اسرار سیاه‌چاله‌ها

همه چیز درباره یکی از مرموزترین موضوعات دنیای اخترفیزیک
در داستان‌های علمی - تخیلی، سیاه‌چاله به شکل حفره‌ای بلعنده تصویر شده که در گوشه‌های پنهان فضا زندگی می‌‌کند و هر چیزی را که سر راهش قرار بگیرد، قورت می‌د‌هد. ایده‌ی این «ستارگان سیاه» به قرن هجدهم برمی‌گردد، ولی تازه در سال 1964 بود که نخستین شواهد علمی مبنی بر وجود آن‌ها به دست آمد. سیاه‌چاله‌ها از حوزه‌ی اختر فیزیک به زندگی روزمره‌ی انسان‌ها نفوذ کرده‌اند؛ اما دانش ما در مورد ماهیت و حتی احتمال وجودشان بسیار ناقص است. آن‌ها با «نظریه» زاده شدند، نه با «مشاهده». انسان از همان زمانی که می‌‌توانست آسمان بالای سرش را ببیند، نسبت به وجود ستارگان معمولی آگاهی داشت؛ ولی هیچ کس تا به حال یک سیاه‌چاله را «ندیده» است. اما وجود سیاه‌چاله‌ها زمانی پیش‌بینی شد که وجودشان امکان اثبات نداشت. نکته‌ی جالب این‌جاست که این پیش‌بینی نه یک بار، بلکه دوبار انجام گرفت.
***
اولین تفکر هوشمندانه در این زمینه، به قرن هجدهم برمی‌گردد. کسی که رویای «ستاره‌ی سیاه» را به هم بافت، «جان میچل» (John Michell) نام داشت؛ دانشمندی در کمبریج که بعدها کشیش شد. در همان دوران کشیشی بود که میچل موفق شد با ترکیب دو ایده‌ی جدید و علمی آن زمان، این مفهوم را پیش‌بینی کند.
یکی از این نظریات، «سرعت فرار» (Escape Velocity) بود. میچل می‌‌دانست که وقتی گلوله‌ای مستقیماً به سوی آسمان شلیک شود، بعد از خروجش از اسلحه تنها دو نیرو روی آن اثرگذارند؛ مقاومت هوا و گرانش. هرچه گلوله بالاتر رود، این نیروها ضعیف‌تر می‌‌شوند. هوا رقیق‌تر شده و گرانش (همان‌طور که نیوتن گفته)، متناسب با توان دوم فاصله‌ی میان مرکز ثقل دو جسم (در این جا، گلوله و زمین) کاهش می‌‌یابد.
در روزگار میچل، گلوله‌ی یک اسلحه‌ی باروتی معمولی می‌‌توانست با سرعت حداکثر سیصد متر بر ثانیه حرکت کند. با وجود این سرعت چشمگیر، نیروهایی که علیه آن عمل می‌‌کردند بالاخره آن را به زمین برمی‌گرداندند، اما میچل می‌‌دانست اگر گلوله بتواند 37 مرتبه سریع‌تر از این حرکت کند، بر گرانش زمین غلبه کرده و وارد فضا خواهد شد: در واقع گلوله به «سرعت فرار» می‌‌رسید. او این ایده را با کشفی از دهه‌ی 1670 میلادی ترکیب کرد که در آن اخترشناس دانمارکی، «اوله رومر» (Ole Romer) متوجه شده بود به دلیل اختلاف زمانی در رسیدن نور اقمار مشتری به زمین، تناقض ظاهری در حرکت آن‌ها ایجاد می‌‌شود.

