سیاه چاله ها

بنابر نظریه نسبیت عام سیاه ‌چاله‌ ناحیه‌ای از فضا است که میدان گرانشی فوق العاده بالایی دارد بطوری که هیچ چیز حتی نور نمی‌تواند از میدان گرانشی آن بگریزد. در سیاهچاله ناحیه‌ای به نام افق رویداد وجود دارد که هیچ چیزی بعد از عبور از آن نمی‌تواند به بیرون برگردد و یا به عبارت دیگر بلعیده می‌شود.این یکی از اسرار سیاهچاله هاست که دانشمندان روی چگونگی آن به پژوهش می‌پردازندو «سیاه» نامیده می‌شود چون همه نوری که به داخل آن راه می‌یابد را به دام می‌اندازد دقیقا مانند مفهوم جسم سیاه در ترمودینامیک. یک سیاهچاله برخلاف درون نامرئی اش می‌تواند حضور خود را از راه کنش و واکنش با محیط پیرامون نشان دهد. ما از طریق دیدن حلقهٔ تجمعی و یا یک گروه از ستاره‌ها که به دور یک ناحیه تاریک و خالی در حال گردش اند می‌توانیم به حضورشان پی ببریم.

یک سیاهچاله اغلب شی‌ای تعریف می‌شود که سرعت گریز آن حتی از سرعت نور بیشتر است.( سرعت گریزحداقل سرعت ممکن برای یک جسم می‌باشد تا بتواند از میدان گرانشی جسمی دیگر فرار کند). برای درک بهتر موضوع تصور کنید روی سطح یک سیاره ایستاده‌اید و سنگی را مستقیما به بالاپرتاب می‌کنید.

فرض کنیدکه 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 از گرانش سیاره بگریزد در این حالت سنگ برای همیشه به بالا رفتن ادامه خواهد داد.سرعتی که نیاز است با آن سنگ را پرتاب کنید تا از گرانش سیاره بگریزد سرعت گریز نامیده می‌شود. سرعت گریز برای کره زمین تقریبا برابر ۱۱ کیلومتر بر ثانیه می‌باشد و برای خورشید ۶۶۰ کیلومتر بر ثانیه‌است. بدین ترتیب هر چه جرم افزایش می‌یابد و یا شعاع کاهش می‌یابد و به طور کلی هرچه جسم چگا ل تر باشد سرعت گریز نیز افزایش می‌یابد. می‌توان حدس زد که سرعت گریز برای یک سیاهچاله با جرمی حدود چند میلیون برابر خورشید چقدر است.! مطمئنا سرعت گریز سیاهچاله‌ها بیشتر از سرعت نور می‌باشد در نتیجه هیچ چیز نمی‌تواند از آن فرار کند.در نظریه نسبیت عام تمام جرم یک سیاهچاله درتکینگی متمرکز می‌شود که می‌تواند یک نقطه یا یک حلقه یا یک کره باشد. در اطراف تکینگی کره فرضی به نام افق رویداد وجود دارد که «نقطه بدون بازگشت» را مشخص می‌کند. مرزی که هرچیزی که از آن عبور کند به ناچار به سمت تکینگی هدایت می‌شود. فاصله بین تکینگی تا افق رویداد اندازه یک سیاهچاله را معین می‌کند.
سیاه چاله ها از نظر دانشمندان به طور کلی به دو دسته سیاهچاله‌های چرخشی و غیرچرخشی تقسیم می‌شوند. اما دسته بندی معمول بر اساس جرم آنان می‌باشد. وقتی سیاهچاله‌ها براسا س فروپاشی گرانشی یک ستاره شکل می‌گیرند سیاهچاله‌های ستاره وار نامیده می‌شوند.سیاهچاله‌هایی که در مرکز کهکشان‌ها یافت شده‌اند جرمی چند میلیون برابر جرم خورشید دارند و در نتیجه سیاهچاله‌های پرجرم نامیده می‌شوند.دانشمندان معتقدند بین این دو اندازه سیاهچاله‌هایی با جرم چندین هزار برابر جرم خورشید نیز وجود دارند که سیاهچاله‌های جرم متوسط نامیده می‌شوند و اما میکرو سیاهچاله‌ها که دانشمندان معتقدند در زمان انفجار بزرگ شکل گرفته‌اند و همچنین امکان ساخت چنین سیاهچاله‌هایی در دستگاههای شتاب دهنده ذرات روی زمین وجود دارد.با این وجود تا کنون هیچ میکروسیاهچاله‌ای از سوی دانشمندان شناسایی نشده‌است.

