“`html
سیاه‌چاله چیست ؟
سیاه‌چاله یک منطقه در فضا است که نیروی جاذبه آن به قدری قوی است که هیچ چیز نمی‌تواند از آن فرار کند.
سیاه‌چاله قابل دیدن نیست. زیرا حتی نور را هم نمی‌تواند از آن خارج کند.
توصیف علمی سیاه‌چاله بر اساس معادلات نظریه نسبیت عام (general relativity) که توسط آلبرت اینشتین، فیزیکدان معروف آلمانی، ارائه شده، بنا شده است.
تعریف کلی سیاه‌چاله
به طور کلی، سیاه‌چاله مکانی در فضای خارج است که تجمع جرم در آن به قدری زیاد است که اشیاء نزدیک به آن هیچ راهی برای فرار از جاذبه‌اش ندارند.
از آنجایی که نظریه نسبیت عام اینشتین بهترین توضیح برای گرانش است، برای درک بهتر جزئیات سیاه‌چاله‌ها باید از نتایج این نظریه استفاده کنیم.
اما بیایید ابتدا با بررسی گرانش در شرایط ساده‌تری شروع کنیم.
بررسی گرانش و تعریف علمی سیاه‌چاله
تصور کنید که روی سطح یک سیاره ایستاده‌اید و سنگی را به سمت بالا پرتاب می‌کنید.
اگر با قدرت کمی سنگ را پرتاب کنید، سنگ برای مدتی بالا خواهد رفت، اما در نهایت به خاطر گرانش سیاره پایین می‌افتد.
اما اگر سنگ را با قدرت زیادی پرتاب کنید، ممکن است بتواند از گرانش سیاره فرار کند. در این صورت سنگ برای همیشه به بالا رفتن ادامه خواهد داد.
سرعتی که باید با آن سنگ را پرتاب کنید تا از جاذبه سیاره فرار کند، “سرعت گریز” نامیده می‌شود.
به عبارت دیگر سرعت گریز به حداقل سرعتی اطلاق می‌شود که یک جسم باید داشته باشد تا بتواند از گرانش جسم دیگر فرار کند.
سرعت گریز به جرم سیاره بستگی دارد. اگر سیاره جرم بیشتری داشته باشد، جاذبه آن نیز بیشتر خواهد بود و به همین دلیل سرعت گریز هم بالاتر است.
یک سیاره کمتر سنگین، سرعت گریز کمتری هم دارد. همچنین، سرعت گریز به فاصله ما از مرکز سیاره هم وابسته است. هر چه به مرکز سیاره نزدیکتر شویم، سرعت گریز بالاتر خواهد بود.
سرعت گریز برای فرار از جاذبه زمین 2/11 کیلومتر بر ثانیه است در حالی که سرعت گریز از ماه 4/2 کیلومتر بر ثانیه است.
اکنون به یک جسم فکر کنید که مقدار زیادی ماده در یک فضای کوچکی جمع شده است، به طوری که سرعت گریز آن از سرعت نور بیشتر است.
چون هیچ جسمی نمی‌تواند سریعتر از نور حرکت کند، به همین دلیل هیچ چیزی نمی‌تواند از جاذبه این جسم فرار کند.
حتی یک پرتوی نور نیز توسط جاذبه این جسم به عقب کشیده می‌شود و نمی‌تواند فرار کند. به این نوع جسم “سیاه چاله“ می‌گوییم.
چند اصطلاح علمی از سیاه چاله
برای درک بهتر موضوع، ابتدا باید معنای چند اصطلاح علمی را بدانید که در ادامه به زبان ساده توضیح داده شده‌اند.
1- تعریف (فضا-زمان) و (خمیدگی فضا-زمان) در نظریه نسبیت عام
در علم فیزیک و ریاضی، فضا-زمان (Spacetime) به هر گونه مدل ریاضی گفته می‌شود که زمان و مکان را به صورت یک ساختار واحد با هم ترکیب کند.
بر اساس نظریه فضای اقلیدسی، جهان دارای سه بعد مکانی و یک بعد زمانی است. اما در فضا-زمان، این چهار بعد در یک محیط پیوستهٔ چهار بعدی ترکیب می‌شوند.
با ترکیب فضا و زمان و ایجاد یک محیط خمیده، فیزیکدانان توانسته‌اند نظریه‌های فیزیکی را هم در ابعاد کیهانی و هم در بعد اتمی ساده کنند.
گرانش، همان نیرویی است که زمانی که می‌خواهید از یک بلندی بپرید شما را به زمین می‌آورد.