بحث نور

از دوران باستان، این بحث وجود داشت که آیا نور بی‌درنگ منتقل می‌‌شود یا فقط سرعت خیلی بالایی دارد. رومر شواهدی به دست آورد که نشان می‌‌داد سرعت نور قابل اندازه‌گیری است؛ چرا که تغییر جایگاه نسبی زمین و مشتری در مدارهای خود، باعث می‌‌شد زمان جابه‌جایی نور بین آن دو تغییر کند. او سرعت نور را حدود 220 هزار کیلومتر بر ثانیه پیش‌بینی کرد. در صد سال بعدی، این عدد دقیق‌تر اندازه‌گیری شد و در زمان میچل، دانشمندان می‌‌دانستند سرعت نور تقریباً سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه است،‌ اما اندازه‌ی این سرعت اهمیتی نداشت؛ مهم همین بود که نور بالاخره سرعت دارد.
میچل با ترکیب دو ایده‌ی سرعت فرار و سرعت غیر بی‌نهایت نور، به این فکر افتاد که اگر ستاره‌ای بسیار پُر جرم، سرعت فراری بیش از سرعت نور داشته باشد، چه اتفاقی می‌‌افتد؟ هرچه جرم ستاره بیشتر باشد، سرعت فرار آن هم بیشتر می‌‌شود. در نتیجه، از نظر تئوری ممکن بود ستاره‌ای چنان عظیم وجود داشته باشد که حتی نور هم نتواند از آن فرار کند. طبیعتاً این «ستاره‌ی سیاه» می‌‌بایست غول‌آسا باشد. برای مثال، سرعت فرار در سطح خورشید به بیش از ششصد کیلومتر بر ثانیه می‌‌رسد، با این حال این مقدار هنوز بسیار کمتر از سرعت نور است.
نظریه‌ی میچل براساس یک فرض اشتباه قرار داشت؛ این‌که نور از ذرات عادی تشکیل شده که مثل هر پرتابه‌ی دیگری، به دلیل تأثیر گرانش، سرعت خود را از دست می‌‌دهد. در نهایت، ایده‌ی این ستارگان سیاه و مرموز در طول تاریخ به فراموشی سپرده شد.
در اوایل قرن بیستم، «کارل شوارتزشیلد» (Karl Schwarzachild) در اوج هیاهو و وحشت جنگ جهانی اول، این نظریات را دوباره احیا کرد. سال 1915 بود و این فیزیک‌دان 41 ساله‌ی آلمانی داوطلب پیوستن به ارتش آلمان شد. در زمان جنگ و شاید به عنوان راهی برای فراموش کردن وحشت فضای اطراف، او فرصت یافت تا درباره‌ی معادلات پیچیده‌ی اینشتین و نظریه‌ی تازه‌ی او در باب نسبیت عام بیندیشد. معادلات اینشتین آن‌قدر پیچیده بودند که نمی‌‌توانستند راه‌حلی جامع داشته باشند؛ اما شوارتزشیلد آن‌ها را برای حالت خاص یک جسم کروی غیر چرخان حل کرد. براساس این معادلات، روشن شد که اگر تمام جرم چنین جسمی، در کره‌ای با ابعادی که امروز آن را «شعاع شوارتزشیلد» می‌‌خوانیم، متراکم شود، اعوجاج در فضا - زمان چنان عظیم خواهد بود که نوری از آن فرار نخواهد کرد. در واقع هر چیزی که از شعاع خاصی به این جسم نزدیک‌تر شود، دیگر قابل بازگشت نیست؛ حدی که امروز «افق رویداد» سیاه‌چاله نامیده می‌‌شود.
