سیاه چاله چیست و چگونه به وجود می‌آید ؟

سیاه‌چاله چیست ؟

سیاه‌چاله منطقه ای در فضا است که نیروی جاذبه اش به قدری قوی است که هیچ چیز نمی تواند از آن فرار کند.

سیاه‌چاله غیرقابل مشاهده است. زیرا حتی نور را هم به تله می اندازد.

اساس توصیف اصولی سیاه‌چاله بر معادلات نظریه نسبیت عام (general relativity) بنا شده که به وسیله آلبرت اینشتین فیزیکدان متولد آلمان ارایه شد.

تعریف کلی سیاه‌چاله

به طور کلی، سیاه‌چاله ناحیه ای از فضا است که تجمع جرم در آن آنقدر زیاد است که اشیاء نزدیک آن هیچ راهی برای فرار از کشش گرانشی آن ندارند.

ازآنجاکه در حال حاضر بهترین نظریه در مورد گرانش، نظریه نسبیت عام اینشتین است، مجبوریم برای درک بهتر جزئیات سیاهچاله‌ها از برخی نتایج این نظریه استفاده کنیم.

اما اجازه دهید ابتدا با بررسی گرانش در شرایط نسبتا ساده شروع کنیم.

بررسی گرانش و تعریف علمی سیا‌ه‌چاله

تصور کنید روی سطح یک سیاره ایستاده‌اید و سنگی را مستقیما به سمت بالا پرتاب می‌کنید.

فرض کنید که سنگ را با قدرت زیادی پرتاب نکرده باشید. سنگ برای مدتی بالا خواهد رفت اما در نهایت به خاطر گرانش سیاره پایین خواهد افتاد.

اگر سنگ را به اندازه کافی محکم پرتاب کنید، سنگ ممکن است بتواند از گرانش سیاره بگریزد. در این حالت سنگ برای همیشه به بالا رفتن ادامه خواهد داد.

سرعتی که نیاز است تا با آن طوری سنگ را پرتاب کنید که از گرانش سیاره بگریزد، “سرعت گریز” نامیده می شود.

به بیان دیگر سرعت گریز به حداقل سرعتی گفته می‌شود که یک جسم باید داشته باشد تا بتواند از چنگ نیروی گرانشی جسم دیگر بگریزد.

سرعت گریز به جرم سیاره بستگی دارد. اگر سیاره جرم بسیار زیادی داشته باشد گرانش آن بسیار قوی خواهد بود و در نتیجه سرعت گریز هم بالا می‌باشد.

یک سیاره سبک‌تر، سرعت گریز کمتری هم دارد. علاوه بر این سرعت گریز به فاصله ما از مرکز سیاره نیز بستگی دارد. هر چه به مرکز سیاره نزدیکتر باشیم سرعت گریز بالاتر است.

سرعت گریز از گرانش زمین 2/11 کیلومتر بر ثانیه است در حالیکه سرعت گریز از ماه 4/2 کیلومتر بر ثانیه است.

اکنون جسمی را در نظر بگیرید که در آن مقدار عظیمی ماده در شعاع کوچکی جمع شده است، بطوریکه سرعت گریز آن از سرعت نور بیشتر است.

از آنجاکه هیچ جسمی نمی تواند از نور سریعتر حرکت کند، لذا هیچ چیزی هم نمی‌تواند از میدان گرانشی این جسم فرار کند.

حتی یک پرتوی نور هم بوسیله گرانش این جسم به عقب کشیده می‌شود و نمی‌تواند بگریزد. اینچنین جسمی را "سیاه چاله" می نامیم.

چند اصطلاح علمی از سیاه چاله

برای درک بهتر موضوع، ابتدا باید مفهوم تعدادی از اصطلاحات علمی را بدانیدکه در ادامه به زبان ساده توضیح داده شده‌اند.

1- تعریف (فضا-زمان) و (خمیدگی فضا-زمان) در قانون نسبیت عام

در علم فیزیک و در ریاضی، فضا-زمان (Spacetime)‏ (و نه فضا و زمان‌) به هر‌گونه مدل ریاضی گفته می‌شود که زمان و مکان را به صورت ساختاری واحد و درهم‌پیوسته با یکدیگر ترکیب کند.

بر اساس فرضیات مفهوم فضای اقلیدسی، جهان، سه بعد مکانی و یک بعد زمانی مستقل از هم دارد. در فضا-زمان سه بعد فضا و یک بعد زمان درهم ادغام می‌شوند و یک محیط پیوستهٔ چهار بعدی را ایجاد می‌کنند.

