سیاهچاله چیست؟
سیاهچاله ناحیهای در فضا است که تراکم جرم در آن به حدی بالا است که هیچ چیزی—حتی نور—نمیتواند از میدان گرانش فوقالعاده قدرتمند آن فرار کند.بر اساس نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین، سیاهچالهها میتوانند در پایان چرخه زندگی ستارههای بسیار پرجرم تشکیل شوند. هنگامی که چنین ستارهای منفجر میشود، هسته آن تحت تأثیر گرانش خود رُمبِش میکند. اگر جرم هسته باقیمانده از ستاره، بیش از حدود سه برابر جرم خورشید باشد، هیچ نیرویی نمیتواند در برابر نیروی گرانش غلبه کند و ماده تا حد بینهایت فشرده شده و یک سیاهچاله تشکیل میدهد.
ویژگیهای شگفتانگیز سیاهچالهها
چگالی باورنکردنی: مقدار ماده در سیاهچاله آنقدر فشرده است که تنها یک قاشق غذاخوری از آن، جرمی حدود ۹۰۰ میلیارد تن خواهد داشت!تله نور: سیاه چالهها به دلیل گرانش شدید، هر چیزی را که از افق رویداد آنها (مرز سیاهچاله) بگذرد، به درون میکشند و حتی نور نیز نمیتواند از آن بگریزد.
سرنوشت ماده: موادی که به سیاهچاله نزدیک میشوند، تحت تأثیر گرانش آن، ابتدا به دور آن میچرخند و دیسکی داغ به نام «دیسک برافزایشی» تشکیل میدهند و سرانجام به درون آن سقوط میکنند.
اگرچه بیش از یک قرن از ارائه نظریه نسبیت عام اینشتین میگذرد، اما سیاه چالهها کماکان از مرموزترین پدیدههای کیهان هستند. با این حال، دانشمندان اطلاعات شگفت انگیزی درباره آن ها کشف کردهاند که در ادامه خواهید خواند.
سیاهچالهها چگونه تشکیل میشوند؟
به طور کلی، انتظار میرود که سیاهچالهها از دو مسیر مجزا تشکیل شوند:
مرگ ستارههای پرجرم (سیاهچالههای ستارهای)
این مسیر اصلی، زمانی رخ میدهد که یک ستارهٔ بسیار عظیم به پایان عمر خود میرسد. ستارگانی که جرم اولیه آنها حدود ۸ تا ۱۰ برابر جرم خورشید یا بیشتر است، پس از اتمام سوخت هستهای خود (هیدروژن) در یک انفجار ابرنواختی عظیم منفجر میشوند. اگر جرم هستهٔ باقیمانده از این انفجار به اندازه کافی زیاد باشد (معمولاً بیش از ۳ برابر جرم خورشید)، هیچ نیرویی نمیتواند در برابر رمبش گرانشی آن مقاومت کند و هسته به طور کامل فرو میریزد و یک سیاهچالهٔ ستارهای تشکیل میدهد. جرم این سیاهچالهها معمولاً بین ۳ تا ۱۰۰ برابر جرم خورشید است.توجه: همه ستارگان به سیاهچاله تبدیل نمیشوند. ستارگان با جرم کمتر، در پایان عمر خود به اجرام فشردهای مانند کوتولههای سفید یا ستارههای نوترونی تبدیل میشوند.
فروپاشی مستقیم گاز (سیاهچالههای کلانجرم اولیه)
این روش دوم، تشکیل سیاهچاله را مستقل از چرخه زندگی ستارگان عادی توصیف میکند. در این فرآیند، ابرهای عظیم گازی در کیهان اولیه، بدون آنکه ابتدا به ستاره تبدیل شوند، مستقیماً تحت تأثیر گرانش خود فرو میریزند. این مکانیسم میتواند منجر به تشکیل سیاهچالههای بسیار پرجرمتری با جرمی بین ۱,۰۰۰ تا حتی ۱۰۰,۰۰۰ برابر جرم خورشید شود. این سیاهچالهها که به "دانههای اولیه" معروفند، میتوانند در نهایت به سیاهچالههای کلانجرم در مرکز کهکشانها تبدیل شوند. اعتقاد بر این است که این مسیر در جهان جوان کارآمد بوده است.
