سیاهچاله چیست؟

طبق نظریه ، نسبیت عام ، گرانش انحنا دهنده فضا - زمان است. فضای حول ستاره به نحو بارزی خم می‌شود در لحظه‌ای که هسته ستاره تبدیل به حفره سیاه می‌شود. این جرم خطوط فضا زمان را مانند پیله‌ای به دور خود می‌پیچد. امواج نوری کم تحت زوایای خاصی به سمت سیاهچاله روان می‌شود. در سطح کره‌ای که هم مرکز نقطه یکتایی سیاهچاله است، تجمع می‌کنند. در فاصله معینی از سیاهچاله که بسته به جرم ستاره رمبیده دارد، جاذبه آنچنان زیاد است که نور نمی‌تواند فرار کند، به این فاصله افق حادثه گفته می‌شود.

سیاه چاله ها اجرام فضایی دارای شعاع بسیار کم (در حدود یک دهم شعاع زمین) و جرم بسیار زیاد می‌باشند (بیش از ۵ برابر جرم خورشید). یکی از خصوصیات آن‌ها گرانش زیاد آن‌ها است که حتی نور را هم در خود جذب می‌کند.

مهم‌ترین یافته‌های اخترشناسی سالهای ۱۹۶۰ تپ اخترها و اخترنماها هستند. تپ اخترها منابع رادیویی و (حداقل در یک مورد) منبع نوری تپنده منظم هستند. اختر نماها منابع نوری و رادیویی بسیار شدیدی هستند که ظاهراً از زمین فاصله زیادی دارند.

کشف تپ اخترها و اخترنماها بیشتر در نتیجه پیشترفتهای اخترشناسی رادیویی تحقق یافت که در سالهای ۱۹۷۰ منجر به جستجوی طبقه تازه‌ای از اشیای آسمانی شد.

این پدیده‌ها، سیاهچاله‌ نامیده می‌شوند. زیرا حتی نور توانایی گریز ندارد (به عبارت فیزیکی سرعت فرار آن از سرعت نور بیشتر است) و بدین جهت تاریک دیده می‌شوند محوطه‌ای که در دید تاریک دیده می‌شود "افق رویداد" و به شعاع آن "شعاع شوارتزیلد" می‌گویند.

اخترفیزیکدانان، سیاهچاله ها را که بسیار کوچکند، آخرین مرحله تاریخ زندگی ستارگان بسیار بزرگ می‌دانند. دانشمندان، سیاهچاله‌ها را که بر اثر نیروی گرانش خودشان فرو می پاشند، از نظریه نسبیت عمومی آلبرت اینشتین استنتاج کرده‌اند. نظریه اینشتین در نظریه جاذبه (گرانش) نیوتون کاملاً تجدید نظر کرده‌است.

اگر یک سیاهچاله در فضای خارجی کشف شود. این رویدادها برای فیزیک و اخترشناسی با اهمیت خواهد بود. فیزیک کلاسیک نمی‌تواند سیاهچاله‌ را تبیین کند. اگر یک سیاهچاله‌ وجود داشته باشد، نسبیت عمومی به طور واقعی مورد تایید قرار خواهند گرفت.

 

ساختار سیاهچاله ها
با حل استاتیک غیر چرخشی با تقارن کروی برای معادلات میدان انیشتین این نکته مشخص می‌شود که سیاه چاله ها که از یک سمت به صورت چاه عمل می‌کنند، در سطح دیگری بصورت چشمه عمل می‌کند. یعنی می‌تواند دو سطح مختلف فضا زمان را از جهانهای گوناگون یا دو نقطه بسیار دور از جهان خودمان را به هم متصل کند. که به این حالت کرم چاله یا پل "انیشتین-رزن" گفته می‌شود.

 

سیاه چاله ها چگونه بوجود می‌آیند؟
هر چه ستاره‌های نوترونی بزرگتر باشد کشش جاذبه‌ای داخلی آن نیز بیشتر خواهد بود. در سال 1939 "اوپنهایمر" فکر کرد که نوترونها نمی‌توانند در برابر همه چیز مقاومت کنند. به نظر او اگر یک چیز در حال از هم پاشیدن بزرگتر از 2.3 برابر اندازه خورشید بود، آنگاه نه تنها الکترونها بلکه نوترونهای آن نیز در هم می‌شکست.

همچنین باید بدانیم که وقتی نوترونها در هم شکستند، دیگر هیچ چیز مطلقا وجود ندارد که از در هم پاشیدن ستاره جلوگیری کند. اگر شما خود را روی سطح یک توده در حال از هم پاشیدن تصور کنید، آنگاه شما با فرو ریختن آن جسم به مرکز آن نزدیکتر و نزدیکتر خواهید شد. و بنابراین نیروی جاذبه بیشتر و بیشتری را حس خواهید کرد. تا هنگامی که ستاره به مرحله کوتوله سفید برسد، شما بیش از 1.016 تن وزن پیدا خواهید کرد.

