این وبلاگ درباره ی فضا است.

سیاه چاله چیست؟

مقدمه

سیاه چاله به ناحیه‌ای از فضا گفته می‌شود که در آن جرم بسیار زیادی در ناحیه‌ای بسیار کوچک متمرکز شده است. برای نمونه فرض کنید جرمی به اندازه 10 برابر خورشید در ناحیه‌ای به اندازه قطر نیویورک جمع شده باشد. جالب است بدانید یک قاشق غذاخوری از جرم سیاه چاله، جرمی برابر با 900 میلیارد تن را دارد. این فضای بسیار متراکم منجر به ایجاد میدان گرانشی قدرتمندی خواهد شد به نحوی که حتی نور نیز نمی‌تواند از آن فرار کند. در حقیقت در این ناحیه،فضا-زمان بسیار خم شده و حالت نقطه‌ای پیدا  می‌کند. در شکل زیر به صورت کیفی میزان خم شدن صفحه فضا-زمان در حضور خورشید، ستاره نوترونی و سیاه چاله نشان داده شده است.

ایده وجود داشتن جسمی بسیار سنگین در فضا به قرن‌ها پیش باز می‌گردد. اما برای اولین بار این ایده با استفاده از نسبیت عام انیشتین پیش‌بینی شد. این نظریه پیش‌بینی کرد، هنگامی که ستاره‌ای سنگین بمیرد، ناحیه‌ای با جرم سنگین از آن باقی خواهد ماند. اگر جرم ناحیه باقیمانده، بیشتر از 3 برابر جرم خورشید باشد، نیروی گرانش بر دیگر نیرو‌ها غلبه کرده و منجر  به متمرکز شدن جرم می‌شود. نهایتا این جرم متمرکز شده منجر به تشکیل سیاه چاله می‌شود.

معمولا شناسایی یک سیاه چاله با استفاده از نحوه حرکت اجسامِ اطراف آن انجام می‌شود. اگر یک سیاه چاله از ناحیه‌ای از فضا عبور کند که اجسامی نیز اطراف آن قرار داشته باشند، در این صورت تمامی آن اجسام به درون سیاه چاله مکیده خواهند شد. در ادامه مکیده شدن ستاره درون یک سیاه‌چاله با استفاده از یک انیمیشن نشان داده شده است. گردایان میدان گرانشی نیز در نزدیکی سطح سیاه‌چاله بسیار زیاد است. اجازه دهید این جمله را ساده‌تر کنیم. فرض کنید شما به سمت یک سیاه‌چاله نزدیک می‌شوید، در این صورت اندازه نیروی جاذبه روی سر شما و روی پاهایتان متفاوت است. بنابراین بدن همچون آدامس کشیده شده و به درون سیاه‌چاله مکیده خواهد شد.

پروسه‌ای مشابه نیز در هنگام عبور سیاه‌چاله از کنار یک ستاره رخ می‌دهد. در این حالت نیز ستاره از هم پاشیده شده و به درون سیاه‌چاله مکیده می‌شود. این فرآیند تحت عنوان «برافزایشی» (Accretion) شناخته می‌شود. در این حالت ستاره به صورت دیسکی درآمده و توسط سیاه‌چاله بلعیده می‌شود. به دیسک بوجود آمده نیز «قرص برافزایشی» (Accretion Disk) دیسک گفته می‌شود. در انیمیشن زیر نحوه شکل‌گیری قرص برافزایشی نشان داده شده است.

مکیده شدن یک ستاره درون یک سیاه‌چاله

در حالی که سیاه‌چاله، ستاره را به درون خودش می‌مکد، موادِ ستاره، شتاب گرفته و سرعت آن‌ها به اندازه‌‌ای بسیار زیاد افزایش می‌یابد؛ این امر منجر به تابش پرتو‌های ایکس می‌شود. اکتشافات اخیر حقایق جالبی را در مورد سیاه‌چاله‌ها نشان می‌دهند. برای نمونه تحقیقات نشان می‌دهند که سیاه‌چاله‌ها پرتو‌های شدید گاما تابش می‌کنند. این پرتو‌ها، ستاره‌های اطراف سیاه‌چاله را نابود کرده و منجر به تشکیل ستاره‌های جدیدی می‌شوند.

تولد سیاه چاله

اکثر سیاه‌چاله‌ها از مرگ ستاره‌های بسیار سنگین، خصوصا ستاره‌های نوترونی متولد می‌شوند. اگر جرم کلی یک ستاره به اندازه کافی زیاد باشد، در این صورت می‌توان به صورت تئوری نشان داد که هیچ نیرویی نمی‌تواند از واپاشی ستاره در نتیجه نیرویگرانشی جلوگیری کند. بنابراین این نیروی درونی منجر  به کوچک‌تر شدن شعاع ستاره می‌شود. هنگامی که شعاع ستاره تا اندازه‌‌ای خاص کوچک شود، زمان روی ستاره نسبت به ناظر بیرونی متوقف می‌شود. این لحظه، همان زمانی است که سیاه‌چاله تشکیل شده است. این شعاع خاص را «افق رویداد» (Event Horizon) می‌نامند.