با ترکیب فضا و زمان و ایجاد یک محیط خمیدهٔ واحد، فیزیکدان‌ها توانسته‌اند تئوری‌های فیزیک را هم در سطح کیهانی و هم در بعد اتمی ساده‌سازی کنند.

گرانش، (همان چیزی که وقتی می خواهید از یک بلندی بپرید شما را به زمین می رساند) نیروی عظیمی است که هر چیزی را تحت سلطه ی خود دارد، حتی خطوط زمان هم تحت تاثیر گرانش خمیده می شوند، یا به عبارتی گرانش عاملی بر تغییر سرعت زمان است!

بر اساس نظریه اینشتین، خمیدگی، به علت وجود جرم و انرژی ایجاد می‌شود. هر جسم پرجرم بسیار بزرگ، در خمیدگی فضا ـ زمان، نقش دارد.

اجسامی که در «امتداد خطی مستقیم در جهان حرکت می‌کنند»، مجبور به دنبال کردن مسیرهای خمیده‌ هستند.

فضا و زمان بر طبق نظریه نسبیت اینشتین به یکدیگر بافته شده اند و ساختار تار و پودی چهاربعدی به نام فضا-زمان را به وجود آورده اند.

جرم قابل توجه زمین ، این ساختار را به شکل یک گودی در می آورد. مانند شخص سنگینی که وسط یک تشک بادی نشسته باشد.

نظریه اینشتین، پیش‌گویی می‌کند که چیزهای دیگری بجز ماه و سیارات نیز، تحت تأثیر خمیدگی فضا ـ زمان قرار می‌گیرند.

مثلاً فوتونها (ذرات نور)، باید در فضای خمیده حرکت کنند.

اگر باریکه نوری که از ستاره‌ای دور سیر می‌کند، مسیر آن از نزدیکی خورشید بگذرد، خمیدگی فضا ـ زمان در نزدیکی خورشید موجب می‌شود که این مسیر اندکی به طرف خورشید خمیده شود.

گرانش چگونه فضا-زمان را خمیده می کند؟

اینشتین توضیح جالبی برای گرانش آورده است. او فضا و زمان را به صورت خطوط عمود بر هم در نظر گرفته و اسم شان را  “خطوط فضا- زمان” گذاشته و بیان کرده اجسام هر یک به اعتبار جرم شان انحنایی در فضا- زمان ایجاد می کنند.

برای تصور این توضیحات می توانید چهار گوشه ی یک تکه پارچه را به عنوان فضا- زمان بگیرید.

بعد یک جسم با جرم قابل ملاحظه ای روی پارچه قرار دهید، خمیدگی قسمتی از پارچه که جسم روی آن قرار گرفته، همان خمیدگی فضا- زمان است.

این کاملا واضح است که وقتی یک جسم کوچک تری روی پارچه قرار دهیم، به سمت جسم قبلی که سنگین تر است می رود.

این دراقع دلیل کشش یک جسم به سمت جسم سنگین تر است، مثلا کشش زمین به سمت خورشید.

تا اینجا از خمیده شدن مکان صحبت کردیم. و اما زمان. فکر می کنید زمان چگونه خمیده می شود؟

زمان تحت تاثیر گرانش خمیده می شود و این خمیدگی سرعت گذر زمان را کم می کند. کم شدن سرعت زمان به معنی کند شدن حرکت عقربه های ساعت مچی شما ست.

2- تکینگی (Singularity)

در مرکز سیاه‌چاله و شعاع صفر مشخصه ی جالبی وجود دارد. در این ناحیه انحنای فضا-زمان بی نهایت می‌شود و به عبارت دیگر میدان گرانشی به بی نهایت می‌رسد،

به این ناحیه در مرکز سیاه‌چاله، تکینگی (Singularity) می گویند.

تکنیگی بر اساس نسبیت عام، جرم یک سیاهچاله به طور کامل در داخل ناحیه‌ای با حجم صفر فشرده شده است. این ادعا بدین معناست که چگالی و گرانش این نقطه بینهایت است.

علاوه بر این، خمیدگی فضا-زمان در این نقطه بینهایت خواهد بود. این مقادیر بینهایت باعث می شوند که بیشتر معادلات فیزیکی، از جمله معادلات نسبیت، کارایی خود را در میان مرکز سیاه‌چاله از دست بدهند.

از اینرو فیزیک‌دانان این ناحیه بی نهایت چگال با حجم صفر در مرکز سیاهچاله را “تگینگی” می نامند.