چه کسی سیاهچاله را کشف کرد؟
پاسخ به این پرسش دو جنبه دارد: پیشبینی نظری و تأیید رصدی.
پیشبینی ریاضی (کشف روی کاغذ)
سیاهچالهها در آغاز به عنوان یک راه حل کاملاً ریاضی برای معادلات میدان اینشتین در نظریه نسبیت عام پدید آمدند. این نظریه توضیح میدهد که ماده چگونه هندسهٔ فضا-زمان را خمیده میکند. تنها چند ماه پس از انتشار نظریه توسط آلبرت اینشتین، کارل شوارتزشیلد در سال ۱۹۱۶ راهحلی برای این معادلات یافت که ناحیهای از فضا-زمان را توصیف میکرد که به قدری خمیده شده است که هیچ چیزی نمیتواند از آن بگریزد. این مفهوم، همان چیزی است که ما امروزه سیاهچاله مینامیم.در آن زمان، این ایده بیشتر یک کنجکاوی ریاضی به نظر میرسید و مشخص نبود که آیا چنین اجرامی در جهان واقعی وجود دارند یا خیر.
تأیید رصدی (کشف در عالم واقع)
با گذشت زمان و پیشرفت اخترفیزیک، شواهد غیرمستقیم از وجود سیاهچالهها پدید آمد. کشف اجرام فشردهای مانند ستارههای نوترونی (که به صورت تپاختر دیده میشدند)، این اطمینان را به وجود آورد که اگر ستارههای نوترونی وجود دارند، پس سیاهچالهها به عنوان مرحلهٔ نهایی بعدیِ فروپاشی گرانشی نیز باید وجود داشته باشند.سرانجام، در سال ۱۹۷۱، اولین نامزد قوی برای یک سیاهچاله شناسایی شد: دجاجهای-۱ .(Cygnus - X1) این منبع پرتو ایکس در یک سامانهٔ دوتایی، با رفتار خود نشان میداد که جرم نامرئی آن بسیار سنگینتر از آن است که یک ستارهٔ نوترونی باشد و در نتیجه، تنها گزینه ممکن یک سیاهچاله بود. از آن زمان تاکنون، شواهد فراوان و حتی تصویربرداری مستقیم از افق رویداد یک سیاهچاله، وجود واقعی آنها را به طور قطعی تأیید کرده است.
چگونه یک سیاهچاله را شناسایی میکنند؟
از آنجا که سیاهچالهها به طور مستقیم قابل مشاهده نیستند، اخترشناسان با استفاده از روشهای غیرمستقیم و بررسی اثرات گرانشی قدرتمند آنها، به وجودشان پی میبرند. مهمترین این روشها عبارتند از:
رصد اثرات گرانشی بر اجرام مجاور
- حرکت ستارگان: یکی از متداولترین روشها، مطالعه حرکت ستارگان در اطراف یک جرم نامرئی است. اگر ستارگان در مدار یک ناحیهٔ خالی از فضا با سرعت بسیار بالا در حال گردش باشند، نشاندهندهٔ وجود یک جرم بسیار سنگین و فشرده (مانند یک سیاهچاله) در مرکز آن مدار است. این روش برای شناسایی سیاهچالههای کلانجرم در مرکز کهکشانها استفاده میشود.
- پدیده اسپاگتیشدن: همانطور که اشاره شد، اگر جرمی به یک سیاهچاله بیش از حد نزدیک شود، اختلاف نیروی گرانش بین قسمتهای نزدیکتر و دورتر آن آنقدر زیاد است که آن جرم را در جهت طولی کشیده و مانند یک رشته اسپاگتی خرد میکند.
-
بررسی تابشهای ناشی از قرص برافزایشی - تشکیل قرص برافزایشی: هنگامی که گازها و مواد یک ستارهٔ مجاور به دام گرانش یک سیاهچاله میافتند، پیش از سقوط نهایی، در مداری به دور آن میچرخند و دیسک داغ و چرخانی به نام «قرص برافزایشی» تشکیل میدهند.