وقتی که ستاره به در هم پاشیدن ادامه داد و از مرحله ستاره نوترونی هم گذشت و بطور کامل از هم پاشید، وزن شما از 15000 میلیون تن بیشتر و بیشتر خواهد شد. اگر سیاهچاله به اندازه کافی به ما نزدیک بود، می‌توانستیم نیروی جاذبه بر آن را حس کنیم. اما وقتی یک سیاه چاله در میان ستاره ها خیلی دورتر از ما قرار دارد، آیا می‌توانیم وجود آنرا اثبات کنیم؟ برای این منظور اخترشناسان دو راه آشکار شدن حدس می‌زنند.

- اول از روی جرم سحابی. برای مثال اگر آنها جرمهای تمام ستارگان موجود در یک خوشه ستاره‌ای مرئی بطور قابل ملاحظه ای کمتر از جرم خوشه وجود داشته باشد، مرکز کهکشانها به عنوان مکانهایی تلقی می‌شوند که در آنها سیاه چاله ها وجود دارند. زیرا چگالی مواد در آنجا زیاد است.

- راه دوم نیز این بوده که اگر چه از سیاه چاله ها هیچ تشعشعی خارج نمی‌شود، اما چیزهایی که در سیاه چاله ها سقوط می‌کنند، به هنگام سقوط اشعه ایکس از خود منتشر می‌کنند و هر چیز کوچکی که در سیاه چاله ها سقوط کند، تنها مقدار کمی اشعه ایکس از خود منتشر می‌کند. این مقدار برای کشف آن در فاصله میلیونها میلیون کیلومتری کافی نخواهد بود.

در سال 1971 یک دانشمند انگلیسی به نام استفن هاوکینگ عنوان کرد که این واقعه بوجود آمدن سیاه چاله ها هنگامی که جهان نخستین انفجار بزرگ خود را آغاز کرد اتفاق افتاده است. هنگامی که تمامی مواد تشکیل دهنده جهان منفجر شد، مقداری از این مواد آن چنان به هم فشرده شدند که تبدیل به سیاهچاله گشتند. وزن برخی از این سیاه چاله ها ممکن است به اندازه وزن یک سیاره کوچک و یا از آن کمتر باشد و وی آنها را سیاهچاله کوچک نامید.

نتایج تحقیقات هاوکینگ

- سیاه چاله ها می‌توانند وزن از دست بدهند.

- مقداری از انرژی جاذبه ای آنها در خارج از محدوده شعاع شوارتز شیلد ستاره به ذرات ماده تبدیل می‌شود.

- ممکن است این ذرات به فضای بیرون بگریزند از این طریق مقداری از مواد تشکیل دهنده سیاه چاله های بزرگ که به اندازه یک ستاره وزن دارند، برای تبخیر همه مواد تشکیل دهنده اش میلیونها میلیون سال وقت لازم است. در حالی که در این مدت خیلی بیشتر از این مقدار ماده به آن اضافه می‌شود. بنابراین هیچگاه از طریق تبخیر وزن آن کاسته نمی‌شود.

- هر چه سیاهچاله کوچکتر باشد سرعت تبخیر آن بیشتر است یک سیاهچاله کوچک واقعی باید بیشتر از مقدار ماده‌ای که به خود جذب می‌کند وزن از دست بدهد. بنابراین سیاهچاله کوچک باید بوسیله تبخیر کوچکتر و کوچکتر شود و بالاخره هنگامی که دیگر خیلی خیلی کوچک شد یک مرتبه تبخیر آن حالت انفجاری به خود گرفته و تشعشعاتی حتی با انرژی بیشتر از اشعه ایکس منتشر کند. اشعه منتشر شده از این طریق اشعه گاما خواهد بود.

- سیاه چاله ها ی کوچکی که 15 میلیون سال پیش هنگام نخستین انفجار بزرگ جهان ایجاد شده‌اند، اکنون ممکن است در حال ناپدید شدن باشند. هاوکینگ اندازه اولیه آنها و نوع اشعه گامایی را که هنگام انفجار تولید می‌کنند، حساب کرد. 

 تبدیل ستارگان بزرگ به سیاهچاله ها

ابتدا برای فهم بهتر سیاهچاله ها بد نیست این را بدانید سیاهچاله ها 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 نمی تواند 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 کوچک تر و چگال تر یعنی سیاهچاله‌ تبدیل می‌شود. اگر هر جسم را به اندازه شعاع شوارتز شیلد منقبض کرد ان به یک سیاه چاله تبدیل می‌شود شعاع شوارتز شیلد زمانی ایجاد می‌شود که سرعت گریزه از جاذبه به سرعت نور برسد.

