سیاه چاله ها Black holesl

شما ممکن است از کسی شنیده باشید که بگوید میز من یک سیاه چاله شده است. یا ممکن است یک برنامه ی ستاره شناسی را در تلویزیون دیده باشید. یا مقاله، مجله ای خوانده باشید که در مورد سیاه چاله ها باشند. این سیاه چاله های عجیب و غریب تصور ما را از زمانی که بوسیله ی نظریه ی نسبیت عمومی انیشتین در سال 1915 پیش بینی شده بودند، اسیر کرده بود. سیاه چاله ها چه هستند؟ آیا واقعاً آن ها وجود دارند؟ چگونه می توانیم آن ها را پیدا کنیم؟ در این مقاله ها به بررسی سیاه چاله ها می پردازیم و همه ی این سؤالات را پاسخ می دهیم

یک سیاه چاله چیست؟

یک سیاه چاله چیزی است هنگامی که یک ستاره ی عظیم می میرد از آن باقی می ماند.
یک ستاره یک راکتور گداخت هسته ای عظیم و شگفت انگیز است. از آنجا که ستارگان دارای جرم بسیار هستند و از گاز تشکیل شده اند، یک میدان شدید گرانشی وجود دارد که همیشه سعی می کند ستاره را متلاشی کند. واکنش های همجوشی که در هسته ی ستاره رخ می دهند همانند یک بمب همجوشی هسته ای عظیم هستند که تلاش می کنند ستاره را منفجر کنند. توازن بین نیروهای گرانشی و نیروهای انفجاری چیزی است که اندازه ی ستاره را مشخص می کند.
وقتی که ستاره بمیرد، واکنش های هم جوشی هسته ای متوقف می شوند چرا که سوخت مورد نیاز این واکنش ها می سوزد و مصرف می شود. در همان زمان گرانش ستاره مواد را به سمت داخل می کشد و هسته را متراکم می کند. وقتی که هسته متراکم می شود داغ می شود و سرانجام یک انفجار ابر نواختر ایجاد می کند که در آن مواد و تشعشعات به داخل فضا پرتاب می شوند. آن چه باقی می ماند. چیزی که باقی می ماند هسته ای با جرم بسیار زیاد و تراکم بالاست. گرانش آن هسته آن قدر قوی است که حتی نور نیز نمی تواند از آن فرار کند.
این شیء دیگر یک سیاه چاله است و همان طور که از اسمش پیداست. از دید پنهان می شود. از آنجا که گرانش هسته بسیار قوی است، هسته در کالبد فضا - زمان فرو می رود و چاله ای در فضا - زمان (دستگاه چهار بعدی) ایجاد می کند. این همان دلیلی است که به اینها سیاه چاله می گوییم.
هسته بخش مرکزی سیاه چاله می شود و تکینگی نام می گیرد. دهانه ی چاله افق رویداد ( Event Horizon) نامیده می شود.
شما می توانید این قسمت را همانند دهان سیاه چاله تصور کنید.
در داخل افق رویداد همه ی رویدادها (نقاط در سیستم فضا - زمان ) متوقف می شوند. و هیچ چیز (حتی نور) نمی تواند فرار کند. شعاع افق رویداد، شعاع شوارتز شیلد نام دارد. این نام به افتخار ستاره شناسی به نام کارل شوارتز شیلد نامیده شده است. کسی که کارهایش منجر به نظریه ی سیاه چاله ها گردید.

تاریخ

این تفکر که یک جسمی که از آن نور می تواند فرار کند ( به عنوان مثال سیاه چاله) در اصل توسط پییر سیمون لاپلاس در سال 1795 پیشنهاد شد. با استفاده از نظریه ی گرانش نیوتون لاپلاس محاسبه کرد که اگر یک جسم در یک شعاع به اندازه کافی کوچک متراکم شود، سرعت فرار آن جسم سریعتر از سرعت نور خواهد بود. (سرعت فرار حداقل سرعتی است که یک جسم باید به آن برسد تا بتواند بر کشش گرانشی غلبه کند.)

