سیاه چاله چیست؟ – همه دانستنی ها به زبان ساده + عکس

به طور حتم بارها در اخبار علمی یا در زندگی روزمره نام سیاه چاله را شنیده‌اید. در نگاه اول این‌گونه به نظر می‌رسد که هیچ چیز در سیاه چاله وجود ندارد، اما برخلأف نام آن، سیاهچاله مقدار قابل توجهی ماده در ناحیه بسیار کوچکی از فضا است. ستاره‌ای با جرمی معادل ده برابر خورشید را در نظر بگیرید که در کره‌ای به قطر شهر نیویورک فشرده شده است. نتیجه این تجمعِ جرم بسیار زیاد در حجمی بسیار کم، میدان گرانشی بسیار قوی است که هیچ چیز، حتی نور نمی‌تواند از آن فرار کند. در سال‌های اخیر، سازمان فضایی آمریکا، ناسا، با استفاده از تجهیزات پیشرفته تصاویری از این پدیده عجیب و حیرت‌انگیز تهیه کرده است. در این مطلب از مجله فرادرس، در مورد سیاه چاله‌ ها، انواع آن‌ها و هر آنچه به این پدیده شگفت‌انگیز مربوط می‌شود، صحبت خواهیم کرد.

سیاه چاله چیست ؟

سیاه چاله‌ ها یکی از عجیب‌ترین و شگفت‌انگیزترین اجسام در فضا هستند. جرم بسیار زیاد سیاه چاله سبب ایجاد نیروی جاذبه بسیار قوی (نیروی گرانشی) در اطراف آن شده است، به گونه‌ای که حتی نور نمی‌تواند از جاذبه قوی آن فرار کند.

سیاه‌ چاله‌ نقطه تاریکی در فضا و مرکز گرانش است و هر چیزی را در مسیر خود می‌بلعد. یکی از مهم‌ترین سوال‌هایی که دانشمندان در مورد این پدیده شگفت‌انگیز از خود پرسیده‌اند آن است که اگر به سیاهچاله نزدیک شویم چه خواهیم دید. آیا با گذر از سیاه چاله به جهان دیگری وارد می‌شویم؟ چه رازهایی در مورد جهان هستی در دل سیاهچاله‌ها نهفته هستند؟

تصور کنید که به مرکز کهکشان راه شیری و در فاصله ۲۶ هزار سال نوری از زمین، سفر می‌کنیم. در آسمان میلیون‌ها ستاره را مشاهده می‌کنید و در افق، کره‌ای سیاه‌ رنگ و بسیار عجیب به نام سیاهچاله طلوع می‌کند. اندازه آن ده برابر اندازه خورشید و جرم آن میلیون‌ها برابر خورشید است.

سیاهچاله قرار گرفته در مرکز کهکشان راه شیری، تنها سیاه‌ چاله موجود در جهان هستی نیست. ستاره‌شناسان به طور تقریبی در هر کهکشانی، اثری از وجود سیاهچاله را کشف کرده‌اند. جرم هر کدام از آن‌ها میلیون‌ها و حتی میلیاردها برابر جرم خورشید است. نحوه تشکیل سیاه چاله ها یکی از معماهایی است که دانشمندان‌ از سال‌ها قبل به دنبال حل آن هستند. برای پاسخ به این پرسش مهم، آگاهی از چگونگی تشکیل ستاره‌ها و نیروهای حاکم بر آن‌ها به هنگام تشکیل، بسیار مهم است. با دانستن چرخه زندگی سیاه چاله، به بسیاری از پرسش‌ها در مورد جهان هستی و اندازه آن پاسخ داده خواهد شد.

گفتیم سیاهچاله، هر چیزی حتی نور را می‌بلعد. از خود خواهید پرسید پس چگونه می‌توان به وجود سیاهچاله ها پی برد. در روز ۱۹ مارس سال ۲۰۰۸، ستاره‌شناسان در سراسر جهان هشداری را از فضاپیمای در حال چرخشی به نام «سوییفت» (Swift) دریافت کردند. هشدار دریافت شده، تشعشع پرتو گاما و نشان‌دهنده رویدادی فاجعه‌آمیز بود. در کسری از ثانیه، بیشتر تلسکوپ‌های نصب شده در آمریکای شمالی و جنوبی به سمت نور خیره کننده تنظیم شدند.

همچنین، دانشمندان با استفاده از نرم‌افزارهای مخصوص، نور دریافتی را به تمام طول موج‌های تشکیل‌دهنده آن، تقسیم کردند. در نتیجه، مسافت طی شده توسط پرتو گاما در حدود ۷/۵ میلیارد سال نوری، محاسبه شد. دانشمندان با کنار هم قرار دادن اطلاعات به‌دست آمده به این نتیجه رسیدند که پرتو گامای دریافتی می‌تواند نشان‌دهنده تولد سیاهچاله‌ ای در فاصله میلیاردها سال نوری از زمین باشد.

ویژگی های سیاه چاله

• مبهم: جسم بسیار اسرارآمیزی است.
• افق رویداد: به مرزی که در آنجا سرعت مورد نیاز برای فرار از سرعت نور بیشتر می‌شود. به این نکته توجه داشته باشید که سرعت نور، حد سرعت در کیهان است. ماده، نور و هر چیز دیگری در کهکشان، پس از ورود به سیاهچاله، از آن خارج نخواهند شد.

پدیده اسپاگتی

اگر جسمی از افق رویداد سیاه چاله عبور کند، دچار پدیده‌ای به نام اسپاگتی می‌شود. به زبان عامیانه، جسم پس از عبور از مرز سیاهچاله، کش می‌آید.

در ادامه، در مورد چگونگی تشکیل سیاه چاله ها توضیح می‌دهیم.

سیاه چاله چگونه تشکیل می شود ؟

سیاه چاله ها براساس جرم و اندازه به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند. در حالت کلی، سیاهچاله ها از فروپاشی ستاره، ادغام دو سیاهچاله یا یک سیاه چاله و ستاره نوترونی با یکدیگر تشکیل می‌شوند. در ادامه، در مورد تشکیل سیاهچاله، پس از مرگ ستاره صحبت می‌کنیم و سپس انواع آن را توضیح می‌دهیم.

مرگ ستاره

مرگ ستاره‌ای یکی از رایج‌ترین راه‌های شناخته شده برای تشکیل سیاهچاله است. برخی از سیاهچاله ها به طور مستقیم از ستاره‌های بسیار بزرگی تشکیل می‌شوند. این ستاره‌ها در حدود ۲۵ تا ۱۰۰ برابر خورشید هستند. برای درک بهتر این موضوع، تولد تا مرگ ستاره را به زبان ساده در ادامه توضیح می‌دهیم.

تولد تا مرگ یک ستاره ممکن است میلیون‌ها یا حتی میلیاردها سال به طول انجامد. مسیر تولد تا مرگ ستاره به جرم آن یا مقدار گاز جمع شده و از بین رفته برای تشکیل ستاره بستگی دارد، زیرا این دو عامل، تعیین‌کننده سوخت ستاره هستند. هنگامی که دو هسته با بار مثبت و انرژی کافی به یکدیگر برخورد و بر نیروی قوی دافعه الکترومغناطیسی غلبه کنند، همجوشی هسته‌ای رخ می‌دهد و مقدار بسیار زیادی انرژی آزاد خواهد شد. مقدار انرژی آزاد شده برابر است با:

$$E = m c^2$$

بنابراین، تنها با برخورد هسته‌ها با یکدیگر و همجوشی آن‌ها در هسته‌ای با دمای بسیار بالا، انرژی بسیار زیادی آزاد می‌شود. اکنون ستاره‌ای با جرم بسیار زیاد را در نظر بگیرید، نیروی جاذبه (گرانشی) به سمت داخل بر آن وارد می‌شود و تمایل به از هم‌ پاشیدن ستاره دارد. همجوشی هسته‌ای در مرکز ستاره با دمای بسیار بالا و آزاد کردن مقدار بسیار زیادی انرژی به سمت خارج، بر این نیروی جاذبه قوی غلبه خواهد کرد.

بنابراین، مقدار ماده تشکیل‌دهنده ستاره، مقدار سوخت برای بقا، طول عمر و سرنوشت آن را تعیین خواهد کرد. از آنجایی که جرم نقش مهمی در سرنوشت ستاره دارد، ستاره‌‌ها با جرم‌های مختلف را در نظر می‌گیریم.

ستاره با جرم کم یا متوسط

آغاز هر ستاره‌، ابری متشکل از گاز و گرد و غبار به طول چند سال نوری است. هیدروژن و هلیوم، تنها عنصرهای تشکیل‌دهنده ابر در مراحل اولیه تشکیل ستاره بودند.

ابر متشکل از گرد و غبار و گاز به دلیل نیروی جاذبه تشکیل و مواد را جذب کرده است. هر چه ابر منقبض‌تر شود، با نیروی بزرگ‌تری به سمت داخل کشیده خواهد شد. انقباض تا جایی ادامه می‌یابد که دمای مواد تشکیل‌دهنده ابر بسیار زیاد شود. این فرایند ممکن است میلیون‌ها سال به طول انجامد. در این مرحله، همجوشی هسته‌ای آغاز خواهد شد.

پس از آغاز همجوشی هسته‌ای، تعادل برقرار و ستاره‌ای قرمز یا زردرنگ ایجاد می‌شود. ستاره تشکیل شده با تمام انرژی آزاد شده ناشی از برخورد هسته‌ها در مرکز آن، می‌درخشد. همجوشی هسته‌ای با ترکیب دو پروتون با یکدیگر آغاز می‌شود. از ترکیب دو پروتون، واپاشی بتا رخ می‌دهد و یکی از پروتون‌ها به نوترون تبدیل می‌شود. به پروتون و نوترون در کنار یکدیگر، دوترون (هسته هیدروژن سنگین) می‌گوییم.

سپس، دوترون با انجام یک سری واکنش به هلیوم تبدیل می‌شود. هلیوم از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است.

به این ترتیب، ستاره با انجام این واکنش‌ها تا میلیاردها سال به زندگی خود ادامه می‌دهد و آهسته تمام هیدرو‌ژن‌های موجود در هسته خود را به هلیوم تبدیل می‌کند. در طی این مدت، اندازه، دما و درخشش ستاره به طور تقریبی ثابت می‌ماند. همه چیز تا سوختن کامل هیدروژن خوب پیش می‌رود، اما پس از اتمام هیدروژن در مرکز ستاره، اوضاع تغییر خواهد کرد.