شبیه‌سازی نور خم شده اطراف یک ستاره نوترونی

از برخورد اجسام میان‌ستاره‌ای سیاه‌چاله‌هایی بزرگ‌تر نیز می‌توانند متولد شوند. مدت کوتاهی پس از پرتاب تلسکوپ سویفت توسط ناسا در سال 2004، حجم شدیدی از پرتوهای تابش شده گاما مشاهده شد. نتایج حاصل از تلسکوپ هابل و رصدخانه «چاندرا» (Chandra) توسط دانشمندان بررسی شده و آن‌ها به این نتیجه رسیدند که انفجاری بزرگ در نتیجه برخورد یک ستاره نوترونی و یک سیاه‌چاله رخ داده و در نتیجه آن سیاه‌چاله‌ای بزرگ‌تر حاصل شده است.

کوتوله‌ها و غول‌ها

اگرچه نحوه تشکیل سیاه‌چاله‌ها مشخص شده، با این حال یکی از راز‌های قدیمی در مورد سیاه‌چاله‌ها این است که چرا آن‌ها از نظر اندازه در دو دسته‌بندی کاملا متفاوت قرار می‌گیرند.

در نهایت باید گفت که بینهایت سیاه‌چاله با اندازه معمولی وجود دارند که در نتیجه مرگ ستاره‌های سنگین ایجاد شده‌اند. این اجرام میان‌ستاره‌ای جرمی بین 10 تا 24 برابر خورشید را دارند. ستاره‌شناسان با استفاده از قرص برافزایشی تشکیل شده در اطرافشان، آن‌ها را شناسایی می‌کنند. توجه داشته باشید که بوجود آمدن سیاه‌چاله در هر ابعادی نیازمند ایجاد شرایط بسیار ویژه‌ای است. با این حال دانشمندان تخمین زده‌اند که در کهکشان راه شیری، به تنهایی بین 10 تا 1000 میلیون مورد از این سیاه‌چاله‌ها وجود دارد.

در سر دیگر طیف سیاه‌چاله‌ها از نظر ابعاد، سیاه‌چاله‌هایی غول‌پیکر تحت عنوان «ابرسیاه‌چاله» (Supermassive Black Hole) وجود دارند که میلیون‌ها برابر خورشید هستند. دانشمندان معتقدند که ابرسیاه‌چاله‌ها در مراکز کهکشان‌ها قرار دارند. حتی در مرکز کهکشان ما نیز سیاه‌چاله‌ای قرار دارد. معمولا این گونه از سیاه‌چاله‌ها را با استفاده از حرکت توده‌ اجرام فضایی در اطرافشان شناسایی می‌کنند.

به نظر می‌رسد در مرکز هر کهکشان مارپیچی، یک ابرسیاه‌چاله وجود دارد.

یکی دیگر از مکانیزم‌های دیگرِ تولد سیاه‌چاله، برخورد زنجیره‌ای ستاره‌های سنگین در خوشه‌های ستاره‌‌ای است که منجر به ایجاد ستاره‌هایی سنگین‌تر خواهد شد. در مرحله بعدی، این ستاره‌ها فروپاشی شده و تولد سیاه‌چاله را در پی خواهند داشت. نهایتا خوشه‌های ستاره‌ای توسط این سیاه‌چاله‌ها مکیده شده و با در آمیخته شدن سیاه‌چاله‌ها، ابرسیاه‌چاله‌ها را بوجود خواهند آورد.

جالب است بدانید که از نظر تاریخی، کیهان‌شناسان معتقد بودند که سیاه‌چاله‌ای با اندازه‌ متوسط وجود ندارد. با این حال اطلاعات اخیر بدست آمده از رصد خانه چاندرا نشان می‌دهد که سیاه‌چاله‌های با اندازه متوسط نیز وجود دارند.

در بیست و یکم فروردین سال 1398 اولین تصویر واقعی از یک سیاه چاله منتشر شد. این تصویر که در ادامه ارائه شده، افق رویداد مربوط به ابرسیاه‌چاله‌ای است که در کهکشان M87M87 قرار گرفته است. جرم این سیاه‌چاله، 6.55 میلیارد برابر خورشید بوده و فاصله آن از زمین نیز برابر با 500 میلیون تریلیون کیلومتر است.