شناخته شده‌ترین منبع چنین جسمی، یک ستاره‌ی در حال فروپاشی است. در وضعیت معمول، واکنش‌های هسته‌ای درون ستاره از آن در مقابل کشش گرانشی‌اش محافظت می‌‌کنند. ولی وقتی این انفعالات کاهش می‌‌یابد، ماده‌ی درون ستاره فرومی‌پاشد. انتظار این است که یک اثر کوآنتومی (به نام «اصل طرد پائولی») این فروپاشی را در مرحله‌ای متوقف کند و یک ستاره‌ی نوترونی فوق‌العاده متراکم را به وجود آورد، اما اگر ستاره به اندازه‌ی کافی بزرگ باشد (یعنی تقریباً سه برابر خورشید) اصل طرد رخ نمی‌‌دهد و فروپاشی متوقف نمی‌‌شود. بر مبنای تئوری‌ها، مواد درون سیاه‌چاله هم‌چنان به فروپاشی‌شان ادامه می‌‌دهند تا به نقطه‌ای بدون بُعد برسند؛ این نقطه، یک «تَکینِگی» با تراکم و گرانشِ بی‌نهایت است. در واقعیت، نمی‌‌دانیم واقعاً چه اتفاقاتی درون سیاه‌چاله می‌‌افتد؛ چراکه تکینگی نقطه‌ای است که فیزیک انسانی ما در مقابل آن قاصر می‌‌ماند.

درون چاله

مدت‌ها بعد از بررسی‌های شوارتزشیلد، سیاه‌چاله‌ها کماکان مفهومی صرفاً نظری محسوب می‌‌شدند؛ البته آن موقع «ستاره‌های فروپاشیده» نام داشتند و هنوز این عنوان خاص‌تر روی آن‌ها گذاشته نشده بود. نام «سیاه‌چاله» را اغلب منتسب به فیزیک‌دان آمریکایی، «جان ویلر» (John Wheeler) می‌‌دانند. این نام اولین بار در ژانویه‌ی 1964 در جلسه‌ی «اتحادیه‌ی امریکایی پیشرفت‌های علمی» (AAAS) مورد اشاره قرار گرفت. معلوم نیست چه کسی این اسم را بیان کرد، ولی ویلر به آن علاقه‌مند شد و آن را رواج داد. در ابتدا به نظر می‌‌رسید جست‌وجو به دنبال سیاه‌چاله‌ها فقط اتلاف وقت باشد؛ چطور می‌‌شد انتظار داشت کسی چیزی را ببیند که اصلاً نوری از خود منتشر نمی‌‌کند؟ ولی با پیشرفت فیزیکِ سیاه‌چاله‌ها، دانشمندان متوجه شدند راه‌های غیرمستقیمی برای دیدن آن‌ها وجود دارد.
از آن‌جایی که دیدن خود سیاه‌چاله غیرممکن است، ستاره‌شناس‌ها باید به دنبال اثرات جانبی سیاه‌چاله باشند. وقتی ماده به شکل چرخان به سمت مرکزی کشیده می‌‌شود، یک «قرص برافزایشی» (Accretion Disc) به وجود می‌‌آورد که به دلیل اصطکاک، نور درخشانی تولید می‌‌کند. از قطب‌های آن نیز، دو دنباله به فضای بیرون پرتاب می‌‌شوند. سپس نوبت به اثرات گرانشی می‌‌رسد. مثلاً ممکن است اجسامِ فضای پیرامون، تحت تأثیر سیاه‌چاله قرار بگیرند. این تکنیک بسیار ارزشمند است و در گذشته برای کشف نپتون هم استفاده شد. در آن زمان، ستاره‌شناس‌ها به بررسی مدار باقی سیارات پرداختند و متوجه اثر گرانش نپتون بر آن‌ها شدند.
در نهایت، روش «تابش هاوکینگ» هم وجود دارد. در سال 1974 استفن هاوکینگ متوجه شد سیاه‌چاله‌ها نمی‌‌توانند کاملاً سیاه باشند و با این کشف، خودش و دیگران را حیرت‌زده کرد. این ایده از فیزیک کوآنتوم و به‌طور خاص، «اصل عدم قطعیت» سرچشمه می‌‌گیرد. فیزیک کوآنتوم می‌‌گوید انرژی موجود در یک نقطه، می‌‌تواند در یک بازه‌ی بسیار کوچک زمانی، نوسانات شدیدی داشته باشد و باعث پیدایش جفت ذرات کوآنتومی شود که قبل از این‌که فرصتی برای مشاهده‌شان باشد،‌ دوباره غیب شوند، اما اگر این اتفاق در نزدیکی افق یک سیاه‌چاله روی دهد، یکی از این ذراتِ «مَجازی» به داخل کشیده می‌‌شود؛ در حالی که ذره‌ی دیگر، بیرون باقی می‌‌ماند. ذره‌ی باقی مانده منشاء تابش هاوکینگ است که البته مشاهده‌ی آن از فاصله‌ی دور، امکان ندارد.
