اللهم صل علی محمد و آل محمد و عجل فرجهم

سیاه‌چاله چیست و چگونه تشکیل می‌شود؟

سیاه‌چاله چیست و چگونه تشکیل می‌شود؟

سیاه‌چاله چیست و چگونه تشکیل می‌شود

سیاه‌چاله (black hole) ناحیه‌ای در فضاست که معمولا پس از درهم‌شکستن یک ستاره پُرجِرم و انفجار ابرنواختر به‌جای می‌ماند. شدت گرانش یا جاذبه سیاه‌چاله به‌حدی است که هیچ چیز حتی نور نیز نمی‌تواند از آن بگریزد. به‌همین سبب، سیاه‌چاله‌ها نواحی کاملا تاریک و سیاهی هستند که کسی هنوز نمی‌داند درون‌شان چه می‌گذرد. گرانش شدید سیاه‌چاله بر محیط اطرافش تاثیر شگرفی به‌جای می‌‌نهد و اخترشناسان با دیدن همین آثار و تغییرها به وجود سیاه‌چاله پی می‌برند. این مطلب در ادامه با جزییات بیشتری توضیح می‌‌دهد که سیاه‌چاله چیست و چگونه تشکیل می‌شود. همچنین درباره ساختار سیاه‌چاله از جمله افق رویداد و تکینگی و نیز درباره انواع سیاه‌چاله و نیز درباره مفاهیمی مثل سفیدچاله و کرم‌چاله توضیحاتی ارائه خواهدشد.

توضیح تصویر ابتدای مقاله: تصویر شبیه‌سازی شده گرافیکی از سیاه‌چاله دجاجه ایکس ۱ که با جاذبه قدرتمندش گازها و عناصر ستاره بزرگ مجاورش را تدریجا جذب خود می‌کند. درباره سیاه‌چاله‌ مذکور، در بخش «برخی از سیاه‌چاله‌های معروفی» بیشتر توضیح داده شده است.

مطلب مرتبط: تلسکوپ جیمز وب چیست و کجاست و چگونه کار می‌کند؟

سیاه‌چاله چیست

طبق توضیح نظریه نسبیت عام، هر جسم متناسب با جرم خود، در فضا-زمان گودی و انحنا ایجاد می‌کند. این گودی متناسب با میزان شیب خود، اجسام دیگر را سمت خود می‌کشد که این همان گرانش یا جاذبه است. هرچه جرم شیء بیشتر باشد، گودی حاصل از آن نیز عمیق‌تر خواهدبود. اگر ماده‌ای که جرم فراوانی دارد به‌شدت متراکم شود، در فضا-زمان گودی بسیار عمیقتر (یعنی گرانش شدیدتری) پدید می‌آورد. چنین ناحیه‌ای از فضا-زمان را سیاه‌چاله می‌نامند. چنانچه هر شیء دیگری حتی نور وارد میدان گرانشی سیاه‌چاله شود، به‌درون این گودی کشیده می‌شود و نمی‌تواند از آن بگریزد.

به‌عبارت دیگر، جاذبه یا گرانش شدید سیاه‌چاله، نور و هر شیء دیگری را می‌بلعد. لذا خود سیاه‌چاله‌ها دیده نمی‌شوند اما به‌سبب جاذبه شدید‌ی که دارند بر محیط اطراف‌شان تغییرات خاصی به‌جای می‌نهند که با مشاهده همین آثار و تغییرها می‌توان محل سیاه‌چاله‌ها در فضا را تشخیص داد.

گرانش یا جاذبه و ارتباط آن با سیاه‌چاله

تصویر ۱. طبق نظریه نسبیت، هر شیءای متناسب با جرم خود، در فضا-زمان گودی ایجاد می‌کند. در این تصویر گرافیکی، زمین نیز متناسب با جرم خود، در فضا-زمان گودی ایجاد کرده است. شیب این گودی، اجسام دیگر را سمت خود می‌کشد و این همان گرانش یا جاذبه است. 

