فرادرستبخیر سیاهچاله — به زبان ساده
در مطالب گذشته وبلاگ فرادرس در مورد مفاهیم مربوط به گرانش، فضا-زمان و سیاهچالهها بحث شد. اما شاید برایتان سوال شده باشد که آیا سیاهچالهها عمری بینهایت دارند یا آنها هم روزی از بین خواهند رفت؟ پاسخ این سوال منفی است. در حقیقت سیاهچالهها عمری محدود داشته و پس از مدت‌زمانی از بین می‌روند. در این مطلب قصد داریم تا نحوه از بین رفتن یک سیاهچاله یا اصطلاحا تبخیر سیاهچاله را توضیح دهیم.
سیاهچالهها
هیچ چیز در جهان برای همیشه زندگی نمی‌کند. برای نمونه ستاره‌هایی که در بازه‌ای زمانی شکل می‌گیرند، روزی از بین خواهند رفت. کهکشان‌های دوردست و حتی خوشه‌های کهکشانی نیز به دلیل وجود انرژی تاریک از یکدیگر دور می شوند؛ با این حال، در مراکز کهکشان‌ها، چگال‌ترین اجرام کیهانی قرار دارند. این اجرام سیاهچاله‌هایی هستند که حتی امروزه نیز شکل می‌گیرند. حتی در کهکشان راه شیری نیز سیاهچالههای فوق‌العاده قدرتمندی قرار دارد. عظیم‌ترین آنها ده‌ها میلیارد برابر خورشید سنگین هستند که توسط افق رویداد محصور شده‌اند. این اجرام، سنگین‌ترین پدیده‌هایی هستند که تاکنون شناسایی شده‌اند؛ اما این سوال مطرح می‌شود که آیا این اجرام برای همیشه زندگی می‌کنند؟
تبخیر سیاهچاله
همانطور که هاوکینگ در سال 1974 پیش‌بینی کرد، سیاهچالهها در نهایت تبخیر می‌شوند. اما به راستی تبخیر یک سیاهچاله به چه معنا است؟ اولین سوالی که باید در مورد آن فکر کنید، این است که فضای خالی واقعا به چه معنا است؟ تصور کنید که برای ایجاد فضای خالی به بهترین شکل ممکن، چه چیزی را از فضا حذف می‌کنید؟
شما در اولین گام تمام ذرات را از فضا خارج می‌کنید. برای شروع، هر نوع ماده، پادماده، فوتون، تابش یا هر چیز دیگری که می‌توانید تصور کنید، باید حذف شوند. در حقیقت شما به فضایی نیاز دارید که از هر مفهوم قابل تصور باید خالی باشد؛ در غیر این‌صورت نمی‌توان آن فضا را خالی تصور کرد.
شما همچنین باید ناحیه خالی شده خود را از نفوذ هر چیزی محافظت کنید. هیچ میدان الکتریکی، مغناطیسی یا هسته‌ای (یا حتی نیرویی) نباید اجازه عبور از آن را داشته باشد. حتی تاثیر گرانشی هر چیز دیگری در جهان باید حذف شود. این تاثیر شامل انحنای فضا-زمان ناشی از اجرام و انواع انرژی‌های موجود در کیهان نیز می‌شود.
توجه داشته باشید که در واقعیت فیزیکی نمی‌توان این کار را انجام داد. در حقیقت تمامی این تفکرات، آزمایشی ذهنی در فیزیک نظری محسوب می‌شود. تصور کنید یک منطقه از فضا مطلقا خالی بوده و هیچ تاثیرپذیری نسبت به فضای بیرونی‌اش نداشته باشد. تنها چیزهایی که قادر به رهایی از آن نیستیم، خود فضا-زمان و قوانین فیزیکی هستند که نحوه رفتار کیهان را اداره می‌کنند.
با این حال، حتی اگر ما خودمان را به این نوع خلأ محدود کنیم، وقتی محاسبه کنیم که در فضای خالی چه چیزی اتفاق می‌افتد، متوجه می‌شویم که فضای تصور شده آنقدر هم خالی نیست. در حقیقت، مقدار انرژی مشخصی برای فضا وجود دارد که این مقدار از انرژی نشان می‌دهد فیزیک کوانتومی همچنان صادق است. همه‌چیز در جهان دارای عدم قطعیتی ذاتی است. نمونه‌هایی از این عدم قطعیت، موقعیت‌های نامشخص، لحظات نامشخص و حتی مقادیر انرژی نامشخص هستند. فقط با میانگین‌گیری در طول زمان و در بستر فضا، می‌توانیم اطلاعاتی معنی‌دار در مورد آنچه که در فضای خالی رخ می‌دهد را بدست آوریم.
