حفره سياه ( سياهچاله ) چيست؟

يك حفره سياه فضايي، جسمي است كه سرعت گريز آن بيشتر از سرعت نور باشد. سرعت گريز، به حداقل سرعتي گفته ميشود كه يك جسم بايد دارا باشد تا بتواند از جاذبه جسم ديگري بگريزد. براي گريز از نيروي جاذبه زمين، سرعت يك جسم بايد به بيش از 40،000 كيلومتر در ساعت برسد. اما براي گريز از حفرة سياه، سرعت جسم بايد به بيش از سرعت نور كه حدود 300،000 كيلومتر در ثانيه است برسد، يعني سرعت آن، بيش از يك ميليارد و هشتاد ميليون كيلومتر در ساعت باشد.

براي رسيدن به چنين سرعتي، بطور طبيعي، يك مشكل وجود دارد، و آن اين است كه فقط نور چنين سرعتي دارد. چيزهايي كه مثل انسان و سفينة فضائي از ماده ساخته شده اند، حتي نمي توانند حدود آن سرعت را داشته باشند. به همين دليل، هيچ چيزي نمي تواند از حفره سياه بگريزد. اگر نور نتواند از حفره سياه بگريزد، اين بدين معني است كه ما قادر به ديدن آن نخواهيم بود و در نتيجه، نمي توانيم بفهميم كه چه چيزي در حفره سياه اتفاق ميافتد. در حقيقت عقايد ما در مورد حفرههاي سياه از تئوري كلي نسبيت آلبرت انيشتين منشاء ميگيرد. براي دانشمندان مسلم است كه داخل يك حفره سياه فعل و انفعالات فيزيكي ناشناخته زيادي انجام ميگيرد.
حفرههاي سياه بازمانده از ستارگان عظيمي هستند كه سوختشان به اتمام رسيده و به اصطلاح مرده اند. البته، فقط ستارگاني كه حجم آنها بيش از سه برابر خورشيد خودمان است، حفرههاي سياه بوجود ميآورند. بعضي از اين ستارگان عظيم، منفجر شده و بصورت يك "سوپر نوا"ي درخشان در ميآيند. بعضي سوپر نواها، بطور كامل منفجر شده و چيزي از خود باقي نمي گذارند. اما بعضي ديگر در مركز خودشان فرو ميريزند و همه مواد در آنها با هم محكم برخورد كرده و به هم مي چسبند. بستگي به اينكه مركز آنها چقدر عظيم و حجيم باشد، سوپر نواها تبديل به نوترون شده و يا تبديل به حفرههاي سياه ميشوند.
به اين خاطر كه ما نميتوانيم خود حفرههاي سياه را ببينيم، ممكن است فكر كنيم كه پيدا كردن آنها غير ممكن است. اما به كمك فنآوريهاي ستاره شناسي، اولين آنها در سال 1972 ميلادي كشف شد. نام اين حفره Cyghus x-1 و متعلق به كهكشان راه شيري است. با وجود اينكه خود حفرههاي سياه ديده نميشوند، اما تاثير قوة جاذبه عظيم آنها بر ستارههاي نزديكشان را ميتوان بررسي كرد. هميشه يك ستاره، با سوپر نوا جفت ميشود و گازهاي حاصل از آن ستاره بصورت مارپيچ به داخل سوپر نوا بلعيده ميشوند. حركت مارپيچي گازها، تصوير يك حفره سياه را در مركز سوپر نوا بوجود ميآورد و بدين جهت است كه آن را حفره سياه مينامند.