“`
که هر چیزی را تحت کنترل دارد، حتی خطوط زمان نیز تحت تأثیر گرانش خمیده می‌شوند، به عبارت دیگر گرانش می‌تواند سرعت زمان را تغییر دهد!
بر اساس نظریه اینشتین، این خمیدگی به خاطر وجود جرم و انرژی به وجود می‌آید. هر جسم سنگین باید در خمیدگی فضا-زمان تاثیرگذار باشد.
اجسامی که در «یک خط مستقیم در جهان حرکت می‌کنند»، ناچارند تا مسیرهای خمیده‌تری را بپیمایند.
در نظریه نسبیت اینشتین، فضا و زمان به هم پیوسته‌اند و ساختاری چهاربعدی به نام فضا-زمان را ایجاد می‌کنند.
جرم زمین این ساختار را به شکل یک گودی درمی‌آورد، مانند یک فرد سنگینی که روی یک تشک بادی نشسته باشد.
نظریه اینشتین نشان می‌دهد که چیزهای دیگری غیر از ماه و سیارات نیز تحت تأثیر خمیدگی فضا-زمان قرار می‌گیرند.
به عنوان مثال، فوتون‌ها (ذرات نور) می‌بایست در فضایی خمیده حرکت کنند.
اگر پرتو نوری از ستاره‌ای دور عبور کند و به نزدیکی خورشید برسد، خمیدگی فضا-زمان در نزدیکی خورشید باعث می‌شود که این مسیر کمی به سمت خورشید خمیده شود.
گرانش چگونه فضا-زمان را خمیده می‌کند؟
اینشتین توضیح جالبی از گرانش ارائه داده است. او فضا و زمان را به صورت خطوط عمود بر هم در نظر می‌گیرد و نام «خطوط فضا-زمان» را به آنها می‌دهد و توضیح می‌دهد که اجسام به نسبت جرم خود انحنایی در فضا-زمان ایجاد می‌کنند.
برای تصور این مطلب، می‌توانید چهار گوشه یک تکه پارچه را در نظر بگیرید.
سپس یک جسم سنگین را روی پارچه قرار دهید. خمیدگی بخشی از پارچه که جسم در آن قرار گرفته، همان خمیدگی فضا-زمان است.
کاملاً مشهود است که وقتی جسم کوچکتری روی پارچه قرار می‌دهیم، به سمت جسم سنگین‌تر می‌رود.
این در واقع دلیل جاذبه یک جسم به یک جسم سنگین‌تر است، مانند جاذبه زمین به خورشید.
حالا از خمیدگی فضا صحبت کردیم. اما زمان چطور خمیده می‌شود؟
زمان تحت تأثیر گرانش خمیده می‌شود و این خمیدگی باعث می‌شود سرعت گذر زمان کاهش یابد. کم شدن سرعت زمان به معنی کندتر شدن حرکت عقربه‌های ساعت شماست.
2- تکینگی (Singularity)
در مرکز سیاه‌چاله و در ناحیه‌ای با شعاع صفر ویژگی جالبی وجود دارد. در این نقطه خمیدگی فضا-زمان به بی‌نهایت می‌رسد و به عبارتی میدان گرانشی به بی‌نهایت می‌انجامد.
این ناحیه در مرکز سیاه‌چاله را تکینگی (Singularity) می‌نامند.
بر اساس نظریه نسبیت عام، جرم یک سیاه‌چاله به طور کامل در ناحیه‌ای با حجم صفر فشرده شده است، به این معنی که چگالی و گرانش در این نقطه بی‌نهایت است.
علاوه بر این، خمیدگی فضا-زمان در این نقطه بی‌نهایت خواهد بود. این مقادیر بی‌نهایت باعث می‌شوند که بیشتر معادلات فیزیکی، خصوصاً معادلات نسبیت، کارایی خود را در مرکز سیاه‌چاله از دست بدهند.
بنابراین فیزیکدانان به این ناحیه با چگالی بی‌نهایت و حجم صفر که در مرکز سیاه‌چاله قرار دارد، “تکینگی” می‌گویند.
در تکینگی، وجود فضا و زمان متوقف می‌شود و به جای آن جرم آشفته و خروشانی قرار می‌گیرد که آن را اسفنج کوانتومی می‌نامند.
دانشمندان بر این باورند که این نقطه جایی است که قوانین نسبیت و مکانیک کوانتومی دیگر کار نمی‌کنند و نیاز به محاسبات پیشرفته ریاضی موجود است تا علم جدیدی به نام کوانتوم گرانشی ایجاد شود.
