سیاهچاله (Black hole) یکی از حیرت‌انگیزترین و عجیب‌ترین اجرام شناخته شده در کائنات است. آنها اجرامی هستند با چگالی بسیار زیاد و چنان قابلیت جذب گرانشی بالایی دارند که حتی پرتو های نور هم، اگر به حد کافی نزدیک باشند، نمی‌توانند از چنگ آنها بگریزند.
آلبرت اینشتین نخستین کسی بود که در سال ۱۹۱۶ در تئوری نسبیت عام، وجود سیاهچالهها را پیش‌بینی کرد. نخستین بار در سال ۱۹۶۷ جان ویلر، فضانورد، از واژه سیاهچاله استفاده کرد. همچنین اولین نمونه سیاهچاله کشف شده به سال ۱۹۷۱ بازمی‌گردد.
سیاهچاله چیست و به چند دسته تقسیم می‌شود؟
سیاهچاله ها بر سه قسم هستند:
- سیاهچالههای ستاره‌ای
- سیاهچالههای کلان جرم
- سیاهچالههای جرم متوسط
سیاهچاله های ستاره ای؛ کوچک اما مر‌گبار
شاید ساده‌ترین بیان در تعریف سیاهچاله های ستاره‌ای اینگونه باشد؛ وقتی یک ستاره به سال‌های پایانی عمر خود می‌رسد و در حال سوزاندن ذخایر پایانی سوخت خود است و عمدتا سرنوشتی جز درون ریزی گرانشی نخواهد داشت. هسته ستاره‌های کوچک که جرمی بیش از ۳ برابر جرم خورشید دارند، در پایان عمر بستری برای تشکیل یک ستاره نوترونی و یا یک کوتوله سفید خواهند شد، اما وقتی درون‌ریزی گرانشی در پایان عمر یک ستاره بزرگتر رخ دهد، سرانجام به یک سیاهچاله ستاره‌ای تبدیل می‌شود.
سیاهچاله ها درنتیجه درون ریزی ستاره‌های نسبتا کوچک، ولی با چگالی بسیار بالا تشکیل می‌شوند. تصور کنید ستاره‌ای را که جرمی معادل سه برابر جرم خورشید و یا بیشتر را در حجمی به وسعت یک شهر جا داده است.
چنین جرمی نیروی گرانشی عظیمی خواهد داشت و اجرام اطراف خود را به سمت خودش خواهد کشید. سیاهچاله با تغذیه غبار و گاز‌های کیهانی کهکشان میزبانش رشد می‌کند. بر اساس یافته‌های مرکز اخترفیزیک هاروارد، صدها میلیون سیاهچاله ستاره‌ای در کهکشان راه شیری وجود دارد.
سیاهچاله های کلان جرم؛ تولد غول پیکرها
با اینکه سیاهچاله های کوچک تعدد بیشتری در کهکشان‌ها دارند، اما این عموزاده‌های آنها، سیاهچاله های کلان جرم هستند که حکمرانی می‌کنند. یک سیاهچاله کلان جرم میلیون‌ها و یا حتی میلیارد بار جرم بیشتری نسبت به خورشید دارد، اما حیرت انگیز اینجاست که شعاع آن تقریبا با شعاع ستاره میزبان سیاره ما برابری می‌کند. گمان برده می‌شود که سیاهچاله ها تقریبا در مرکز هر کهکشانی، همانند کهکشان راه شیری ما، آرام گرفته باشند.
دانشمندان از چگونگی تولد سیاهچاله های عظیم اطمینان ندارد. یکی از فرضیات این است که آنها با جمع‌آوری غبار و گاز‌های کیهانی که در مرکز کهکشان‌ها به وفور یافت می‌شوند، موفق شده‌اند تا چنین اندازه‌های عظیمی رشد کنند.
همچنین ممکن است سیاهچالههای کلان جرم در نتیجه ادغام صدها و شاید هزاران سیاهچاله کوچک شکل گرفته باشند. ابرهای گازی بزرگ نیز به نوبه خود می‌توانند در چنین برخورد‌هایی میان کهکشان‌های کوچک و تسریع افزایش جرم کلان جرم‌ها سهم زیادی داشته باشند.
عامل سوم در پیدایش سیاهچالههای کلان جرم می‌تواند درون‌ریزی یک خوشه ستاره‌ای باشد، به عبارت دیگر دسته‌ای از ستاره‌ها که زمان تولد یکسانی داشته‌اند، همزمان با یکدیگر فرو می‌ریزند.