وقايع روي داده در اطراف سياه چاله

بررسي وقايع روي داده در اطراف يك سياه چاله از كارهاي جالب براي اغلب اختر شناسان حرفه اي در مراكز بزرگ تحقيقاتي در جهان بوده است. چرا كه اين اجرام ، با اجرام ديگري كه ما مي شناسيم بسيار متفاوت بوده و اين تفاوت موجب ايجاد حس كنجكاوي بسياري در ميان دانشمندان شده است.
ذراتي كه از اطراف اين اجرام به بيرون پرتاب مي شوند بسيار پر انرژي هستند. همچنين طيف الكترومغناطيس گسيلي آنها از محدوده ي امواج راديويي تا اشعه ي x و نيز كاملاً در بر مي گيرد. اين امواج انرژي زيادي دارند و تنها منبع ايجاد چنين تشعشات ، اجرام بسيار سنگين و چگال مي توانند باشند كه همچون يك شتابدهنده ، ذرات را به بيرون پرتاب مي كنند . بايد توجه داشت كه گسيل اين ذرات و انرپي در تمام سطح سياه چال صورت نمي گيرد؛ و مكان هاي خاصي براي گسيل اين ذرات و اين فوتون ها وجود دارد. علت اين امر هم چگال بودن بيش از اندازه ي اين اجرام است كه تغييرات شديدي در فضاي اطراف خود ايجاد مي كنند.
در توضيح اين مطلب بايد گفت كه فضاي اطراف يك سياه چاله با فضاي دور تر از آن و نيز با فضاي اطراف يك جرم كوچك مثل زمين بسيار متفاوت دارد اين تفاوت ويژگيهاي خاصي را نيز براي سياه چاله ايجاد مي كند. براي مثال بايد گفت چيزي كه امروزه فيزيكدانان از آن به عنوان افق رويداد سياه چاله نام مي برند همان تفاوت فضا زماني اطراف يك حفره ي سياه است. در توضيح افق رويداد سياه چاله هم بايد گفت فضايي در اطراف سياه چاله است كه فضا و زمان در دوسري آن بطور فاحشي متفاوت هست.

حال با توجه به اين توضيحات مي توان ايجاد حفره هاي عميتاً فضايي در اطراف سياه چاله ها را توضيح داد. چون حفره فضايي در اثر كشيدگي بيش از اندازه ايجاد و مي شود و اين كشيدگي را نيروي گرانش سياه چاله فراهم مي آورد. حال در زير اين پديده را بطور كامل تر توضيح مي دهيم:
با پايان يافتن عمر يك ستاره هنگامي كه اين ستاره با يك انفجار ابر نو اختري بزرگ مواجه مي شود و مداد سنگين به طرف مركز رانده شده و شديداً متراكم مي شوند. نيروي گرانشي فوق العاده قوي ايجاد مي شود و مقداري از گازهاي رانده شده دوباره جذب مي شود . اين گازها در اثر نيروي گرانش شديد سياه چاله ي ايجاد شده شديداً بر گردش در مي آيد در كنار اين خود سياه چاله نيز به دوران در مي آيد. اين دوران بسيار سريع موجب مي شود نيروي مركز گراي كشنده به طرف قطب هاي سياه چاله متمركز شود .
چنان چه مقدار زيادي از گازهاي اطراف به طرف دو قطب به حركت در مي آيند و در آنجا با سرعت زيادي گردش مي كنند . در اين هنگام كه دوران سياه چاله اندكي ; شدت مي گيرد و بطور كامل رمبيده مي شود نيروي گرانشي شروع به كشيدن فضاي اطراف سياه چاله در مكاني كه اندكي از افق رويداد سياه چاله دورتر است مي كند. اين كشيدگي در قطب هاي سياه چاله بطور بسيار محسوسي انجام مي گيرد . به گونه اي كه در يك لحظه دو حفره ي بسيار عميق كه عمق آن ها هم اندازه و جرم سياه چاله بستگي دارد بطرف سياه چاله ايجاد مي شوند اين دو حفره كه در دو قطب سياه چاله ايجاد مي شوند ذرات را به درون سياه چاله فرو مي برند . ذرات كشيده شده در مكان هايي نزديك به سياه چاله به سرعت نور نزديك مي شوند. اين ذرات شتاب گرفته به چند حالت مختلف در مي آيند يا توسط سياه چاله بلعيده شده و جذب مي شود كه در كنار آن زماني كه به سرعت نور نزديك شدند انواع امواج الكترومغناطيسي را دز طول موج هاي مختلف گسيل مي كنند . بايد توجه داشت چون اين ذرات بطور خاص فقط از درون حفره عبور مي كنند؛ فوتون هاي گسيلي آنها هم در امتداد اين حفره حركت مي كند و بصورت متمركز از درون حفره يا به بيرون پرتاب مي شوند يا به درون حفره مي روند.
همچنين ذراتورودي به حفره ممكن است در اثر سرعت زياد به درون سياه چاله كشيده نشوند و از كنار سياه چاله به بيرون پرتاب شود . دراين حالت اگر اين ذرات به گازهاي اطراف برخورد نكنند مي توانند در مكاني در اطراف خط استواي سياه چاله به بيرون پرتاب شوند. اين ذرات در اين هنگام انرژي بسيار زيادي دارند و با سرعت هاي نزديك به نور در فضا منتشر مي شوند
تشعشعاتي كه از سياه چاله ها به بيرون گسيل مي شود هميشه با يك شدت و در يك فركانس مشخس نيستند زيرا كه اغلب انها در كنار جاذبه ي شديد نيروهاي فرعي بسياري را نيز ايجاد مي كنند و يا اينكه اين نيرو ها از خارج بر انها تحميل مي شود.