فروپاشی کامل به معنای آن نیست که سیاهچاله‌ از روی صفحه جهان محو می‌شود. همان طور که به وسیله اینشتین توصیف شده است، 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 ۱۹۳۹ "ج. اوپنهایمرو هارتلند" و "اس. اشنایدر" برای نخستین بار سیاهچاله ها را به عنوان نتیجه ای 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، سیاهچاله ها 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. سیاهچاله ها و ستارگان نوترونی تنها اشیای شناخته شده در فیزیک هستند که برای انجام مشاهده های اخترشناختی روی چنان فرستنده های بسیار نیرومند تشعشع، به اندازه کافی فشرده و پر جرمند.

 

ویژگی سیاهچاله ها

فیزیکدانان به یاری تجهیزات کوچک، توصیف نسبتاً جامعی از سیاهچاله ها به دست داده‌اند. به باور دکتر "جان ویلر" و دکتر "رئو روفینی" از دانشگاه پرینستون، سیاهچاله ها اندازه و شکلی به مفهوم قراردادی آن ندارند اما آنها در محدوده یک قطر ۱۵ کیلومتری عمل می‌کنند. سیاهچاله‌ها جرمهای متفاوتی بین جرم خورشید و صد میلیون برابر جرم خورشید دارند. سیاهچاله‌ها مثل گرداب عمل می‌کنند. هر جرم با انرژی سرگردانی که به یک سیاهچاله‌ نزدیک شود (در داخل فاصله معینی که افق آن خوانده می‌شود) بطور مقاومت ناپدیری به درون گرداب، که همان سیاهچاله‌، است کشیده می‌شود. نیروهای کشندی شدید درون سیاهچاله ها ماده را در یک سمت می کشد و منبسط می کند و در سمت دیگر می‌فشرد و خرد می‌کند. تا آن که آن ماده به کلی تجزیه و جزء فضای خمیده و سیاهچاله‌ شود.

خواص دیگر سیاهچاله ها از این هم عجیب تر است. زمان و مکان خصوصیات خود را در درون ستاره کاملاً فرو پاشیده رد و بدل می‌کنند. هر شی در شرایط عادی اندازه خود را نگه می‌دارد ولی نمی‌تواند از عمر فیزیکی بگریزد. در درون سیاهچاله‌ بر اشیا عمری نمی‌گذرد، ولی مداوماً کوچک تر می شوند. مشاهده کنندگان سیاهچاله‌ از فاصله مطمئن و ایمنی نمی‌توانند واقعاً آن را ببیند، زیرا نور مانند شکلهای دیگر انرژی، تحت تأثیر مکش سیاهچاله‌ است.

همچنانکه نور به درون آن کشیده می‌شود، به طور بی پایانی به انتهای قرمز طیف رنگها تغییر مکان می‌دهد و سیاهچاله‌ را سیاه و بنابراین نامرئی می‌کند. اگر سیاهچاله ها اندکی مرئی بودند، مشاهده کنندگان، این ستارگان را درست آن گونه که پیش از فروپاشی هزاران میلیون سال پیش رخ داده بود می‌دیدند. علت آن است که وقتی ستاره به سیاهچاله‌ تبدیل می‌شود، نسبت به ناظران بیرونی بی درنگ گذشت زمان در آن متوقف می‌شود. به عقیده "جان ویلر" و دکتر "روفینی" (علائم و اطلاعات مربوط به مرحله‌های بعدی فرو پاشی هرگز نمی‌گریزند، بلکه در فرو پاشی خود هندسه (زمانی و مکانی) درگیر می‌شوند.)

 

 

انواع سیاهچاله

شوارتس شیلد:
ساده ترین نوع سیاهچاله‌هاست، بار و چرخش ندارد، تنها یک افق رویداد و یک فوتون کره دارد، از آن نمی توان انرژی استخراج کرد. شامل تکینگی ، نقطه‌ای است که در آن ماده تا چگالی نامحدود در هم فرو رفته است.

رایزنر- نورد شتروم:
هم بار دارد وهم چرخش ، می تواند دو افق رویداد داشته باشد ، اما تنها یک فوتون کره دارد. شامل یک تکینگی نقطه ای است که وجود آن در طبیعت نامحتمل است، زیرا بارهای آن همدیگر را خنثی می کنند.