- تابش پرتو ایکس: مواد موجود در این قرص، بر اثر اصطکاک و شتاب شدید، تا میلیونها درجه داغ شده و مقادیر عظیمی از پرتوهای پرانرژی، به ویژه پرتو ایکس، از خود گسیل میکنند. ردیابی این پرتوها، یکی از اصلیترین راههای کشف سیاهچالههاست.
آشکارسازی امواج گرانشی
با پیشرفت فناوری، اکنون میتوانیم امواجی را در ساختار فضازمان ردیابی کنیم که در اثر رویدادهای عظیم کیهانی مانند ادغام دو سیاهچاله ایجاد میشوند. رصدخانههایی مانند LIGO و Virgo این امواج گرانشی را شناسایی میکنند که شاهدی مستقیم بر وجود این اجرام هستند.
پدیدههای ویژه نسبیتی
- چارچوب-کشیدن :(Frame-Dragging) سیاهچالههای در حال چرخش، فضازمان اطراف خود را "میکشند" و آن را پیچ و تاب میدهند. به ناحیهای از فضا که تحت تأثیر این کشش قرار میگیرد، "کارکُره" میگویند.
- تابش پرتو گاما: همانطور که اشاره کردید، observations جدید نشان میدهد فعالیتهای شدید سیاهچالهها میتواند منجر به تابش پرتوهای گاما شود که قدرتمندترین شکل انرژی در کیهان هستند و حتی میتوانند در تولد و مرگ ستارگان اطراف نقش داشته باشند.
با ترکیب این روشها، اخترشناسان نه تنها وجود سیاهچالهها را تأیید کردهاند، بلکه توانستهاند حتی از "سایه" و افق رویداد آنها نیز عکسبرداری کنند.
انواع سیاهچالهها از نظر چرخش
بر اساس نظریه نسبیت عام، سیاهچالهها را میتوان بر اساس ویژگیهایی مانند چرخش و بار الکتریکی دستهبندی کرد. در بین این مدلها، دو نوع اصلی و سادهشده عبارتند از:
سیاهچالهٔ شوارتزشیلد (سیاهچالهٔ بیچرخش یا ساکن)
این مدل، سادهترین نوع سیاهچاله است که توسط "کارل شوارتزشیلد" ارائه شد.
- ویژگی کلیدی: فاقد چرخش است.
- ساختار: این سیاهچاله تنها از دو بخش اصلی تشکیل شده است:
- تکینگی :(Singularity) نقطهای در مرکز با چگالی بینهایت که تمام جرم در آن متمرکز شده است.
- افق رویداد :(Event Horizon) مرز کروی شکل و غیرقابل بازگشتی که تکینگی را احاطه کرده است.
-
سیاهچالهٔ کِر (سیاهچالهٔ چرخان)
- ویژگی کلیدی: به دور خود میچرخد. این چرخش به این دلیل است که ستارهٔ مادر آن در حال چرخش بوده و بر اساس "قانون پایستگی تکانه زاویهای"، این چرخش پس از تشکیل سیاهچاله نیز حفظ میشود.
- ساختار: به دلیل چرخش، ساختار این سیاهچاله پیچیدهتر است و شامل بخشهای زیر میشود:
- تکینگی :(Singularity) که در این مدل به شکل یک حلقه (Ring Singularity) است.
- افق رویداد :(Event Horizon) مرز اصلی.
- اِرجوسفر یا کارکُره :(Ergosphere) ناحیهای تخممرغیشکل که افق رویداد را احاطه کرده است. به دلیل چرخش بسیار سریع سیاهچاله، فضازمان در این ناحیه "کشیده" میشود و هر جسمی (حتی نور) ناچار است به همراه فضا-زمان بچرخد. مرز بیرونی این ناحیه "حد استاتیک" نام دارد.