در این زمان، مرکز ستاره کوچک‌تر و داغ‌تر می‌شود و هیدروژن‌های باقی‌مانده، سریع‌تر مصرف و به هلیوم تبدیل می‌شوند. انرژی ایجاد شده به بیرون از ستاره تشعشع خواهد کرد و لایه‌های خارجی را از مرکز دور می‌کند. با انبساط لایه‌های بیرونی، دمای آن‌ها کاهش می‌یابد و قرمزتر می‌شوند. در این مرحله، ستاره غول‌پیکر قرمز تشکیل خواهد شد. عمر ستاره در این حالت کمی طولانی‌تر و در حدود میلیاردها سال است. هسته ستاره پس از اتمام کامل هیدروژن، داغ‌تر و کوچک‌تر می‌شود.

مرحله بعد درخشش هلیوم نام دارد. در این مرحله، دما به اندازه‌ای بالا است که هسته‌های هلیوم با یکدیگر ترکیب می‌شوند و هسته‌های بزرگ‌تری مانند کربن و اکسیژن تولید می‌شوند. سپس، ستاره شروع به تپیدن می‌کند و وارد مرحله‌ای به نام شاخه افقی می‌شود. در این مرحله، ستاره با تبدیل بیشتر هلیوم به هسته‌های بزرگ‌تر، کوچک‌تر، داغ‌تر و آبی‌تر می‌شود.

اکنون به مرحله‌ای می‌رسیم که بیشتر مرکز هسته ستاره از کربن و اکسیژن تشکیل شده است و لایه‌ نازکی از هلیوم به دور آن و لایه نازک‌تری از هیدروژن به دور هلیوم قرار گرفته است. در این حالت، ماده بسیار کمی برای مصرف و سوختن باقی مانده است. بنابراین، هسته فرو می‌پاشد و ستاره وارد مرحله دیگری به نام شاخه مجانبی غول‌ستاره می‌شود. در این مرحله، ستاره به سرعت رشد می‌کند و دوباره به ستاره‌ای غول‌پیکر تبدیل می‌شود. این مرحله تا زمانی ادامه می‌یابد که آخرین انفجارهای انرژی از لایه بیرونی خارج شوند و این لایه از مرکز دور شود. در ادامه، هسته‌ای بسیار داغ و کوچک به اندازه زمین، باقی می‌ماند.

هسته باقی‌مانده به تدریج سرد می‌شود، زیرا ماده‌ای برای سوختن در آن وجود ندارد. همچنین، دمای آن به اندازه‌ای بالا نیست که از کربن یا اکسیژن به عنوان سوخت استفاده کند. بنابراین، هسته منقبض و به کوتوله سفید تبدیل می‌شود. به لایه خارج شده، سحابی سیاره‌ای گفته می‌شود. مواد داخل این سحابی به ذرات گاز بیشتری می‌پیوندند و ستاره دیگری را تشکیل می‌دهند.

تاکنون در مورد ستاره‌ای با جرم کم یا متوسط صحبت کردیم، اما رفتار ستاره‌های بسیار سنگین‌تر از خورشید، متفاوت است.

ستاره با جرم زیاد

مرگ این ستاره‌ها بی‌سروصدا نخواهد بود. همانند ستاره‌های کوچک، این ستاره‌ها نیز از ابری متشکل از گاز و گرد و غبار، متولد می‌شوند. در این حالت، ابر بسیار بزرگ‌تر و از ماده بیشتری تشکیل شده است. جرم بیشتر به معنای جاذبه یا گرانش قوی‌تر است. در نتیجه، نیروی وارد شده به سمت داخل بسیار قوی‌تر و دمای ستاره بسیار بیشتر خواهد بود. دمای بالاتر به معنای سوختن سریع‌تر است. بنابراین، فشار بزرگ‌تری به سمت خارج برای مقابله با نیروی جاذبه وارد می‌شود. در این حالت، ستاره‌ای داغ، بزرگ، درخشان و آبی‌ رنگ تشکیل خواهد شد. از این مرحله به بعد، راه طی شده برای ستاره متفاوت است.

هر چه ستاره کوچک‌تر و جرم آن کمتر باشد، سوخت آن در مدت زمان بیشتری (در حدود چند میلیارد سال) مصرف خواهد شد. در مقابل، ستاره‌های بزرگ‌تر و با جرم بیشتر بسیار داغ‌تر هستند و سوخت خود را سریع‌تر (در حدود صدها میلیون سال) مصرف می‌کنند. هر چه جرم سیاره بیشتر باشد، مدت زمان مصرف سوخت کمتر خواهد بود.

با نزدیک شدن به اتمام هیدروژن در مرکز ستاره، مرکز آن منقبض و داغ‌تر می‌شود و انرژی بیشتری تولید خواهد شد. در نتیجه، ستاره به ستاره‌ای غول‌پیکر تبدیل می‌شود. هر چه مرکز ستاره کوچک‌تر می‌شود، دمای آن زیادتر خواهد شد (بالاتر از دمای مرکز ستاره با جرم کم). بنابراین، هسته‌های هلیوم با پیوستن به یکدیگر، کربن، اکسیژن، نئون و حتی سیلیکون تشکیل می‌دهند. در نهایت، سنگین‌ترین هسته، یعنی آهن، در مرکز قرار می‌گیرد و لایه‌ای از عنصرهای تشکیل شده دیگر آن را احاطه می‌کنند.

در هر لایه، نوع خاصی از همجوشی رخ می‌دهد تا جایی که هیچ سوختی باقی نماند. در این حالت، ستاره با هسته آهنی بسیار پایدار باقی می‌ماند. بنابراین، همجوشی بیشتر نمی‌تواند انرژی بیشتری را آزاد کند. در این مرحله، گرانش پیروز می‌شود و ستاره در کسری از ثانیه فرو می‌پاشد. لایه‌های خارجی به بیرون پرتاب می‌شوند و انفجار مهیبی رخ می‌دهد. این رخداد یکی از مهیب‌ترین و پر انرژی‌ترین پدیده‌های جهان است و به آن ابرنواختر می‌گوییم. انرژی حاصل از انفجار ابرنواختر به اندازه‌ای زیاد است که در همان لحظه کوتاه، ده‌ها عنصرِ سنگین‌تر از آهن ساخته می‌شوند. درخشش ابرنواخترها حتی از درخشش کهکشانِ محل زندگی آن‌ها، بیشتر است.

اما سوالی که ممکن است برای شما مطرح شود آن است که بعد از ابرنواختر، چه باقی خواهد ماند. برای پاسخ به این پرسش، ابتدا مفهومی به نام «حد چاندارسخار» (Chandrasekhar limit) را تعریف می‌کنیم.

حد چاندراسخار چیست؟ 

گفتیم ستاره‌هایی با جرم کم تا متوسط، مانند خورشید، به کوتوله سفید تبدیل خواهند شد. این جسم به قدری متراکم است که یک قاشق چایخوری از آن وزنی در حدود چندین تن دارد. فشار تبهگنی الکترونی در کوتوله سفید از فروپاشی آن در اثر نیروی قوی گرانشی، جلوگیری خواهد کرد.

به بیشینه جرم نظری کوتوله سفید که همچنان کوتوله سفید باقی می‌ماند، حد چاندراسخار گفته می‌شود و مقدار آن برابر ۱/۴ جرم خورشیدی است. در جرم‌های بیشتر از این جرم، فشار تبهگنی الکترونی نمی‌تواند بر گرانش غلبه کند.

جرم هسته ستاره‌های با جرم زیاد، بیشتر از حد چاندراسخار است و انفجار ابرنواختر رخ خواهد داد. پس از این انفجار، دو حالت رخ می‌دهد:

• اگر جرم هسته بین ۱/۴ تا ۳ جرم خورشیدی باشد (از ستاره‌ای با جرمی برابر ۱۰ تا ۴۰ جرم خورشیدی ایجاد شده است)، در برابر نیروی گرانش نمی‌تواند مقاومت کند و با نیروی بسیار بزرگی فرو می‌پاشد. در این حالت، تمام الکترون‌ها با ترکیب با پروتون‌ها، به نوترون تبدیل می‌شوند. موج ضربه‌ای ناشی از این اتفاق، ابرنواختر را تحریک می‌کند. جسم باقی‌مانده، توپی نوترونی همانند هسته اتمی بزرگ به اندازه شهر نیویورک است.

یک قاشق چایخوری از ستاره نوترونی وزنی برابر ده میلیون تن دارد.

• اگر جرم هسته ستاره بیشتر از سه جرم خورشیدی باشد، حتی فشار ناشی از دافعه نوترون‌ها نسبت به یکدیگر یا فشار تبهگنی نوترون‌ها نمی‌تواند بر گرانش قابل‌ توجه وارد شده بر ستاره غلبه کند. در نتیجه، نوترون‌ها به شدت به یکدیگر فشرده می‌شوند و جرم باقی‌مانده به نقطه‌ای با چگالی بی‌نهایت، فروپاشیده می‌شود. در این حالت، جرم هسته ستاره در ناحیه‌ای با حجم صفر قرار می‌گیرد. به این جسم سیاه چاله گفته می‌شود. در نزدیکی سیاهچاله با چگالی بی‌نهایت، فضا-زمان به گونه‌ای خمیده می‌شوند که هیچ جسمی حتی نور نمی‌تواند از میدان گرانشی آن فرار کند. سیاه چاله ها در سراسر جهان وجود دارند.

اکنون می‌دانیم که سیاه چاله چگونه و تحت چه شرایطی از مرگ ستاره‌ها به وجود می‌آید. در ادامه، انواع سیاه چاله ها و مرگ آن‌ها توضیح داده می‌شود.

گفتیم فضا و زمان در نزدیکی سیاه چاله به اندازه‌ای خم می‌شوند که حتی نور نمی‌تواند از میدان گرانشی آن فرار کند. برای درک بهتر این مفهوم و آشنایی بهتر با سیاهچاله ها، ابتدا کمی در مورد نسبیت عام اینشتین، صحبت خواهیم کرد.

نسبیت عام و سیاه چاله

در مطالب پیشین مجله فرادرس در مورد نسبیت عام صحبت کردیم. اینشتین پس از چاپ مقاله‌اش در مورد نظریه نسبیت خاص، به شدت از طرف جامعه علمی و دیگر فیزیک‌دان‌ها پس زده شد. اندیشه حاکم در آن زمان سعی در رد این نظریه عجیب داشت. در آن زمان، حتی اینشتین نیز از این نظریه راضی نبود و آن را ناقص می‌دانست، زیرا نسبیت خاص برای چارچوب‌های شتاب‌دار یا در حضور گرانش، کاربردی نداشت.

روزی اینشتین در دفتر کار خود نشسته بود و از پنجره بیرون را تماشا می‌کرد. در ساختمانی نزدیک دفتر کار او، فردی بالای نردبان ایستاده بود و پنجره‌ها را می‌شست. ناگهان اینشتین فرض کرد که فرد از بالای نردبان می‌افتد. در حالت عادی، او پس از برخورد به زمین فوت می‌کند یا آسیب جدی می‌بیند. اما اینشتین سناریو را در ذهن خود به گونه‌ای دیگر طراحی کرد. او خود را در چشم‌انداز فرد بالای نردبان قرار داد و به جای تصور اتفاق‌های پس از برخورد به زمین، اتفاقات حین افتادن را به تصویر کشید.

