رازهای شگفت انگیز سیاه چاله های فضایی + عکس

به عبارتی دیگر انیشتین در سال 1915 در نظریه نسبیت عام خود از سیاه‌چاله‌ها سخن گفت. این پدیده مرموز طبیعی کماکان در کانون توجه فیزیکدانان و اخترشناسان است.
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.

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.

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 0.9 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.

ابداع واژه «کرم‌چاله» و «سیاه‌چاله فضایی» به جان ویلر نسبت داده شده‌است. با این‌حال، این مفهوم از مدت‌ها قبل به صورت‌های متفاوتی مطرح بوده‌است.
مفهوم جسمی که آن قدر پرجرم است که حتی نور هم نمی‌تواند از آن بگریزد، نخستین بار از سوی زمین‌شناسی به نام جان میشل درسال ۱۷۸۳ در نامه‌ای که برای هنری کاوندیش از انجمن سلطنتی نوشته بود، مطرح شد. در آن زمان مفهوم نظریه گرانش نیوتن و مفهوم سرعت گریز شناخته شده بودند. طبق محاسبات میشل جسمی با شعاع خورشید و چگالی ۵۰۰ برابر در سطح خود سرعت گریزی بیش از سرعت نور خواهد داشت و بنابر این غیر قابل مشاهده خواهد بود. به بیان او:

اگر شعاع کره‌ای مشابه خورشید قرار باشد که با چگالی ۵۰۰ بار از آن بزرگ تر باشد، جسمی که از ارتفاع بینهایت به سمت آن سقوط می‌کند در سطح آن سرعتی بیش ازسرعت نور به دست می‌آورد، و اگر فرض کنیم نور با نیروی مشابهی به سمت ستاره کشیده شود، آنگاه همه نوری که از چنین جسمی ساطع می‌شود به ناچار به وسیله گرانش آن به سمت خود ستاره بازمی گردد.

خواص فیزیکی سیاهچاله‌ها
ساده ترین نوع سیاهچاله‌ها آنهایی هستند که تنها جرم دارند و بار الکتریکی و تکانه زاویه‌ای ندارند. این سیاهچاله‌ها را اغلب با نام سیاهچاله‌های شوارتزشیلد می‌نامند که بر گرفته از نام کارل شوارتزشیلد است که جوابی برای معادلات میدانی انیشتین در سال ۱۹۱۶ ارائه نمود. بنا بر قضیه بیرخوف در نسبیت عام، تنها جواب خلا است که متقارن کروی است. این بدان معنی است که تفاوتی میان میدان گرانشی یک سیاهچاله و یک جسم کروی با همان جرم وجود ندارد. بنابراین سیاهچاله تنها در محدوده نزدیک به افق آن است که همه چیز حتی نور را به درون می‌کشد و در فواصل دورتر کاملاً مانند هر جسم دیگری با همان میزان جرم رفتار می‌کند.

راه حل‌هایی برای معادلات انیشتین که سیاهچاله‌های کلی تری را توصیف می‌کنند نیز وجود دارند. مثلاً متریک رایسنر-نوردشتروم سیاهچاله‌های باردار و متریک کر سیاهچاله‌های چرخان را توصیف می‌کنند. کلی ترین جواب موجود برای سیاهچاله‌های ثابت متریک کر-نیومن است که سیاهچاله‌هایی را توصیف می‌کند که هم بار الکتریکی وهم تکانه زاویه‌ای دارند.

در حالیکه جرم سیاهچاله می‌تواند هر مقداری داشته باشد، بار و تکانه زاویه‌ای آن توسط جرم محدود می‌شوند. چنانچه واحدهای پلانک را بکار بریم، کل بار الکتریکی Q و مجموع تکانه زاویه‌ای J در این رابطه صدق می‌کنند (M جرم سیاهچاله‌است): سیاهچاله‌هایی که نابرابری فوق را اشباع می‌کنند، سیاهچاله‌های اکسترمال نامیده می‌شوند. جواب‌هایی نیز برای معادلات انیشتین موجودند که این نابرابری را نقض می‌کنند اما این جواب‌ها افق رویداد ندارند. این جوابها را تکینگی‌های برهنه می‌نامند که از بیرون قابل مشاهده‌اند و در نتیجه نمی‌توانند فیزیکی باشند. فرضیه سانسور کیهانی شکل گیری چنین تکینگی‌هایی را در جریان رمبش نامحتمل می‌شمرد.

به دلیل قدرت نسبی الکترومغناطیس سیاهچاله‌هایی که از رمبش ستارگان تشکیل می‌شوند تمایل دارند که بار تقریباً خنثی ستاره را حفظ کنند. اما انتظار می‌رود که چرخش یک ویژگی مشترک در اجسام فشرده باشد. نامزد سیاهچاله قرار گرفته در دوتایی پرتو ایکس جی‌آراس ۱۹۱۵+۱۰۵ [۳۹] به نظر می‌رسد که تکانه زاویه‌ای نزدیک به حداکثر مقدار مجاز داشته باشد.

رشد سیاهچاله‌ها
وقتی که یک سیاهچاله تشکیل شد می‌تواند با جذب ماده اضافی به رشد خود ادامه دهد. هر سیاهچاله‌ای به طور پیوسته گاز و غبار میان ستاره‌ای را از محیط مستقیم اطرافش و تابش زمینه کیهانی که در همه جا حضور دارد، جذب می‌کند. این فرایند اولیه‌ای است که به نظر می‌رسد سیاهچاله‌های کلان جرم طی آن شکل می‌گیرند. فرایندی مشابه نیز برای تشکیل سیاهچاله‌های جرم متوسط در خوشه‌های ستاره‌ای کروی پیشنهاد شده‌است.

امکان دیگر برای رشد یک سیاهچاله آمیختن با اجرام دیگر مانند ستارگان یا سایر سیاهچاله هاست. این نظریه به خصوص برای سیاهچاله‌های کلان جرم نخستین که منشا پیدایش بسیاری از اجسام کوچکتر بوده‌اند اهمیت پیدا می‌کند.این فرایند همچنین به عنوان مبدا پیدایش برخی از سیاهچاله‌های با جرم متوسط پیشنهاد شده‌است.

سیاهچاله‌ها به خودی خود هیچ سیگنالی به جز تابش فرضی هاوکینگ از خود منتشر نمی‌کنند و از آنجاییکه این تابش در مورد یک سیاهچاله اختر فیزیکی بسیاز ضعیف است هیچ راهی وجود ندارد که بتوان مستقیماً از روی زمین سیاهچاله‌های اختر فیزیکی را ردیابی نمود. تنها استثنایی که ممکن است تابش هاوکینگ ضعیفی نداشته باشد، آخرین مرحله تبخیر سیاهچاله‌های کم جرم نخستین است. جستجو برای یافتن چنین تابش‌هایی در گذشته ناموفق بوده‌است و این موضوع محدودیت‌هایی بر امکان وجود سیاهچاله‌های نخستین با جرم کم وارد می‌کند.[۱۰۳] تلسکوپ فضایی پرتوی گامای فرمی ناسا که در سال ۲۰۰۸ به فضا فرستاده شد به جستجو برای وجود این نشانه‌ها ادامه خواهد داد.[۱۰۴]

از این رو اختر فیزیکدانان برای جستجوی سیاهچاله‌ها باید به مشاهدات غیر مستقیم روی آورند. وجود یک سیاهچاله را گاهی می‌توان از برهمکنش‌های گرانشی آن با محیط اطرافش استنباط نمود.

 نظریه جدید استیون هاوکینگ : سیاهچاله ها وجود ندارند!؟

استیون هاوکینگ، فیزیکدان نظری انگلیسی در مقاله‌ای که بطور آنلاین منتشر کرده، اینچنین گفته که بجای سیاه‌چاله در حقیقت «خاکستری‌چاله» وجود دارد. این ادعا بر پایه ی مقاله ی تازه ی هاوکینگ است که در آن مدعی شده در سیاهچاله “افق رویداد” وجود ندارد.

پرفسور هاوکینگ افق رویداد را یک مرز به شدت آشفته می داند که اجازه ی نشت اطلاعات از درون سیاهچاله را به بیرون می دهد. با این‌همه زمانی که این انکار از سوی فیزیکدانی به شهرت استیون هاوکینگ باشد، ارزش توجه‌کردن پیدا خواهد کرد. این فیزیکدان که خود یکی از پایه‌گذاران نظریه مدرن سیاه‌چاله‌ها است، در مقاله‌ای نظریه افق رویداد، مرز نامرئی که سیاه‌چاله‌ها را در بر گرفته را رد کرده است.

افق رویداد نقطه ای بی بازگشت پیرامون یک سیاهچاله است، جایی که هر چه از آن بگذرد، دیگر راه بازگشتی نخواهد داشت. در نظریه ی نسبیت عام اینشتین، افق رویداد جاییست که فضا و زمان آن چنان توسط گرانش تابیده و پیچیده می شوند که هیچ چیز را یارای گریز از آن نخواهد بود.

اگر پای از افق رویداد به آن سو بگذاریم، دیگر تنها می توانیم راهمان را رو به درون پی بگیریم، نه به بیرون. مشکل افق رویداد یکسویه این است که به تناقضی به نام پارادوکس اطلاعات می انجامد. هاوکینگ در نظریه جدید خود بجای افق رویداد، افق آشکار را جایگزین کرده است، پدیده‌ای که به صورت موقتی ماده و انرژی را در خود نگه داشته و آنها را به تدریج و در نهایت آشفتگی آزاد می‌کند. هاوکینگ می‌گوید در نظریه کلاسیک هیچ راه فراری از چنگال سیاه‌چاله‌ها متصور نیست، با این‌حال نظریه کوانتوم به انرژی و اطلاعات مجال فرار از چنگال سیاه‌چاله را می‌دهد.