تاریخچه

نگاره‌ای تخیلی از صفحه تجمع پلاسمای داغ بر گِرد یک سیاهچاله (برگرفته از ناسا)
مفهوم جسمی که آن قدر پرجرم است که حتی نور هم نمی‌تواند از آن بگریزدابتدا از سوی زمین شناسی به نام جان میچل درسال ۱۷۸۳ مطرح شد که آن را در مقاله‌ای که به هنری کوندیش فرستاد و از سوی انجمن سلطنتی به چاپ رسید عنوان کرد. در آن زمان مفهوم نظریه گرانش نیوتن و مفهوم سرعت گریز شناخته شده بودند. طبق محاسبات میچل جسمی با شعاعی ۵۰۰ برابر شعاع خورشید و چگالی مشابه 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 با چگالی مشابه خورشید قرار باشد که ۵۰۰ بار از آن بزرگ ترباشد جسمی که از ارتفاع بینهایت به سمت آن سقوط می کند در سطح آن سرعتی بیش از سرعت نور بدست می آورد و اگرفرض کنیم نور با نیروی مشابهی به سمت ستاره کشیده شود آنگاه تمام نوری که از چنین جسمی ساطع میشود به ناچار به وسیله گرانش ان به سمت خود ستاره باز میگردد."
در سال ۱۷۹۶ پیر سیمون لاپلاس ریاضی دان فرانسوی نظریه مشابهی را در ویرایش اول و دوم کتاب خود به نام آشکارسازی نظام جهان مطرح کرد. این مطا لب در ویرایش‌های بعدی کتاب حذف شد. این نظریه در قرن نوزدهم توجه چندانی را به خود جلب نکرد زیرا فیزیکدانان براین باور بودند که نور به صورت موج و فاقد جرم است و بنابراین تحت تاثیر گرانش قرار نمی‌گیرد. درسال ۱۹۱۵ آلبرت اینشتین که قبلا نشان داده بود که گرانش نور را تحت تاثیر قرار می‌دهد نظریه گرانش خود به نام نسبیت عام را مطرح کرد.چند ماه بعد کارل شوارتسشیلد راه حلی برای میدان گرانشی یک جرم نقطه‌ای و یک جرم کروی ارائه داد که نشان می‌داد سیاهچاله‌ها می‌توانند به صورت تثوری وجود داشته باشند. شعاع شوارتسشیلد امروزه به عنوان شعاع افق رویداد یک سیاهچاله غیرچرخشی شناخته می‌شود. در سال ۱۹۳۰ سابراهمانیان چاندراسخاراختر فیزیک دان هندی ادعا کرد که یک جسم غیر تابنده با جرمی معادل ۴۱/۱ برابر جرم خورشید به این دلیل که تا آن زمان چیزی که بتواند جلوی فروپاشی آن را بگیرد شناخته نشده بودفرو می‌پاشد. رابرت اوپنهایمر پیش بینی کرد که ستارگان پرجرم ممکن است فروپاشی گرانشی تا ثیرگذاری را تجربه کنند.اصولا سیاهچاله‌ها می‌توانند در طبیعت شکل بگیرند. از دید یک ناظر خارجی فروپاشی به سرعت در حال کند شدن است و در نزدیکی شعاع شوارتسشیلد انتقال به قرمز بسیار زیادی پیدا می‌کند به همین علت چنین اجسامی تا مد ت‌ها «ستارگان منجمد» نامیده می‌شدند.در سال۱۹۶۷ پیشرفت‌های نظری و تجربی علاقهٔ اخترفیزیک‌دانان را به سیاهچاله‌ها برانگیخت. استیفن هاوکینگ ثابت کرد سیاهچاله‌ها یک خصوصیت عمومی در نظریه گرانشی اینشتین هستند و با فروپاشی برخی اجسام به ناچار سیاهچاله به وجود می‌آید. جامعهٔ ستاره شناسی با کشف تپ اخترها علاقه دوباره‌ای به سیاهچاله‌ها پیدا کرد. پس از مدتی اصطلاح سیاهچاله (حفره سیاه) از سوی فیزیک دانی به نام جان ویلرمطرح شد. او نخستین بار در سخنرانی عمومی خود با عنوان جهان ما شناخته‌ها و ناشناخته‌ها در دسامبر سال ۱۹۶۷ از این نام استفاده کرد.برای تشخیص سیاهچاله‌های نسبیت عام از دیگر اجرام نیوتنی که از سوی لاپلاس و میچل مطرح شده بودند غالبا آن اجرام را ستارگان تاریک می‌نامند.