مطلب مرتبط: ستاره چیست و چگونه تشکیل می‌شود

چرا سیاه‌چاله‌‌ها دیده نمی‌شوند؟

سیاه‌چاله‌ها دیده نمی‌شوند، چون هیچ نوری از سیاه‌چاله عبور نمی‌کند و از آن منعکس نمی‌شود. اما شاید بپرسید که اگر سیاه‌‌چاله‌ها دیده نمی‌شوند، از کجا می‌دانیم که اصلا وجود دارند؟

همانطور که اشاره شد، سیاه‌چاله‌ها در فضازمان خمیدگی ایجاد می‌کنند و شکل آن را تغییر می‌دهند. این تغییرات را می‌توان مشاهده کرد. گاهی نور طوری در اطراف سیاه‌چاله خم می‌شود که ما تصویر برخی ستاره‌ها را هم‌زمان در هر دو سوی سیاه‌چاله می‌بینیم! ستاره‌ واقعا تکثیر نمی‌شود، بلکه نوری که از آن منتشر می‌شود، در اثر گرانش قدرتمند سیاه‌چاله چنان خمیده می‌شود که ما آن‌را به‌شکل قرینه در هر دو سوی سیاه‌چاله می‌بینیم. این پدیده را هم‌گرایی گرانشی (gravitational lensing) می‌گویند.

پیش از توضیحات بیشتر درباره سیاه‌چاله‌ها لازم است مفهوم سرعت گریز توضیح داده شود.

 

سرعت گریز

حداقل سرعت لازم برای فرار یک شیء از جاذبه یک شیء دیگر را سرعت گریز (escape velocity) می‌نامند. منطقاً هرچه شدت جاذبه بیشتر باشد، سرعت گریز نیز باید بیشتر باشد تا شیء بتواند از آن میدان‌ گرانشی قدرتمند فرار کند و به‌درونش کشیده نشود.

سرعت گریز از گرانش زمین حدود ۱۱.۲ کیلومتر در ثانیه است. مثلا اگر یک دنباله‌دار به زمین نزدیک شود، تحت تاثیر نیروی جاذبه زمین به‌سمت آن کشیده می‌شود اما چنانچه سرعتش دست‌کم ۱۱.۲ کیلومتر در ثانیه باشد، می‌تواند از گرانش زمین بگریزد و به‌ زمین برخورد نکند. طبیعتا خورشید چون جرم بیشتری دارد، گرانش آن شدیدتر و نتیجتاً سرعت گریز از گرانش خورشید نیز بیشتر است. سرعت گریز از گرانش خورشید بیش از ۶۰۰ کیلومتر در ثانیه است. یعنی اجسامی که به خورشید نزدیک می‌شوند، باید بیش از ۶۰۰ کیلومتر در ثانیه سرعت داشته باشند تا بتوانند از جاذبه خورشید بگریزند.

سرعت گریز با جرم جسم مبداً رابطه مستقیم دارد. یعنی هر چه جرم یک شیء بیشتر باشد، گرانش آن قوی‌تر است و درنتیجه شیء دوم برای گریختن از آن باید سرعت بیشتری داشته باشد. اجسامی که جرم بسیاری دارند، الزاماً و همیشه بزرگ و حجیم نیستند. مثلا جرم یک ستاره‌ نوترونی چندین برابر جرم خورشید، اما اندازه آن بسیار کوچکتر از زمین است. چنین جسمی هرچه متراکم‌تر باشد، جاذبه شدیدتری خواهدداشت.

اکنون جسم بسیار پرجِرم و بسیار فشرده‌ای را تصور کنید که سرعت گریز از آن بیش از ۳۰۰,۰۰۰ کیلومتر در ثانیه یعنی معادل سرعت حرکت نور در خلاء است. جاذبه یا گرانش چنین جسمی چنان قوی است که حتی به نور هم اجازه نمی‌دهد از آن عبور کند. و چون هیچ نوری از آن جسم منعکس نمی‌شود، ما نمی‌توانیم آن‌را ببینیم. این همان سیاه‌چاله است.

مطلب مرتبط: ستاره نوترونی چیست و چگونه پدید می‌آید

ساختار سیاه‌چاله

ساختار سیاه‌چاله شامل بخش‌های متعددی است. برخی از بخش‌های مهم سیاه‌چاله چنین هستند:

  • افق رویداد
  • قرص برافزایشی
  • تکنینگی
  • شعاع شوارتزچیلد
  • محدوده چاندراسخار

 

ساختار سیاه‌چاله

تصویر ۲. ساختار سیاه‌چاله: یک ستاره پرجرم ممکن است در پایان زندگیش به چنین سیاه‌چاله‌ای تبدیل شود. فشرده شدن جرم در یک نقطه، در فضا-زمان انحنای شدیدی پدید می‌آورد. نقطه تراکم جرم همان تکینگی است. 