به هنگام سقوط، تنها نیروی وارد شده بر فرد، نیروی جاذبه یا گرانش است. او به سمت زمین شتاب می‌گیرد، اما از آنجایی که زمین نیرویی بر بدن فرد وارد نمی‌کند، فرد احساس بی‌وزنی خواهد کرد. اگر از نیروهای مقاومتی اتلافی صرف‌نظر کنیم، شرایط سقوط آزاد برقرار خواهد بود. در نتیجه، این حالت هیچ تفاوتی با شرایط بی‌وزنی در فضا ندارد. براساس نظریه فیزیک کلاسیک، گرانش و شتاب راه‌های متفاوتی برای توصیف پدیده‌ای یکسان هستند. دیدگاه اینشتین در این مورد متفاوت از فیزیک کلاسیک و نیوتن بود. او تلاش کرد گرانش را با استفاده از شتاب به نظریه نسبیت متصل کند. برای درک بهتر این موضوع فرضیه زیر را در نظر بگیرید.

فرض کنید در اتاقی بدون پنجره قرار دارید و بر روی ترازو می‌ایستید. اگر اتاق در هر نقطه‌ای بر روی زمین و در حالت سکون قرار داشته باشد، ترازو عدد یکسانی برابر جرم شما را نشان خواهد داد. اینشتین، فرضیه را کمی پیچیده‌تر کرد و اتاق را داخل فضاپیمایی در فضا قرار داد. او فرض کرد که فضاپیما با شتابی برابر شتاب جاذبه بر روی زمین، $$9.8 \ \frac{m} {s^2}$$، و به سمت بالا حرکت می‌کند. اگر بر روی ترازو بایستید، آیا عدد یکسانی را خواهید دید؟ بله. عدد نشان داده شده بر روی ترازو برابر جرم شما است.

در این حالت، اگر اتاق پنجره نداشته باشد، نمی‌دانید در فضاپیما هستید یا در اتاقی بر روی زمین قرار دارید. اکنون سوالی که مطرح می‌شود آن است که آیا راهی برای فهمیدن تفاوت بین این دو موقعیت وجود دارد یا خیر.

اینشتین فرضیه خود را با داشتن لیزر یا چراغ‌قوه در فضاپیمای در حال حرکت با شتاب ۹/۸ متر بر مجذور ثانیه، ادامه داد. فرض کنید لیزر یا چراغ‌قوه را روشن می‌کنید و نور آن را بر روی دیوار روبرو می‌تابانید. با اندازه‌گیری ارتفاع نور بر روی دیوار روبرو، متوجه می‌شویم که ارتفاع نور تابیده شده بر روی دیوار، اندکی کمتر از ارتفاع چراغ‌قوه یا لیزر از سطح زمین است. در واقع، چون فضاپیما با شتاب ۹/۸ متر بر مجذور ثانیه به سمت بالا حرکت می‌کند، این‌گونه به نظر می‌رسد که پرتو نور در مسیری منحنی و سمت پایین حرکت می‌کند.

اکنون فرض کنید بر روی زمین هستید و نور لیزر را بر روی دیوار می‌تابانید و دو ارتفاع را اندازه می‌گیرید. این‌گونه به نظر می‌رسد که دو ارتفاع یکسان هستند و نور بر روی خط مستقیم حرکت می‌کند. از دیدگاه فرد عادی، این اتفاق عادی به نظر می‌رسد، اما از نظر اینشتین، یکسان بودن ارتفاع در دو طرف باعث نقض اصل هم‌ارزی می‌شود. به بیان دیگر، شتاب اتاق در فضاپیما نباید تفاوتی با قرار داشتن اتاق در میدان گرانشی زمین داشته باشد.

اینشتین به این نتیجه رسید که نور در حضور میدان گرانشی، خم می‌شود. اما این پدیده چگونه رخ می‌دهد، زیرا نور همواره کوتاه‌ترین مسیر بین دو نقطه را انتخاب و بر روی خط مستقیم حرکت می‌کند.

در پاسخ به این پرسش باید به گونه‌ای متفاوت به کوتاه‌ترین مسیر نگاه کرد، شاید کوتاه‌ترین مسیر خط مستقیم نیست. به عنوان مثال، انحنای سطح کره زمین را در نظر بگیرید. کوتاه‌ترین مسیر بین هر دو نقطه بر روی زمین، خط مستقیم نیست، زیرا باید از انحنای زمین عبور کنید. بنابراین، کوتاه‌ترین مسیر همواره منحنی است. بنابراین، این فرضیه به ذهن اینشتین رسید که شاید گرانش سبب انحنای فضای اطراف خود می‌شود. از این رو، خط مستقیم در فضا، کوتاه‌ترین مسیر بین دو نقطه نیست. در واقع، فضا در حضور جرم و انرژی خم می‌شود، در نتیجه، کوتاه‌ترین مسیر طی شده توسط نور، مسیری منحنی خواهد بود.

انحنای فضا در حضور جرم و انرژی، دیدگاه کلیدی اینشتین در مورد گرانش بود. بیان این نظریه به زبان ریاضی به قدری پیچیده بود که حتی نابغه‌ای مانند اینشتین نیز نتوانست به راحتی آن را به‌دست آورد. از این رو، او با یکی از دوستان قدیم خود به نام «مارسل گروسمن» (Marcel Grossman) تماس گرفت. گروسمن به تازگی از رساله دکترای خود در رشته ریاضی دفاع کرده بود. توجه به این نکته مهم است که فضا و زمان در فیزیک نیوتنی ثابت هستند. همچنین، گرانش در فیزیک کلاسیک به عنوان نیرویی اسرارآمیز که تا فاصله‌های بسیار دور عمل می‌کند، تعریف شده بود.

بر خلأف فیزیک نیوتنی، اینشتین گرانش را مفهومی از جنس نیرو نمی‌دانست. بر طبق نسبیت عام، گرانش ناشی از برهم‌کنش فضا و اجسام سنگین است. فیزیک‌دانی به نام «جان ویلر» (John Wheeler) نظریه نسبیت عام را در چند کلمه خلأصه کرد:

فضا-زمان به ماده می‌گوید چگونه حرکت کند؛ ماده به فضا-زمان می‌گوید چگونه خم شود.

پس از مطرح شدن نظریه نسبیت عام، چرخش سیارات با استفاده از آن توضیح داده شد. فضای اطراف سیاره یا ستاره خمیده می‌شود. به تصویر زیر دقت کنید. فضا در اطراف ستاره‌ای مانند خورشید خم شده است، بنابراین نور به هنگام عبور از آن، مسیری منحنی را طی می‌کند.

هر نظریه جدید برای آنکه جدی گرفته شود باید پیش‌بینی علمی انجام دهد و مورد آزمایش قرار گیرد. برای اثبات درستی نظریه نسبیت عام از مدار سیاره عطارد استفاده شد. مدار این سیاره سال‌ها به عنوان معمای حل نشده برای فیزیک‌دان‌ها باقی مانده بود. تمام سیاره‌ها در مداری به شکل بیضی به دور خورشید می‌چرخند.

مدار سیاره عطارد، نزدیک‌ترین سیاره به خورشید، نیز بیضی است، اما انحراف مداری در حدود ۰/۰۳ درجه دارد. در واقع، مدار بیضی آن هیچ‌گاه بسته نخواهد شد. دورترین نقطه بر روی مدار نسبت به خورشید، در هر چرخش عطارد به دور خورشید، کمی از نقاط دیگر مدار سبقت می‌گیرد. بنابراین، این‌طور به نظر می‌رسد که بیضی نیز به دور خورشید می‌چرخد. این معما با استفاده از معادله‌های نیوتن حل نشد. اینشتین از نظریه جدید خود در مورد انحنای فضا برای توضیح مدار عطارد استفاده کرد. نسبیت عام به طور دقیق شکل مدار عطارد را پیش‌بینی کرد. این نخستین تایید برای درستی نظریه نسبیت عام بود.

تایید بعدی چهار سال بعد توسط تیمی به رهبری ستاره‌شناسی انگلیسی به نام «آرتور ادینگتون» (Arthur Edington) انجام شد. این تیم، از ستارگان نزدیک به خورشید در مدت کسوف کامل، عکس‌برداری می‌کردند. براساس نظریه نسبیت عام، مکان ستارگان نزدیک به خورشید می‌بایست متفاوت از موقعیت پیش‌بینی شده براساس مکان آن‌ها در آسمان شب می‌بود. زیرا نور به هنگام عبور از نزدیک خورشید به دلیل انحنای فضا، خم می‌شود. ادینگتون متوجه این موضوع شد و برای بار دوم نسبیت عام تایید شد. اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چرا در نظریه نسبیت عام علاوه بر فضا، از زمان و انحنای آن نیز نام برده شده است.

برای پاسخ به این سوال، نظریه نخست اینشتین، یعنی نسبیت خاص، وارد میدان می‌شود. بر طبق نظریه نسبیت خاص، سرعت نور حد سرعت در جهان و از دید تمام ناظرها در چارچوب‌های مختلف یکسان است. این بدان معنا است که سرعت نور در چارچوب شتاب‌دار با چارچوب ساکن، یکسان خواهد بود. در نتیجه، سرعت نور در حضور گرانش با سرعت آن در فضای تهی برابر است. سرعت با استفاده از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

$$v = \frac{x} {t}$$

گفتیم سرعت نور در همه چارچوب‌ها ثابت است. از آنجایی که مسافت طی شده توسط نور در میدان گرانشی به دلیل انحنای فضا، بیشتر است، برای ثابت ماندن سرعت نور، زمان در میدان گرانشی باید کندتر بگذرد. به بیان دیگر، زمان متناسب با انحنای فضا در نزدیکی میدان گرانشی، افزایش می‌یابد. در نتیجه، زمان نیز همانند فضا در نزدیکی میدان گرانشی، خمیده می‌شود.

ناظری در فضای تهی را در نظر بگیرید. از نظر او ساعت در میدان گرانشی، کندتر حرکت می‌کند. بنابراین، ساعت‌های بر روی زمین اندکی آهسته‌تر از ساعت‌ها در ایستگاه فضایی بین‌المللی حرکت خواهند کرد. این اثر توسط آزمایش‌های بسیاری تایید شده است.

گرچه نسبیت عام یکی از شگفت‌انگیزترین نظریه‌های مطرح شده در فیزیک است، اما به بسیاری از سوالات پاسخ نمی‌دهد:

• این نظریه به طور دقیق به ما نمی‌گوید که گرانش بر چه اساسی کار می‌کند.
• چرا فضا-زمان در اطراف اجسام سنگین، خمیده می‌شود.
• رابطه بین جرم و فضا-زمان چیست.