به فرض مثال يك سياه چاله ي ثابت پر جرم كه غير از حركت دوراني شديد حركت ديگري ندارد را در مركز يك كهكشان بزرگ در نظر مي گيريم . اين سياه چاله بايستي طبق معمول مركز كهكشان را فعال سازد و انرژي فوق العاده زيادي را در تمام راديو تلسكوپ ها وگيرنده هاي اشعه ي ايكس و فروسرخ و حتي گاما ثبت كند. اين امر براي سياه چاله هاي كوچكتر نيز صادق است. اما چيزي كه بيشتر دانشمندان را متعجب مي سازد اين است كه برخي از اين اجرام بر خلاف معمول گاهي ساكت و گاهي هم بسيار كم صدا هستند. بدين معنا كه انرژي گسيلي انها با وجود شتاب گرانشي شديد در فركانسهاي بسيار پايين ثبت ميشود . همچنين امواجي كه از قطب هاي سياه چاله ها به بيرون گسيل مي شوند بايد انرژي زيادي داشته باشند اما در برخي موارد اين امواج در طول موجهاي بسيار بلند تر ايجاد مي شوند. شايد اين گونه تصور شود كه ماده ي سقوط كرده به داخل انها در سطح پاييني است اما شدت اين امواج به حدي بالا است كه از سقوط ذرات بسيار زيادي در سطح انها حكايت مي كند.
علت پايين بودن فركانس هاي توليدي را بايد در حركت هايي غير از حركت دوراني دانست. يعني سياه چاله ها يي وجود دارند كه به غير از حركت دوراني به صورت هايي مختلف به دور خود مي چرخند. اين چرخش هاي متقارن و غير متقارن از اثر نيروي جاذبه به خصوص در قطب هاي سياه چاله كه در اثر دوران حول محور خود ايجاد شده است به طور چشم گيري مي كاهد و در بسياري از موارد از تشكيل حفره هاي كشنده ي ماده در دو قطب خود جلو گيري ميكند. اين حركت ها احتمالا اغلب در سياه چاله هاي كوچك و ستاره هاي نوتروني بايد وجود داشته باشد . اين نوع حركت باعث مي شود امواج گسيلي در تلسكوپ هاي راديويي بصورت روشن و خاموش با تناوب بسيار منظمي ثبت شوند.
اما برخي سياه چاله هاي فوق سنگين نيز در مركز برخي كهكشان ها با وجود مقدار زياد ماده و گاز در اطراف انها چندان فعال به نظر نمي رسند. يكي از علل اساس دوران كند اين سياه چاله ها مي تواند باشد . چون دوران سريع باعث پرتاب برخي مواد به بيرون شده اطراف سياه چاله را داغ مي كند كه در ان شرايط امواج حرارتي و نيز اشعه ي ايكس به طور شديدي از اطراف سياه چاله ساطع مي شود. در نبود دوران سريع اجرام به ارامي به داخل سقوط كرده و فرار ذرات از داخل به كمترين مقدار مي رسد. اما با توجه به اينكه در اطراف اين سياه چاله ها برخي اجرام ديگر مثل ستارگان بزرگ و سياه چاله هاي كوچك و ستارگان نوتروني نيز حضور دارند. اين اجرام نيز مي مي توانند از گزينه هاي مناسب براي اين امر باشن د. براي مثال همين سياه چاله ي بزرگ را در نظر بگيريد . اگر در اطراف ان چند سياه چاله ي ريز و درشت ديگر را نيز قرار دهيم اوضاع كمي فرق خواهد كرد. تمام گازهايي كه به طرف مركز حركت ميكنند در راه حركت توسط اين سياه چاله ها بلعيده شده و عملا مقدار اندكي ماده وارد سياه چاله ي مادر مي شود در نتيجه اين سياه چاله نمي تواند انرژي قابل توجهي را از خود ازاد كند.
منبع:www.iranhoo.com, www.hupaa.com