ویژگی‌ها
نظریه جان ویلر بیان می‌دارد تنها سه ویژگی سیاهچاله‌ها قابل تشخیص هستند که عبارتند از : جرم و بار الکتریکی و اندازه حرکت زاویه‌ای. این ویژگی‌ها خاص هستند چون از بیرون سیاهچاله قابل تشخیص اند.
.آن چه بین دانشمندان متداول است دسته بندی سیاهچاله هابر اساس جرم آنان می‌باشد.
طبقه بندی بر اساس جرم
سیاهچاله‌های پرجرم
جرمی بین چندصدهزار تا چند میلیون برابر جرم خورشید دارند و پیش بینی می‌شود که در مرکز همه کهکشان‌ها از جمله کهشکان راه شیری وجود داشته باشند. بزرگترین سیاهچاله پرجرم شناخته شده در محل OJ ۲۸۷ قرار دارد و جرمی معادل ۱۸ میلیارد برابر جرم خورشید دارد.
سیاهچاله‌های جرم متوسط
این سیاهچاله‌ها جرمی هزاران برابر جرم خورشید دارند و گمان می‌رود که این سیاهچاله‌ها نیروی منابع پرتو ایکس را در فضا تامین می‌کنند. هیچ راه مستقیمی برای شکل گیری آنان شناخته نشده‌است اما محتمل است این نوع از برخورد سیاهچاله‌های با جرم کمتر شکل می‌گیرد.
سیاهچاله‌های ستاره‌وار
این سیاهچاله‌ها جرمی بین سه تا پانزده برابر جرم خورشید دارند و از دو طریق تشکیل می‌شوند. یکی فروپاشی گرانشی ستاره‌های منفرد و دیگری برخورد ستاره‌های دودویی نوترونی.
ریزسیاهچاله‌ها
جرم این سیاهچاله‌ها به اندازه‌ای است که در آنها اثرات مکانیک کوانتومی اهمیت زیادی پیدا می‌کند. به طور کلی سیاهچاله‌هایی که جرمی کمتر از جرم خورشید دارند ریزسیاهچاله نامیده می‌شوند.