سیاه چاله ها یکی از پیش‌بینی‌های نسبیت عام است. فضا-زمان در اطراف آن به قدری خمیده می‌شود که حتی نور نیز نمی‌تواند از میدان گرانشی سیاهچاله فرار کند. بر طبق پیش‌بینی‌های انجام شده، داخل سیاهچاله‌ها جرم در نقطه بی‌نهایت کوچکی با چگالی بی‌نهایت، متمرکز شده است. به این نقطه تکینگی گفته می‌شود. نسبیت عام نمی‌تواند تکینگی را توضیح دهد. شاید با کنار هم قرار دادن فیزیک کوانتوم و نسبیت عام بتوان این مفهوم را توضیح داد.

مرگ سیاه چاله

تاکنون در مورد نحوه شکل‌گیری سیاهچاله ها و خمیدگی فضا-زمان در نزدیکی سیاه‌ چاله توضیح دادیم. در ادامه، در مورد تبخیر سیاهچاله و و لحظاتی قبل از مرگ سیاهچاله صحبت می‌کنیم. اما قبل از صحبت در مورد مرگ سیاهچاله، کمی در مورد تابش هاوکینگ توضیح می‌دهیم.

تابش هاوکینگ چیست ؟

«استفان هاوکینگ» (Stephen Hawking) یکی از بزرگ‌ترین فیزیک‌دانان قرن حاضر بود که سعی در توضیح بسیاری از واقعیت‌های جهان هستی داشت.

بر طبق نظریه نسبیت عام، فضا و زمان در حضور میدان گرانشی بسیار قوی به قدری خمیده می‌شود که حفره‌ای را در جهان به وجود می‌آورند. در اثر وجود این حفره، مرزی در فضا-زمان به نام افق رویداد ایجاد خواهد شد. هر جسمی از این مرز بگذرد، بازگشتی به سمت بیرون نخواهد داشت.

تا قبل از سال ۱۹۷۴ این فرضیه در مورد سیاه چاله ها وجود داشت که آن‌ها تا ابد وجود دارند، هیچ‌گاه کوچک نمی‌شوند و تنها با بلعیدن مواد یا ابرهای گرد و غبار در فضا، رشد خواهند کرد. در سال ۱۹۷۴، هاوکینگِ جوان مقاله‌ای تحت عنوان انفجار‌های سیاه چاله در مجله «نیچر» (Nature) چاپ کرد. در ادامه این مقاله، مقاله دیگری نیز در سال ۱۹۷۵ چاپ شد. هاوکینگ در این دو مقاله سعی کرد با ترکیب فیزیک کوانتوم با نسبیت عام، نشان دهد که سیاه چاله ها نشت می‌کنند و مفهومی به نام تشعشع هاوکینگ را معرفی کرد.

تصور بیشتر افراد از فضای تهی، ناحیه‌ای بدون فعالیت است، اما واقعیت به گونه‌ای دیگر است. فضای خالی سرشار از فعالیت است. جفت ذرات مجازی، ماده و پادماده خودبه‌خود ظاهر می‌شوند و یکدیگر را نابود می‌کنند و از محیط خلأ انرژی می‌گیرند. در صورت رخ دادن این اتفاق‌ها در نزدیکی سیاه چاله، ممکن است یکی از جفت ذرات مجازی، ماده یا پادماده توسط افق رویداد بلعیده شوند. در صورت بلعیده شدن یکی از جفت‌ها، جفت دیگر با انرژی قرض گرفته شده از خلأ، فرار خواهد کرد. اما، می‌دانیم انرژی پایسته است و از هیچ به وجود نمی‌آید. در نتیجه، سیاهچاله انرژی قرض گرفته شده را با از دست دادن جرم خود، جبران خواهد کرد. برای درک تابش هاوکینگ باید با نظریه میدان کوانتومی فضا-زمان خمیده آشنا باشیم.

فضا از میدان‌های کوانتومی پر شده است. این میدان‌های می‌توانند با فرکانس‌های مختلفی، مانند ارتعاش سیم‌های مختلف گیتار، نوسان کنند. ذره همانند نتی روی سیم گیتار است و تمایل به داشتن تعداد زیادی مدهای ارتعاشی دارد. مدهای ارتعاشی در غیاب ذرات واقعی همچنان وجود دارند. آن‌ها به دلیل اصل عدم قطعیت، بین مقدارهای مختلف انرژی نوسان می‌کنند. از این نوسان‌ها به عنوان ذرات مجازی نام برده می‌شود. به این نکته توجه داشته باشید که نباید وجود ذرات مجازی را خیلی جدی بگیرید. آن‌ها تنها وسیله‌ای برای مطالعه رفتار میدان‌های کوانتومی هستند.

یکی از فرق‌های اساسی میدان‌های کوانتومی با گیتار، داشتن فرکانس‌های مثبت و منفی است. درک فرکانس منفی سخت به نظر می‌رسد. برای درک بهتر این مفهوم به گذر زمان دقت کنید. زمان رو به جلو حرکت می‌کند و انسان همواره به آینده می‌اندیشد. اکنون فرض کنید امکان سفر به گذشته وجود داشته باشد. اگر یکی از مدهای نوسانی در زمان به عقب حرکت کند، فرکانس آن را منفی در نظر خواهیم گرفت. فرکانس منفی را به ضدماده نسبت می‌دهیم.

اگر میدان کوانتومی در خلأ قرار داشته باشد، بین فرکانس‌های مثبت و منفی یا بین ذرات ماده و ضدماده مجازی، تعادل وجود دارد. این ذرات به صورت مجازی نابود می‌شوند، بنابراین هیچ ذره واقعی به وجود نخواهد آمد. تمام این رویدادها در فضای تخت، خوب به نظر می‌رسد. اما این اتفاق‌ها در فضای منحنی به این سادگی نخواهد بود.

در میدان گرانشی قوی، انحنای فضا به قدری زیاد است که ناحیه‌های مرز مانندی به وجود می‌آیند. مرزهای به وجود آمده با قطع کردن مدهای خاص میدان‌های کوانتومی، تعادل بین مدهای مثبت و منفی را به هم می‌ریزند. هاوکینگ می‌دانست که میدان‌های کوانتومی در مجاورت سیاه‌ چاله ها ویران می‌شوند و دلیل این ویرانی را انحنای شدید فضا در نزدیکی سیاه چاله، عنوان کرد. او سعی داشت اثر این ویرانی را بررسی کند. هاوکینگ برای حل این چالش نیاز به اتحاد کامل نسبیت عام و مکانیک کوانتوم یا گرانش کوانتومی داشت. نظریه هاوکینگ را با جزئیات بیشتری بررسی می‌کنیم.

او مسیر فضا-زمانِ واحدی را بین گذشته و آینده بی‌نهایت به نام ژئودزیک پوچ در نظر گرفت. این مسیر از روی سیا‌ه چاله‌ای قبل از تشکیل آن می‌گذرد. هاوکینگ مسیر میدان کوانتومی ساده‌ای را بر روی این مسیر تصور کرد. این میدان قبل از تشکیل سیاهچاله در حالت خلأ ایده‌ال قرار دارد. در نزدیکی سیاه چاله، مدهای نوسانی خلأ دچار اختلال خواهند شد. هنگامی که این مسیر به فضای تخت باز می‌گردد، مدهای نوسانی به صورت ذرات واقعی به نظر می‌رسند. ناظری در آینده دور آن را به صورت تشعشع خارج شده از سیاه چاله خواهد دید.

مسیر فرضی هاوکینگ از گذشته دور به آینده دور بسیار زیرکانه بود. تصور این مسیر به هاوکینگ اجازه داد که حالت خلأ در دو ناحیه از فضای تخت، دور از سیاه چاله، را با یکدیگر مقایسه کند. در این دو ناحیه طبیعت خلأ، میدان‌های کوانتومی و ذرات به خوبی بررسی و درک شده‌اند. اما برای درک این مفاهیم در نزدیکی سیاه‌ چاله، ارتباط بین فیزیک کوانتوم و نسبیت عام ضروری است.

در غیاب نظریه گرانش کوانتومی، هاوکینگ از «تبدیلات بوگولیوبوف» (Bogoliobov transformations) استفاده کرد. از این تبدیلات برای تخمین اثر خمیدگی فضا-زمان بر میدان‌های کوانتومی استفاده می‌شود. برای انجام این کار، ناحیه‌های فضای تخت به صورت هموار به یکدیگر متصل می‌شوند. به بیان دیگر، فرکانس‌های مثبت و منفی مدهای ارتعاشی در فضای خمیده، با یکدیگر مخلوط می‌شوند. تفسیر فیزیکی ترکیب این مدهای نوسانی از طریق تبدیلات بوگولیوبوف به دقت بسیار بالایی نیاز دارد. در حقیقت، بیش از یک تفسیر معتبر وجود دارد. هاوکینگ برای توضیح آن از مفهوم پراکندگی استفاده کرد.

مدهای مشخصی از میدان کوانتومی توسط میدان گرانشی سیاه چاله تشکیل شده، پراکنده می‌شوند. آن‌ها از مسیر فرار باریک خود رانده و پشت افق رویداد در حال تشکیل، ناپدید می‌شوند. در همین حال، مدهای دیگر بدون پراکندگی به مسیر خود ادامه می‌دهند. بنابراین، با از بین رفتن برخی از مدهای نوسانی، حالت خلأ از مدهای باقی‌مانده ساخته خواهد شد. خلأ مختل شده سرشار از ذره به نظر می‌رسد.

تا اینجا می‌دانیم که مدهای خاصی از بین رفته‌اند. طبیعت و فیزیک این مدها، اطلاعات زیادی در مورد تشعشع هاوکینگ به ما می‌دهد. به طور معمول، سیاه‌ چاله‌ ها مدهایی با طول‌ موج‌هایی در محدوده اندازه خود، پراکنده می‌کنند. میدان کوانتومی ظاهر شده، در محدود طول موج یکسانی مختل می‌شود. در نتیجه، بسته موجی با طول موج‌هایی در محدوده اندازه افق رویداد تولید خواهد شد. از این رو، هر چه جرم سیاه چاله بیشتر باشد، طول موج تشعشعی آن بزرگ‌تر خواهد بود.

هاوکینگ توزیع فرکانسی این تشعشع را محاسبه کرد و به نتیجه بسیار جالبی دست یافت. این تشعشع به طور دقیق همانند تشعشع گرمایی است. بنابراین، سیاه چاله ها تشعشع گرمایی با دمای ظاهری وابسته به جرم آن‌ها دارند. این دما با سطح افق رویداد متناسب است. سیاه چاله های بزرگ سرد هستند و بسیار آهسته تشعشع می‌کنند. در مقابل، سیاه چاله‌ های کوچک داغ هستند و سیاهچاله ای با اندازه بسیار کوچک به صورت انفجاری تابش خواهد کرد. اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چه اتفاقی برای جفت‌های ذره و پادذره در افق رویداد، رخ خواهد داد. این ذرات در افق رویداد از یکدیگر دور می‌شوند.