در تکینگی موجودیت فضا و زمان متوقف می‌شود و جایگزین آن جرم آشفته و خروشانی می‌شود که آن را اسفنج کوانتومی می‌نامند.

دانشمندان حدس می‌زنند این نقطه جایی باشد که قوانین نسبیت و مکانیک کوانتوم کار نمی کنند و باید با استفاده از محاسبات پیشرفته ریاضی علم جدیدی به نام کوانتوم گرانشی را آفرید.

3- تعریف افق رویداد (Event horizon)

لبه سیاه‌چاله که پوسته ای خیالی در اطراف جرم سیاه‌چاله است ، را افق رویداد سیاه‌چاله می‌نامند.

استفان هاوکینگ اثبات کرد که توپولوژی افق رویداد یک سیاه چاله غیر چرخان یک کره است.

در محدوده افق رویداد:

1. سرعت گریز معادل سرعت نور است
2. هر چیزی حتی یک فوتون به علت وجود جاذبه شدید در درون افق رویداد یک سیاه چاله قادر به گریز از آن نیست
3. ذرات خارج از این محدوده می توانند به درون آن سقوط کنند ، از افق رویداد بگذرند و دیگر هرگز قادر به بیرون آمدن از آن نیستند

در برخی از سیاه‌چاله‌ها ممکن است شعاع افق رویداد تنها چند کیلومتر باشد. هرگاه ستاره‌ای در نزدیکی سیاه‌چاله‌ای قرار گیرد هر از چند گاهی مقداری از گازهای خود را بر روی سیاه‌چاله پرتاب می‌کند.

 خارج از افق رویداد سرعت گریز کمتر از سرعت نور است، بنابراین اگر موشک خود را با توان کافی روشن کنید، می توانید برای خود انرژی کافی برای فرار از سیاه‌چاله فراهم کنید.

اما اگر درون افق رویداد قرار داشته باشید، دیگر فرقی نمی کند که موشک شما چقدر قدرت داشته باشد، دیگر راه گریزی نیست! چرا که نمی توان از نور سریعتر حرکت کرد.

ما نمی‌دانیم که در آن سوی افق رویداد چه می‌گذرد، شاید جهانی هم چون جهان ما در آن سوی سیاه‌چاله پنهان باشد و شاید این جهان نمونه‌ای از جهان های موازی خود باشد.

همانطور که بیان شد. اجسام پرجرم، فضا و زمان را خمیده می کنند، آنچنانکه قوانین هندسه دیگر کارایی خود را از دست می دهند.

در نزدیکی یک سیاه‌چاله این انحنای فضا بینهایت شدید است و سبب می‌شود سیاهچاله‌ها ویژگیهای عجیبی داشته باشند.

زمانیکه وارد افق رویداد می شوید، هر لحظه به تکینگی مرکز سیاهچاله نزدیک و نزدیکتر می شوید.

سیاه‌ چاله‌ها چگونه به وجود می‌آیند ؟

گمان بر این است که سیاه‌چاله های معمولی از ستاره های پرجرم تشکیل می شوند (شاید آنهاییکه با جرمهایی 20 یا 25 برابر جرم خورشید فعالیت می کنند).

زمانیکه این ستارگان به زندگی خود به شکل یک انفجار ابرنواختر پایان می دهند، هسته آنها فرو می‌پاشد و گرانش بر هر نیروی دیگری که ممکن است بتواند ستاره را نگه دارد، غلبه می کند.

انفجار ابرنواختر: پرجرم‌ترین ستاره‌های عالم، زندگی خود را با انفجاری عظیم به نام ابرنواختر (Supernova) به پایان می‌برند. به‌طور ناگهانی منفجر شده و مقدار بسیار زیادی نور تولید می‌کنند و در پس خود یک هستهٔ کوچک نوترونی به جای می‌گذارند.

در نهایت ستاره آنقدر فرو می پاشد تا در شعاع شوارتزشیلد یا افق رویداد خود محصور می گردد. در این حالت، سیاه‌چاله بی نهایت کوچک است،

یک سیاهچاله با جرم خورشید در یک شهر کوچک جای می گیرد، در حالیکه سیاهچاله ای با جرم زمین در کف دست شما هم جای می گیرد!

ماده موجود در شعاع شواتزشیلد به طور نامحدودی به فروپاشی ادامه می دهد تا به نقطه ای می رسد که در آنجا قوانین فیزیک دیگر کارایی خود را از دست می دهد.