مطلب مرتبط: تلسکوپ چیست و چگونه کار می‌کند: انواع تلسکوپ‌ها و ساختار آن‌ها

افق رویداد

آن محدوده از اطراف سیاه‌چاله را که هیچ چیزی و حتی نور نیز نمی‌تواند از آن بگریزد، افق رویداد (event horizon) می‌نامند. قاعدتاً اگر نور یا شیءای وارد محدوده افق رویداد شود، تحت تاثیر گرانش شدید سیاه‌چاله به درون آن کشیده می‌شود و یا تغییر شکل می‌دهد، اما چون هیچ نوری از این ناحیه منعکس نمی‌شود، نمی‌توان این تغییرات احتمالی را مشاهده کرد.

اگر می‌توانستید در فاصله امنی از یک سیاه‌چاله بایستید و هم‌زمان سفینه‌ای به سیاه‌چاله نزدیک می‌‌شد، سرانجام در نقطه معینی چنین به نظر می‌رسید که سفینه بی‌حرکت مانده است. آن نقطه خاص را افق رویداد می‌نامند. در آن نقطه خاص، نور دیگر نمی‌تواند از گرانش قدرتمند سیاه‌چاله بگریزد و لذا شما نور مرتبط با ادامه حرکت سفینه را نمی‌بینید. سرنشینان سفینه اما از این بابت تغییری حس نمی‌کنند. البته این داستان، تماماً فرضی بود زیرا در افق رویداد و حتی فرسنگ‌ها مانده به افق رویداد، جاذبه چنان شدید است که هر جسمی را متلاشی می‌کند.

دمای سیاه‌چاله‌هایی که از انفجار ستاره‌های بزرگ به‌جای مانده‌اند، میلیاردها کلوین (معادل میلیاردها درجه سانتی‌گراد) است.

افق رویداد یا نقطه بی‌بازگشت، ناحیه‌ای است که در آن ناحیه، شدت گرانش سیاه‌چاله بر تکانه یا ممنتوم ماده چرخان حول سیاه‌چاله غلبه می‌کند. لذا وقتی چیزی وارد افق رویداد سیاه‌چاله می‌شود نمی‌تواند از آن بیرون برود.

در سیاه‌چاله‌هایی که نمی‌چرخند، شعاع افق رویداد برابر شعاع شوارتزچیلد است و آن، نقطه‌ای است که در آن‌جا سرعت گریز از سیاه‌چاله برابر سرعت نور است. به‌لحاظ نظری هر جرمی می‌تواند چنان فشرده شود تا نهایتا سیاه‌چاله تشکیل دهد. اما برای این منظور باید اندازه فیزیکی آن کمتر از شعاع شوارتزچیلد باشد. مثلا اگر تمام جرم خورشید چنان فشرده شود که درون کره‌ای به قطر ۲.۵ کیلومتر جا شود، به سیاه‌چاله تبدیل می‌شود.

قرص برافزایشیِ سیاه چاله چیست

قرص باریکی متشکل از گازها و ذرات داغ است که حول سیاه‌چاله و افق رویداد می‌چرخد و گاهی حرکت مارپیچی به‌خود می‌گیرد. با این‌که خود سیاه‌چاله و حتی افق رویداد را نمی‌شود دید، اما قرص برافزایشی قابل مشاهده است (ویدیو ۱ را ببینید).

ویدیو ۱: شبیه‌سازی گرافیکیِ سیاه‌چاله و چرخش قرص برافزایشی حول آن (حجم ویدیو کمتر از ۵ مگابایت)


تکینگی

یکی از نتیجه‌گیری‌های نظریه نسبیت این بود که نیروی گرانش همان خمیدگی فضا-زمان است. از دید این نظریه، هر شیء آسمانی از جمله زمین، خورشید و ستارگان در فضا-زمان خمیدگی ایجاد می‌کنند و شکل آن‌را تغییر می‌دهند. هرچه جرم جسم بیشتر باشد، فضا-زمان را بیشتر تغییر می‌دهد که یعنی گرانش یا جاذبه آن بیشتر است. جرم سیاه‌چاله‌ها میلیاردها برابر جرم زمین است و گودی بسیار عمیق‌تری در فضا-زمان پدید می‌آورند. لذا نور و اجسامی که وارد افق رویداد سیاه‌چاله می‌شوند، نمی‌توانند از شیب شدید گودی آن بگریزند. نقطه مرکزی سیاه‌چاله، عمیق‌ترین نقطه آن است که آن‌را تکینگی (singularity) می‌نامند. طبق نظریه نسبیت، گرانش و جرم سیاه‌چاله در این نقطه، بی‌نهایت است.