بعد از راه‌حل شوارتزشیلد، سیاه‌چاله سرنوشت محتومِ نوع خاصی از ستارگان با جرمی حداقل سه برابر جرم خورشید به نظر می‌‌رسید، ولی این مقیاس خاص، تنها حدی را برای سیاه‌چاله تعیین می‌‌کرد و شاید سازوکار شکل‌گیری آن را شرح می‌‌داد؛ اما گرهی از راز آن نمی‌‌گشود. در تئوری، سیاه‌چاله می‌‌تواند هر اندازه‌ای داشته باشد؛ از اندازه‌های میکروسکوپی تا میلیون‌ها برابر حجم خورشید. به شکل سرانگشتی، چهار دسته‌بندی برای سیاه‌چاله‌ها وجود دارد که تاکنون تنها دو دسته از آن‌ها، احتمالاً شناسایی شده‌اند. در یک سمت، سیاه‌چاله‌های مینیاتوری و کوآنتومی قرار دارند. برای مثال، سیاه‌چاله‌ی مینیاتوری زمانی ایجاد شود که زمین فروبپاشد و افق رویدادی به عرض 9 میلی‌متر خلق کند که البته چنین چیزی بسیار محال به نظر می‌‌رسد. سیاه‌چاله‌های کوآنتومی حتی از این هم کوچک‌تر هستند و مقیاسی حدود پنج هزار پروتون دارند. از نظر تئوری، می‌‌توان این سیاه‌چاله‌ها را در شتاب دهنده‌ها خلق کرد که البته تقریباً بی‌درنگ از بین می‌‌روند. البته شتاب‌دهنده‌های فعلی توان کافی برای تولید چنین سیاه‌چاله‌ای را ندارند، ولی اگر جهان ابعاد بزرگ‌تری می‌‌داشت، به دلیل کاهش آستانه‌ی انرژی مورد نیاز برای این کار، شاید امکان خلق آن‌ها فراهم می‌‌شد.
در سمت دیگر، سیاه‌چاله‌های معمولی هستند. بهترین مدرکی که از سیاه‌چاله‌های معمولی در اختیار داریم (که بر اثر فروپاشی یک ستاره‌ی در حال مرگ شکل می‌‌گیرند)، دوتایی‌های پرتو ایکس است. در این منظومه‌های دوتایی، ماده از سمت یک ستاره‌ی معمولی به سوی ستاره‌ای نامرئی (سیاه‌چاله) شتاب می‌‌گیرد که باعث تابش پرتو ایکس می‌‌شود. این رخداد در ستاره‌های نوترونی هم اتفاق می‌‌افتد، ولی اگر ستاره رو به مرگ، سه برابر بزرگ‌تر از خورشید ما باشد، از نظر تئوری باید تبدیل به سیاه‌چاله شود.
اولین دوتایی پرتو ایکس - که به عنوان نشانه‌ی یک سیاه‌چاله‌ی واقعی به رسمیت شناخته شد - ستاره‌ی «ایکس - 1 ماکیان» (Cygnus X-1) بود. این منبع قدرتمند پرتو ایکس، در سال 1964 کشف شد و بعدها (در سال 1971)، آن را به عنوان یک سیاه‌چاله‌ی احتمالی در نظر گرفتند. در این دوتایی، یک ستاره‌ی اَبَرغول آبی مواد خود را در مقابل یک منبع ساطع کننده‌ی پرتو ایکس از دست می‌‌داد که مشخص شد جرمی حدود 9 تا 15 برابر خورشید ما دارد.