به گفته وی تشریح کامل این فرایند نیازمند نظریه‌ای خواهد بود که در آن گرانش و دیگر نیروهای بنیادین طبیعت با یکدیگر تلفیق شده‌باشند. اما این هدفی است که بیش از یک قرن فیزیکدانان را فریب داده‌است و پاسخ حقیقی آن هنوز یک معما باقی مانده‌است. این مقاله با عنوان “بقای اطلاعات و پیش‌بینی آب‌و‌هوا در سیاه‌چاله‌ها” در سرور arXiv منتشر شده‌ و بر اساس سخنرانی وی در نشست موسسه کویل در کالیفرنیا نوشته شده‌است.

سیاه‌چاله مقاله جدید هاوکینگ تلاشی جدید برای حل معمایی مشهور به پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله است، معمایی که پس از کشفش توسط فیزیکدانی به نام جوزف پولشینسکی، بیش از دو سال است فیزیکدانان را دچار سردرگمی کرده‌است. براساس این معما در یک آزمایش فرضی فیزیکدانان این پرسش را مطرح کردند که بر سر فضانورد بد‌شانسی که به درون یک سیاه‌چاله سقوط کند چه خواهد آمد؟ افق رویداد نتیجه ساده ریاضیاتی نظریه نسبیت عام اینشتین است.

فیزیکدانان براساس این پدیده سرنوشت فضانورد را اینگونه متصور شدند: فضانورد از میان افق رویداد خواهد گذشت بدون اینکه از سرنوشت شومش آگاه باشد و در نهایت مانند یک رشته اسپاگتی در طول مسیر کشیده خواهد شد و به تدریج در میان هسته فرضی و متراکم سیاه‌چاله تجزیه خواهد شد. اما فیزیکدانان با بررسی دقیق‌تر این وضعیت به این نتیجه رسیدند که مکانیک کوانتوم که ذرات را در مقیاس‌های بسیار کوچک تحت سلطه خود دارد، موقعیت را به کلی تغییر می‌دهد.

به گفته فیزیکدانان براساس نظریه کوانتوم افق رویداد باید به منطقه‌ای پرانرژی یا دیوار آتشینی تبدیل شود که فضانورد را در بدو ورود خواهد سوزاند. این رویکرد جدید باوجود اینکه از قوانین کوانتوم پیروی می‌کند اما قانون نسبیت عام را به سخره می‌گیرد.

براساس آن نظریه فردی که سقوط می‌کند باید قوانین فیزیک را مانند دیگر نقاط جهان در خود حفظ کند، حال چه محل سقوط یک سیاه‌چاله باشد چه فضای میان‌کهکشانی. براساس نظریه نسبیت عام افق رویداد باید منطقه‌ای عادی و معمولی باشد.

فراتر از افق

اکنون هاوکینگ گزینه سومی را روی میز گذاشته است. مکانیک کوانتوم و نسبیت عام دست‌نخورده باقی می‌مانند اما در عوض به سادگی می‌توان سیاه‌چاله‌ها را بدون افق رویداد در نظر گرفت. نکته کلیدی ادعای وی این است که اثر کوانتومی اطراف سیاه‌چاله به اندازه‌ای فضا-زمان را دچار نوسان می‌کنند که مجالی برای وجود مرزی مشخص وجود نخواهد داشت.

در عوض هاوکینگ افق آشکار، سطحی که در آن پرتوهای نوری که در تلاشند از هسته سیاه‌چاله فاصله بگیرند در آن معلق می‌شوند، را مطرح کرده‌است.

در نسبیت عام برای داشتن سیاه‌چاله‌ای بدون تغییر این دو افق شبیه به یکدیگر خواهند‌بود زیرا نوری که تلاش دارد از جاذبه سیاه‌چاله بگریزد تنها می‌تواند خود را تا مرز افق رویداد برساند و در آنجا باقی خواهد ماند، درست مانند دویدن روی تردمیل. با این‌همه این دو افق در اصل از یکدیگر مجزا می‌شوند زیرا درصورتی که سیاه‌چاله ماده بیشتری را فروببلعد، افق رویداد متورم شده و از افق آشکار بزرگتر خواهد شد. در حقیقت نظریه جدید هاوکینگ می‌گوید مرز حقیقی که سیاه‌چاله‌ها را در برگرفته افق آشکار است نه افق رویداد و نبود افق رویداد به این معنی است که سیاه‌چاله‌ای به مفهوم ساختارهایی که نور هرگز توان فرار از آنها را ندارد، وجود نخواهد داشت.

درصورتی که نظریه هاوکینگ درست باشد، در هسته سیاه‌چاله هیچ تکینگی وجود نخواهد داشت و در عوض ماده به صورت موقتی در پس افق آشکار نگه‌ داشته‌شده و به تدریج به سوی سیاه‌چاله خواهد رفت اما هرگز در میان هسته سیاه‌چاله خرد نخواهد شد.

اطلاعات درباره این ماده هرگز از بین نخواهد رفت بلکه به شدت آشفته خواهد شد و زمانی که در قالب تشعشعات هاوکینگ بازتابیده می‌شود،‌شکلی کاملا متفاوت داشته و هیچ شباهتی به ماده‌ای که توسط سیاه‌چاله بلعیده شده نخواهد داشت. درست مانند اینکه بخواهید کتابی که سوخته و خاکسترشده را از روی خاکسترهایش بازسازی کنید.

منبع: gadgetnews   &  wikipedia