قلب سیاه‌چاله درون افق رویداد واقع شده است و آن‌را تکینگی (Singularity) می‌نامند. هر چیزی درون افق رویداد به‌سمت تگینگی کشیده می‌شود و دیگر نمی‌تواند از سیاه‌چاله خارج شود. در نقطه تکینگی، منحنی فضا-زمان و شدت گرانش، بی‌نهایت است و لذا زمان و مکان مفهوم رایج و متعارف‌ خود را از دست می‌دهند. جالب آن است که نزدیک نقطه تکینگی، شرایطی خلاف قوانین فیزیک رخ می‌دهد، اما دلایل و شواهد نظریه نسبیت عام نیز به‌اندازه‌ای است که نمی‌توان وجود تکینگی را رد کرد. برای حل این تناقض، نظریه cosmic censorship conjecture مطرح شده است. این نظریه می‌گوید، هر تکینگی باید یک افق رویداد داشته باشد که آن‌را از دید پنهان می‌کند، و سیاه‌چاله‌ها نیز دقیقا همین‌گونه هستند.

شعاع شوارتزچیلد

شعاع شوارتزچیلد (Schartzchild radius)، به شعاع کره‌ای فرضی اشاره دارد که اگر تمام جرم یک جسم هم‌اندازه آن کره شود، سرعت گریز از آن برابر سرعت نور خواهدبود، یعنی آن جسم عملاً مانند یک سیاه‌چاله عمل می‌کند و نور را به‌درون خود می‌کشد. این محاسبه را کارل شوارتزچیلد اخترشناس در سال ۱۹۱۵ انجام داد.

البته خیلی از اجسام نمی‌توانند چنین باشند، زیرا شعاع اکثر اجرام آسمانی و از جمله ستاره‌ها بسیار بیشتر از شعاع شوارتزچیلدشان است. مثلا شعاع شوارتزچیلد زمین کمتر از ۱ سانتی‌متر است. یعنی برای این‌که زمین عملاً به یک سیاه‌چاله تبدیل شود، باید چنان فشرده شود که شعاع آن به کمتر از ۱ سانتی‌متر کاهش یابد. شعاع شوارتزچیلد را می‌توان افق رویداد یک سیاه‌چاله دانست.

محدوده چاندراسخار

محدوده چاندراسخار (Chandrasekhar) حدی از جرم است که یک ستاره کوتوله سفید اگر آن میزان جرم داشته باشد، پایدار می‌ماند. چنانچه جرم کوتوله سفید حتی اندکی از این مقدار فراتر رود، بیش از پیش می‌رمبد و در خود فرومی‌شکند تا نهایتا به ستاره نوترونی و یا به سیاه‌چاله تبدیل ‌شود. محدوده چاندراسخار حدود ۱.۴۴ برابر جرم خورشید محاسبه شده است. لذا ستاره‌هایی که جرم آن‌ها ۱.۴۴ تا ۳ برابر جرم خورشید است، پس از سپری کردن مراحل تکامل خود طی میلیاردها سال نهایتا به ستاره نوترونی و آن‌هایی که جرم‌شان بیش از ۳ برابر جرم خورشید باشد، سرانجام به سیاه‌چاله ستاره‌ای تبدیل می‌شوند.

مطلب مرتبط: رنگ ستاره‌ها و ارتباط آن با دمای سطح ستاره

سیاه‌چاله چگونه تشکیل می‌شود

طبق یافته‌های فعلی دانشمندان، سیاه‌چاله‌ها به یکی از این سه شیوه تشکیل می‌شوند:

  • رمبش گرانشی
  • چگالی مهبانگی
  • برخورد ذرات بنیادی

 

رمبش گرانشی (Gravitational collapse) – سیاه‌چاله چیست و چگونه تشکیل می‌شود

فروشکستن یک جسم به‌سمت درون یا به‌عبارتی مچاله شدن آن‌را رمبش می‌نامند. رمبش رایج‌ترین علت تشکیل سیاه‌چاله‌هاست. در اجسام آسمانی مثل ستاره‌ها همواره دو نیرو با هم در تضاد هستند: یکی گرانش و دیگری نیروی فشار درونی جسم.