تشعشع آن‌ها متمرکز نیست. گفتیم که اندازه طول‌های موج تابش هاوکینگ در محدوده بزرگی افق رویداد (اندازه کل سیاه چاله) است. این طول موج‌ها، طول موج‌های دوبروی ذرات به وجود آمده هستند. بنابراین، عدم قطعیت کوانتومی در مکان این ذرات بسیار بزرگ است. تابش هاوکینگ باید از سیاه چاله و نه از نقطه‌هایی مشخص بر روی افق رویداد، تابیده شود. در حقیقت، ناظری در حال سقوط آزاد در افق، چیزی نخواهد دید. از دید او، فضا تخت و خلأ واقعا خلأ است. این تشعشع تنها برای ناظرانی در فاصله دور، قابل رویت است. اما، برای این مورد استثنایی وجود دارد.

هنگامی که جت بسته شده به پشت خود را روشن کنید و در فاصله ثابتی بالای افق رویداد، شناور بمانید، ذرات و تشعشع «اورو» (Unruh) را خواهید دید. ذکر این نکته مهم است که تشعشع هاوکینگ بیشتر از فوتون‌ها و ذرات بدون جرم تشکیل شده است. برای تولید ذرات جرم‌دار، انرژی تشعشع باید به اندازه‌ای باشد که جرم سکون ذره را پوشش دهد.

تا اینجا می‌دانیم که سیاه چاله ها تابش می‌کنند. بر طبق نظریه هاوکینگ، سیاهچاله ها تبخیر می‌شوند. سیاهچاله در این مدت، انرژی به شکل ذرات مثبت می‌تاباند. هر چه جرم آن بزرگ‌تر باشد، انرژی بیشتری آزاد خواهد شد. با گذشت زمان، سیاهچاله جرم زیادی را از دست می‌دهد و کوچک و ناپایدار می‌شود. بنابراین، به طور قطع می‌توان گفت که سیاه چاله فناناپذیر نیست.

چگونه سیاه چاله ها را می‌ بینیم ؟

سیاه چاله نه تنها نوری تابش نمی‌کند، حتی نور را می‌بلعد. سیاه چاله ها دیده نمی‌‌شوند، اما اثر بسیار واضحی بر محیط اطراف خود دارند. یکی از جذاب‌ترین اثرهای سیاهچاله به هنگام تغذیه آن‌ها مشاهده می‌شود.

میدان گرانشی اطراف سیاهچاله بسیار قوی است. سرعت و دمای ماده با قرار گرفتن در جاذبه قوی سیاه چاله، بسیار زیاد خواهد شد. بنابراین، ناحیه اطراف سیاهچاله می‌درخشد. این درخشش سبب ایجاد کوازارها می‌شود. کوازارها، سیاهچاله های عظیم‌الجثه‌ای در مرکز کهکشان‌ها هستند که از گرداب بسیار داغی از گازها تغذیه می‌کنند. بنابراین، درخشش بسیار زیادی اطراف آن مشاهده خواهد شد. یکی از نزدیک‌ترین و معروف‌ترین سیاه چاله ها در فاصله ۶۰۰۰ سال نوری از زمین قرار گرفته است و «سیگنوس» (Cygnus X-1) نام دارد. جرم آن در حدود ۱۵ برابر جرم خورشید است. این سیاه چاله را داخل کادری قرمز رنگ در تصویر زیر مشاهده می‌کند.

این سیاهچاله در ناحیه‌های فعال تشکیل ستاره در کهکشان راه شیری قرار گرفته و بزرگی آن در حدود ۷۰۰ سال نوری است. تصویر سمت راست فرضیه ستاره‌شناسان در مورد اتفاق‌های داخل سیگنوس را توصیف می‌کند. سیگنوس سیاه چاله ای از نوع جرم ستاره‌ای و از فروپاشی ستاره‌ای با جرم زیاد تشکیل شده است. در سال ۱۹۶۴، سیگنوس از طریق جذب گازِ ستاره‌ای عظیم‌الجثه در نزدیکی آن کشف شد. دمای گاز با جذب شدن توسط سیاهچاله بسیار افزایش می‌یابد، بنابراین پرتوهای ایکس و گاما با انرژی زیاد تابش می‌کند. این پرتوهای تابیده توسط ماهواره ‌ها آشکار شدند.

سیاهچاله معروف دیگر در کهکشان راه شیری، همان سیاه چاله عظیم‌الجثه در مرکز آن به نام Sagittarius A (کمان اِی) است. ستاره‌شناسان با استفاده از رصدخانه اشعه ایکس چاندرا گام مهمی در فهمیدن چرایی ضعیف و تار بودن ماده اطراف این سیاهچاله نسبت به اشعه ایکس، برداشته‌اند. تصویر گرفته شده از این سیاه چاله شامل تشعشعات پرتو ایکسِ آبی رنگ از چاندرا و تابش فروسرخ از تلسکوپ فضایی هابل به رنگ قرمز و زرد است.

اولین عکس های ثبت شده از سیاه چاله

در سال ۲۰۱۹ تصویری از سیاه‌ چاله‌ ای در مرکز کهکشان M87 توسط تلسکوپ افق رویداد (EHT) گرفته شد.

در ۱۲ می ۲۰۲۲ معادل ۲۲ اردیبهشت ۱۴۰۱، نخستین تصویر از سیاهچاله غول‌پیکر کهکشان راه شیری به ثبت رسید.

تلسکوپ افق رویداد، نخستین تصویر تاریخی از سیاه چاله کلان جرم در مرکز کهکشان راه شیری را به ثبت رسانده است. تاکنون، هیچ تصویر مستقیمی مبنی بر اثبات سیاهچاله بودن غول قرار گرفته در مرکز کهکشانمان نداشتیم. عکس ثبت شده حلقه‌ای درخشان به دور تاریکی را نشان می‌دهد و نشانه‌ای از سایه سیاهچاله است.

همان‌طور که در مطالب فوق بیان کردیم، سیاهچاله یکی از چگال‌ترین اجسام در جهان است و جاذبه آن به قدری زیاد است که حتی نور نمی‌تواند از این جاذبه فرار کند. ETH نور دریافتی از گازِ داغی چرخان به دور افق رویداد را به شکل امواج رادیویی می‌بیند. از آنجایی که اندازه افق رویداد با جرم سیاه چاله ارتباط نزدیکی دارد، پیش‌بینی جرم سیاه چاله دور از انتظار نخواهد بود.

تصویر اصلی از میانگین گرفتن هزاران تصویر ایجاد شده با استفاده از روش‌های شبیه‌سازی مختلف، تولید شد. تمام عکس‌های شبیه‌سازی شده به طور دقیق بر داده‌های به‌دست آمده از ETH منطبق هستند.

صدای سیاهچاله

سیاه چاله ای در مرکز خوشه کهکشانی برساوشی وجود دارد که ستاره‌شناسان از سال ۲۰۰۳ معتقد هستند این سیاهچاله صدا دارد. بیان این موضوع به دلیل وجود امواج فشاری است که توسط سیاهچاله فرستاده و سبب ارتعاشاتی در گاز داغ خوشه‌ می‌شود. این ارتعاشات می‌توانند به نت تبدیل شوند، نتی که توسط انسان شنیده نمی‌شود. صداسازی‌ جدید انجام شده توسط ناسا، نت‌های بیشتری را به صدای سیاهچاله اضافه می‌کند. در این صداسازی جدید، داده‌های نجومی به صوت تبدیل شده‌اند.

در سال‌های قبل صداسازی‌های مختلفی توسط تیم علمی ناسا انجام شده است:

• شنیدن صدای شهاب‌سنگ‌ها
• صدای سیاهچاله کلان‌جرم کمان ای

این صداسازی جدید با صداسازی‌های قبلی متفاوت است. می‌دانیم امواج صوتی برای انتقال نیاز به محیط مادی دارند، اما بیشتر فضا تهی و خلا است. در نتیجه، محیطی برای انتقال صوت وجود ندارد. از این‌رو، بیشتر افراد معتقد هستند هیچ صدایی در فضا وجود ندارد. اما این نظریه چندان هم صحیح نیست. یک خوشه کهکشانی را در نظر بگیرید. این خوشه از مقادیر زیادی گاز تشکیل شده است به گونه‌ای که می‌تواند صدها یا حتی هزاران کهکشان را درون خود جای دهد. بنابراین، محیطی برای انتقال امواج صوتی فراهم می‌شود.

در این صداسازی جدید مربوط به خوشه کهکشانی برساوشی، امواج صوتی به‌دست آمده برای نخستین بار قابل شنیدن توسط انسان شدند. امواج صوتی در جهت‌های شعاعی استخراج شدند (به سمت خارج از مرکز). سپس، سیگنال‌ها در محدوده شنوای انسان، ۵۷ و ۵۸ اکتاو بالاتر از گام صدای واقعی خود، ساخته شدند.

علاوه بر خوشه کهکشانی برساوشی، صداسازی جدیدی برای سیاهچاله معروف دیگری نیز انجام شده است. سیاهچاله مسیه ۸۷ پس از مطالعه توسط تلسکوپ افق رویداد در سال ۲۰۱۹، در میان دانشمندان از جایگاه ویژه‌ای برخوردار شد. صداسازی انجام شده برای این سیاهچاله از داده‌های تلسکوپ افق رویداد استفاده نکرد، بلکه از داده‌های تلسکوپ‌های دیگر که هم‌زمان این سیاهچاله را مطالعه می‌کردند، استفاده کرد. در آینده نزدیک باید منتظر شگفتی‌های جدیدی در مورد فضا و سیاهچاله‌ ها باشیم.

سفر به درون سیاه چاله

از نظر ریاضی، هر چیزی می‌تواند به سیاهچاله تبدیل شود. شرط تبدیل جسمی به جرم m به سیاه چاله، فشرده شدن آن در حجم بسیار کوچکی از فضا است. هر جسمی در جهان، شعاعی به نام «شعاع شوارتزشیلد» (Schwarzschild Radius) دارد. به این شعاع، شعاع گرانشی نیز گفته می‌شود. قبل از آنکه در مورد سفر به سیاهچاله صحبت کنیم، کمی در مورد سرعت فرار و شعاع شوارتزشیلد توضیح خواهیم داد.

سرعت فرار و شعاع شوارتزشیلد

فضاپیمایی را بر روی سطح زمین در نظر بگیرید. انرژی کل آن برابر مجموع انرژی پتانسیل و جنبشی است و به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$K_{tot} = \frac{1}{2} m v^2 - \frac{GMm}{R}$$

در رابطه فوق:

• $$m$$ جرم فضاپیما یا هر جسم دلخواهی است.
• $$v$$ سرعت حرکت است.
• $$G$$ ثابت جهانی گرانش است.
• $$M$$ جرم زمین یا هر سیاره یا ستاره دلخواهی که جسم یا فضاپیما بر روی آن قرار گرفته است.
• $$R$$ شعاع زمین یا ستاره است.