سیاهچاله جرم متوسط؛ یک نوعِ سردرگم
دانشمندان مدت‌ها پیش سیاهچالهها را تنها در دو نوع بزرگ و کوچک دسته بندی می‌کردند. اما یافته‌های اخیر نشان می‌دهد که امکان وجود سیاهچاله‌هایی با اندازه متوسط (IMBHs) نیز وجود دارد. چنین اجرامی می‌توانند هنگام تصادم بین خوشههای ستاره‌ای و در طول یک سری واکنش‌های زنجیره‌ای تشکیل شوند.
تعداد زیادی از چنین سیاهچاله هایی در یک ناحیه مشخص سرانجام می‌توانند در مرکز کهکشان با یکدیگر ادغام شده و یک سیاهچاله کلان جرم را پدید آورند.
در سال ۲۰۱۴، ستاره‌شناسان دریافتند که سیاهچاله های جرم متوسط در بازو‌های کهکشان‌های مارپیچی جا خوش می‌کنند. تیم رابرت، رهبر این مطالعات از دانشگاه دورهام انگلستان، طی بیانیه‌ای عنوان داشت:
ستاره‌شناسان به سختی درصدد هستند تا سیاهچالههای جرم متوسط بیشتری را رصد کنند. نکاتی وجود دارد که در اثبات وجود سیاهچاله های جرم متوسط راهگشا هستند. اما آنها چنان پیچیدگی دارند که پی بردن به راز‌های وجودشان کار ساده‌ای نیست.
نظریه سیاهچاله
سیاهچاله ها به طرز حیرت‌انگیزی پرجرم هستند، اما تنها منطقه کوچکی را پوشش می‌دهند. بدلیل رابطه‌ای که میان جرم و گرانش وجود دارد، این اجرام کوچک به نیروی گرانش فوق‌العاده‌ای مجهز هستند، به طوری که بعید است چیزی در میدان گرانشی آنها قرار بگیرد و بتواند از چنگ آنها بگریزد. جالب است حتی اگر بر اساس قوانین فیزیک کلاسیک نیز پیش برویم، حتی نور نیز نمی‌تواند از دام سیاهچاله رهایی یابد.
در حین رصد آسمان وقتی به سیاهچالهها می‌رسیم، بدلیل این نیروی گرانش عظیم به یک مشکل برمی‌خوریم. ستاره شناسان با آن روشی که اجرامی مانند ستاره‌ها را می‌بینند، قادر به رصد سیاهچالهها نیستند. به جای آن دانشمندان باید برای مشاهده آنها به تشعشعات منتشر شده از آنها و غبار‌های کیهانی جذب شده به سمتشان، که ناشی از چگالی بالای آنهاست، تکیه کنند. سیاهچاله های کلان جرم که در مرکز کهکشان‌ها قرار دارند را لایه‌ای ضخیم از گاز‌ها و غبار‌های کیهانی احاطه کرده است. این لایه تشعشعات منتشر شده سیاهچاله را مستور می‌کند.
سیاهچالهها نواحی بسیار عجیبی هستند با چنان گرانش بالایی که آنان را قادر می‌سازد تا پرتو‌های نور را خم کنند و صفحه فضا زمان را از حالت طبیعی‌اش خارج کنند.
گاهی اوقات که یک جرم به سمت یک سیاهچاله جذب می‌شود، به جای آنکه به درون آن کشیده شود، با کمانه کردن از افق رویداد آن به سمت خارج پرتاب می‌شود. در این حالت جت‌هایی نورانی از مواد مختلف با سرعت‌های نسبی برابر ایجاد می‌شوند. اگرچه سیاهچاله ها به خودی خود غیر قابل مشاهده هستند، اما این جت‌های درخشان حتی از فواصل بسیار دور نیز مشاهده می‌شوند.
سیاهچاله از سه لایه تشکیل شده است:
- لایه‌های درونی
- لایه بیرونی افق رویداد (Event horizon)
- لایه تکینگی مرکزی
افق رویداد هر سیاهچاله مرزی است در اطراف دهانه سیاهچاله که پرتو‌های نور امکان گریز ندارند و ناچار هستند به سمت مرکز آن حرکت کنند. هنگامی که یک ذره از افق رویداد گذر کند، امکان ترک این ناحیه را نخواهد داشت؛ چرا که در سراسر ناحیه افق رویداد نیروی گرانش ثابت است.
از ناحیه درونی سیاهچاله جایی که بخش عمده جرم آن وجود دارد، تحت عنوان تکیینگی یاد می‌شود. نقطه‌ای مجرد در فضا- زمان که جرم سیاهچاله در آن متمرکز شده است.
براساس قوانین فیزیک مکانیک کلاسیک، هیچ چیز نمی‌تواند از دام سیاهچاله ها خارج شود، اما وقتی پای مکانیک کوانتوم به این قضیه باز می‌شود، همه چیز تغییر می‌کند.
بر اساس مکانیک کوانتوم، برای هر ذره یک پادذره تعریف می‌شود؛ پادذره، خود ذره‌ای است که جرم برابر و بارالکتریکی مخالف با ذره متناظرش دارد. وقتی این دو به هم می‌رسند، مجموعه‌ای خنثی را بوجود می‌آورند.
اگر یک مجموعه ذره-پادذره به افق رویداد یک سیاهچاله برسند، این امکان وجود دارد که یکی به درون سیاهچاله جذب و دیگری به بیرون رانده شود. نتیجه این می‌شود که افق رویداد سیاهچاله کاهش پیدا می‌کند و سیاهچاله رو به تجزیه شدن می‌رود. حال آنکه چنین فرآیندی در فیزیک کلاسیک پذیرفته نیست.
دانشمندان هنوز در حال مطالعه بر روی معادلاتی هستند که بوسیله آن به نحوه عملکرد سیاهچاله پی برند.
سیاهچاله های دوتایی
در سال ۲۰۱۵ محققان با استفاده رصدخانه موج گرانشی تداخل لیزری لایگو (LIGO)، موفق شدند برای نخستین بار امواج گرانشی را ثبت کنند. از آن زمان تا کنون با استفاده ابزارهای مشابه، چندین برخورد دیگر نیز ثب شد. امواج گرانشی که توسط رصدخانه لایگو ثبت شد حاصل از برخورد میان دو سیاهچاله ستاره‌ای بود.
دیوید شوماکر، سخنگوی مرکز همکاری‌های علمی لایگو و از دانشگاه ام‌آی‌تی، معتقد است:
ما شواهد زیادی مبنی بر وجود سیاهچالههای ستاره‌ای داریم که جرمی بیش از ۲۰ برابر جرم خورشید دارند. اینها اجرامی بودند که قبل از یافته‌های لایگو از وجودشان بی‌خبر بودیم.
مرکز همکاری‌های علمی لایگو (LSC)، اجتماعی از بیش از ۱۰۰۰ دانشمند از سراسر جهان است که همکاری‌هایی با رصدخانه ویرگر نیز دارند.
مشاهدات لایگو همچنین از راز جهت چرخش سیاهچاله ها نیز پرده برداشت. هنگامی که دو سیاهچاله به طور مارپیچی به دور یکدیگر در حرکت هستند، می‌توانند هم جهت با یکدیگر و یا در خلاف جهت یکدیگر چرخش داشته باشند.
بانگالور ساتیاپراکاش، از محققان ارشد لایگو و از دانشگاه کاردیف، می‌گوید:
برای اولین بار است که ما شواهدی مبنی بر عدم هماهنگی در چرخش سیاهچالهها بدست می‌آوریم و این موضوع می‌تواند سرنخی هرچند کوچک در نحوه شکل گیری خوشههای ستاره‌ای از سیاهچالههای دوتایی باشد.
در مورد نحوه شکل گیری سیاهچاله های دوتایی دو نظریه وجود دارد. نظریه اول مدعی است که سیاهچالههای این مجموعه‌ها، در یک زمان یکسان و از ستارگانی با طول عمر یکسان منشاء می‌گیرند که طی یک انفجار در زمانی مشخص سیاهچالههای دوتایی را پدید آورده‌اند.
اما نظریه دوم بیان می‌کند که سیاهچالههای یک خوشه ستاره‌ای به سمت مرکز آن فرو رفته و سرانجام جفت می‌شوند. سیاهچالهها در مقایسه با یکدیگر بصورت تصادفی جهت‌گیری می‌کنند. مشاهدات رصدخانه لایگو از سیاهچالههای دوتایی و جهت گیری‌های متفاوت آنها، شواهدی محکم‌تر برای تایید این نظریه به شمار می‌آیند.
کیتا کاوابه، از دیگر محققان لایگو و کسی که در رصدخانه هانفورد لایگو مشغول به پژوهش است، می‌گوید:
ما در حال جمع‌آوری آمار‌هایی واقعی در خصوص سیاهچالههای دوتایی هستیم. نظریات بسیاری در مورد نحوه شکل گیری سیاهچالههای دوتایی وجود دارد. جالب است که حتی در حال حاضر نیز برخی از این نظریات نسبت به سایرین برتری‌هایی دارند. به نظر من در آینده، تعدد این نظریات را محدود و محدودتر کنیم.
نکاتی جالب در مورد سیاهچاله ها
- بر اساس نظریات، اگر شما به درون یک سیاهچاله بیافتید، بدلیل نیروی گرانش زیاد آنجا مانند رشته‌های اسپاگتی کشیده خواهید شد. همچنین خیلی زودتر از آنکه به لایه تکینگی برسید باید غزل خداحافظی را بخوانید. اما در سال ۲۰۱۲ مطالعه‌ای در مجله نیچر به چاپ رسید که بر اساس مفاهیم کوانتوم، نحوه کارکرد افق رویداد را مانند یک دیوار آتشین می‌داند؛ بدین معنا که شما در بلافاصله در اثر یک احتراق جزئی به کام مرگ فرستاده خواهید شد.
- برخلاف باور‌های موجود سیاهچالهها توانایی مکش ندارند. مکیدن به معنای کشیده شدن چیزی به درون یک فضای خلا است، حال آنکه سیاهچالهها به قطع چنین ساختاری ندارند. به بیان بهتر باید بگوییم اجرام بدلیل جرم بالای سیاهچاله به درون آن می‌افتند.
- دجاجه ایکس یک (Cygnus X1) نخستین جرم سماوی بود که عنوان سیاهچاله را یدک کشید. سیاهچاله بودن یا نبودن آن در سال ۱۹۷۱ موضوع شرط بندی استفان هاوکین و کیپ ثورن بود که در آن ثورن معتقد بود این جرم یک سیاهچاله است. البته بعدها و در سال ۱۹۹۰ هاوکینگ این موضوع را تایید کرد. دجاجه ایکس یک منبع سرشاری از پرتو ایکس در فضاست که در صورت فلکی ماکیان قابل مشاهده است. در سال ۱۹۷۱، دانشمندان یک سری تشعشعات رادیویی و همچنین یک همنشین برای دجاجه ایکس یک کشف شد. با این حساب باید این جرم را عضوی از یک مجموعه سیاهچاله دوتایی قلمداد کنیم.
- ممکن است سیاهچالههای کوچک بلافاصله پس از انفجار مه‌بانگ یا بیگ بنگ شکل گرفته باشند. انبساط سریع فضا ممکن است برخی مناطق را به سیاهچاله‌هایی کوچک و با چگالی بالا تبدیل کرده باشد.
- اگر یک ستاره به اندازه کافی به یک سیاهچاله نزدیک شود ممکن است تکه تکه شود.
- ستاره شناسان تخمین می‌زنند که در سراسر کهکشان راه شیری، تعدادی در حدود ۱۰ میلیارد تا یک میلیون میلیارد سیاهچاله ستاره‌ای با جرمی حداقل سه برابر جرم خورشید وجود داشته باشد.
- تعریف سیاهچاله در نظریه ریسمان به طرز جالبی مطرح شده و موجب می‌شود تا نسبت به نظریه مکانیک کلاسیک، سیاهچالههای غول‌آسا یافت شوند.
- سیاهچالهها برای کتاب‌ها و فیلم‌های علمی تخیلی بسیاری الهام بخش بوده اند. در همین زمینه می‌توانید به فیلم دیدنی “میان ستاره‌ای” رجوع کنید که به شدت بر مبنای تئوری‌های کیپ ثورن، فیزیکدان نظری، تکیه کرده تا بتواند پای علوم واقعی را نیز به دنیای هالیوود بازکند. در حقیقت، پرداخت‌هایی که جلوه‌های ویژه فیلم‌های پرفروش به مفاهیم علمی می‌دهند سبب می‌شود تا درک بهتری داشته باشیم از نحوه‌ی تعامل بین یک ستاره با سیاهچاله‌ای که در اطراف آن در حال چرخش است.
.
بیشتر بخوانید:
.
منبع : Space