سیاهچاله چیست

سیاهچاله چیست؟

سیاه چاله چیزی است که پس از مرگ یه ستاره عظیم باقی می ماند. ستاره ها رآکتورهای همجوش عظیمی هستند که در خود می جوشند و به دو دلیل تمایل بسیار زیادی برای فروپاشی دارند: به غایت عظیم اند و از گاز تشکیل شده اند. این دو عامل کافی است تا میدان گرانشی شدیدی شکل گرفته و ستاره را از درون منهدم کند. بار دیگر که خورشید را در آسمان دیدید، به این فکر کنید که همان لحظه در سطح خورشید میلیون ها اتم در حال همجوشی با یکدیگر هستند تا هسته ای سنگین تر بسازند. و هر چه این فعالیت ادامه می یابد، خورشید پیرتر و پیرتر می شود تا در نهایت متلاشی شده و از بین برود. واکنش های همجوشی که در هسته ی ستاره رخ می دهد همانند بمب های هسته ای عظیمی هستند که مرتبا کره را مورد اصابت قرار می دهند. توازن میان نیروی گرانشی و نیروی انفجاری، اندازه یک ستاره را تعریف می کند.

به محض اینکه ستاره از پای در می آید، واکنش همجوشی هسته ای متوقف می شود چرا که سوخت مورد نظر دیگر به اتمام رسیده و چیزی برای سوختن و انفجار وجود ندارد. در همین حال، نیروی انفجاری به صفر می رسد اما نیروی گرانشی سر جای خود باقی است بنابراین با قدرت هر چه تمام تر ستاره را به دورن می کشد.ستاره که فشرده می شود به ناگه داغ شده و انفجار ابرنواختر صورت می گیرد که طی آن مواد و اشعه ها به درون فضا پرتاب می شوند. آنچه که باقی می ماند، هسته ی بسیار فشرده و عظیم است. گرانش هسته به قدری بالاست که حتی نور هم نمی تواند از آن فرار کند.

این جسم حالا یک سیاهچاله است و به معنای واقعی کلمه غیر قابل دیدن است، چرا که نوری از آن بازتاب نمی شود. اساس دیدن یک چیزی توسط انسان، دریافت نور تابیده شدن به آن است. اگر خودتان را درون اتاقی که هیچ نوری به آن نفوذ نمی کند حبس کنید، عملا هیچ چیزی مشاهده نمی کنید، دقیقا مثل زمانی که پلک های خود را بسته اید. بنا به همین دلیل، سیاهچاله ها هم اگرچه به نظر ملموس اند اما دیدنی نیستند.

به دلیل فشردگی بیش از حد و جاذبه قوی، هسته از قاعده فضا-زمان گذر می کند و یک چاله در فضا-زمان ایجاد می کند. به این دلیل آن را سیاهچاله می نامند.

هسته تبدیل به مرکز سیاهچاله می شود که آن را سینگولاریتی یا تکینگی می نامند و مرز ورود به سیاهچاله را  افق رویداد (Event horizon) می نامند. افق رویداد جایی است که فضا-زمان در حال تغییر شکل است و اگر چیزی وارد آن منطقه شود به سوی تکینگی کشیده خواهد شد.

در واقع افق رویداد همانند دهان یک سیاهچاله است. اگر چیزی وارد آن شود، همه رویدادهایی که در فضا-زمان رخ می دهند متوقف خواهند شد و هیچ چیز، حتی نور با سرعت عجیب خود هم نمی تواند از آن فرار کند. به شعاع یک افق رویداد، شعاع شوارتزشیلد هم می گویند که بر اساس نام ستاره شناس آلمانی برگزیده شده. کارل شوارتزشیلد در فهم این دانش کمک بسیاری کرد و در حال حاضر نتیجه تحقیقات وی را مطالعه می کنیم.

اولین بار در سال ۱۹۷۵، دانشمندی با نام Pierre Simon Laplace با استفاده از تئوری جاذبه نیوتون محاسبه کرد که اگر جسمی بسیار فشرده شود، سرعت گریز جسم از سرعت نور نیز بیشتر خواهد شد.

چه تعداد سیاه­چاله وجود دارد؟

به سختی می­توان گفت، اما کشفیات اخیر پیشنهاد می­کنند که این تعداد می­تواند بیشتر از چیزی باشد که قبلا تصور می شد. برای نمونه، دانشمندان سیاه­چاله­ های پنهانی را ردیابی کرده ­اند که به صورت غیرعادی خاموش هستند، همین موضوع تعیین مکان این نوع سیاهچاله را دشوار می­سازد. به گفته ی محققان احتمالا بیش از ۱۰۰ میلیون سیاهچاله ی ستاره ­ای فقط در کهکشان ما وجود دارد، البته با در نظر گرفتن تعداد سیاه­چاله­ های خاموش و نهان.

سیاه­چاله ­های فوق پرجرم (ابرسیاه­چاله­ ها) کمیاب تر هستند، ولی دلیلی وجود دارد که معتقد باشیم آنها نیز می­توانند بسیار پرتعدادتر از چیزی باشند که سابقا باور داشته­ ایم. مدلهای جدید از کیهان پیشنهاد می ­کنند که ابرسیاه­چاله­ ها ممکن است در خوشه ­های کهکشانی قرار داشته باشند، اگر این فرضیه درست باشد تعداد سیاهچاله ها را به طور چشمگیری افزایش می­دهد.

انواع ساهچاله :

دو مدل سیاهچاله وجود دارد:

• Schwarzschild – سیاهچاله های ثابت
• Kerr – سیاهچاله های چرخان

سیاهچاله های شوارتزشیلد ساده ترین مدل هستند که هسته آن ها حالت چرخشی ندارد. این مدل سیاهچاله ها فقط یک تکینگی و یک افق رویداد دارند.