جرم و شعاع سیاره را می‌دانیم، اما مقدار انرژی کل یا سرعت فرار را نمی‌دانیم. سرعت فرار را به صورت سرعت اولیه‌ای که مقدار انرژی لازم برای بردن جسم کوچک به جرم $$m$$ را در فاصله‌ای بسیار دور از جرم بزرگ، $$M$$، فراهم می‌کند، تعریف می‌کنیم. در فاصله‌ای بسیار بزرگ‌تر از شعاع سیاره، میدان گرانشی بسیار ضعیف و بنابراین، انرژی پتانسیل برابر صفر خواهد بود. همچنین، در پایان سفر جسم کوچک، سرعت نهایی و انرژی کل آن برابر صفر خواهند بود. با توجه به قانون پایستگی انرژی داریم:

انرژی اولیه = انرژی نهایی

$$0 = \frac{1}{2} m v^2 - \frac{GMm}{R} \\ \frac{GMm}{R} = \frac{1}{2} m v^2 \\ \frac{2GM}{R}= v^2$$

در نتیجه، سرعت فرار برابر است با:

$$v_e = \sqrt{\frac{2 G M}{R}}$$

اکنون فرض کنید که سرعت فرار برابر سرعت نور است. در رابطه فوق، به جای $$v_e$$ سرعت نور یعنی $$c$$ را قرار می‌دهیم.

$$c = \sqrt{\frac{2 G M}{R}}$$

با مرتب‌سازی رابطه بالا، شعاع را به‌دست می‌آوریم:

$$R = \frac{2 G M}{c^2}$$

به شعاع به‌دست آمده در بالا، شعاع شوارتزشیلد گفته می‌شود. در این شعاع، جسم به سیاه چاله تبدیل می‌شود. در ادامه، شعاع شوارتزشیلد زمین را محاسبه می‌کنیم. جرم زمین برابر $$5.972 \times 10^{24}$$ کیلوگرم است. با قرار دادن این عدد به جای M و دانستن ثابت جهانی گرانش و سرعت نور، داریم:

$$R = \frac{2 G M}{c^2} \\ R = \frac{2( 6.67 \times 10^{-11}) (5.972 \times 10 ^ {-24})}{(2.997 \times 10^8)^2}\\ R \sim 9 \ mm$$

در نتیجه، اگر زمین تا اندازه ۹ میلی‌متر کوچک شود، به سیاهچاله تبدیل خواهد شد. جدول زیر شعاع شوارتزشیلدِ چند ستاره و سیاره را نشان داده است.

اگر کوه اورست را تا سایز نانومتر کوچک کنیم، سیاهچاله ای به نام اورست خواهیم داشت.

در مورد اثر سیاهچاله بر محیط اطراف آن صحبت کردیم. میدان گرانشی سیاه چاله به اندازه‌ای قوی است که فضا-زمان در اطراف آن خمیده می‌شود.

برای آنکه بدانیم درون سیاهچاله چه اتفاقی می‌افتد، سیاه چاله ساده‌ای را در نظر می‌گیریم. این سیاه چاله بار ندارد و حرکت نمی‌کند. همچنین، ماده بسیار زیادی را به درون خود نمی‌بلعد. هر چه به این سیاه چاله نزدیک‌تر می‌شویم، خمیدگی آسمان بیشتر و بیشتر می‌شود. بنابراین، تاریکی بخشی از میدان دید ما به سمت سیاهچاله، بیشتر خواهد شد. در این نقطه، نیمی از میدان دید ما در تاریکی غرق شده است و به کره فوتونی رسیده‌ایم.

در این نقطه، نور لزوما توسط سیاهچاله بلعیده نشده، اما از آن فرار هم نکرده است. در این نقطه جادویی در فضا، نور یا فوتون‌ها می‌توانند به دور سیاه چاله بچرخند. اگر برای لحظه‌ای در این نقطه توقف کنید و به کنار نگاه کنید، پشت سر خود را خواهید دید، زیرا نور بازتابیده شده از پشت سر، کره اطراف سیاه چاله را دور می‌زند و به چشم شما می‌رسد.

میدان گرانشی نه تنها فضا، بلکه زمان را نیز خمیده می‌کند. نگرانی در این مورد بر روی زمین وجود ندارد، اما اطراف سیاه چاله اوضاع بسیار متفاوت خواهد بود. اگر افتادن فردی را در سیاه چاله تماشا کنید، بسیار شگفت‌زده خواهید شد. انتظار دارید فرد به سرعت داخل آن بیافتد و بلافاصله ناپدید شود. اما این‌گونه نیست. هر چه شخص به سیاهچاله نزدیک‌تر شود، سرعت حرکت او آهسته‌تر خواهد شد تا این‌که به نقطه‌ای به نام افق رویداد می‌رسد. در صورت عبور از این نقطه، هیچ بازگشتی در کار نخواهد بود. حتی نور نیز پس از عبور از این نقطه توسط سیاهچاله بلعیده خواهد شد. از دید ناظر خارج از افق رویداد، سفر شخص در این نقطه به اتمام خواهد رسید. این‌گونه به نظر می‌رسد که در فضا منجمد شده است.

نور تابیده شده از بدن فرد به سمت طول موج‌های قرمز می‌رود و او به سادگی در نیستی محو می‌شود. هرگز عبور فرد از افق رویداد را نمی‌بینیم. از دید فرد همه چیز به نظر خوب می‌رسد، اما او به سادگی به سمت مرگ پیش خواهد رفت. با نزدیک شدن به تکینگی سیاه چاله، دید فرد نسبت کل جهان در نقطه‌ای کوچک در پشت سر او فشرده می‌شود. اگر سیاهچاله به اندازه کافی بزرگ باشد، شخص در ابتدای عبور از افق رویداد زیاد احساس ناراحتی نخواهد کرد. او می‌داند که بازگشتی در کار نخواهد بود، اما چند ساعت طول خواهد کشید تا اذیت شود. اما ممکن است از خود بپرسید که چرا فرد با نزدیک شدن به تکینگی اذیت می‌شود.

با نزدیک شدن به نقطه تکینگی، تفاوت جاذبه گرانشی در سراسر فضا به وضوح احساس خواهد شد. قسمتی از بدن فرد که به تکینگی نزدیک‌تر است با نیروی بسیار قوی‌تری نسبت به قسمت‌های دورتر از تکینگی، کشیده خواهد شد. بنابراین، بدن فرد به سمت تکینگی کشیده می‌شود. این اثر به قدری باورنکردنی است که دانشمندان به جای استفاده از کلمه کشش برای آن، از کلمه اسپاگتی استفاده کرده‌اند. پس از رسیدن به این نقطه، فرد می‌میرد. مولکول‌های بدن به شدت از یکدیگر دور می‌شوند. در تکینگی نمی‌دانیم چه اتفاقی رخ خواهد داد. شاید کامل نابود یا در جهان دیگری ظاهر شویم.

بر طبق فرضیه‌های مطرح شده، سیاه چاله چرخان یا متحرک ممکن است پدیده‌ای به نام کرم چاله را خلق کند. داخل کرم چاله می‌توان سریع‌تر از سرعت نور در فضا حرکت کرد. شاید فکر کنید که قوانین فیزیک با وجود کرم چاله نقض می‌شوند، اما هیچ قانونی نقض نخواهد شد. در واقع، کرم چاله از ابعاد جهان بهره‌مند می‌شود. به عنوان مثال، دو نقطه بر روی کاغذ رسم کنید. برای رفتن از نقطه ۱ به ۲، باید مسافتی هر چند کوتاه طی شود. اما، کرم چاله کار بسیار عجیبی انجام می‌دهد. به تصویر زیر دقت کنید. دو نقطه در کرم چاله به گونه‌ای کنار یکدیگر قرار می‌گیرند که سفر بین آن‌ها به صورت آنی انجام خواهد شد.

دانشمندان در تلاش هستند سیاه چاله را بر روی زمین با استفاده از راهی به نام حفره گنگ، بررسی کنند. حفره گنگ نوعی سیاهچاله آکوستیکی است و به صوت، اجازه فرار نمی‌دهد. دانشمندان با استفاده از شاره‌هایی که با سرعت صوت حرکت می‌کنند، سیاه چاله های آکوستیکی را در آزمایشگاه‌های مختلف در سراسر جهان ساخته‌اند. کارهای زیادی بر روی این سیاه چاله‌های زمینی باید انجام شود، اما با بررسی رفتار صوت داخل حفره گنگ، اطلاعات زیادی در مورد چگونگی عملکرد سیاه چاله‌ های فضایی به‌دست خواهیم آورد.

اما سوال جالب دیگر آن است که اگر با سرعت نور به سمت خورشید حرکت کنیم، چه اتفاقی رخ خواهد داد. شاید فکر کنید که اگر با سرعت نور به سمت خورشید حرکت کنید، خورشید به سرعت به شما نزدیک خواهد شد، اما این‌طور نخواهد بود. در ابتدا، این‌گونه به نظر خواهد رسید که خورشید از شما دور می‌شود، زیرا اندازه میدان دید به شدت افزایش خواهد یافت. همچنین، اجسام پشت سر خود را خواهید دید. اگر بر روی صندلی بدون حرکت نشسته باشید و به خورشید نگاه کنید، علاوه بر نور انعکاسی از اجسام روبرو، نور از اجسام پشت سر نیز منعکس می‌شود. اکنون اگر با سرعت نور حرکت کنید، به نور منعکس شده از اجسام پشت سر خواهید رسید. با رسیدن به سرعت نور، میدان دید گسترش می‌یابد.

سوال دیگری که ممکن است از خود بپرسید آن است که مرکز جهان کجاست. شاید پاسخ آن کمی ساده‌لوحانه به نظر برسد، اما همه جا مرکز جهان است و به آن اصل کیهان‌شناسی گفته می‌شود. مهم نیست در کجای جهان قرار دارید، همه چیز از شما با سرعت یکسانی دور خواهد شد. به بیان دیگر، کیهان در حال منبسط شدن است. به طور حتم، در روز تولد دوستتان، بادکنک باد کرده‌اید. جهان را بادکنکی کوچک در نظر بگیرید. انبساط آن به گونه‌ای است که گویی تمام انسان‌ها و هر چیزی که در جهان قرار دارد، بر روی سطح بادکنک قرار گرفته‌اند. اگر با استفاده از ماژیک چند نقطه رنگی روی بادکنک بکشید و آن را باد کنید، تمام نقطه‌‌ها با سرعت یکسانی از یکدیگر دور خواهند شد. همچنین، بر روی سطح بادکنک هیچ مرکزی وجود ندارد.

