سیاهچاله چیست ؟ [به زبان ساده]

سیاهچاله چیست ؟ در این مطلب به شناخت سیاهچاله ها به زبان ساده خواهیم پرداخت.اینکه چگونه وجود یک سیاهچاله را تشخیص می دهیم، همگرایی گرانشی ،تشعشعات ،شعاع شوارتزشیلد و دیگر موارد مرتبط با سیاهچاله ها.

قبل از هر چیز تصور و باور خطایی که در مورد سیاهچاله ها،گاهی مطرح میشود را در چند سطر مختصر بررسی میکنیم.

سیاهچاله ها بر عکس تصور برخی ، دارای چاله نیستند. اتفاقا سیاهچاله ها برعکس ، نقطه ی مقابلِ هر گونه فضای خالی هستند. چرا گه آنها حداقل فضای ممکن را برای حداکثر جرم ممکن اشغال می کنند، تراکم ، چگالی و گرانش بسیار بالایی دارند و همانطور که احتمالا شنیده اید، گرانش آنها تا حدی بالاست که نور هم نمی تواند از آن بگریزد.

پس تصور اینکه سیاهچاله ها دارای یک فضای تهی یا چاله هستند، خطاست.بلکه نقطه ی مقابل هر گونه فضای خالی و نادیدنی هستند.

چگونه یک سیاهچاله را تشخیص 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. روش های زیر می توانند مورد استفاده قرار بگیرند:

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 وجود دارد. این دیسک هم اندازه منظومه شمسی ماست اما وزن آن 1.2 میلیارد برابر خورشید است. حجمی چنین عظیم نشان می دهد که سیاهچاله ای در این ناحیه جای خوش کرده است.

همگرایی گرانشی

نظریه نسبیت عام 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.

سیاهچاله ها

تا امروز تعداد بسیار بسیار زیادی سیاهچاله در کیهان کشف شده است.در این نقاط فضا-زمان به شدت متراکم و فشرده شده است.بر اساس نسبیت اینشتین ،اجرام میتوانند به اندازه ای فشرده شوند که منجر به خمیدگی فضا-زمان شوند.

دلیل اینکه آنها را سیاهچاله
می نامیم ،عدم بازگشت هر چیزی که به داخل سیاهچاله سقوط کند است، ولو نور.درواقع نور وقتی وارد سیاهچاله شود ، بازتاب ندارد.در نتیجه ما هیچ چیزی جز یک حفره سیاه مشاهده نمیکنیم.

از سال ۱۹۱۵با ارائه نظریه نسبیت ،سیاهچاله ها وارد علم کیهانشناسی شدند. اما تاکنون همچنان از نکات مبهم و ناشناخته آن هستند.البته در این مدت صد و خورده ای ساله، اطلاعات و آمار مفیدی درباره ی آنها بدست آورده ایم که به آنها خواهیم پرداخت. نکته دیگر اینکه برای جلوگیری از گستردگی و تفصیل ، بیشتر از توضیخات منظمی که craig freudenrich ارائه کرده،و برخی نظرات دانشمندان استفاده خواهیم کرد.

سیاهچاله

هر سیاهچاله بعد از نابودی یک ستاره بزرگ ایجاد می شود. ستاره ها همواره مانند راکتورهای همجوشی در خود جوشش داشته و مایل به فروپاشی هستند. علت تمایل آنها به فروپاشی دو عامل است؛ بزرگی آنها و تشکیل شدن ستاره هااز گازها.

این دو عامل باعث می شود میدان گرانشی شدیدی ایجاد شود و ستاره ها از درون متلاشی شوند.همین همجوشی اتم ها در خورشید ما نیز در حال رخ دادن است. واکنش همجوشی که در هسته ستاره اتفاق می افتد مثل بمب هسته ای بزرگ است.توازن بین نیروی گرانشی و نیروی انفجاری ، اندازه یک ستاره را تعریف می کند.پس از اینکه ستاره ای منهدم میشود، واکنش همجوشی هسته ای آن نیز متوقف میشود.چون سوخت مور نظر دیگر تمام شده و چیزی برای سوختن و انفجار وجود ندارد. در همین زمان نیروی انغجاری به صفر رسیده اما نیروی گرانشی سر جای خود باقی مانده است و با قدرت عظیمی ستاره را به درون خود میکشد.