انرژی فضای خالی به خودی خود چیزی نیست که بتوانیم از لحاظ نظری آن را به‌صورتی مطلق تعیین کنیم؛ در حقیقت ابزار محاسباتی ما برای انجام آن به اندازه کافی قدرتمند نیست. با تمامی این پیچیدگی‌ها، این امکان وجود دارد که انرژی ذاتی فضای خالی را با استفاده از تحلیل نحوه گسترش جهان، اندازه‌گیری کرد. هرچه اندازه‌گیری چگونگی جهان در حال گسترش بهتر باشد، خواص انرژی تاریک نیز بهتر تحلیل و شناخته می‌شوند.
اکنون فضای خالی را با فضا-زمان به همان اندازه خالی جایگزین و با یک استثنا، یک توده نقطه واحد را در مکان انتخابی خود قرار دهید (این توده نقش همان سیاهچاله را بازی می‌کند).
از نقطه نظر فنی می‌توان گفت شما از فضای مینکوفسکی به فضای شوارتزشیلد تغییر می‌کنید (در آینده هریک از این فضاها را به‌طور مجزا توضیح خواهیم داد)؛ به زبانی غیر‌فنی، شما مقداری قابلیت انحنایی فضا-زمانی را به کیهان اضافه کرده‌اید. در حقیقت هرچه به توده قرار داده شده نزدیک‌تر می‌شوید، فضایی با شدت انحنای بیشتری را مشاهده می‌کنید و حتی یک مکان وجود دارد که بدون توجه به نوع ذره‌ای که شما دارید و یا اینکه چقدر سریع حرکت می‌کنید یا چقدر سرعت می‌گیرید، فرار از داخل آن منطقه غیرممکن است.
مرز بین امکان فرار و عدم توانایی، تحت عنوان «افق رویداد» (Event Horizon) شناخته شده و این همان ویژگی است که تمام سیاهچالههای جهان ما از آن برخوردارند. در شکل زیر یک سیاهچاله به همراه افق رویداد مربوط به آن نشان داده شده است.
با توجه به این مفاهیم، ممکن است شروع به کنار هم گذاشتن برخی قطعات پازلِ سیاهچاله کنید و به نتایجی عجیب دست یابید. این همان کاری است که هاوکینگ در دهه ۱۹۷۰ انجام داد. شاید این تصور را داشته باشید که ذرات و پادذراتی وجود دارند که فضای خالی را پر می‌کنند و ما اکنون با یک افق رویداد مواجه هستیم؛ منطقه‌ای از فضا که هیچ چیز نمی‌تواند از داخل آن فرار کند. البته گاهی اوقات شاید یکی از جفت ذره‌های ایجاد شده (ذره و پاد ذره) در خارج از افق رویداد تلاش کنند تا از آن عبور کنند. در این شرایط ذره دیگر می‌تواند فرار کرده، در این صورت انرژی را از سیاهچاله خارج می‌کند (توجه داشته باشید که این اتفاق از این مفهوم ناشی می‌شود که ماده و پادماده همواره یکدیگر را دفع می‌کنند).
از آنجا که انرژی باید پایسته باشد، ممکن قطعه‌ای دیگر از پازل را با هم ترکیب کنید و ادعا کنید که انرژی باید ناشی از خود سیاهچاله باشد. این استدلال بسیار مشابه با توضیحی است که هاوکینگ در مورد تابش سیاهچالهها ارائه می‌دهد. در تابش هاوکینگ، جزئیات چگونگی تبخیر سیاهچالهها توضیح داده شده است.
اما توجه داشته باشید که این توجیه (آمدن انرژی از خود سیاهچاله)، پاسخی درست تلقی نمی‌شود. این نقض را می‌توان با چندین روش مختلف اثبات کرد. ما به دنبال توصیفی از یک خلاء کوانتومی هستیم. در ابتدا باید بگوییم که این ذرات، ذراتی واقعی محسوب نمی‌شوند. در حقیقت ذره‌ها و پادذره‌ها ابزار‌هایی محاسباتی هستند که در معادلات از آنها استفاده شده و هیچگاه نمی‌توان آنها را مشاهده یا اندازه‌گیری کرد. از طرفی تابش‌های هاوکینگ که از سیاهچاله خارج می‌شوند تقریبا فوتون بوده و ماده یا پادماده نیستند. دلیل دیگر نیز این است که بیشتر تابش هاوکینگ، از لبه افق رویداد ناشی نشده، بلکه از یک منطقه بسیار بزرگ اطراف سیاهچاله رخ می‌دهد.
اگر توضیح جفتی ذره-پادذره را بپذیرید، بهتر است آنها را به عنوان یکی از چهار نوع جفت‌های زیر در نظر بگیرید:
- خارج-خارج
- خارج-داخل
- داخل-خارج
- داخل-داخل
از بین موارد فوق، تنها دو مورد وسط می‌توانند با یکدیگر تعامل کرده و منجر به تولید فوتونی شوند که حامل انرژی است. این انتقال انرژی در نتیجه خمیدگی فضا-زمان بوده و منجر به کاهش جرم سیاهچاله می‌شود.