بازگشت به سیاهی

با این وجود، پس از مشاهدات سال 1990، هویت ایکس - 1 ماکیان از جنبه‌ای دیگر مورد تردید قرار گرفته است؛ چرا که ستاره‌ی همدم آن بسیار بزرگ است. از آن زمان به بعد، کاندیداهای دیگری هم برای احراز عنوان سیاه‌چاله معرفی شدند؛ اما شواهد شناسایی آن‌ها هم‌چنان غیرمستقیم است و براساس فرضیات نظری در مورد بیشینه‌ی اندازه‌ی یک ستاره‌ی نوترونی استوار است که دچار از هم پاشیدگی نمی‌‌شود.
ابرسیاه‌چاله‌های غول‌آسا احتمالاً باید در مرکز کهکشان‌ها وجود داشته باشند و فرض بر این است که فروپاشی یک ابر گازی فوق‌العاده متراکم (در مراحل اولیه‌ی تشکیل کهکشان)، آن‌ها را ایجاد کرده است. این سیاه‌چاله‌ها قاعدتاً باید تأثیر فراوانی روی شکل‌گیری کهکشان داشته باشند و در نهایت مرکزی شوند که کل کهکشان حول آن می‌‌چرخد. مرکز کهکشان‌های بسیاری به عنوان چنین سیاه‌چاله‌هایی پیشنهاد شده‌اند، که علتش تابش شدید و غیرعادی امواج الکترومغناطیس از این مناطق و رفتار عجیب ستاره‌های مجاور آن‌هاست.
ستاره‌ای به نام «S2» در مداری با شعاع چهار برابر شعاع گردش نپتون حول مرکز کهکشان راه شیری، می‌‌چرخد. براساس مسیر حرکت، S2 باید به دور چیزی با جرم تقریبی 4/3 میلیون برابر جرم خورشید در حال چرخش باشد. این جرم با موقعیت منبع امواج شدید رادیویی (معروف به «Sagittarius A*») سازگاری دارد. در حال حاضر برای این چیز ناشناخته، توجیهی جز یک ابرسیاه‌چاله‌ی غول‌آسا موجود نیست. در دیگر نقاط، از فروپاشی ستاره‌ها به عنوان مدرک استفاده می‌‌شود. تابش‌های نوریِ بیش از حد درخشان در کهکشان‌های دوردست، احتمالاً باید ستارگانی باشند که توسط ابرسیاه‌چاله‌های غول‌آسا در حال تکه‌پاره شدن هستند.
البته هیچ‌چیز قطعی نیست. پژوهشی که نتایجش در سال 2014 به چاپ رسیده، ادعا می‌‌کند که اصولاً تشکیل سیاه‌چاله غیرممکن است. نویسندگان این مقاله می‌‌گویند وقتی یک ستاره فرومی‌پاشد، تابش هاوکینگِ ناشی از این فروپاشی، آن‌قدر جرم ستاره را کاهش می‌‌دهد که هیچ‌وقت مقدار کافی برای تشکیل سیاه‌چاله باقی نمی‌‌ماند. در نهایت، فقط با یک جسم فوق متراکم مواجهیم که هم‌چون سیاه‌چاله عمل می‌‌کند، اما تکینِگی و افق رویداد ندارد. ادعاهای این مقاله از سوی جوامع علمی مورد پذیرش قرار نگرفته، اما به وضوح نشان می‌‌دهد که چقدر دانش ما درباره‌ی سیاه‌چاله‌ها ناقص و صرفاً بر پایه‌ی نظریات استوار است. واقعیت هرچه که باشد، باید منتظر شگفتی‌های بیشتری باشیم.
منبع مقاله :
نشریه همشهری دانستنیها، شماره 142.