3- تعریف افق رویداد (Event horizon)
لبه سیاه‌چاله که پوسته‌ای خیالی در اطراف جرم سیاه‌چاله است، افق رویداد سیاه‌چاله نامیده می‌شود.
استفان هاوکینگ اثبات کرد که ساختار افق رویداد یک سیاه‌چاله غیرچرخان به شکل یک کره است.
در محدوده افق رویداد:
- سرعت گریز معادل
- سرعت نور است
- هر چیزی حتی یک فوتون به دلیل جاذبه قوی در مرکز افق رویداد یک سیاه‌چاله نمی‌تواند از آن فرار کند.
- ذرات خارج از این ناحیه می‌توانند به داخل آن سقوط کنند، از افق رویداد عبور کنند و دیگر هرگز نتوانند خارج شوند.
“`html
در بعضی از سیاه‌چاله‌ها، شعاع افق رویداد ممکن است فقط چند کیلومتر باشد. وقتی یک ستاره به نزدیکی یک سیاه‌چاله می‌رسد، ممکن است گاهی مقداری از گازهای خود را به سمت سیاه‌چاله پرتاب کند.
خارج از افق رویداد سرعت گریز کمتر از速度 نور است، بنابراین اگر موشک خود را با قدرت کافی روشن کنید، می‌توانید انرژی لازم برای فرار از سیاه‌چاله را تأمین کنید.
اما اگر درون افق رویداد باشید، دیگر مهم نیست که موشک شما چقدر قدرت دارد، چون هیچ راه فراری وجود ندارد! زیرا نمی‌توان از نور سریعتر حرکت کرد.
در مورد آنچه در آن سوی افق رویداد اتفاق می‌افتد، ما مطمئن نیستیم؛ شاید جهانی شبیه به دنیای ما در آن سوی سیاه‌چاله پنهان باشد و یا شاید این دنیا نمونه‌ای از دنیاهای موازی باشد.
همان‌طور که اشاره شد، اجسام با جرم زیاد، فضا و زمان را خم می‌کنند، به طوری که قوانین هندسه دیگر قابل کاربرد نیستند.
در نزدیکی یک سیاه‌چاله این انحنای فضا به شدت زیاد است و باعث می‌شود سیاه‌چاله‌ها ویژگی‌های خاصی داشته باشند.
زمانی که وارد افق رویداد می‌شوید، هر لحظه به تکینگی مرکز سیاه‌چاله نزدیکتر می‌شوید.
سیاه‌چاله‌ها چگونه به وجود می‌آیند؟
مشکلی نیست که گمان می‌رود سیاه‌چاله‌های معمولی از ستاره‌های سنگین بوجود می‌آیند (شاید ستاره‌هایی با جرم 20 یا 25 برابر جرم خورشید).
زمانی که این ستاره‌ها با یک انفجار ابرنواختر به پایان زندگی خود می‌رسند، هسته آنها فرو می‌ریزد و جاذبه بر هر نیروی دیگری که ممکن است ستاره را نگه دارد، غلبه می‌کند.
انفجار ابرنواختر: پرجرم‌ترین ستاره‌های جهان، زندگی خود را با انفجاری عظیم به نام ابرنواختر به پایان می‌رسانند. آنها به طور ناگهانی منفجر شده و مقدار زیادی نور تولید می‌کنند و در نهایت یک هسته کوچک نوترونی باقی می‌ماند.
در نهایت، ستاره به قدری فرو می‌پاشد که در شعاع شوارتزشیلد یا افق رویداد خود محصور می‌شود. در این لحظه، سیاه‌چاله به طور بی‌نهایت کوچک است،
به‌عنوان مثال، یک سیاه‌چاله با جرم خورشید در یک شهر کوچک جا می‌شود، در حالی که سیاه‌چاله‌ای با جرم زمین می‌تواند در کف دست شما جای بگیرد!
ماده‌ای که در شعاع شوارتزشیلد وجود دارد به طور نامحدود به فروپاشی ادامه می‌دهد تا به نقطه‌ای برسد که در آنجا قوانین فیزیک دیگر کارایی خود را از دست می‌دهد.
سیاه‌چاله‌های ابر توده به شیوه دیگری شکل می‌گیرند، ممکن است از ادغام چندین سیاه‌چاله کوچک در ابتدای تاریخ جهان و با بلعیدن گازهای اطرافشان در طول زمان بزرگ شوند.
