بگذارید بدون مقدمه خیال تان را راحت کنیم. در فضای اطراف ما تا به حال چیزی به اسم کرمچاله پیدا نشده و بعید است که اصلا چنین چیزی در حالت طبیعی وجود داشته باشد. کرم چاله ها پل هایی میان یک مکان-زمان به مکان-زمانی دیگر هستند که در صورت ورود به آن، وارد نقطه ای خواهید شد که می تواند میلیون ها سال نوری از مکان قبلی دور باشد و زمان در آن به طور دیگری بگذرد.
اما سیاهچاله ها یک موضوع کاملا متفاوت اند. تا به حال بی شمار سیاهچاله در سراسر کائنات پیدا شده. در این ناحیه، فضا و زمان شدیدا فشرده شده اند. براساس نظریه نسبیت اینشتین، اجسام می توانند به قدری فشرده شوند که خمیدگی فضا-زمان ایجاد کنند.
علت اینکه آن را سیاهچاله می نامند کاملا مشخص است. هر چیزی که وارد سیاه چاله شود راه برگشتی ندارد و نور از این قاعده مستثنی نیست. در حقیقت نوری که وارد سیاهچاله ها می شود هیچ بازتابی از درون آن ندارد، بنابراین جز یک حفره سیاه رنگ هیچ چیزی نمی بینیم. درست همانند ماده تاریک که پیشتر در مورد آن برای تان گفته ایم.
همه این داستان ها از زمانی شروع شد که اینشتین در سال ۱۹۱۵ نظریه نسبیت را مطرح کرد و حالا بیش از صد سال از آن روزها می گذرد اما سیاهچاله ها هنوز برای ما نقطه ای تاریک و مبهم باقی مانده اند، با این حال اطلاعات جالبی از آن ها داریم و در آینده نیز قطعا بیشتر خواهیم فهمید.
در ادامه با ما همراه باشید تا به زبان ساده با سیاهچاله ها از زبان پروفسور Craig Freudenrich آشنا شویم.
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 ایونت هورایزن یا افق رویداد 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.
انواع سیاهچاله ها
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 :
- 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.
منبع : دیجیاتو