تصویرسازی خیالی از تبخیر یک سیاهچاله بسیار مشکل به نظر رسیده از این رو بسیاری از مردم نمی‌توانند رخ‌داد فیزیکی آن را درک کنند. آنچه که باید محاسبه شود این است که نظریه میدان کوانتومی فضای خالی، در منطقه‌ای بسیار خمیده شده در اطراف یک سیاهچاله چگونه رفتار می‌کند. نیازی نیست این نظریه در نزدیکی افق رویداد بررسی شود بلکه می‌توان آن را در کره‌ای با شعاع مشخص نیز در اطراف سیاهچاله مورد بررسی قرار داد.
ما قادر به محاسبه انرژی مطلق فضای خالی نیستیم. مهم نیست که این فضا خمیده شده باشد یا خیر. در حقیقت آنچه قابل محاسبه است تفاوت میان انرژی فضای خلا کوانتومی و فضای غیرخالی است. زمانی که شما محاسبات مربوط به نظریه میدان کوانتومی را در فضایی به شدت خمیده انجام می‌دهید، به این نتیجه می‌رسید که تابش جسم سیاه تنها در اطراف افق رویداد یک سیاهچاله، در حال ساطع شدن است. هرچه افق رویداد کوچک‌تر باشد خمیدگی فضایی بیشتر بوده، در نتیجه تابش هاوکینگ نیز در اطراف سیاهچاله بیشتر است.
توضیح دقیق تابش هاوکینگ بسیار پیچیده‌تر بوده و نشان می‌دهد که تصویر ساده ارائه شده از هاوکینگ دارای محدودیت‌هایی نیز است. ریشه مشکل این نیست که ذره و پادذره در حال بوجود آمدن و از بین رفتن هستند؛ مشکل در حقیقت این است که ناظران مختلف، این ذرات را نیز به شکل‌های متفاوتی می‌بینند (ناظران مختلف در حقیقت پاسخ‌های معادلات کوانتومی در حالت‌های مختلف محسوب می‌شوند). البته باید توجه داشته باشید که این مسئله در فضا-زمان خمیده شده نسبت به فضای تخت مشکل‌تر نیز است.
اساسا یک ناظر فضایی خالی را می‌بیند، در حالی که ناظر دوم که حرکت آن به‌صورت شتابدار است، ذراتی را در فضا مشاهده می‌کند. بنابراین می‌توان گفت منشا تابش هاوکینگ وابسته به ناظر شتابدار یا ساکن بیرونی است.
آنچه که می‌توان با اطمینان در مورد سیاهچالهها گفت این است که آنها، تابش‌های جسم سیاه را از خود ساطع می‌کنند. معمولا جنس این تابش‌ها از فوتون بوده که در تمامی جهات منتشر می‌شوند. حجم فضایی که این تابش‌ها در آن رخ می‌دهد در حدود ۱۰ برابر شعاع شوارتزشیلد است.
نتیجه مهم توضیح هاوکینگ این است که با توجه به زمان کافی، سیاهچالهها برای همیشه باقی نخواهند ماند و در زمان مشخصی از بین می‌روند. از دست دادن انرژی، جرم یک سیاهچاله را کاهش می‌دهد و در نهایت منجر به تبخیر کامل آن می‌شود. تابش هاوکینگ یک فرآیند بسیار آهسته محسوب می‌شود. به‌طور دقیق‌تر یک سیاهچاله با جرمی در حدود خورشید، حدود $$ 10 ^ {67} $$ سال برای تبخیر کامل به زمان نیاز دارد. این زمان برای سیاهچاله قرار گرفته در مرکز راه شیری حدود $$ 10 ^ {87} $$ و برای سیاهچالههای بزرگ‌تر کیهان در حدود $$ 10 ^ {100} $$ سال است. پس از تبخیر کامل یک سیاهچاله، آنچه که مشاهده می‌شود، پدیده‌ای بی‌نظیر است. در حقیقت پس از نابودی کامل، یک سیاهچاله ستونی قدرتمند از ذرات را از خود ساطع خواهد کرد.
در صورتی که مطلب فوق برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:
- مجموعه آموزش‌های فیزیک
- مجموعه آموزش‌های ریاضی
- سیاه چاله چیست؟ — به زبان ساده
- فضا زمان چیست؟ — به زبان ساده
- کوانتوم — به زبان ساده
^^
درود
چرا ذرات با انرژی منفی وارد سیاه چاله میشن و ذرات با انرژی مثبت خارج؟چرا برعکسش اتفاق نمیافته؟
سلام وقت بخیر یک سوال
آیا در صورت تبخیر افق رویداد کاهش می یابد یا اینکه ثابت می‌ماند .مقصودم ناحیه افق رویداد و مساحت افق رویداد است
با سلام،
سیاهچالهها با تبخیر کوچک‌تر می‌شوند و افق رویداد آنها به نقطه تکینگی نزدیک‌تر خواهد شد.
با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس