حفره سیاه (سیاهچاله) چیست؟ 

یکی از شگفتی های فضا وجود حفره های سیاه در آن است. مکان هایی که در اثر جاذبه بی نهایت حتی نور از آن قابل گریز نیست و هر چه در آن وارد شود دیگر خارج نخواهد شد. به این حفره ها در دانش نجوم سیاه چال های فضایی گفته می شود که در این مقاله به آن می پردازیم. بر اساس قانون جاذبه نیوتن، هر جرمی دارای نیروی جاذبه بوده و مقدار آن رابطه عکس با مجذور فاصله از آن دارد بقیه در ادامه مطلب...

زکات علم در نشر آن است. امام علی(ع)

سیاه چاله


حفره سیاه (سیاهچاله) چیست؟

یکی از شگفتی های فضا وجود حفره های سیاه در آن است. مکان هایی که در اثر جاذبه بی نهایت حتی نور از آن قابل گریز نیست و هر چه در آن وارد شود دیگر خارج نخواهد شد. به این حفره ها در دانش نجوم سیاه چال های فضایی گفته می شود که در این مقاله به آن می پردازیم.

بر اساس قانون جاذبه نیوتن، هر جرمی دارای نیروی جاذبه بوده و مقدار آن رابطه عکس با مجذور فاصله از آن دارد.

در سال۱۷۹۵ لاپلاس با استفاده از قانون جاذبه نیوتن تئوری خود را چنین بیان کرد: اگر جسمی با جرم M آن قدر فشرده شود که شعاع آن، rs کمتر از مقدار rs=۲GM/c۲ شود [G ضریب ثابت جهانی نیروی جاذبه و c سرعت نور] ، در نتیجه سرعت فرار از آن از سرعت نور بیشتر خواهد بود. آلبرت انیشتن می گوید: هیچ جسمی نمی تواند از نور سریع تر حرکت کند. اگر دو جسم با سرعت نور در خلاف جهت هم نیز حرکت کنند باز هم نسبت سرعت آنها به یکدیگر برابر با سرعت نور است. در واقع سرعت نور حد مطلق سرعت است. با توجه به این نکته که چون سرعت گریز از حفره های سیاه بیشتر از نور است پس فرار از آن غیر ممکن است.

آلبرت انیشتن در سال۱۹۱۵ در تئوری نسبیت خود(رابطه نیروی جاذبه، زمان و حجم) وجود این سیاه چال ها را عنوان کرد. اثبات فیزیکی و فرمولی آن تا سال ها میسر نبود. اما امروزه به وجود آنها پی برده شده است. در این تئوری، زمان به عنوان یک بعد (زمان فضایی) نیز شناخته شده است. از آنجایی که نور نمی تواند از حفره ها بگریزد پس در فضا چنین جسمی قابل رویت نیست.

● پیدایش

نوع و اندازه سیاه چال ها زمان پیدایش آنها را تعیین می کند. برخی از آنها در ابتدای تشکیل کائنات بوجود آمده و اکثراً در مرکز کهکشان ها بوده و به آنها سیاه چال های عظیم یا غول پیکر (Supermassive Black Holes) گفته می شود. نوع دیگر آن استلارها (Stellars) هستند که در اثر انفجار سوپرنواها بوجود می آیند. انواع کوچک تر آنها تا اندازه کوچکتر از یک الکترون با جرم زیاد وجود دارند.

سیاه چال های غول پیکر

جرم این سیاه چال ها از یک میلیون تا سه میلیارد برابر خورشید بوده و در ابتدای تولد کیهان پیدایش یافته اند. زمانی که هر نوع ماده، ستاره و یا سیاره ای در نزدیکی آن گرفتار جاذبه اش شود، با سرعت سرسام آور و به صورت مارپیچ به سمت مرکز آن کشیده شده و در اثر جاذبه شدید بتدریج به یک صفحه تبدیل می شود. در یکی از تحقیقات اخترشناسان سرعت ورود چندین سیاره به درون مرکز کهکشان راه شیری محاسبه و معادل۴ میلیون کیلومتر در ساعت بوده است. حتی سیارات غول پیکر قبل از رسیدن به هسته اصلی در اثر نیروی جاذبه بسیار قوی آن تکه تکه می شوند.

با افزایش سرعت و برخورد قطعات به یکدیگر و تولید اصطکاک شدید، دما به دهها میلیون درجه سانتی گراد رسیده و در این حرارت اشعه های ایکس و گاما تولید می شوند. با ردیابی این تشعشعات، می توان به موجودیت آنها پی برد. به علت این برخورد و اصطکاک شدید در نزدیکی حفره ها نور بسیار درخشنده ای تولید و در نتیجه، مکان این نوع حفره ها در کهکشان ها قابل رد یابی است. نام دیگر آنها «کواسار» (ستاره دجاجه) بوده و درخشنده ترین اجسام در فضا هستند.

دانشمندان بر این عقیده اند که زمان پیدایش آنها در ابتدای تولد کائنات بوده و امکان بوجود آمدن مجدد آنها مقدور نیست. به مرکز این نوع کهکشان ها «AGN» که مخفف هسته فعال کهکشان است گفته می شود. دانشمند انگلیسی «هاکینگ» معتقد است که جرم اصلی عالم را حفره های سیاهی تشکیل می دهند که در ابتدای پیدایش جهان بوجود آمده اند. در این فاصله زمانی، سیاه چال های اولیه از بین رفته ولی بزرگترها باقی مانده اند. در سال۱۹۹۴ اولین سیاه چال به جرم۲/۵ تا۳/۵ میلیارد برابر منظومه شمسی توسط تلسکوپ های قوی در مرکز کهکشان M۸۷ پیدا شد.

آیا تمام کهکشان ها دارای حفره سیاه هستند؟ این سوالی است که تاکنون پاسخی برای آن وجود نداشته است. برخی مواد ورودی به آنها در اثر سرعت سرسام آور قبل از رسیدن از قطبین آن خارج می شوند. این پدیده بنام «جت کهکشانی» معروف بوده و قابل رویت است.

● استلارها

این نوع حفره ها از انفجار سوپرنوایی بوجود می آیند. برای تشکیل این نوع حفره ها جرم ستاره ها باید حداقل سه برابر خورشید باشد و در واقع آنها از مرگ ستارگان غول پیکر به وجود می آیند.

در زمان تولد، سوخت ستاره های جوان، هیدروژن است. در مرکز هسته به علت نیروی جاذبه، فشار و حرارت شدید، واکنش اتمی اتفاق افتاده و هیدروژن تبدیل به هلیوم، نور، حرارت و تشعشع گشته و به سطح آن پرتاب می شود. در این زمان ستاره در حال درخشش و سوختن است. نیروی حاصل از گریز حرارت، نور و تشعشات ستاره، باعث خنثی شدن نیروی جاذبه می شود. این تعادل تا زمانی برقرار است که سوخت ستاره تمام نشود. اما پس از پایان سوخت (هیدروژن) و تبدیل اکثر آن به هلیوم، یک واکنش اتمی دیگر اتفاق افتاده و هلیوم به کربن و باقیمانده آن به صورت تشعشع به انرژی تبدیل می شود. این واکنش ادامه یافته و کربن به اکسیژن و بعد به سیلیکون و در انتها به آهن تبدیل می شود. واکنش اتمی در زمان بوجود آمدن هسته آهنی متوقف می شود.

اگر ستارگان قدیمی را دو نیم کنیم، ملاحظه خواهیم کرد که از یک هسته آهنی و لایه های فوقانی، بترتیب سیلیکون، کربن، هلیوم و هیدروژن تشکیل شده است. غیر از هسته مرکزی تمام لایه ها در حال سوختن هستند. در نهایت واکنش اتمی به علت نیروی شدید جاذبه و حرارت و فشار، تمام اجزاء عناصر هسته آهنی را تبدیل به نوترون می کند. بتدریج با اتمام سوخت ستاره، نیروی گریز از مرکز تشعشعات، حرارت و نور دیگر وجود ندارد تا بتواند نیروی جاذبه را خنثی کند. در نتیجه لایه های فوقانی به سمت مرکز کشیده شده و بر اثر برخورد با هسته نوترونی منفجر و به سطح پرتاب می شوند. این واکنش را انفجار سوپرنوایی می نامند. آنچه اتفاق می افتد انفجار لایه های فوقانی بوده و ما فقط سطح خارجی آن را مشاهده می کنیم. این انفجار در واقع در اثر واکنش درونی بوده و فقط هسته باقی می ماند.

در این جا ستاره می میرد و اخترشناسان آن را مرگ ستاره نامیده اند.

وقتی که یک ستاره سوختش تمام می شود مانند یک بمب منفجر شده و در زمان وقوع آن درخشش به میلیاردها برابر خورشید می رسد. ستاره هایی تا جرم۱/۴ برابر خورشید به کوتوله های سفید،۱/۴ تا۳ برابر خورشید به ستاره های نوترونی و از سه برابر بزرگتر از خورشید به سیاه چال های فضایی تبدیل خواهند شد. حداقل جرم مورد نیاز برای ایجاد سیاه چال ها بنام «لاندو اوپن هایمر ولکو» نامیده و محاسبه شده است.

نزدیک ترین سیاه چال به ما «سایگنوس ایکس یک» است که در سال۹۷۱ رصد شده است. کهکشان راه شیری دارای بیش از چند میلیون از آنهاست. به وجود آمدن این نوع سیاه چال ها تا کنون ادامه داشته و هم چنان در حال تشکیل است ولی پیدایش جدید نوع اول آن امکان پذیر نیست. انواع بزرگتر سیاه چال ها دارای جرمی بیش از۵ تا۱۰۰ برابر خورشید بوده و قطر آنها بین۳۲ الی۶۵۰ کیلومتر است. تعداد۲۵ عدد از آنها تاکنون در کهکشان ما، راه شیری، رصد شده است.

سیاه چال های کوچک

در مقایسه با دو نوع ذکر شده، سیاه چال های کوچک از ابعاد کوچکتری برخوردارند. نوع میکروی آن دارای جرمی معادل یک کیلومتر مکعب آب بوده که در ابعادی کوچکتر از یک الکترون فشرده شده است. جرم برخی نیز ۱۰۱۷ گرم است.

● مشخصات سیاه چال ها

همان گونه که ذکر شد نیروی جاذبه آنها به قدری زیاد است که حتی نور قادر به فرار از آن نیست. این جارو برقی ها و یا هیولاهای کیهانی همه چیز را در خود می بلعند و بهتر است به آن نزدیک نشویم!

طبق تئوری های بیان شده، زمان در نزدیکی سیاه چال ها کند و درون آن متوقف می شود. شاید برای سفر در زمان بتوان از آنها استفاده کرد. زمان و مکان در اینجا بر اثر نیروی جاذبه بی نهایت کاملاً به هم ریخته شده و آخرین شکل ماده در آن تحقق می یابد. بسیار سخت است که تصور کنیم یک ماده با چنین جرمی تقریباً دارای حجم نباشد ولی این آن چیزی است که در مرکز حفره سیاه وجود دارد.

به طور کلی آنها دارای دو محدوده هستند. مرکز آن به نام یکتایی (Singularity) نامیده شده و در واقع جرم آن را تشکیل می دهد. در اینجا کل جرم یک ستاره در ابعاد میلیون ها برابر کوچکتر فشرده شده است. در حاشیه آن منطقه دیگری بنام واقعه و یا حد افق (Event Horizon) وجود دارد که در اصل این یک فاصله فیزیکی نیست بلکه محدوده ای است که بعد از آن امکان بازگشت وجود ندارد. هر قدر یکتایی بزرگتر باشد، واقعه افق آن بزرگتر خواهد بود. نور پس از عبور از این محدوده دیگر نمی تواند از سیاه چال بگریزد. تشعشعات آن بنام «شوارتست چایلد» نامگذاری شده است.

● ردیابی

ما می دانیم، اکثر سیارات به علت جاذبه آن به دور یک ستاره بزرگ در گردش هستند. زمانی که اخترشناسان سیاراتی را دیدند که به دور مرکزی می چرخند که ستاره ای وجود ندارد، نتیجه خواهند گرفت، که یک سیاه چال یا ستاره نترونی در آن وجود دارد. در کل آنها با سه عامل جرم، شارژ الکتریکی و سرعت گردشی شناخته می شوند. اگر جرم خورشید ما به اندازه یک کره به قطر۶ کیلومتر کوچک شود تبدیل به یک سیاه چال خواهد شد.