کر:
چرخش دارد، اما بار ندارد. بیضی و از بیرونی حد استاتیک است. منطقه تیره میان افق رویداد و حد استاتیک ارگوسفر است، که می توان از آن انرژی استخراج کرد. می تواند دو افق رویداد و دو حد استاتیک داشته باشد. دو فوتون کره دارد. شامل یک تکینگی حلقه‌ای است.

کر- نیومان:
هم بار دارد و هم چرخش ، همان سیاهچاله کر است، جز اینکه بار دارد، ساختارش شبیه ساختار سیاهچاله کر است. می‌توان از آن انرژی استخراج کرد. یک تکنیگی حلقه‌ای دارد.

به نظر پژوهشگران چهارنوع سیاهچاله همچنانکه ذکر شد می تواند وجود داشته باشند. مهمترین موضوع در باب سیاه چاله آنست که ، بدانیم ماده در داخل سیاهچاله ای که حاصل آمده است در نهایت به چه سرنوشتی دچار می شود؟

اختر فیزیکدانان می‌گویند:

اگر مقداری ماده به داخل حفره سیاه از قبیل آنچه که از یک ستاره وزین مرده بجای مانده بیندازید، نتیجه نهایی همواره الزاما یک چیز خواهد بود و تنها جرم ، بار الکتریکی و اندازه حرکت زاویه ای که جسم با خود حمل می کند باقی خواهند ماند. اما اگر کل جهان به داخل حفره سیاه خود بیفتد، یعنی به شکل سیاهچاله در آید، دیگر حتی کمیاب بنیادی (جرم) ، بار الکتریکی و اندازه حرکت زاویه ای نیز ناپدید می گردند.

تعداد سیاهچاله ها در جهان

به عقیده ی ".جی.دابلیو. کامرون" از دانشگاه "یشیوا" ممکن است جهان پر از سیاهچاله‌ باشد. نظریه کیهان‌شناسی پیش بینی می‌کند که جهان شامل مقدار مشخصی ماده است. اما اخترشناسان از مشاهده هایشان استنباط کرده‌اند که تقریباً ماده به اندازه کافی وجود ندارد تا این پیش بینی ها را عملی سازد. ماده مشاهده شده به اندازه قابل ملاحظه ای کمتر از ماده پیش بینی شده است. 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 سیاهچاله ها تبدیل شوند. با قطعیت نمی‌توان گفت که همه ستارگان ناگزیر به سیاهچاله مبدل می‌شوند. دانشمندان نشان داده‌اند که ستارگان نا متقارن 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 چراکگ، عدم تقارن شکلی کوچک، یک ستاره بزرگ را نجات نخواهند داد.

 

 

آشکارسازی سیاهچاله ها

یکی از راههای کشف سیاهچاله ها استفاده از امواج گرانشی است که هنگام فرو پاشی گسیل می‌دارند. هر جرم اختری از حیث شکل نامتقارن تششع ممکن است یک منبع قابل اکتشاف مشخص به وجود آورد. "جوزف وبر" از دانشگاه مریلند، پیش کسوت رشته تشعشع گرانشی، رویدادهای زیادی را کشف کرده است 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 حفاظ داری آویزانند. این کار افزار او قادر به کشف سیاهچاله‌ است، اما متاسفانه این کار را نمی‌تواند به دقت انجام دهد.

 

 

مجهولات سیاهچاله ها

اگر ستاره شناسان بتوانند نوع پرتوهایی که هاوکینگ پیش بینی کرده است، شناسایی کنند، مدرک خوبی برای تأیید تشکیل و وجود سیاهچاله بدست خواهد آمد. اما تاکنون پرتوهای پیش بینی شده کشف نشده‌اند. با اینحال هر لحظه ممکن است این پرتوها شناسایی شوند. دلیل تابش اشعه ایکس از حفره سیاه این است که جرمی که توسط طوفانهای ستاره‌ای خود ستاره ، از سطح آن می‌گریزند، در فاصله مناسبی که به حفره سیاه رسیدند، توسط حفره شکار می‌شوند و در مداری به دور حفره شروع به چرخش کرده و به این ترتیب شکل یک دیسک عظیم را تشکیل می‌دهند.
با توجه به این نکته که لایه‌های داخلی‌تر دیسک سریعتر از لایه‌های خارجی می‌چرخند، در اثر اصطکاک لایه‌های مختلف دیسک گرم شده و شروع به تابش اشعه ایکس می‌کنند. به این دیسک ، دیسک تجمعی گفته می‌شود. این حالت برای اولین بار در ستاره دوتایی (دجاجه1-X) مشاهده شده است. احتمالا قطر خود حفره سیاه (قطر افق حادثه) 30 کیلومتر است و برای تمامی ستاره دوتایی سیاهچاله ساختمان به همین شکل است.