خواندنی هاودیدنی ها

سیاه چاله های فضایی
نویسنده : شاهین توفیقی - ساعت ٤:٠۸ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٠/۱۱/٢٠
 

 

یکی از شگفتی های فضا وجود حفره های سیاه در آن است. مکان هایی که در اثر جاذبه، حتی نور از آن قابل گریز نیست و هرچه در آن وارد شود دیگر خارج نخواهد شد. به این حفره ها در دانش نجوم، «سیاهچال های فضایی» گفته می شود و درصددیم تا در مطلب امروز به نقل از پایگاه کانون دانش، به تشریح این پدیده شگفت انگیز جهان هستی بپردازیم. بر اساس قانون جاذبه نیوتن، هر جرمی دارای نیروی جاذبه بوده و مقدار آن رابطه عکس با مجذور فاصله از آن دارد. در سال1795 «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، کمتر از مقدار rs شود (2gm/c2=rs ) (g ضریب ثابت جهانی نیروی جاذبه و c سرعت نور)، در نتیجه سرعت فرار از آن از سرعت نور بیشتر خواهد بود. «آلبرت اینشتین» 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 غیرممکن است. «آلبرت اینشتین» در سال1915 در تئوری نسبیت خود (رابطه نیروی جاذبه، زمان و حجم) وجود این سیاهچال 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 سیاهچال ها زمان پیدایش آنها را تعیین می کند. برخی از آنها در ابتدای تشکیل کائنات بوجود آمده و اکثرا در مرکز کهکشان ها بوده و به آن ها سیاهچال های عظیم یا غول پیکر (BlackHoles Supermassive) گفته می شود. نوع دیگر آن استلارها (Stellars) هستند که در اثر انفجار سوپرنواها بوجود می آیند. انواع کوچک تر آنها تا اندازه کوچک تر از یک الکترون با جرم زیاد وجود دارند.
سیاهچال های غول پیکر: جرم این سیاهچال 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 معادل4 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 ده ها 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، سیاهچال های اولیه از بین رفته ولی بزرگترها باقی مانده اند. در سال1994 اولین سیاهچال به جرم5/2 تا5/3 میلیارد برابر منظومه شمسی توسط تلسکوپ های قوی در مرکز کهکشان M87 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 اجزا» 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 جرم4/1 برابر خورشید به کوتوله های سفید،4/1 تا3 برابر خورشید به ستاره های نوترونی و از سه برابر بزرگتر از خورشید به سیاهچال های فضایی تبدیل خواهند شد. حداقل جرم مورد نیاز برای ایجاد سیاهچال ها بنام «لاندو اوپن هایمر ولکو» نامیده و محاسبه شده است. نزدیک ترین سیاهچال به ما «سایگنوس ایکس یک» است که در سال971 رصد شده است. کهکشان راه شیری دارای بیش از چند میلیون از آنهاست. به وجود آمدن این نوع سیاهچال ها تا کنون ادامه داشته و هم چنان در حال تشکیل است ولی پیدایش جدید نوع اول آن امکان پذیر نیست. انواع بزرگتر سیاهچال ها دارای جرمی بیش از5 تا100 برابر خورشید بوده و قطر آنها بین32 الی650 کیلومتر است. تعداد25 عدد از آنها تاکنون در کهکشان ما، راه شیری، رصد شده است.
 سیاهچال های کوچک: در مقایسه با دو نوع ذکر شده، سیاهچال 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 1017 گرم است.
 مشخصات سیاهچال 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 سیاهچال 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 کاملا به هم ریخته شده و آخرین شکل ماده در آن تحقق می یابد. بسیار سخت است که تصور کنیم یک ماده با چنین جرمی تقریبا دارای حجم نباشد ولی این آن چیزی است که در مرکز حفره سیاه وجود دارد. بطور 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 (Hori Eventzon) 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 سیاهچال 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 سیاهچال یا ستاره نترونی در آن وجود دارد. در کل آنها با سه عامل جرم، شار ژ الکتریکی و سرعت گردشی شناخته می شوند. اگر جرم خورشید ما به اندازه یک کره به قطر 6 کیلومتر کوچک شود تبدیل به یک سیاهچال خواهد شد.
لنزهای فضایی: فرض کنید که زمین در یک سو و یک ستاره در طرف مقابل باشد. نور آن بطور معمول به زمین می رسد. اگر یک سیاهچال در حرکت باشد و میان زمین و آن ستاره قرار گیرد، بعلت جاذبه بسیار قوی آن، نور متصاعد شده از ستاره به سمت سیاهچال 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 سیاهچال در زمان عبور خود از میان زمین و یک ستاره به وجود می آورد و یکی از راه های 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 سیاهچاله یا حفره های سیاه را دانشمند بزرگ و اولین متخصص فیزیک نظری در زمینه سیاهچاله 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 سیاهچاله: حفره های 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، حفره های سیاه بوجود میآورند. بعضی از این ستارگان عظیم، منفجر شده و بصورت یک سوپر نوای درخشان در می آیند. 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 حفره های سیاه می شوند.
 چرا حفره سیاه نامیده شد؟
به این خاطر که ما نمی توانیم خود حفره های سیاه را ببینیم، ممکن است فکر کنیم که پیدا کردن آنها غیرممکن است. اما به کمک فناوری های ستاره شناسی، اولین آنها در سال1972م کشف شد. نام این حفره 1-X Cyghus و متعلق به کهکشان راه شیری است. با وجود اینکه خود حفره های سیاه دیده نمی شوند، اما تاثیر قوه جاذبه عظیم آنها بر ستاره های نزدیکشان را می توان بررسی کرد. همیشه یک ستاره، با سوپر نوا جفت می شود و گازهای حاصل از آن ستاره بصورت مارپیچ به داخل سوپر نوا بلعیده می شوند. حرکت مارپیچی گازها، تصویر یک حفره سیاه را در مرکز سوپر نوا بوجود می آورد و بدین جهت است که آن را حفره سیاه می نامند.