صفحه‌ای متشکل از نقطه‌ها با اندازه‌های مختلف در نظر بگیرید. نقطه‌های قرار گرفته بر روی این صفحه به اندازه ۵ درصد منبسط می‌شوند، سپس دو لایه را بر روی یکدیگر قرار دهید (تصویر نشان داده شده در ادامه). فرض کنید بر روی یکی از این نقطه‌ها زندگی می‌کنید و به دنبال آن هستید که هر چیزی در اطراف شما از کجا دور می‌شود. نقطه‌های قرار گرفته بر روی دو صفحه می‌توانند به صورت نقطه‌هایی در گذشته و حال در نظر گرفته شوند. اکنون، یکی از نقطه‌های گذشته را بر روی یکی از نقطه‌های حال قرار دهید. با قرار گرفتن این دو نقطه بر روی یکدیگر، این‌گونه به نظر می‌رسد که مرکز انبساط در محل تطابق آن‌ها قرار دارد. این کار را می‌توان با هر نقطه دیگری نیز انجام داد.

گرچه حتی تصور مرگ داخل سیاه چاله ترسناک و وحشتناک به نظر می‌رسد، به این فکر کنید که از نظر علمی و به طور قطع در مرکز جهان قرار گرفته‌اید.

انواع سیاه چاله ها

راه‌های مختلفی برای تولد سیاه چاله ها وجود دارند:

1. مرگ ستاره و فروپاشی آن
2. ادغام
3. راه‌های عجیب دیگر

چهار نوع سیاه چاله وجود دارند. سیاه چاله از تجمع جرم بسیار زیاد در ناحیه بسیار کوچکی از فضا به وجود می‌آید. در مطالب بالا، در مورد چگونگی تشکیل سیاه چاله ‌ها از ستاره‌های با جرم زیاد یا کم، صحبت کردیم. در ادامه، در مورد انواع سیاهچاله ها و چگونگی تشکیل آن‌ها توضیح خواهیم داد.

سیاه چاله های ستاره وار

سیاهچاله های ستاره‌وار یکی از شناخته‌ شده‌ترین انواع سیاه چاله ها هستند. هنگامی که ستاره‌ای به پایان عمر خود می‌رسد و درون خود فرو می‌پاشد، سیاهچاله متولد خواهد شد. توجه به این نکته مهم است که برای تشکیل سیاه چاله، جرم ستاره باید بیشتر از ۲۰ برابر جرم خورشید باشد. جرم سیاهچاله تشکیل شده با توجه به اندازه اولیه ستاره منفجر شده می‌تواند به ۱۰۰ یا بیش از ۱۰۰ برابر جرم خورشید برسد.

سیاه چاله های با جرم متوسط

همان‌طور که از اسم آن‌ها مشخص است، سیاه چاله های با جرم متوسط بین سیاه چاله های ستاره‌وار و جرم کلان قرار می‌گیرند. اندازه آن‌ها نه خیلی بزرگ و نه خیلی کوچک است، اما بسیار کمیاب هستند. این نوع سیاه چاله‌ ها از ادغام‌های متعدد سیاه چاله های ستاره‌وار تشکیل می‌شوند. این ادغام‌ها اغلب در ناحیه‌های شلوغ کهکشان‌ها رخ می‌دهد.

زمان زیادی صرف ادغام سیاه چاله های ستاره‌وار با یکدیگر می‌شود. اما در ادامه، آن‌ها بسیار سریع به دور یکدیگر می‌پیچند و سیاهچاله‌ ای بزرگ‌تر را تشکیل می‌دهند. بر طبق فرضیه‌های مطرح شده توسط پژوهشگران، جرم این نوع سیاهچاله ها پس از ادغام‌های متوالی، در حدود ۱۰۰ تا یک میلیون برابر جرم خورشیدی است.

اثبات وجود سیاه چاله های با جرم متوسط هنوز در هاله‌ای از ابهام باقی مانده است، اما بر طبق تحقیقات انجام شده در چند دهه اخیر، شواهد جالبی مبنی بر وجود این سیاه چاله ها مشاهده شده‌اند.

سیاه چاله های کلان جرم

سیاه چاله ها تمایل به بزرگ شدن از طریق ادغام دارند. به همین دلیل، سیاه چاله های کلان جرم تشکیل می‌شوند. از میان نظریه‌های مطرح شده در مورد تشکیل این نوع سیاهچاله ها، واکنش زنجیره‌ای فراری از برخورد ستاره‌ها و سیاه چاله ها یکی از پذیرفته‌ شده‌ترین و قابل قبول‌ترین نظریه‌ها است. بر طبق این نظریه، بذر اولیه سیاه چاله کلان جرم به طور پیوسته ادغام می‌شود و مواد بیشتری را می‌بلعد. در نهایت، این سیاهچاله به قدری بزرگ می‌شود که در مرکز کهکشان خود فرو می‌رود.

سیاه چاله کلان جرم در مسیر تشکیل خود ممکن است با سیاه چاله های متوسط و ستاره‌وار بیشتری بپیوندد و جرم آن بسیار بزرگ‌تر شود. جرم سیاه چاله تشکیل شده در طی میلیاردها سال ممکن است میلیون‌ها برابر جرم خورشید شود.

سیاه چاله های اولیه

سیاهچاله های اولیه، همان‌طور که از نام آن‌ها مشخص است، هنگامی متولد شدند که جهان هنوز جوان بود. در واقع، آن ها تنها چند ثانیه پس از انفجار بزرگ، متولد شدند. در این زمان، هیچ ستاره، کهکشان یا انواع دیگر سیاه چاله ها تشکیل نشده بودند. اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که سیاه چاله اولیه چگونه به وجود آمدند. بر طبق فرضیه‌های مطرح شده توسط دانشمندان، در آن زمان برخی قسمت‌های جهان بسیار پرانرژی بودند. این نقطه‌های کوچک و بسیار پرانرژی در فضا به سیاه چاله های اولیه فروپاشیده شدند. جرم آن‌ها بین ۰٫۰۰۰۰۱ جرم گیره کاغذ تا ۱۰۰ هزار برابر جرم خورشید است. سیاه چاله های اولیه می‌توانند تنها یک ثانیه پس از مه‌بانگ تشکیل شده باشند.

سه سیاهچاله بزرگ

سه سیاه چاله بزرگ در نزدیکی کهکشان راه شیری مشاهده شده‌اند:

• سیاه چاله A0620-00: سیستمی دو ستاره‌ای متعلق به صورت فلکی تک‌شاخ را در نظر بگیرید. این سیستم از دو جسم اصلی، دنباله‌ای ستاره‌ای و جرم ناشناخته‌ای تشکیل شده است. دانشمندان معتقد هستند که این جرم ناشناخته سیاه چاله ستاره‌وار است. فاصله آن از زمین در حدود ۳۰۰۰ سال نوری تخمین زده شده است.

• سیاه چاله Cygnus X-1 یا سیگنوس به معنای ماکیان: نوعی منبع اشعه ایکس کهکشانی در صورت فلکی ماکیان است که دانشمندان آن را به عنوان سیاه چاله در نظر می‌گیرند. این سیستم در سال ۱۹۶۴ کشف شد و جرم آن در حدود ۱۵ برابر جرم خورشید تخمین زده شده است. عمر این سیاه چاله در حدود ۵ میلیون سال و جرم اولیه ستاره مادر بیش از ۴۰ برابر جرم خورشید بوده است.
• سیاه چاله V404 Cygni: این سیستم دوتایی و کوازاری کوچک متشکل از سیاه چاله‌ ای با جرم ۱۲ است. همچنین، ستاره همراه K با جرمی کوچک‌تر از جرم خورشید دارد. سیاهچاله و ستاره در فاصله نزدیک به دور یکدیگر می‌چرخند. جرم ستاره به دلیل میدان گرانشی بسیار قوی سیاه چاله، توسط آن بلعیده می‌شود.

پرسش‌ های جالب در مورد سیاه چاله ها

سیاه چاله ها یکی از اسرارآمیزترین پدیده‌های جهان هستند و پژوهش‌های بسیاری در مورد چگونگی شکل‌گیری و مرگ آن‌ها انجام شده است. در ادامه، به پرسش‌های جالبی در مورد این پدیده شگفت‌انگیز پاسخ می‌دهیم.

پرسش ۱: هر چیزی حتی نور به دام سیاه چاله می‌افتد و نمی‌تواند از آن فرار کند. چگونه می‌توان آن را مطالعه کرد؟

پاسخ: هیچ نوری، حتی اشعه ایکس، نمی‌تواند از دام سیاه چاله فرار کند. تلسکوپ‌های ناسا برای مطالعه سیاه چاله ها به اطراف آن‌ها و نزدیک افق رویداد، نگاه می‌کنند. دمای ماده به هنگام کشیده شدن به سمت سیاه چاله تا میلیون‌ها درجه بالا می‌رود، بنابراین اشعه ایکس می‌تاباند. همچنین، خمیدگی فضای اطراف سیاهچاله به دلیل گرانش قابل توجه آن، بسیار زیاد خواهد بود. اثر این کشش گرانشی نامرئی ممکن است بر روی ستارگان و اجسام دیگر مشاهده شود. از این رو، با بررسی اشعه ایکس تابیده از اجسام بسیار نزدیک به افق رویداد و اثر میدان گرانشی سیاه چاله بر ستارگان و دیگر اجسام، رفتار آن مطالعه می‌شود.

پرسش ۲: چه مدت طول می‌کشد تا سیاه چاله ایجاد شود؟

پاسخ: سیاهچاله ای با جرم ستاره‌ای (جرمی ده‌ها برابر جرم خورشید) می‌تواند چند ثانیه پس از فروپاشی ستاره‌ای با جرم زیاد، تشکیل شود. همچنین، این سیاه چاله های به نسبت کوچک می‌توانند از ادغام باقی‌مانده‌های چگال دو ستاره نوترونی تشکیل شوند. سیاه چاله‌ها می‌توانند از ادغام ستاره نوترونی و سیاه چاله یا برخورد دو سیاه چاله با یکدیگر نیز به وجود بیایند. زمان تشکیل سیاه چاله ها با این روش، سریع است. اما زمان تشکیل سیاه چاله های کلان جرم ممکن است میلیاردها سال به طول انجامد، اما به طور کلی زمان تشکیل آن‌ها به طور قطع مشخص نیست.

پرسش ۳: دانشمندان چگونه جرم سیاه چاله کلان جرم را محاسبه می‌کنند؟

پاسخ: ستاره‌شناسان برای پاسخ به این پرسش به حرکت ستارگان در مرکز کهکشان‌ها نگاه می‌کنند. این حرکات بیان‌گر وجود جسمی با جرم بسیار زیاد است که اندازه آن از طریق سرعت حرکت ستاره‌ها تعیین می‌شود. هر ماده‌ای توسط سیاهچاله بلعیده شود سبب افزایش جرم آن خواهد شد. گرانش سیاهچاله هیچ‌گاه از جهان حذف نخواهد شد.