پس از آن ستاره فشرده می شود و دما افزایش پیدا کرده است و انفجار ابرنواختر رخ می دهد. در این انفجار مواد و اشعه ها به درون فضا پرتاب می شوند.در نهایت تنها چیزی که باقی مانده است یک هسته ی فشرده ،متراکم و بزرگ است که گرانش آن به قدری بالاست که نور هم نمی تواند از آن بگریزد.

این هسته یک سیاهچاله و کاملا غیر قابل مشاهده است چون نوری از آن بازتاب نمی شود.همانطور که می دانیم برای مشاهده هر چیزی توسط انسان دریافت نور بازتاب شده از جسم است،اتفاقی که در سیاهچاله ها رخ نمی دهد.

در نهایت به علت تراکم و گرانش بسیار قوی ،هسته از فضا-زمان می گذرد و یک چاله در فضا-زمان ایجاد می شود. به همین دلیل آن را سیاهچاله (blackhole) می نامیم.

پس از این روند هسته به مرکز سیاهچاله بدل میشود، و این ناحیه دچار تکینگی (Singularity) می شود.

مرز ورود به سیاهچاله افق رویداد (Event horizon) نامیده می شود.افق رویداد محدوده ای است که فضا-زمان در حال خمیدگی و تغییر ماهیت است.(در برخی مطالب تغییر شکل نوشته شده است، اما تغییر ماهیت درست تر است)و اگر جسمی وارد ناحیه افق رویداد شود، به سمت مرکز تکینگی کشیده می شود.افق رویداد مثل دهان یک سیاهچاله است،اگر جسمی وارد آن شود تمام رویدادهایی که در فضا-زمان می افتد،متوقف خواهند شد. به شعاع افق رویداد شعاع شوارتزشیلد نیز می گویند.( برگرفته از نام کارل شوارتزشیلد کیهانشناس آلمانی ).
کارل شوارتزشیلد مطالعات بسیار مفیدی در این مورد داشته و اکنون بسیاری از دانسته های ما نتیجه فعالیت های اوست. البته پیش تر لاپلاس ( pierre simon Laplace ) با استفاده گرانش نیوتن گفت اگر جسمی بسیار فشرده شود،سرعت گریز آن از سرعت نور فراتر می رود.

سیاهچاله ثابت و سیاهچاله چرخان

دو نوع سیاهچاله وجود دارد؛ سیاخچاله ثابت schwarzschild و سیاهچاله های چرخان kerr

سیاهچاله های شوارتزشیلد مدل ساده ای هستند که هسته ی آنها ثابت است و یک مرکز و یک افق رویداد دارد. اما سیاهچاله های چرخان همانطور که از اسمشان پیداست حالت چرخان دارند . علت این چرخش، ستاره ی قبلی، که درحال چرخش بوده است.یعنی وقتی ستاره ای چرخان متلاشی می شود ، هسته آن به چرخش ادامه می دهد و این رویداد زمانی که به سیاهچاله تبدیل شود،همچنان ادامه دارد.

سیاهچاله های چرخان (kerr) را قسمت های زیر تشکیل می دهند:

تکینگی:هسته ستاره فروپاشی شده

افق رویداد:ورودی سیاهچاله

ارگوسفر(کارکره):فضای تخم مرغی که دور افق رویداد را می پوشاند.در این ناحیه هر جسمی کشیده می شود.یعنی اگر ما به این قسمت وارد شویم مانند یک رشته باریک اسپاگتی کشیده خواهیم شد.اما تا زمانی که جسمی در این ناحیه قرار دارد به مرکز سیاهچاله سقوط نخواهد کرد و می تواند با استفاده از انرژی چرخش مرکز تکینگی سیاهچاله ،از آنجا خارج شود.اما به محض ورود به افق رویداد به سمت مرکز تکینگی سیاهچاله سقوط خواهد کرد و امکان فرار از آنجا را ندارد.تا امروز ما نمی دانیم در مرکز سیاهچاله ها چه اتفاقی رخ می دهد چرا که این قسمت تکینگی بوده و هر نقطه ای که به حالت تکینگی باشد ، قوانین فیزیک کاربرد ندارند و نقض می شوند،در نتیجه امکان دریافت اطلاعات را به ما نمی دهد.