افق رویداد
محدوده‌ای از سیاهچاله‌است که هیچ چیز حتی نور نمی‌تواند به خارج از آن بگریزد. افق رویداد یک سطح جامد نیست و مانع ورود ماده یا تابشی که به سمت ناحیه داخل آن در حرکت است نمی‌شود. در واقع افق رویداد یک ویژگی تعریف شده سیاهچاله‌است که حدود سیاهچاله را مشخص می‌کند.علت سیاه بودن افق رویداد هم این است که هیچ پرتوی نور یا تابش دیگری نمی‌تواند از آن بگریزد. از این رو افق رویداد هر آنچه را که درون آن اتفاق می‌افتد از دید دیگران پنهان نگه می‌دارد. در حال حاضر بهترین نظریه‌ای که می‌توان با استفاده از آن اتفاقات درون افق رویداد را پیش بینی کرد نظریه نسبیت عام اینشتین است.
تکینگی
براساس نسبیت عام جرم یک سیاهچاله به طور کامل در داخل ناحیه‌ای با حجم صفر فشرده شده‌است. این ادعا بدین معناست که چگالی و گرانش این نقطه بی نهایت است.علاوه بر این خمیدگی فضا-زمان در این نقطه بی نهایت خواهد بود. این مقادیر بی نهایت باعث می‌شوند که بیشتر معادلات فیزیکی از جمله معادلات نسبیت کارایی خود را در مرکز سیاهچاله از دست بدهند. از این رو فیزیک دانان این ناحیه بی نهایت چگال با حجم صفر در مرکز سیاهچاله را تکینگی می‌نامند.
تکینگی در یک سیاهچاله غیرباردار غیرچرخشی یک نقطه‌است به عبارت دیگر ناحیه‌ای است که طول عرض و ارتفاع آن صفر است.امادر مورد این تعریف تردیدهایی وجود دارد.براساس مکا نیک کوانتومی هیچ جسمی نمی‌تواند دارای اندازه صفر باشد.بنابر تعریف مکانیک کوانتومی مرکز یک سیاهچاله تکینگی نیست بلکه ناحیه‌ای است که در آن مقادیر زیادی ماده در کوچک ترین حجم ممکن فشرده شده‌است.
روش‌های شناسایی سیاهچاله‌ها
در بعد تئوری هیچ چیز نمی‌تواند از درون افق رویداد یک سیاهچاله به بیرون آن راه یابد.با این وجود سیاهچاله‌ها را می‌توان با مشاهده پدیده‌های نزدیک آنها یا حلقهٔ تجمعی وعدسی گرانشی وفوران‌های کهکشانی.
حلقه‌های تجمعی و فوران‌های پر انرژی
حلقهٔ تجمعی بسیار داغ و چرخان پیرامون سیاهچاله که متشکل از مواد در حال سقوط به درون سیاهچاله‌است آشکارترین نشانه برای شناسایی سیاهچاله‌ها است. غلظت داخلی حلقه باعث می‌شود حلقه داغ شده و مقادیر زیادی پرتوی ایکس و تابش فرابنفش از خود ساطع کند. با این همه حلقه‌های تجمعی و فوران‌های پرانرژی تنها به سیاهچاله هااختصاص ندارند بلکه در اطراف اجسام دیگری از قبیل ستارگان نوترونی نیز یافت می‌شوند.
عدسی گرانشی
جزو آن پدیده‌هایی است که پیدایش آن می‌تواند دلایل دیگری به جز وجود سیاهچاله‌ها داشته باشد. یک عدسی گرانشی می‌تواند با خمیده کردن پرتوهای نور که در عدم حضور آن هرکدام به سویی می‌رفتند به سمت تلسکوپ‌های ما تصاویر چندگانه‌ای از اجرام بسیار دور به ارمغان آورد.
آشکارسازی سیاه چاله‌ها
یکی از راههای کشف سیاه چاله‌ها استفاده از امواج گرانشی است که هنگام فروپاشی گسیل می‌دارند. هر جرم اختری از حیث شکل نامتقارن تشعشع ممکن است یک منبع قابل اکتشا ف مشخص به وجود آورد. جوزف وبر از دانشگاه مریلند، پیشکسوت رشته تشعشع گرانشی، رویدادهای زیادی را کشف کرده‌است که حاکی از ویرانی وسیع ماده در جهان، از راه فروپاشی گرانشی است. کارافزار او عبارت است از آنتن‌های آلومینیومی، ابزاری که به‌وسیله سیمهایی در داخل اتاقهای حفاظ داری آویزانند. این کار افزار او قادر به کشف سیاهچاله‌ است، اما متاسفانه این کار را نمی‌تواند به دقت انجام دهد.
تعداد سیاه چاله‌ها در جهان
به عقیده‌ای.جی.دابلیو. کامرون از دانشگاه یشیوا ممکن است جهان پر از سیاهچاله‌ باشد. نظریه کیهان‌شناسی پیش بینی می‌کند که جهان شامل مقدار مشخصی ماده‌است. اما اخترشناسان از مشاهده‌هایشان استنباط کرده‌اند که تقریباً ماده به اندازه کافی وجود ندارد تا این پیش بینی‌ها را عملی سازد. ماده مشاهده شده به اندازه قابل ملاحظه‌ای کمتر از ماده پیش بینی شده‌است. دکتر کامرون بر آن است که ماده گمشده ممکن است به وسیله شمار زیادی سیاهچاله‌ بلعیده شده باشد.
تاریخ شیمیایی جهان نشان می‌دهد که نخستین ستارگانی که تشکیل شده‌اند بسیار بزرگ بوده‌اند و انتظار می‌رود به سیاهچاله‌ها تبدیل شوند. با قطعیت نمی‌توان گفت که همه ستارگان ناگزیر به سیاهچاله‌ها مبدل می‌شوند. دانشمندان نشان داده‌اند که ستارگان نامتقارن ستارگانی که تقارن کروی تقریباً کامل ندارند به این سرنوشت دچار می‌شوند. اما به عقیده وای. ب. زلدوویچ فیزیکدانان شوروی و گروه انگلیسی استیون هاوکینگ، راجر بن روز و روبرت چراک، عدم تقارن شکلی کوچک، یک ستاره بزرگ را نجات نخواهند داد.