پرسش ۴: آیا سیاه چاله می‌تواند تمام کهکشان را ببلعد؟

پاسخ: خیر. هیچ راهی برای بلعیده شدن تمام کهکشان توسط سیاه چاله وجود ندارد. میدان گرانشی سیاه چاله‌ های کلان جرم قرار گرفته در مرکز کهکشان‌ها بسیار بزرگ است، اما بزرگی آن برای بلعیدن کل کهکشان کافی نیست.

پرسش ۵: اگر خورشید به سیاهچاله تبدیل شود، چه اتفاقی رخ خواهد داد؟

خورشید هیچ‌گاه به سیاه چاله تبدیل نخواهد شد، زیرا جرم آن به اندازه کافی برای انفجار بزرگ نیست. به جای آن، خورشید می‌تواند به ستاره‌ای چگال به نام کوتوله سفید تبدیل شود. اما اگر فرض کنیم خورشید ناگهان به سیاهچاله تبدیل شود، چرخش سیاره‌ها به دور آن به دلیل اثر گرانشی یکسان، تغییر نخواهد کرد.

پرسش ۶: آیا سیاهچاله ها اثری بر روی زمین می‌گذارند؟

همان‌طور که گفتیم سیاه چاله های ستاره‌وار از انفجار ستاره‌ای پرجرم، تشکیل خواهند شد. در اثر این انفجار، عنصرهای مختلفی مانند کربن، اکسیژن و نیتروژن به صورت گاز در فضا پراکنده می‌شوند. همچنین، از ادغام دو ستاره نوترونی، دو سیاه چاله یا یک ستاره نوترونی و سیاه چاله، عنصرهای مشابهی به اطراف پراکنده خواهند شد. این عنصرها برای ادامه زندگی بسیار مهم هستند و ممکن است روزی قسمتی از سیاره‌های جدید را تشکیل دهند. موج‌های ضربه‌ای حاصل از انفجارهای ستاره‌ای ممکن است سبب تشکیل ستاره‌ها و منظومه‌های شمسی جدید شوند. بنابراین، زندگی خود بر روی زمین را به انفجارهای تشکیل‌دهنده سیاه چاله‌های در سال‌های بسیار دور، مدیون هستیم.

در مقیاس بزرگ‌تر، سیاه‌ چاله‌های کلان جرم در مرکز بیشتر کهکشان‌ها قرار دارند. ارتباط بین تشکیل این سیاهچاله‌ های کلان جرم و تشکیل کهکشان‌ها هنوز به خوبی درک نشده است. شاید سیاهچاله نقش مهمی در تشکیل کهکشان راه شیری داشته است. اما شاید از خود بپرسید از بین سیاه چاله و کهکشان، کدام‌یک اول به وجود آمده است. سوال معروف مرغ و تخم‌مرغ را به یاد بیاورید. برای این پرسش هنوز پاسخی یافت نشده است.

پرسش ۷: دورترین سیاه چاله مشاهده شده چیست ؟

دورترین سیاهچاله مشاهده شده در کهکشانی در ۱۳/۱ میلیارد سال نوری از زمین قرار گرفته است. سن جهان در حدود ۱۳/۸ میلیارد سال تخمین زده شده است، بنابراین این سیاه چاله در حدود ۶۹۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ، تشکیل شده است. به این سیاه چاله کلان جرم، کوازار گفته می‌شود. ناحیه مرکزی تصویر زیر بهترین تصویر از سیاه چاله های کلان جرم را نشان می‌دهد.

پرسش ۸: گفتیم هیچ چیز، حتی نور، نمی‌تواند از میدان قوری گرانشی سیاهچاله فرار کند. در این صورت، آیا ممکن است کل جهان توسط سیاه چاله بلعیده شود؟

جهان جای بزرگی است. اندازه ناحیه‌ای که اثر میدان گرانشی سیاه چاله قابل توجه است در مقایسه با اندازه کهکشان، بسیار محدود است. این مورد حتی در مورد سیاه چاله کلان جرم قرار گرفته در مرکز کهکشان راه شیری نیز صدق می‌کند. شاید بیشتر ستاره‌های تشکیل شده در نزدیکی این سیاه چاله توسط آن بلعیده شده باشند، اما ستاره‌های دورتر از بلعیده شدن در امان هستند. از آنجایی که جرم سیاه چاله چند میلیون برابر جرم خورشید است، جرم آن پس از بلعیدن ستاره‌هایی همانند خورشید، به مقدار کمی افزایش خواهد یافت. بنابراین، هیچ خطری برای زمین یا بقیه قسمت‌های کهکشان راه شیری وجود ندارد.

برخوردهای کهکشانی در آینده، سبب افزایش اندازه سیاهچاله می‌شوند. اما این برخوردها به طور نامحدود رخ نخواهند داد، زیرا جهان بسیار بزرگ و در حال منبسط شدن است، بنابراین احتمال رخ دادن اثر فرار سیاهچاله ای بسیار کم خواهد بود.

پرسش ۹: آیا سیاه چاله کوچک‌تر می‌شود؟

بله. گفتیم سیاه چاله ها با بلعیدن گازها و مواد دیگر بزرگ‌تر می‌شوند، اما هاوکینگ به این مساله پی برد که آن‌ها می‌توانند با از دست دادن مقدار کمی انرژی به نام تابش هاوکینگ، به آهستگی کوچک شوند.

در مطالب بالا به طور مفصل در مورد این تابش توضیح دادیم.

پرسش ۱۰: آیا سیاهچاله ها تخت هستند؟

نمی‌توان به طور قطع گفت که سیاه چاله ها مسطح و تخت هستند. پایان عمر برخی ستارگان، آغاز برخی سیاه چاله‌ ها است. می‌دانیم انحنای فضا-زمان اطراف سیاه چاله به شدت زیاد است، بنابراین تعریف شکل سیاه چاله کار ساده‌ای نخواهد بود. فیزیک‌‌دانان غشایی به نام افق را تصور می‌کنند که تکینگی را احاطه کرده است. افق سیاه چاله کروی و به شکل حباب صابون است. برای سیاه چاله غیرچرخان یا شوارزشیلد، می‌توان سیاهچاله را به شکل کره در نظر گرفت. اما برای سیاه چاله های چرخان، سطح دیگری خارج از افق وجود دارد.

پرسش ۱۱: دمای سیاهچاله چقدر است؟

پاسخ دقیقی به این پرسش وجود ندارد. افق رویداد سطحی خیالی است که سیاهچاله را می‌پوشاند. هر چیزی، حتی نور و گرما، پس از عبور از این سطح بازگشتی به بیرون نخواهند داشت. بنابراین، اگر گرما نتواند از داخل سیاه چاله به جهان بیرون از آن بیاید، فضای داخلی دمای معناداری برای محیط بیرونی نخواهد داشت. اما سیاهچاله دما دارد.

برای نخستین بار در سال ۱۹۷۲ فیزیک‌دانی به نام «ژاکوب بکنشتاین» (Jacob Bekenstein) نشان داد که سطح افق رویداد، نشان‌دهنده آنتروپی سیاهچاله است. آنتروپی ارتباط نزدیکی با ترمودینامیک دارد، بنابراین فیزیک‌دان‌های دیگر دچار سردرگمی شدند. هاوکینگ با بیان نظریه معروف خود به نام تابش هاوکینگ، سردرگمی در مورد دمای سیاه چاله را پایان بخشید.

پرسش ۱۲: آیا سیاه چاله ها با یکدیگر برخورد می‌کنند؟

تحقیقات زیادی در این مورد انجام شده است. با داده‌های به‌دست آمده از طول موج‌های مختلف، به خصوص مشاهدات پرتو ایکس، برخورد سیاه چاله‌ ها با یکدیگر ممکن به نظر می‌رسد. نیروهای گرانشی در برخوردهای سیاه چاله ها می‌توانند سرعت ماده را تا مقادیر بسیار زیادی افزایش دهد. هنگامی که این ماده فشرده شود، دمای آن به میلیون‌ها درجه خواهد رسید. بنابراین، بیشتر تابش الکترومغناطیسی آن در ناحیه فرابنفش، اشعه ایکس و حتی پرتو گاما است.

همان‌طور که گفتیم سیاه چاله ها در اندازه‌های مختلفی از جرم ستاره‌ای (چند برابر جرم خورشید) تا کلان جرم (میلیون‌ها یا میلیاردها برابر جرم خورشید) وجود دارند. ستاره‌شناسان بر این باور هستند که برخورد سیاه چاله ها با یکدیگر در هر اندازه‌ای امکان‌پذیر خواهد بود.

از برخورد سیاهچاله های ستاره‌وار با یکدیگر، انفجار پرتو گاما رخ می‌دهد. مقدار انرژی این انفجار زیاد است و بیشتر از چند ثانیه طول نخواهد کشید.

پرسش ۱۳: چه چیزی در مرکز سیاه چاله قرار دارد؟

هنگامی که ستاره‌ای جرم‌دار در اثر نیروی جاذبه خود کوچک می‌شود، سیاه چاله تشکیل خواهد شد. براساس نظریه اینشتین، ماده تشکیل‌دهنده ستاره به نقطه‌ای بسیار کوچک با حجم صفر و چگالی بی‌نهایت به نام تکینگی، فشرده می‌شود. به بیان دیگر، ماده ناپدید می‌شود.برخی از دانمشندان عقیده دارند که ماده در جهان دیگری، از فضای خالی به نام سفید چاله بیرون می‌آید.

سیاه چاله از هیچ چیز به جز فضا و زمان تشکیل شده است. آن را می‌توان به عنوان چاهی عمیق در فضا-زمان در نظر گرفت. در مرکز سیاه چاله ممکن است ذره‌ای از ماده فوق چگال وجود داشته باشد.

پرسش ۱۴: گذر زمان در سیاهچاله چگونه است؟

زمان در نزدیکی سیاهچاله از دید ناظری دور از آن، بسیار کند می‌گذرد.

حقایقی در مورد سیاه چاله ها

در این مطلب از مجله فرادرس با سیاه چاله، انواع، چگونگی شکل‌گیری و نابودی آن آشنا شدیم. در ادامه، حقایق جالبی را در مورد سیاه چاله ها بیان می‌کنیم:

1. سیاه چاله ها به شکل تونل نیستند.
2. برخی از سیاه چاله ها می‌چرخند.
3. سیاه چاله ها همیشه سیاه نیستند.
4. سیاه چاله توسط اینشتین کشف نشد بلکه برای نخستین بار در سال ۱۷۸۳ توسط فیزیک‌دانی به نام «جان میشل» (John Michell) کشف شد.
5. سیاه چاله ها پر سر وصدا هستند.
6. هر ماده‌ای می‌تواند به سیاه چاله تبدیل شود.
7. قوانین فیزیک در مرکز سیاه چاله نقض می‌شوند.