همانگونه که گفته شد ما نمی توانیم سیاهچاله ها را مشاهده کنیم اما می توانیم سه فاکتور در مورد آنها را اندازه گیری کنیم؛بار الکتریکی، جرم و سرعت چرخش آنها(تکانه زاویه ای)

جرم سیاهچاله را مستقیم اندازه گیری نمیکنیم، بلکه با استفاده از سرعت گردش اجرام دیگر به دور سیاهچاله ،جرم آن را محاسبه می کنیم.اگر سیاهچاله ها اجرام همراه مثل ستاره ها و اجرام بزرگ دیگر داشته باشند ، میتوانیم شعاع چرخش یا سرعت مدار نزدیک سیاهچاله را اندازه گیری کنیم.(ستاره شناسان با قانون سوم کپلر جرم ستارگان را محاسبه می کنند)

تشخیص وجود سیاهچاله ها

همانطور که گفته شد ما سیاهچاله ها را مستقیم نمی بینیم، اما چگونه از وجود آنها با خبر می شویم؟ با استفاده از تاثیر آنها بر اجرام اطراف و با روش های زیر این محاسبات صورت می گیرد:

محاسبه جرم با بهره گیری از اجسامی که دور سیاهچاله در گردش بوده یا به مرکز سیاهچاله سقوط می کنند.

اثرات همگرایی گرانشی

تشعشعات خروجی از سیاهچاله

محاسبه جرم

در نواحی کنار اکثر سیاهچاله ها اجرام بسیاری وجود دارند.با بررسی این اجرام وجود سیاهچاله ها را متوجه می شویم و با محاسبه سرعت حرکت آنها جرم آن را محاسبه می کنیم.

وقتی ستاره یا صفحات گاز در حال کشدده شدن باشند ،برای مثال اگر ستاره ی بزرگی حرکت چرخشی داشته باشد و علت قابل مشاهده ای برای حرکت آن نباشد،به احتمال زیاد سیاهچاله ای در آن محدوده وجود دارد.با بررسی های دقیقتر اجرام می توان پی به وجود سیاهچاله برد.

مثال واضحی برای این مدل مرکز کهکشان NGC 4261 است.در آنجا دیسک چرخان و قهوه ای رنگی به اندازه منظومه شمسی اما با وزن ۱،۲ میلیارد برابر خورشید وجود دارد.این وضعیت نشان دهنده وجود سیاهچاله در آن ناحیه است.

همگرایی گرانشی

طبق نظریه نسبیت عام اینشتین گرانش می تواند فضا-زمان را دچار خمیدگی کند.این مساله بعدها با بررسی یک کسوف اثبات شد.یعنی مکان یک ستاره پیش و پس از وقوع کسوف و همچنین همزمان با آن انداوزه گیری شد،جایگاه ستاره تغییر کرد.یعنی نور ستاره توسط خورشید دچار خمیدگی شد.نتیجه ای که از این موضوع می گیریم این است که اگر جسمی با گرانش بسیار زیاد (مثل سیاهچاله ها و کهکشان ها) بین زمین و نور جسمی دیگر قرار گیرد، در مسیر نور انحار و خمیدگی ایجاد می شود.همانند کاری که لنزها و عدسی ها انجام می دهند.

تشعشعات

وقتی مواد به داخل سیاهچاله سقوط می کنند،یک ستاره همراه بوجود می آورند .حرارت جسم افزایش پیدا میکند و به میلیون ها درجه کلوین رسیده و شتاب زیادی میگیرند.ماده بسیار داغ از خود اشعه ایکس ساطع کرده و می توان آن را اندازه گرفت.

منابع:
https://spaceplace.nasa.gov/black-hole-rescue/en/http://science.howstuffworks.com/dictionary/astronomy-terms/black-hole.htm0