● لنزهای فضایی

فرض کنید که زمین در یک سو و یک ستاره در طرف مقابل باشد. نور آن به طور معمول به زمین می رسد. اگر یک سیاه چال در حرکت باشد و میان زمین و آن ستاره قرار گیرد، به علت جاذبه بسیار قوی آن، نور متصاعد شده از ستاره به سمت سیاه چال منحرف و متمرکز می شود. در اینجا ما آن ستاره را بسیار درخشنده تر از گذشته خواهیم دید. این واقعه را اثر لنز فضایی می گویند. درست مشابه آن است که ما یک ذره بین را در جلوی نور خورشیده قرار دهیم، خواهیم دید که پرتوهای نور آن در یک نقطه متمرکز و آنجا بسیار درخشنده تر می شود. این همان اثری است که سیاه چال در زمان عبور خود از میان زمین و یک ستاره به وجود می آورد و یکی از راههای کشف آنهاست.

با توجه به وجود میلیاردها حفره و ایجاد انحراف در نور منتشره از ستارگان، در زمین، بسیاری از آنها را درجای اصلی خود نمی توانیم رصد کنیم، زیرا که پرتوی آنها به سمت حفره سیاه منحرف شده است.

● پایان انرژی

پس از اتمام سوخت ستاره ها چه اتفاقی خواهد افتاد؟ آیا جهان تبدیل به یک مجموعه سیارات سرد و خاموش خواهد شد که در حال دور شدن از یکدیگرند؟ این سئوالی است که جوابش برای بشر نامعلوم است.

اصطلاح سیاه چاله یا حفره های سیاه را دانشمند بزرگ و اولین متخصص فیزیک نظری در زمینه سیاه چاله ها،«جان ویلر» این نام را برای آنها انتخاب کرد. کتاب گرانش وی که به همراه «میسنر» و « تورن» نوشته شد همچنان از نوشته های کلاسیک و مراجع مهم نسبیت است که از پایه شروع کرده تانسور ها را توضیح می دهد و به فیزیک کوانتم و ترمودینامیک و مباحث پیشرفته دیگر می رسد.

● چگونگی تشکیل سیاه چاله:

حفرههای سیاه بازمانده از ستارگان عظیمی هستند که سوختشان به اتمام رسیده و به اصطلاح مرده اند. البته، فقط ستارگانی که حجم آنها بیش از سه برابر خورشید خودمان است، حفرههای سیاه بوجود میآورند. بعضی از این ستارگان عظیم، منفجر شده و بصورت یک "سوپر نوا"ی درخشان در میآیند. بعضی سوپر نواها، بطور کامل منفجر شده و چیزی از خود باقی نمی گذارند. اما بعضی دیگر در مرکز خودشان فرو میریزند و همه مواد در آنها با هم محکم برخورد کرده و به هم می چسبند. بستگی به اینکه مرکز آنها چقدر عظیم و حجیم باشد، سوپر نواها تبدیل به نوترون شده و یا تبدیل به حفرههای سیاه میشوند.

سیاه چاله
● چرا حفره سیاه نامیده شد؟

به این خاطر که ما نمیتوانیم خود حفرههای سیاه را ببینیم، ممکن است فکر کنیم که پیدا کردن آنها غیر ممکن است. اما به کمک فنآوریهای ستاره شناسی، اولین آنها در سال ۱۹۷۲ میلادی کشف شد. نام این حفره Cyghus x-۱ و متعلق به کهکشان راه شیری است. با وجود اینکه خود حفرههای سیاه دیده نمیشوند، اما تاثیر قوة جاذبه عظیم آنها بر ستارههای نزدیکشان را میتوان بررسی کرد. همیشه یک ستاره، با سوپر نوا جفت میشود و گازهای حاصل از آن ستاره بصورت مارپیچ به داخل سوپر نوا بلعیده میشوند. حرکت مارپیچی گازها، تصویر یک حفره سیاه را در مرکز سوپر نوا بوجود میآورد و بدین جهت است که آن را حفره سیاه مینامند.