سیاه‌چاله‌های ابر توده به شکل دیگری ایجاد می شوند، شاید از ادغام تعداد زیادی سیاه‌چاله کوچکتر در آغاز تاریخ جهان و در طی سالیان دراز با بلعیدن گازهای اطرافشان رشد می‌کنند.

شکل گیری این اجرام و رابطه آنها با کهکشانی که آنها را در بر می‌گیرد، نکته ای است که هنوز در دست مطالعه و بررسی قرار دارد.

انواع سیاه‌چاله‌ها

1- تقسیم‌بندی سیاه‌چاله‌ها از نظر مقدار جرم به چهار دسته

1. سیاه‌چاله های بسیار پرجرم (Super-Massive Black Holes)
   این گروه از سیاه‌چاله‌ها جرمی بین میلیون ها تا میلیارد ها برابر جرم خورشید دارند و دانشمندان احتمال می دهند که سیاه‌چاله‌هایی که در مرکز اغلب کهکشان ها وجود دارد، از جمله کهکشان راه شیری،از این دسته اند.
2. سیاه‌چاله‌های جرم متوسط (Intermediate-Mass Black Holes)
   این سیاه‌چاله‌ها جرمی هزاران برابر خورشید دارند و گمان می رود نیروی منابع روشن و درخشنده پرتو ایکس باشند.
3. سیاه‌چاله‌های جرم ستاره ای (Stellar-Mass Black Holes)
   جرم این سیاه‌چاله‌ها بین ۳ تا ۱۵ برابر جرم خورشید متغیر است. این سیاهچاله ها نتیجه فروپاشی گرانشی ستارگان منفرد بعد از اتمام سوختشان هستند.
4. میکروسیاه‌چاله‌ها (Micro Black Holes)
   فشرده سازی هر جرمی می تواند منجر به ایجاد تکینگی شود. ولی “میزان” فشرده سازی در این امر اهمیت دارد؛
   بطور مثال برای تبدیل زمین به سیاه‌چاله باید زمین را تا اندازه نخودی کوچک و فشرده کنید.به طور کلی ایجاد سیاه‌چاله با جرم کوچک از طریق فروپاشی گرانشی بدلیل حد چاندراسخار۲ غیرممکن است و برای ایجاد سیاه‌چاله‌ها با جرم کمتر از خورشید که میکروسیاه‌چاله نامیده می شون باید فشار خارجی دیگری وجود داشته باشد.
   بیگ بنگ می تواند این فشار را ایجاد کند و احتمال می رود میکروسیاه‌چاله‌ها در صورت وجود در زمان های اولیه جهان شکل گرفتند.
   البته امکان وجود چنین سیاه‌چاله‌هایی در دستگاه شتاب دهنده ذرات روی زمین نیز وجود دارد.
   حد پایین جرم میکرو سیاه‌چاله‌ها حدود جرم پلانک است (گرم).
   بدلیل بسیار کوچک بودن این سیاه‌چاله‌ها، اثرات مکانیک کوانتومی بر این سیاه‌چاله‌ها اهمیت پیدا می کند.

2- تقسیم بندی سیاه‌چاله‌ها از نظر چرخش و بار

سیاه‌چاله‌ها از نظر بار یا دارای بار هستند(Q≠۰) و یا دارای بار نیستند (Q = 0)

از نظر تکانه زاویه ای که چرخش سیاه‌چاله را معین می کنند یا چرخان اند (J>0) و یا دارای چرخش نیستند (J=0)

در جدول زیر چهار نوع سیاه‌چاله تقسیم بندی شده از نظر چرخش و بار را با اسم مشخص مشاهده می کنید:

کارل شوارتسشیلد کسی بود که چند ماه بعد از فرمول بندی نسبیت عام اینشتین و انتشار آن، اولین راه حل دقیق را برای میدان های گرانشی پیدا کرد و نشان داد که سیاه‌چاله‌ها بصورت تئوری می توانند وجود داشته باشند.

به همین علت راه حل مربوط به سیاه‌چاله بدون بار و چرخش را به افتخار ایشون نامیدند. سیاه‌چاله‌های چرخان یکی از راه حل های معادله میدان اینشتین است.

دو راه حل دقیق و شناخته شده وجود دارد،راه حل کر و کر-نیومن که نماینده دو نوع سیاه‌چاله چرخان هستند.

رایسنر-نوردستروم یک راه حل ایستا برای معادله میدان های اینشتین است که با میدان گرانشی غیر چرخنده باردار متناظر است.