گرانش یا جاذبه می‌خواهد تمام ذرات ستاره را رو به‌درون بفشارد. در مقابل، فشار درونی ستاره که هم‌جوشی هسته‌ای و گرمای ناشی از آن حاصل می‌شود، می‌کوشد لایه‌ها و ذرات ستاره را به فضای بیرون بپاشد. وقتی این دو نیروی متضاد به تعادل برسند، ستاره اصطلاحا متولد و درخشش آن آغاز می‌شود.

وقتی پس از میلیون‌ها یا میلیاردها سال هیدروژن، هلیوم و سایر عناصر گداخت‌پذیر ستاره پایان می‌یابند، فشار درونی ستاره کاهش می‌یابد و گرانش بر آن غلبه می‌کند. ستاره در اثر گرانش شدید خود، رو به درون فرومی‌شکند و فشرده می‌شود یا اصطلاحا می‌رمبد. اکثر ستاره‌ها آن‌قدر بزرگ و پرجرم نیستند که گرانش آن‌ها تماما بر فشار درونی ستاره غلبه کند. لذا حتی در این مرحله نیز تعادل هیدرواستاتیکی ستاره به‌هم نمی‌خورد و ستاره نهایتاً به ستاره کوتوله تبدیل می‌شود. اما اگر ستاره اصلی بسیار بزرگ و پرجرم باشد، گرانش آن کاملاً بر فشار درونی چیره می‌شود و ستاره پیوسته فشرده‌تر و سرانجام به سیاه‌چاله تبدیل می‌شود.

 

چگالی مهبانگی (Big bang density) – سیاه‌چاله چیست و چگونه تشکیل می‌شود

همانطور که در بخش پیشین نیز اشاره شد، افزایش شدید چگالی، شرط لازم برای تشکیل سیاه‌چاله است. یافته‌های فعلی می‌گویند که عالَم بلافاصله پس از مهبانگ بسیار متراکم و پرچگال بود. تغییرات جزئی در چگالی کلی عالم در آن زمان، سیاه‌چاله‌های کوچک و بزرگی پدید آورد که برخی از آن‌ها بسیار ریز و نادیدنی و برخی دیگر بسیار بزرگ بودند. جرم برخی از سیاه‌چاله‌ها صدها هزار برابر جرم خورشید بود.

 

برخورد ذرات بنیادی (Collision of subatomic particles) – سیاه‌چاله چیست و چگونه تشکیل می‌شود

قوانین گرانشی کوانتوم می‌گویند اگر ذرات بنیادی اتم با انرژی بسیار به هم برخورد کنند احتمالا سیاه‌چاله‌های بسیار ریزی در مقیاس اتم تشکیل می‌شوند. شاید هنگامی که پرتوهای کیهانی با جو زمین برخورد می‌کنند، چنین سیاه‌چاله‌هایی تشکیل می‌شوند اما خیلی زود و طی تنها ۱ نانوثانیه تبخیر و نابود می‌شوند.

مطلب مرتبط: ستاره‌ فراغول‌ چیست و چه ویژگی‌هایی دارد

انواع سیاه‌ چاله‌ چیست و چگونه تشکیل می‌شود

سیاه‌چاله‌ها بر حسب سه ویژگی جرم، چرخش و بار الکتریکی دسته‌بندی می‌شوند که به آن‌ها اشاره می‌شود.

دسته‌بندی سیاه‌‌‌چاله‌ها از نظر جرم – چهار گونه اصلی سیاه‌چاله‌ها بر حسب جرم چنین هستند:

  • سیاه‌چاله‌های آغازین (Primordial Black Hole): جرمشان به‌اندازه جرم زمین یا کمتر از آن است. وجود این سیاه‌چاله‌ها هنوز اثبات نشده و لذا فعلا فقط در حد فرضیه هستند. اگر چنین سیاه‌چاله‌هایی وجود داشته باشند، احتمالاً هنگام وقوع مهبانگ و در اثر رمبش گرانشی مناطق بسیار پرچگال پدیده آمده‌اند.
  • سیاه‌چاله‌های ستاره‌وار (Stellar Mass Black Hole): جرم آن‌ها ۴ تا ۱۰۰ برابر جرم خورشید است و در اثر رمبش هسته یک ستاره پرجرم در اواخر زندگیش پدید می‌آیند. آن‌ها چندان بزرگ نیستند.
  • سیاه‌چاله‌های جرم متوسط (Intermediate mass black hole): جرم آن‌ها ۱۰۰ تا ۱۰۰.۰۰۰ برابر جرم خورشید است. اولین سیاه‌چاله‌ کشف شده از این نوع، HLX-1 نام دارد که از چشمه‌های انتشار پرتو ایکس و نزدیک به مرکز کهکشان S0 است.
  • سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم (Supermassive black hole): جرم آن‌ها ۱۰۵ تا ۱۰۱۰ برابر جرم خورشید است و در مرکز اکثر کهکشان‌ها هستند. کهکشان راه شیری نیز در مرکز خود یک ابرسیاه‌چاله دارد.

 

دسته‌بندی سیاه‌‌‌چاله‌ها از نظر چرخش و بار الکتریکی – سیاه‌چاله‌ها را می‌توان برحسب دو ویژگی دیگر یعنی چرخش و بار الکتریکی نیز دسته‌بندی کرد:

  • سیاه‌‌چاله‌های شوارتزچیلد (Schwarzschild) یا سیاه‌چاله‌های ثابت، نه می‌چرخند و نه بار الکتریکی دارند. تنها مشخصه آن‌ها جرم‌شان است.
  • سیاه‌چاله‌های کر (Kerr black hole)، می‌چرخند اما بار الکتریکی ندارند.
  • سیاه‌چاله‌های باردار (Charged black hole)، دو نوعند: آن‌هایی که نمی‌چرخند را ریسنر-نوردستروم (Reinssner-Nordstrom) نامیده‌اند. آن‌هایی که می‌چرخند و بار الکتریکی هم دارند، کر-نیومن (Kerr-Newman) نام گرفته‌اند.

مطلب مرتبط: کهکشان چیست و چگونه تشکیل‌ می‌شود 

آیا سیاه‌چاله‌ها سرانجام کیهان را می‌بلعند؟

آیا ابرسیاه‌چاله‌‌‌‌ها می‌توانند سرانجام کهکشان‌ها و ستاره‌ها و تمام کیهان را ببلعند؟ به‌لحاظ نظری چنین چیزی ممکن است اما هزار میلیارد سال طول می‌کشد تا چنین چیزی اتفاق بیافتد. ستاره‌های مرکز کهکشان به‌تدریج به‌درون سیاه‌چاله کشیده و ناپدید می‌شوند. هر بار که ستاره‌ای به‌درون سیاه‌چاله کشیده می‌شود جرم آن به جرم سیاه‌چاله اضافه می‌شود تا سرانجام جرم سیاه‌چاله به صدها میلیارد جرم خورشیدی افزایش می‌یابد. اما چنین پدیده‌ای هزاران هزار میلیارد سال زمان لازم دارد. تصور می‌شود که سیاه‌چاله‌ها سرانجام کیهان را خواهند بلعید.


سرانجام سیاه‌چاله‌‌

آیا سیاه‌چاله‌ همیشه پابرجا می‌ماند؟ نخست تصور می‌شد که سیاه‌چاله‌ها نابود نمی‌شوند اما قوانین مکانیک کوانتوم خلاف آن‌را نشان دادند.

سیاه‌چاله‌ها هر چه را که در مجاورت‌شان باشد می‌بلعند و مدام بر جِرم آن‌ها افزوده می‌شود. برخی اخترشناسان می‌گویند با ادامه این روند، تمام کیهان نهایتاً به یک سیاه‌چاله بسیار بزرگ تبدیل می‌شود. طبق نظریه نسبیت عام وقتی یک سیاه‌چاله‌ها پدید می‌آید، همیشه باقی می‌ماند زیرا هیچ چیزی نمی‌تواند از آن بگریزد. اما قوانین مکانیک کوانتوم نشان دادند که حتی سیاه‌چاله‌ها نیز سرانجام تبخیر می‌شوند زیرا تدریجاً پرتو هاوکینگ از آن‌ها نشت می‌کند. لذا عمر سیاه‌چاله‌ به جرم آن بستگی دارد. سیاه‌چاله‌های کوچکتر یعنی آن‌هایی که جرم کمتری دارند زودتر تبخیر می‌شوند. برای مثال، سیاه‌چاله‌ای که جرم آن برابر با جرم خورشید باشد، ۱۰۶۷ سال بعد تبخیر می‌شود که این زمان بسیار طولانی‌تر از عمر فعلی کیهان است. اما سیاه‌چاله‌ای که جرم آن فقط‌ ۱۰۱۱ کیلوگرم باشد، طی ۳ میلیارد سال نابود می‌شود.