انواع سیاه چاله ها

دو نوع سیاه چاله وجود دارد. 1- شوارتز شیلید: سیاه چاله های غیر دوار و 2- کر: سیاه چاله های دوار
سیاه چاله ی شوارتز شیلد ساده تر سیاه چاله است که هسته در آن نمی چرخد. این نوع سیاه چاله فقط دارای یک تکینگی و یک افق رویداد می باشد.
سیاه چاله ی کر که احتمالاً معمول ترین نوع آن در طبیعت است می چرخد، به این علت ستاره ای که از آن بوجود آمده در حال چرخش بوده است. هنگامی که یک ستاره ی در حال گردش متلاشی می شود، هسته به گردش ادامه می دهد و این چرخش به سیاه چاله منتقل می شود. (بقای مومنتم زاویه ای ) یک سیاه چاله ی کر دارای این بخش ها می باشد؛ تکینگی: هسته ی فرو پاشیده، افق رویداد و ورودی چاله.

کارکره Ergosphere:

یک منطقه ی تخم مرغی شکل از فضای واپیچیده اطراف افق رویداد می باشد ( این واپیچیدگی به دلیل چرخش سیاه چاله می باشد که فضای اطراف خود را دچار کشیدگی می کند.)

حد ایستایی Steatic limit:

مرز بین کارکره و فضای معمولی اگر جسمی وارد کار کره شود، هنوز می تواند با گرفتن انرژی از گردش چاله از سیاه چاله خارج شود.
اما اگر کسی از افق رویداد بگذرد به داخل سیاه چاله کشیده می شود و هرگز نمی تواند فرار کند. چیزی که درون سیاه چاله رخ می دهد. ناشناخته است. حتی نظریه های جاری فیزیک ما در حیطه ی تکینگی کاربرد ندارند.
اگر چه ما نمی توانیم یک سیاه چاله را ببینیم، سیاه چاله سه خاصیت دارد که ممکن است اندازه گیری شود. جرم، بار الکتریکی، آهنگ گردش (مومنتم زاویه ای ).
تا این لحظه ما فقط از طریق حرکت اجسام به دور سیاه چاله می توانیم جرم آن را به طور قابل اعتمادی اندازه بگیریم. اگر یک سیاه چاله دارای یک ندیم باشد ( ستاره یا دایره ی دیگری از ماده )، این امکان وجود دارد که شعاع چرخش یا سرعت گردش مواد به دور سیاه چاله ی دیده نشده را بتوان اندازه گرفت. جرم سیاه چاله را می توان از طریق قانون سوم اصلاح شده ی کپلر درباره ی حرکت چرخشی یا حرکت سیاره ای محاسبه کرد. ما چگونه سیاه چاله ها را کشف می کنیم.
1- جرم تخمین زده شده از اجسامی که به دور سیاه چاله می چرخند یا به صورت مارپیچ به سمت هسته ی آن حرکت می کنند. 2- اثرهای ذره بینی گرانشی 3. تشعشعات منتشر شده.

جرم

بسیاری از سیاه چاله های دارای جرم هایی دراطرافشان هستند و با نگاه کردن به رفتار آن جرم ها شما می توانید وجود یک سیاه چاله را کشف کنید. پس از آن شما از اندازه گیری حرکت اجسام به دور یک سیاه چاله ی احتمالی برای محاسبه ی جرم سیاه چاله استفاده می کنید.
چیزی که شما به دنبال آن می گردید یک ستاره یا یک دیسک از گاز است که به گونه ای رفتار می کند که گویی یک جرم بزرگ در نزدیکی آن وجود دارد. به طور مثال اگر یک ستاره قابل رؤیت یا یک دیسک از جنس گاز دارای حرکتی شبیه تلوتلو خوردن یا چرخش باشد و هیچ دلیل قابل دیدنی برای این حرکت نباشد و این دلیل غیر قابل دیدن اثری داشته باشد که به نظر بیاید این اثر بوسیله ی جسمی بوجود آمده که جرم آن بیشتر از سه جرم خورشیدی باشد. (بسیار بزرگتر از ستاره ی نوترونی) بنابراین امکان دارد که یک سیاه چاله موجب این حرکت شده باشد. پس از آن شما جرم سیاه چاله را با نگاه کردن به اثری که آن سیاه چاله بر روی اجسام قابل رؤیت دارد تخمین می زنید.
به طور مثال در هسته ی کهکشان NGC4261 یک دیسک قهوه ای دارای شکل مارپیچ وجود دارد که در حال گردش است. این دیسک اندازه ای به اندازه ی منظومه ی شمسی ما دارد. اما 1/2 میلیارد بار سنگین تر از خورشید است. چنین جرم عظیمی برای یک دیسک ممکن است نشان دهنده ی وجود یک سیاه چاله درون یک دیسک باشد.

