توان نتیجه تفکرات جوان باهوش آلمانی که در سال ۱۹۱۶ در دفتر ثبت اختراعات سوئیس مشغول به کار بود دانست. آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۹ تئوری نسبیت عام خود را که انقلابی عظیم در فیزیک نوین بود را ارائه کرد. آلبرت اینشتین پی برده بود که جهان اساساً در مکانهای متفاوت نسبت به قوانین نیوتن قابل توضیح نیست. او گفت که سه بعد از فضا نمی‌توانند به صورت مجزا از بعد چهارم یعنی زمان باشند. او گفت که اینها باهم پیوسته هستند و آنها رافضا – زمان نامید. این ساختار همانند یک ساختار نامرئی است که در واقع وجود دارد. او گفت که فضا نمی‌تواند مطلق باشد، بلکه پیوسته‌است. این بافت فضا زمانی می‌تواند خمیده شود و یا اینکه پیچ و تاب پیدا کند.
این بافت که می‌تواند جالب باشد فقط در صورتی می‌تواند مسطح و صاف باشد که هیچ چیز در روی آن وجود نداشته باشد. اگر جسمی جرم دار در روی آن وجود داشته باشد گرانش نیز وجود دارد و هر جا که گرانش وجود داشته باشد این بافت فضا – زمان خمیده می‌شود. و همین خمیدگی بافت فضا- زمان برای اجرام حکم می‌کند که چگونه حرکت کنند.یا در واقع می‌گوید که گرداگرد این فضا – زمان خمیده به سیر و سفر بپردازند. گرانش در تئوری نسبیت عام اثر هندسی جرم بر فضای اطراف خود است. اگر بخواهیم کمی ساده‌تر توضیح دهیم همین خمیدگی عامل ایجاد گرانش است.
اینشتین برای تصور این واقعیت فرض کرد که کاغذی دارد و آن کاغذ را ساختار فضا – زمان فرض کرد. او جسمی سنگین را در روی آن کاغذ قرار داد (آن جسم را خورشید در نظر گرفت) و دید که در ساختار کاغذ خمیدگی و فرورفتگی ایجاد شده‌است. او گفت که این فضا زمان خمیده گرانشی تولید می‌کند که هر چه این خمیدگی بیشتر باشد گرانش نیز قوی‌تر خواهد بود. سرانجام در جهان اجرامی وجود دارند که این خمیدگی را به نهایت خود می‌رسانند و تمام مسیرها را بسوی خود خم می‌کنند و این اجرام دقیقاً سیاهچاله‌های کیهانی هستند.
نظریه جهان‌های درون سیاهچالگان
به تازگی نظریه هایی در حال گسترش است که در آنها سیاهچالگان حاوی و کرمچالگان دریچه های جهان‌های گوناگون معرفی شده اند. طبق این نظریات کل جهان ما میتواند درون یک سیاهچاله باشد.

شما ممکن است این را هم بپسندید

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

error: Copiing not allowed