طرز شکل‌گیری این اجرام و ارتباط آنها با کهکشان‌هایی که در آن قرار دارند، موضوعی است که هنوز در حال مطالعه و بررسی است.
انواع سیاه‌چاله‌ها
1- تقسیم‌بندی
“““html
سیاه‌چاله‌ها از نظر مقدار جرم به چهار دسته
-
سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم (Super-Massive Black Holes)
این دسته از سیاه‌چاله‌ها جرمی بین میلیون‌ها تا میلیاردها برابر جرم خورشید دارند. دانشمندان فکر می‌کنند که سیاه‌چاله‌هایی که در مرکز بیشتر کهکشان‌ها، از جمله کهکشان راه شیری، وجود دارند، از این نوع هستند. -
سیاه‌چاله‌های جرم متوسط (Intermediate-Mass Black Holes)
این سیاه‌چاله‌ها جرمی در حدود هزاران برابر جرم خورشید دارند و به نظر می‌رسد که منابع درخشان پرتو ایکس باشند. -
سیاه‌چاله‌های جرم ستاره‌ای (Stellar-Mass Black Holes)
جرم این سیاه‌چاله‌ها بین ۳ تا ۱۵ برابر جرم خورشید است. این سیاه‌چاله‌ها به دلیل فروپاشی گرانشی ستارگانی که سوختشان تمام شده، شکل می‌گیرند. -
میکروسیاه‌چاله‌ها (Micro Black Holes)
هر جرمی می‌تواند فشرده شود و تبدیل به یک سیاه‌چاله شود. ولی شدت فشرده‌سازی بسیار مهم است؛ برای مثال، اگر بخواهید زمین را به یک سیاه‌چاله تبدیل کنید، باید آن را به اندازه یک نخود کوچک فشرده کنید. به طور کلی، ایجاد یک سیاه‌چاله کوچک از طریق فروپاشی گرانشی به دلیل حد چاندراسخار غیرممکن است. برای ساخت میکروسیاه‌چاله‌ها که جرمشان کمتر از جرم خورشید است، نیاز به فشار خارجی دیگری داریم. بیگ بنگ ممکن است این فشار را ایجاد کرده باشد و فکر می‌شود که میکروسیاه‌چاله‌ها در زمان‌های اولیه جهان شکل گرفته باشند. البته این سیاه‌چاله‌ها ممکن است در شتابدهنده‌های ذرات روی زمین نیز وجود داشته باشند. حد پایین جرم این میکروسیاه‌چاله‌ها حدود جرم پلانک است (گرم). به دلیل کوچکی بسیار زیاد آنها، اثرات مکانیک کوانتومی بر این سیاه‌چاله‌ها تأثیر مهمی دارد.
2- تقسیم‌بندی سیاه‌چاله‌ها از نظر چرخش و بار
سیاه‌چاله‌ها از نظر بار یا دارای بار هستند (Q≠۰) و یا بدون بارند (Q = 0).
از نظر چرخش، سیاه‌چاله‌ها می‌توانند یا چرخان باشند (J>0) و یا بدون چرخش (J=0).
در جدول زیر چهار نوع سیاه‌چاله را بر اساس چرخش و بار به تفکیک مشاهده می‌کنید:
| چرخشی | غیرچرخشی | نوع از نظر بار |
|---|---|---|
| کر (Kerr) | شوارتسشیلد | غیرباردار |
| کر-نیوتون | رایسنر-نوردستروم | باردار |
کارل شوارتسشیلد کسی بود که چند ماه بعد از ارائه نظریه نسبیت عام اینشتین، اولین راه حل دقیق را برای میدان‌های گرانشی پیدا کرد و نشان داد که سیاه‌چاله‌ها می‌توانند به صورت نظری وجود داشته باشند.
به همین دلیل، راه حل مربوط به یک سیاه‌چاله بدون بار و چرخش به افتخار او نامگذاری شده است.
“`
ایشون نامیدند. سیاه‌چاله‌های چرخان یکی از روش‌های حل معادله میدان اینشتین است.
ما دو نوع راه حل معتبر و شناخته شده داریم: راه حل کر و کر-نیومن که به دو نوع سیاه‌چاله چرخان اشاره دارد.
رایسنر-نوردستروم یک روش پایدار برای معادله میدان‌های اینشتین است که به میدان گرانشی باردار غیر چرخان مربوط می‌شود.
سیاه‌چاله‌های چرخان نه تنها وجود دارند، بلکه فیزیکدانان معتقدند تقریباً همه سیاه‌چاله‌ها در حال چرخش هستند، زیرا ستاره‌ای که به دلیل گرانش در حال فروپاشی است، معمولاً می‌چرخد.