 

تابش هاوکینگ

با این‌که ویژگی مهم سیاه‌چاله‌ها گرانش شدید آن‌هاست و هیچ چیزی حتی نور نمی‌تواند از جاذبه آن‌ها بگریزد اما استفان هاوکینگ در سال ۱۹۷۴ پیش‌بینی کرد سیاه‌چاله‌هایی که در حال چرخش هستند، به‌علت اثرات کوانتومی موجود در مجاورت افق رویداد، امواجی از خود منتشر می‌کنند. پس از مدتی درستی این پیش‌بینی اثبات شد و آن‌ها را تابش هاوکینگ (Hawking radiation) نامیدند. موادی که این سیاه‌چاله‌ها در فضا منتشر می‌کنند، بیش از موادی است که جذب می‌کنند. لذا سیاه‌چاله‌ها رفته‌رفته کوچکتر و سرانجام تبخیر می‌شوند.

البته شاهد آوردن برای این موارد کار ساده‌ای نیست چون هیچ نوری از سیاه‌چاله‌ها به بیرون منعکس نمی‌شود و خود سیاه‌چاله را نمی‌توان دید. اما با یافتن چشمه‌ها و فواره‌های پرتو ایکس و مشاهده گردش اجرام و ستار‌گان حول یک جِرم نامرئی، می‌توان به وجود سیاه‌چاله در آن نقطه پی برد. اما همین کار هم سخت است چون ستاره‌های نوترونی و تپ‌اخترها نیز در محیط اطراف‌شان اثر مشابهی دارند و لذا برای تشخیص آن‌ها از سیاه‌چاله‌ها باید جرم و اندازه شیء تخمین زده شود. اگر جرم و چگالی آن شیء بسیار بیشتر از جرم و چگالی متعارف یک یا چند ستاره نوترونی باشد، نتیجه می‌گیرند که آن شیء یک سیاه‌چاله است.

مطلب مرتبط: تپ‌اختر چیست و چه ویژگی‌هایی دارد

برخی از سیاه‌چاله‌های معروف

برخی از سیاه‌چاله‌های معروفی که تاکنون کشف شده‌اند و ویژگی‌های آن‌ها در ادامه توضیح داده می‌شود.

  • ماکیان ایکس یک یا دجاجه ایکس یک (Cygnus X-1): یک سیاه‌چاله‌ ستاره‌‌وار (stellar-mass black hole) و از منابع انتشار پرتو ایکس است که ۶۵۰۰ سال نوری از ما فاصله دارد. این سیاه‌چاله یک منظومه دوتایی متشکل از دو ستاره ابرغول آبی متغیر و چشمه پرتو ایکس است که تصور می‌شود سیاه‌چاله باشند. ماکیان ایکس یک، نخستین جرم آسمانی‌ای بود که در سال ۱۹۶۴ به‌عنوان سیاه‌چاله‌‌ معرفی شد.
  • کمان اِی (*Sagittarius A): ابرسیاه‌چاله‌ای در مرکز کهکشان راه شیری است که در جهت صورت فلکی کمان واقع شده است و جرم آن حدود ۴ میلیون برابر جرم خورشید است.
  • کهکشان M87: این کهکشان بیضوی در دل خود سیاه‌چاله‌ای دارد که جرم آن ۳.۵ میلیارد برابر جرم خورشید است. قرصی از مواد بسیار داغ این سیاه‌چاله را احاطه کرده‌اند و هم‌زمان، مواد بسیار داغی نیز سیاه‌چاله به بیرون فوران می‌کنند که در ناحیه‌ای به قطر ۵۰۰۰ سال نوری از هسته کهکشان در فضا پخش می‌شوند.
  • قنطورس اِی (Cenaurus A): کهکشان مارپیچی بزرگی در جهت صورت فلکی قنطورس است که هسته بسیار فعالی دارد. در دل این کهکشان سیاه‌چاله‌ای با ۵۵ میلیون جرم خورشیدی جای دارد که جریانی از مواد با نصف سرعت نور از دو سمت آن به بیرون فوران می‌کنند و یک میلیون سال نوری در فضا پیش می‌روند.

