جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۰ به پژوهشگران سیاهچاله‌ها رسید

به گزارش راسخون؛ آکادمی نوبل جایزه نوبل 2020 را به سه فیزیکدان که روی موضوع سیاه‌چاله‌های فضایی تحقیق می‌کردند اهدا کرد.

راجر پنروز (Roger Penrose) از دانشگاه آکسفورد، نیمی از جایزه نوبل را به‌دلیل تحقیق روی ارتباط تشکیل سیاه‌چاله‌ها و نظریه نسبیت انیشتین دریافت کرد.

همچنین راینهارد جنزل (Reinhard Genzel) از انستیتوی فیزیک ماکس پلانک و آندره جز (Andrea Gehz) از دانشگاه کالیفرنیای لس آنجلس برای کشف یک ماده چگال و فشرده در مرکز کهکشان راه شیری که مدار ستارگان است نیم دیگر جایزه نوبل را دریافت کردند؛ این تعریف از سیاه‌چاله تنها توضیحی است که فعلاً برای آن وجود دارد.

وی روشهای ریاضی ابتکاری را برای بررسی نظریه نسبیت عام اینشتین ابداع کرده است. وی نشان داده که این نظریه به تشکیل سیاه چاله ها(همان هیولاهای فضا-زمان که هر آنچه به آنها وارد می شود می بلعند) منجر می شود.

راینهارد جنزل از موسسه ماکس پلانک برای فیزیک فرازمینی در آلمان و دانشگاه کالیفرنیا، برکلی و آندره جز از دانشگاه کالیفرنیا نیز به خاطر کشف یک ابرجرم فوق العاده عظیم در مرکز کهکشان راه شیری این جایزه را دریافت کردند.

این دو کشف کردند که یک شی نامرئی و به شدت سنگین بر مدار ستاره‌ها در مرکز کهکشان ما حکمرانی می‌کند. در حال حاضر یک سیاه چاله کلان جرم تنها تعریف موجود برای این شی است.

اندرا جز، زن برنده جایزه نوبل فیزیک امسال گفت: امیدوارم که بتوانم الهام بخش زنان جوان دیگر در این زمینه باشم. این رشته‌ای است که بسیار هیجان انگیز است و اگر علاقه‌مند به این علم باشید، کارهای زیادی می‌توانید انجام دهید.

نیمی از این جایزه ۹۳۵ هزار دلاری به راجر پنروز تعلق خواهد گرفت و نیم دیگر بین راینهارد جنزل و آندرا جز تقسیم خواهد شد.

راجر پنروز کیست؟

راجر پنروز در اثبات اینکه سیاهچاله‌ها نتیجه مستقیم نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین است، از روشهای ابتکاری ریاضی استفاده کرد. اینشتین خودش اعتقاد نداشت که سیاهچاله‌ها(این هیولاهای ابرجرم که هر آنچه را که به آنها وارد می‌شود، شکار می‌کنند) واقعاً وجود دارند. هیچ چیز، حتی نور، نمی‌تواند از آنها فرار کند. در ژانویه ۱۹۶۵ ، ده سال پس از مرگ اینشتین، راجر پنروز ثابت کرد که سیاهچاله ها واقعاً می‌توانند تشکیل شوند و آنها را با جزئیات شرح داد.

سِر راجر پنروز(Sir Roger Penrose) (زاده ۸ اوت ۱۹۳۱)، فیزیک‌دان و ریاضیدان برجستهٔ انگلیسی است. وی تز دکترای خود را در دانشگاه کمبریج نوشت و اکنون استاد بازنشسته دانشگاه "آکسفورد" است. وی نظریه جدید، فرضیه تویستر، را مطرح کرده‌ است. بسیاری از دانسته‌های بشر در مورد سیاهچاله‌ها مدیون کشفیات پنروز است. پنروز شخصاً و با کمک دیگران از جمله فیزیک‌دان نظریّه پرداز استیون هاوکینگ توانسته است قضایایی را در توصیف سیاهچاله‌ها ارائه دهد. او ثابت کرده‌ است، ستاره‌ای که جرم زیادی دارد، پس از نابودی به یک سیاهچاله تبدیل خواهد شد.

پنروز در زمینه فلسفه ذهن و خودآگاهی نیز نظریاتی(همانند نظریه ارک-آر) ارائه نموده‌ است. در ماه مارس سال ۲۰۱۹ وی فراخوانی اعلام نمود که طی آن علاقه‌مندان به فیزیک تئوری و ریاضیات کاربردی و همچنین فلسفه ذهن دستاوردهای خود را به آدرس ایمیل کالج ترینیتی دانشگاه کمبریج ارسال کنند و از میان یک میلیون و ۷۸۹ هزار و ۳۴ مقاله دریافتی فقط ۱۰۰ مقاله پذیرفته شد و مقاله برتر در این فراخوان به گفته دکتر مک هری بورسیه دانشگاه پرینستون را دریافت خواهد کرد.

آندرا جز و راینهارد جنزل چه کسانی هستند؟

آندرا جز و رینهارد جنزل هر کدام گروهی از اخترشناسان را رهبری می‌کنند که از اوایل دهه ۱۹۹۰ در مطالعتاشان به بررسی منطقه‌ای به نام کمان ای در مرکز کهکشان ما متمرکز شده بودند.

راینهارد جنزل (Reinhard Genzel) (زادهٔ ۲۴ مارس ۱۹۵۲) یک دانشمند در زمینهٔ اخترفیزیک اهل آلمان است. او عضو انستیتوی فیزیک فرازمینیِ ماکس پلانک و استاد دانشگاه کالیفرنیا، برکلی است. وی برندهٔ جوایز متعددی در زمینهٔ حرفهٔ خود شده‌ است. در سال ۲۰۱۲ جایزهٔ کرافورد در رشتهٔ اخترشناسی، به‌طور مشترک به او و آندرآ اِم. جز آمریکایی تعلق گرفت.

آندرآ اِم. جز( Andrea M. Ghez) (زادهٔ ۱۶ ژوئن ۱۹۶۵ در نیویورک) یک اخترشناس اهل ایالات متحدهٔ آمریکا است. جِز استاد گروه فیزیک و اخترشناسی دانشگاه کالیفرنیا، لس‌آنجلس است.

او در سال ۲۰۰۴، در مجلهٔ دیسکاور جزو آن گروه از ۲۰ دانشمند برتر ایالات متحده شناخته شد که از درک بالایی در زمینهٔ حرفهٔ خود برخوردارند. وی در سال ۲۰۰۴ به عضویت آکادمی ملی علوم ایالات متحدهٔ آمریکا درآمد. جز برندهٔ جوایز متعددی در زمینهٔ حرفهٔ خود شده‌ است.

از سال ۱۹۰۱ تاکنون، ۱۱۴ جایزه نوبل فیزیک اهدا شده است و شش بار در سال‌های ۱۹۱۶، ۱۹۳۱، ۱۹۳۴، ۱۹۴۰، ۱۹۴۱ و ۱۹۴۲ اعطا نشد اما دلیل اینکه جوایز نوبل در آن شش سال اعطا نشد این است که بنا بر آنچه در اساسنامه بنیاد نوبل آمده است: اگر هیچ کدام از آثار مورد بررسی، دارای اهمیت ویژه‌ای نباشد، پول جایزه تا سال بعد حفظ می‌شود. در کل در طول جنگ جهانی اول و دوم، جایزه‌های نوبل کمتری اهدا شد. اولین دریافت‌کنندگان این جایزه "ماری و پیر کوری"، "پل دیراک" و" آلبرت انیشتین" بودند.

تاکنون ۴ زن جایزه فیزیک دریافت کرده اند: ماری کوری در سال ۱۹۰۳ ، ماریا گوپرت-مایر در ۱۹۶۳ ، دونا استریکلند در ۲۰۱۸ و آندرا جز در سال ۲۰۲۰.