سیاه‌چاله‌های چرخان نه تنها وجود دارند بلکه فیزیکدانان معتقدند تقریبا همه سیاه‌چاله‌ها دارای چرخش اند چرا که ستاره ای که در حال فروپاشی گرانشی است چرخان است.
ولی وجود سیاه‌چاله‌های باردار دور از ذهن است: دافعه الکتریکی مانع فشرده شدن می شود و بار بیشتر از جاذبه گرانشی است بنابراین، این مشکل جدی برای ایجاد سیاه‌چاله ی باردار می شود.

در ادامه به طور مختصر ویژگی های سیاه‌چاله چرخشی را بررسی می کنیم. به علت دور از ذهن بودن وجود سیاه‌چاله های باردار، دو نوع سیاه‌چاله باردار را بررسی نخواهیم کرد.

سیاه چاله های چرخان

بر طبق نظریات افق رویداد یک سیاه چاله غیر چرخان یک کره است و تکینگی آن ( به طور غیر رسمی) یک نقطه است.

اگر سیاه چاله حرکت مداری داشته باشد ( از ستاره ای در حال تلاشی که به دور خود می چرخد این خصوصیت را گرفته باشد) شروع به کشیدن فضا-زمان به دور افق رویداد می کند.

این گردش فضا به دور افق رویداد را کره کار (ergosphere ) گویند و شکل بیضوی دارد.

از آنجا که کره کار بیرون افق رویداد قرار دارد اشیا می توانند بدون سقوط در درون چاله وجود داشته باشند.

هرچند که خود فضا-زمان درون کره کار حرکت می کند اشیا نمی توانند در جایی ثابت حضور داشته باشند.

اشیایی که در کره کار وجود دارند میتوانند در برخی محیط ها با سرعت بالا به بیرون پرتاب شوند و انرژی ( و حرکت مداری) از چاله خارج کنند از این رو نام کره کار ( کره ی کار) به علت توانایی در انجام کار انتخاب شده است.

تکینگی درون یک سیاه چاله چرخان مانند یک حلقه است. برای بیننده امکان گریز از آن وجود دارد. هر چند گریز از افق رویداد یک سیاه چاله امکان پذیر نیست.

سیاه‌چاله‌ها، نورانی ترین اجرام پیرامون ما هستند

سیاه‌چاله ها را نمی توان مستقیماّ مشاهده کرد، اما می توان اثر آنها بر مواد پیرامونشان را مورد بررسی قرار داد (گاز و غباری که پیش از اینکه به درون سیاهچاله کشیده شود و یا اینکه به شکل یک فوران به بیرون پرتاب شود، ثانیه های پایانی عمر خود را می گذراند).

در حقیقت سیاه‌چاله ها در تبدیل انرژی مواد ورودی به نور و انتشار آن، بازدهی بسیار بالایی دارند.

گازی که به درون سیاه‌چاله کشیده می شود، به همان دلیلی که زمین به درون خورشید سقوط نمی کند، مستقیماّ فرو برده نمی شود.

درعوض، گاز تلاش می کند تا در مداری گرد سیاه‌چاله حرکت کند، وآنچه که ما به عنوان حلقه تجمعی می شناسیم را تشکیل دهد.

در حلقه تجمعی، ماده ضمن اینکه به دلیل اصطکاک انرژی از دست می دهد به آرامی به طرف داخل سیاه‌چاله نوسان می کند.

کشش های عظیم گرانشی نزدیک سیاه‌چاله در شکافتن این مواد و بالا بردن دمای آنها به مقادیر بسیار بالا، به بهترین نحو عمل می‌کنند.

دمای حلقه های داخلی سیاه‌چاله های ابر توده به هزارارن درجه کلوین می رسد (مشابه دمای سطح یک ستاره داغ)، این درحالیست که دمای حلقه‌های سیاه‌چاله های کوچکتر می تواند تا میلیونها درجه بالا رود،

تا جاییکه باعث انتشار پرتوهای ایکس از آنها گردد.

بنابراین سیاه‌چاله ها جزو نورانی ترین اجرام پیرامون ما هستند.

شواهدی قوی وجود دارد که نشان می دهد یک سیاه‌چاله بسیار پرجرم در مرکز کهکشان راه شیری وجود دارد.

ستاره شناسان باور دارند که این سیاه‌چاله منبع یک موج رادیویی است که به نام قوس (ساگیتاریوس Sagittarius ) شناخته می شود.

واضح ترین نشانه وجود یک سیاه‌چاله بسیار پرجرم، وجود این موج رادیویی و حرکت سریع ستاره ها در اطراف آن است.