سیاهچاله Kerr، که معمول ترین مدل سیاهچاله ها است، حالت چرخان دارند، چرا که ستاره ی پیشین آن (که الان تبدیل به هسته شده) در حال چرخش بوده. وقتی که ستاره چرخان از هم فرو می پاشد، هسته به چرخش خود ادامه می دهد و این اتفاق زمانی که تبدیل به سیاهچاله می شود هم بنا به قانون پایستگی تکانه زاویه ای، ادامه دارد. سیاهچاله Kerr از موارد زیر تشکیل شده:

• تکینگی – هسته ی ستاره ی منهدم شده
• افق رویداد – ورودی سیاهچاله
• ارگوسفر یا کارکُره – ناحیه ای تخم مرغی شکل در ناحیه ای از فضا که دور تا دور افق رویداد را پوشانده. ارگوسفر همان ناحیه ای است که همه چیز کشیده شده به نظر می رسد. در این قسمت فضا به درون کشیده می شود اما هنوز چیزی را به درون سیاهچاله هدایت نکرده. ارگوسفر به خاطر چرخش سیاهچاله ایجاد می شود.
• حد استاتیک – مرز میان ارگوسفر و فضای حقیقی

اگر جسمی وارد ارگوسفر بشود همچنان می تواند با به دست آوردن انرژی از چرخش تکینگی از سیاهچاله خارج شود. با این حال، هر چیزی که از افق رویداد بگذرد به درون سیاه چاله کشیده شده و هیچ وقت نمی تواند از آن خارج شود. کسی نمی داند که درون سیاهچاله چه اتفاقی رخ می دهد؛ حتی تئوری های فعلی فیزیکی ما نزدیک به یک تکینگی هم نیست.

اگرچه ما نمی توانیم سیاهچاله را ببینیم اما سه چیز را در ارتباط با آن می توانیم اندازه بگیریم: جرم، بار الکتریکی، سرعت چرخش (تکانه زاویه ای).

جرم یک سیاهچاله را تنها از طریق سرعت گردش اجرام به دور آن می تواند محاسبه کرد. اگر سیاهچاله به دنبال خود همراهانی داشته باشد (برای مثال یک ستاره دیگر یا اجرام آسمانی عظیم) می توان شعاع چرخش یا سرعت مدار اطراف سیاهچاله را اندازه گرفت. ستاره شناسان با استفاده از قانون سوم کپلر جرم یک ستاره را اندازه می گیرند.

چگونه یک سیاهچاله را تشخیص می دهیم؟

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:

1. محاسبه جرم از طریق اجسامی که دور سیاهچاله می چرخند یا به مرکز آن فرو می روند
2. اثرهمگرایی گرانشی
3. 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.

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.

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.

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.

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.

در صورت سقوط در سیاه­چاله چه اتفاقی می­ افتد؟

خبر خوب این است که سیاه­چاله ­ها برای بلعیدن سیارات به دنبال آنها در گشت و گذار نیستند. در واقع خطر این اتفاق، سیاره زمین را تهدید نمی­کند و برای سقوط درون یکی از آنها لازم است که شما مستقیما به دنبال یک سیاهچاله بگردید تا به این تجربه دست پیدا یابید. با این تفاسیر، اگر شما روزی درون یک سیاه­چاله سقوط کردید زنده نخواهید ماند تا داستان و تجربیات خود را بازگو کنید. زمانی که وارد افق رویداد می شوید، همه ی اتفاقات شوم و ترسناک رخ خواهد داد. اینجا جایی است که گرانش آنقدر قوی است که هیچ چیزی، حتی نور هم توان گریز از چنگال سیاهچاله را ندارد.

در ابتدا بدن شما شروع به کشیده شدن(درازتر شدن) می­کند مانند ماده لزجی که درون تیوب خمیر دندان است، تا زمانی که از درون شکسته و از هم پاشیده می­ شوید تا تبدیل به جریانی از ذره­ های زیراتمی شوید. در نهایت، آنچه از شما باقی می مانده به سمت یک تکینگی فشرده می رود، جایی که قوانین فیزیکی که در حال حاضر می­دانیم حتی قادر به محاسبه ی آن نیستند. در مورد اینکه چه اتفاقی خواهد افتاد هر کسی حدس و گمان و محاسابت خود را داراست و نمی توان به طور قطع پاسخ داد.

اگر دو سیاه­چاله با هم برخورد کنند چه پیش خواهد آمد؟

فضا-زمان به خودی خود و به طور عینی در حال ارتعاش است، مانند یک موج آب روی یک دریاچه. اگرچه این ارتعاشات فضا-زمان یا امواج گرانشی اولین بار توسط نسبیت عام اینشتین پیش ­بینی شده بود، اما این امواج اینجا بر روی زمین برای نخستین بار در سال ۲۰۱۵ توسط تجهیزات لیگو-LIGO (رصدخانه موج گرانشی تداخل­ سنج لیزری) کشف و ردیابی شد. به گفته یدانشمندان این امواج گرانشی توسط دو سیاه­چاله در حال برخورد که در فاصله ۱٫۳ میلیارد سال نوری از زمین بودند، به وجود آمده اند. این یک کشف پیشرو و سدشکن است که به ما این امکان را می­دهد در جهان هستی بیشتر و عمیقتر نسبت به سابق جستجو و کشف کنیم، از طریق همین روش است که اشعه ایکس این اجازه را به ما می­دهد تا بدون باز کردن بدن انسان داخل آن را ببینیم. مححقان با مطالعه بر روی این امواج، می توانند نهایتا گره از رازهای سر به مهر در مورد اتفاقاتی که در سیاه­چاله­ ها رخ می دهد را بگشایند.