تا به امروز جوانترین برنده نوبل فیزیک "لارنس براگ"(Lawrence Bragg) است که در سال ۱۹۱۵ و در حالیکه ۲۵ ساله بود به همراه پدرش جایزه نوبل را دریافت کردند.

سیاه‌چاله چیست؟

در کلامی ساده، سیاه‌چاله چیزی است که از متلاشی شدن یک ستاره بزرگ باقی می‌ماند. اگر با مفهوم "ستاره" آشنا باشید می‌دانید که ستاره جسم بزرگی است که در داخل آن همجوشی در مقیاسی بزرگ و به طور پیوسته انجام می‌شود.

به دلیل بزرگ بودن جرم ستاره‌ها و گسترده بودن گاز در ساختار آن‌ها، میدان جاذبه گرانشی همواره در تلاش برای متلاشی کردن ستاره است. از طرفی همجوشی که در مرکز ستاره انجام می‌شود عامل ایجاد ثبات در این میان است و با مقابله با میدان گرانش، ستاره را از نابودی حفظ می‌کند.

هنگام متلاشی شدن ستاره، نیروی لازم برای همجوشی نابود می‌شود. در همین حال نیروی جاذبه گرانشی ستاره، محیط را برای اعمال نیروی خود آزاد می‌بیند و شروع به جذب همه مواد و اجرام در اطراف خود می‌کند.

با پر شدن فضای درون هسته ستاره، دمای هسته افزایش می‌یابد و این امر عامل یک انفجار سهمگین است که تمام تابش‌ها و شعاع‌های انفجار آن در فضا پخش می‌شود. چیزی که از این انفجار باقی می‌ماند هسته‌ای فشرده و بسیار بزرگ است. میدان گرانش این هسته آنقدر وسیع و قوی است که حتی شعاع‌های نور نیز از در امان نیستند.

اکنون هسته‌ای که داریم یک سیاه‌چاله (Black Hole) است. اگر یک سیاه‌چاله حرکت مداری داشته باشد، آغاز به کشیدن فضا-زمان به دور افق رویداد می‌کند. این گردش فضا به دور افق رویداد را کارکُره (ergosphere) می‌گویند و شکل بیضوی دارد.

هسته ستاره متلاشی شده به عنوان مرکز سیاه‌چاله یا تکینگی (نقطه یکتایی) در نظر گرفته می‌شود. دهانه سیاه‌چاله به " افق رویداد" یا Event Horizon معروف است.

ابتدا برای فهم بهتر سیاهچاله‌ها بد نیست این را بدانید سیاهچاله‌ها به قدری متراکمند که اگر کل کرهٔ زمین قطرش به ۰.۹ سانتیمتر تقلیل یابد اما جرمش ثابت بماند به یک سیاهچاله تبدیل میگردد.

شاید بهتر است افق رویداد را به عنوان دهانه سایه‌چاله در نظر بگیرید که همه چیز را می‌بلعد. وقتی چیزی از افق رویداد می‌گذرد برای همیشه از بین می‌رود.

شعاع دهانه به نام “شعاع شواترزشیلد" معروف است. این نام را به افتخار اختر شناس بزرگ، کارل شواترزشیلد انتخاب کرده‌اند که به پیشرفت تئوری‌های مربوط به سیاه‌چاله کمک‌هایی کرده‌است.

در کل دو نوع سیاه‌چاله وجود دارد

• شواترزشیلد (Schwarzchild) : سیاه‌چاله غیر دوار

• کِر(Kerr) : سیاه‌چاله دوار

سیاه‌چاله کارل شواترزشیلد ساده‌ترین نوع است که در آن مرکز دوران نمی‌کند و ثابت است. این نوع سیاه‌چاله تنها دارای یک نقطه یکتایی و یک افق رویداد است.

سیاه‌چاله‌های کِر در طبیعت به وفور یافت می‌شوند و در آن‌ها هسته دوران می کند و دلیل این دوران نیز، ستاره‌ای است که این سیاه‌چاله‌ها از آن‌ به وجود آمده‌اند.

معمولاً این ستاره‌های دوار هستند که سیاه چاله‌های کِر را بوجود می‌آورند. وقتی که ستاره‌ای دوار متلاشی می‌شود، هسته آن همچنان دوران می‌کند و به همین دلیل سیاه‌چاله بوجود آمده نیز به صورت دوار به جا می‌ماند. اگر با "اندازه حرکت دورانی" آشنا باشید این مطلب را بهتر متوجه می‌شوید.

سیاه‌چاله کِر از چهار قسمت زیر تشکیل می‌شود

• تکینگی (Singularity) : همان هسته بجا مانده از ستاره متلاشی شده‌است.

• افق رویداد: دهانه سیاه‌چاله

• کارکُره (Ergosphere): اگر یک سیاه‌چاله حرکت مداری داشته باشد، آغاز به کشیدن فضا - زمان به دور افق رویداد می‌کند. این گردش فضا به دور افق رویداد را کارکُره (ergosphere) می‌گویند و شکل بیضوی دارد.

•حد ایستائی (Static Limit): مرز بین کارکره و فضای عادی

اگر جسمی از میان کارکره عبور کند و از دوران آن انرژی کسب کند شانس فرار از سیاه‌ چاله را دارد. ولی اگر جسمی از افق رویداد گذر کند به دورن سیاه‌چاله مکیده می‌شود. در حال حاضر هیچ کدام از تئوری‌های فیزیک نمی‌تواند توضیح دهد که درون سیاه‌چاله چه اتفاقی برای ماده و انرژی می‌افتد.

با اینکه تا بحال هیچ سیاه‌چاله‌ای توسط انسان دیده نشده است، سه خاصیت اصلی سیاه‌چاله برای ما قابل اندازه‌گیری است:

• جرم
• بار الکتریکی
• اندازه حرکت دورانی

جرم سیاه‌چاله و اندازه حرکت آن را می‌توان توسط اجرام در حال حرکت اطراف آن و قوانین کپلر اندازه گرفت.

چیزی که ما به دنبالش هستیم یک ستاره یا حلقه گازی است که با رویت آن و مشاهده رفتار آن بتوانیم حضور سیاه‌چاله را تشخیص دهیم. برای مثال از مشاهده حرکت دورانی ستاره‌ای می‌فهمیم که اثری نامرئی و غیر محسوس عامل این دوران است و سپس در می‌یابیم که این اثر از جرم متراکم عظیمی می‌آید. از اینجا احتمال حضور یک سیاه‌چاله را می‌دهیم.

یک از راه‌های کشف سیاهچاله‌ها استفاده از امواج گرانشی است که هنگام فروپاشی گسیل می ‌کنند. هر جرم اختری از حیث شکل نامتقارن تششع ممکن است یک منبع قابل اکتشاف مشخص به وجود آورد.

زمانی که جسمی به درون سیاه‌چاله مکیده‌ می‌شود دمایش به هزاران درجه کلوین می‌رسد و شتاب بزرگی می‌گیرد. این اجرام امواج مختلفی را گسیل می‌کنند که ساده ترین آن اشعه ایکس است که توسط رصدخانه‌ها و آشکارسازهای بیرون جو قابل رویت هستند.

با وجود تمام تلاش‌های دانشمدان در شناخت سیاه‌چاله‌ها، این پدیده‌های فضایی یکی از مرموزترین و جذاب‌ترین موضوعات اختر فیزیک باقی می‌مانند.

منبع:
1. تسنیم/ برندگان جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۰ اعلام شد
2. ایسنا/ برندگان نوبل فیزیک ۲۰۲۰ معرفی شدند
3. همشهری آنلاین/ مفاهیم: سیاه‌چاله چیست؟
4. توئیتر