عدسی گرانشی

نظریه ی عمومی نسبیت انیشتین پیش بینی کرد که گرانش می تواند فضا را خم کند. بعدها این نظریه در طی یک کسوف ثابت شد. زمانی که مکان یک ستاره قبل، حین و بعد از کسوف اندازه گیری شد. محل ستاره به این علت که نور آن ستاره بوسیله ی گرانش خورشید خمیده شد، تغییر کرد. بنابراین جسمی با گرانش بی نهایت (همانند یک کهکشان یا سیاه چاله) بین زمین و یک جسم دور می تواند نوری را که از آن جسم دور دست می آید، خم کند و بیشتر شبیه یک عدسی در یک کانون متمرکز کند.
تشعشعات منتشر شده هنگامی که ماده از یک ستاره ی ندیم به درون یک سیاه چاله می افتد میلیون ها درجه ی کلوین گرم تر می شود و شتاب می یابد. این مواد فوق گرم شده اشعه ی ایکس ساطع می کنند که بوسیله ی تلسکوپ های اشعه ی ایکس همانند تلسکوپ گردنده ی Chandra x - rag Observatory قابل کشف می باشد.
ستاره ی Cygnus x-1 یک منبع اشعه ی ایکس است و به نظر می رسد که کاندید خوبی برای یک سیاه چاله باشد.
علاوه بر اشعه ی ایکس سیاه چاله ها هم چنین می توانند مواد را با سرعت های بسیار بالا بیرون دهند تا جت ها را تشکیل دهند. بسیاری از کهکشان ها با چنین جت هایی مشاهده شده اند (در حال حاضر این طور به نظر می رسد که این کهکشان ها دارای سیاه چاله های فوق سنگین (دارای جرمی برابر با میلیاردها برابر جرم خورشید) در مرکزهایشان هستند که علاوه بر انتشار امواج رادیویی قوی جت نیز تولید می کنند. (جت به معنای جریان سریع مواد است)
این مهم است که به خاطر بسپاریم که سیاه چاله ها جاروبرقی های کیهانی نیستند. آن ها هر چیزی را مصرف نمی کنند. بنابراین اگر چه ما نمی توانیم سیاه چاله ها را ببینیم، اما مدارک غیر مستقیمی درباره بی موجودیت آن ها، وجود دارد. آن ها با سفر درون زمان و سوراخ کرم ها همراه شده اند و به عنوان اشیایی سحر آمیز در جهان باقی می مانند.
تصویر شماره 1: مفهوم هنری از حومه ی مجاور سیاه چاله در مرکز کهکشان NGC- 4261
تصویر شماره 2: مفهوم هنری از یک سیاه چاله: فلش ها مسیر اجسامی که درون و بیرون دهانه سیاه چاله هستند را نشان می دهد.
تصویر شماره 3: مفهوم هنری از یک سیاه چاله و محیط اطراف آن: حلقه ی سیاه افق رویداد است و منطقه ی تخم مرغی شکل کار کره می باشد.
تصویر شماره 4: تصویر تلسکوپ فضایی هابل از هسته ی کهکشان NGC- 4261.
تصویر شماره 5: این تصویرها نشان دهنده ی درخشان شدن MACHO- 96- BL5.
از تلسکوپی در زمین (سمت چپ) و تلسکوپ فضایی هابل (سمت راست) می باشد.
تصویر شماره ی 6: شماتیکی از یک سیاه چاله در یک سیستم دودویی که نشان دهنده ی دیسک پیوسته در نزدیکی سیاه چاله و انتشار اشعه های ایکس می باشد.
تصویر شماره 7: تصویر اشعه ی ایکس از Cygnusx-1 که توسط تلسکوپ گردنده ی Chandra x - ray. observatory می باشد.
تصویر شماره 8: نمودار شماتیک از هسته ی کهکشانی با یک سیاه چاله ی فوق سنگین در مرکز آن.
تصویر شماره 9. تصاویر سمت چپ و پایین، تصاویر گرفته شده توسط رادیو تلسکوپ های مستقر در زمین از قلب کهکشان M87 می باشد. تصویر سمت راست، تصویری قابل رؤیت از تلسکوپ هابل می باشد. به جت، به جریان سریع مواد ( جت ) که از M87 می آیند توجه کنید.
منبع:Howstuffworks.com