جمعبندی
در حالی که مدل شوارتزشیلد یک نمونه سادهشده و ایدهآل است، مدل کِر که چرخش را در نظر میگیرد، توصیف دقیقتری از سیاهچالههای واقعی در کیهان ارائه میدهد
سیاهچالهها در چه اندازههایی وجود دارند؟
برای دههها، دانشمندان تصور میکردند سیاهچالهها تنها در دو اندازهٔ کاملاً مجزا وجود دارند: سیاهچالههای ستارهای (کوچک) و سیاهچالههای کلانجرم (بسیار بزرگ). با این حال، مشاهدات اخیر، به ویژه از رصدخانه پرتو ایکس چاندرا، وجود دسته سومی به نام »سیاهچالههای با جرم متوسط« را نیز تأیید کردهاند.
انواع سیاهچالهها بر اساس جرم
۱ .سیاهچالههای ستارهای (Stellar-Mass Black Holes)
- این سیاهچالهها که در سراسر کهکشان راهشیری پراکندهاند، از مرگ ستارههای پرجرم به وجود میآیند.
- جرم آنها معمولاً بین ۱۰ تا ۲۴ برابر جرم خورشید است.
- اخترشناسان آنها را اغلب از طریق پرتوهای ایکس ساطعشده از قرص برافزایشی مواد داغ اطرافشان شناسایی میکنند.
۲ .سیاهچالههای کلانجرم (Supermassive Black Holes)
- این غولهای کیهانی در قلب تقریباً همه کهکشانهای بزرگ، از جمله کهکشان ما، لانه دارند.
- جرم آنها از میلیونها تا میلیاردها برابر جرم خورشید متغیر است.
- وجود آنها با مطالعه حرکت ستارهها و گازها در مدارهای بسیار سریع پیرامون یک ناحیهٔ نامرئی مرکزی اثبات میشود.
۳ .سیاهچالههای با جرم متوسط (Intermediate-Mass Black Holes)
- این دسته، حلقهٔ گمشده بین دو دستهٔ دیگر هستند و جرمی در محدوده هزار تا صدها هزار برابر خورشید دارند.
- یکی از نظریههای تشکیل آنها، برخورد و ادغام زنجیرهای ستارهها در خوشههای ستارهای فشرده است که در نهایت به یک سیاهچاله منجر میشود. سپس این سیاهچاله با بلعیدن ستارگان اطراف و ادغام با سیاهچالههای دیگر، رشد میکند.
کشف تاریخی و محدودیتهای رشد
کشف اولین اختروش (شبهستاره) به نام 3C 273 در دهه ۱۹۶۰، کهکشاننماهایی با هستههای فوق درخشان بودند، دانشمندان را به وجود سیاهچالههای کلانجرم رهنمون کرد. درخشندگی حیرتانگیز این اجرام ناشی از فرآیند برافزایش مواد بر روی سیاهچالههای غولآسا در قلب کهکشانهای دوردست است.اما یک سیاهچاله تا چه اندازه میتواند بزرگ شود؟ پاسخ به این سؤال پیچیده است. رشد سیاهچالهها با دو محدودیت اصلی روبروست:
۱ .حد اَدینگتون :(Eddington Limit) هنگامی که یک سیاهچاله با سرعت زیاد مواد را میبلعد، تابش و بادهای شدیدی از قرص برافزایشی آن خارج میشود که مانند یک "عطسه" کیهانی، مواد جدید را به عقب میراند و از رشد بیرویه آن جلوگیری میکند.
۲ .محدودیت زمانی: سن کیهان (۱۳.۸ میلیارد سال) زمان کافی برای رشد نامحدود در اختیار سیاهچالهها نمیگذارد.
بر اساس این محدودیتها، مدلهای نظری حداکثر جرم یک سیاهچاله را در شرایط ایدهآل حدود ۲۷۰ میلیارد برابر خورشید و در شرایط واقعبینانهتر حدود ۵۰ میلیارد برابر خورشید پیشبینی میکنند. بزرگترین سیاهچالههای کشفشده، مانند TON 618، در همین محدوده قرار دارند.
.jpg "چگونه رسوب آب را از بین ببریم؟")