اما وجود سیاه‌چاله‌های باردار چندان محتمل نیست: نیروی دافعه الکتریکی مانع فشرده شدن می‌شود و بار بیشتر از جذبه گرانشی است، بنابراین این مسئله مانع از تشکیل سیاه‌چاله باردار می‌شود.
در ادامه، ویژگی‌های سیاه‌چاله چرخان را به طور مختصر بررسی می‌کنیم. به دلیل کم‌پیشینه بودن سیاه‌چاله‌های باردار، به بررسی آنها نخواهیم پرداخت.
سیاه‌چاله‌های چرخان
بر اساس نظریه‌ها، افق رویداد یک سیاه‌چاله غیرچرخان به شکل یک کره است و نقطه تکینگی آن (غیررسمی) یک نقطه است.
اگر سیاه‌چاله در حال چرخش باشد (از ستاره‌ای که در حال فروپاشی به دور خود می‌چرخد این ویژگی را گرفته باشد)، شروع به کشش فضا-زمان به دور افق رویداد می‌کند.
این گردش فضا به دور افق رویداد را کره کار (ergosphere) می‌نامند و شکلی بیضوی دارد.
از آنجا که کره کار در خارج از افق رویداد قرار دارد، اشیا می‌توانند بدون سقوط در درون سیاه‌چاله وجود داشته باشند.
با این حال، فضا-زمان درون کره کار در حال حرکت است و اشیا نمی‌توانند در آنجا ثابت بمانند.
اشیایی که در کره کار هستند می‌توانند با سرعت بالا به بیرون پرتاب شوند و انرژی (و حرکت مداری) را از چاله خارج کنند؛ به همین دلیل، نام کره کار به‌دلیل قابلیت انجام کار انتخاب شده است.
تکینگی درون یک سیاه‌چاله چرخان شبیه به یک حلقه است. برای ناظر امکان فرار از آن وجود دارد، هرچند فرار از افق رویداد یک سیاه‌چاله ممکن نیست.
سیاه‌چاله‌ها، نورانی ترین اجرام پیرامون ما هستند
سیاه‌چاله‌ها را نمی‌توان به‌طور مستقیم مشاهده کرد، اما می‌توان اثرات آنها بر روی مواد اطراف را بررسی کرد (گاز و غباری که قبل از کشیده شدن به درون سیاه‌چاله، یا به شکل یک فوران به بیرون پرتاب می‌شود).
در حقیقت سیاه‌چاله‌ها در تبدیل انرژی مواد ورودی به نور و انتشار آن، کارایی بسیار بالایی دارند.
گازی که به درون سیاه‌چاله کشیده می‌شود، به همین دلیل که زمین به درون خورشید فرو نمی‌افتد، به‌طور مستقیم نابود نمی‌شود.
در عوض، گاز تلاش می‌کند در مداری گرد سیاه‌چاله بچرخد و آنچه را که ما به‌عنوان حلقه تجمعی می‌شناسیم، تشکیل دهد.
در حلقه تجمعی، ماده به آرامی به سمت داخل سیاه‌چاله حرکت می‌کند، هرچند بخاطر اصطکاک انرژی را از دست می‌دهد.
کشیده شدن شدید گرانشی در نزدیکی سیاه‌چاله به این مواد کمک می‌کند تا شکافته شوند و دماهای بسیار بالایی پیدا کنند.
دمای حلقه‌های داخلی سیاه‌چاله‌های بزرگ می‌تواند به هزاران درجه کلوین برسد (مشابه دمای سطح یک ستاره داغ)، در حالی که دمای حلقه‌های سیاه‌چاله‌های کوچکتر می‌تواند تا میلیون‌ها درجه بالا برود،
به‌طوری که این دما می‌تواند باعث تولید پرتوهای ایکس از آنها شود.
از این رو، سیاه‌چاله‌ها جزو نورانی‌ترین اجرام اطراف ما هستند.
شواهد قوی وجود دارد که نشان می‌دهد یک سیاه‌چاله بسیار پرجرم در مرکز کهکشان راه شیری وجود دارد.
ستاره‌شناسان معتقدند که این سیاه‌چاله منبع یک موج رادیویی است که به نام قوس (ساگیتاریوس Sagittarius) شناخته می‌شود.
واضح‌ترین نشانه‌ی وجود یک سیاه‌چاله بسیار پرجرم، وجود این موج رادیویی و حرکت سریع ستاره‌ها در اطراف آن است.