تاریخچه کشف سیاه‌چاله‌ها

نظریه وجود اجرامی با میدان مغناطیسی‌ بسیار قوی که حتی نور را نیز از خود عبور نمی‌دهند در قرن ۱۸ میلادی توسط جان میچل و پیر-سیون لاپلاس مطرح شد. اولین توضیح مدرن نسبیت عام که توانست خاصیت و رفتار سیاه‌چاله‌ها را توضیح دهد، توسط کارل شوارتزچیلد در ۱۹۱۶ مطرح شد. اما تفسیر آن به‌عنوان منطقه‌ای از فضا که هیچ چیزی از آن نمی‌گریزد نخستین بار در ۱۹۵۸ توسط دوید فینکلشتاین ارائه شد. طی دهه ۱۹۶۰ پژوهش‌های نظری نشان دادند که سیاه‌چاله‌ها پیش‌بینی کلی نظریه نسبیت عام بوده‌اند. کشف ستاره‌های نوترونی برخی از اخترشناسان را مجددا به تحقیق درباره اجرام فشرده‌ای واداشت که در اثر رمبش گرانشی پدید آمده‌اند و وجودشان از نظر اخترفیزیکی ممکن است.

شوارتزچیلد با بهره‌گیری از نظریه نسبیت عام کشف کرد که اگر ماده در یک نقطه متراکم شود، درون ناحیه‌ای کروی در فضا محصور می‌شود و هیچ چیز حتی نور نیز نمی‌تواند از درون آن ناحیه کروی بگریزد. مرز این حصار را افق رویداد می‌نامیم، یعنی از این محدوده به بعد، هر آنچه که درون سیاه‌چاله اتفاق بیافتد از نظر ما نامرئی خواهدبود، زیرا هیچ نور و اطلاعاتی از آن‌جا به بیرون منعکس نمی‌شود. نقطه تراکم ماده را نیز امروزه تکینگی (Singularity) می‌نامیم.


سفیدچاله و کرم‌چاله

سفیدچاله فعلا مفهومی نظری و فرضی است، یعنی شاید هرگز وجود نداشته باشد، اما باتوجه به معادله نسبیت عام، وجود چنین چیزی از منظر ریاضی امکان‌پذیر است. اگر سفیدچاله‌ها وجود داشته باشند، ویژگی و رفتار آن‌ها دقیقا عکس ویژگی و رفتار سیاه‌چاله‌هاست. یعنی هر چیزی که به افق رویداد سفیدچاله نزدیک شود، آزادانه از آن عبور می‌کند. لذا شاید سفیدچاله و سیاه‌چاله با یک پل زمان‌-فضایی به‌هم راه داشته باشند که آن پل، کرم‌چاله (wormhole) است (مثل دو قیف که سر تنگ‌شان به هم متصل است). کرم‌چاله‌ها فضا-زمان را خم می‌کنند، درنتیجه اگر چیزی وارد یکی از چاله‌ها شود از چاله بعدی بیرون می‌آید و به عبارت دیگر، در زمان سفر می‌کند و می‌تواند به گذشته برود. البته کرم‌چاله‌ها اگر وجود داشته باشند، بسیار ناپایدارند.

کرم‌چاله، سیاه‌چاله‌ و سفیدچاله

تصویر ۳. تصویری گرافیکی که ارتباط سیاه‌چاله‌ و سفیدچاله از طریق کرم‌چاله را نشان می‌دهد. 


جمع‌بندی: سیاه‌ چاله چیست و چگونه تشکیل می‌شود

در این مطلب خواندیم که سیاه‌چاله چیست و چگونه تشکیل می‌شود. سیاه‌چاله ناحیه‌ای از فضا-زمان است که در اثر گرانش شدید، هر چیزی حتی نور را می‌بلعد و به‌آن اجازه عبور نمی‌دهد. طبق پیش‌بینی نظریه نسبیت عام، اگر شیءای با جرم بسیار، به‌اندازه کافی فشرده و متراکم شود فضا-زمان را خم می‌کند و یک سیاه‌چاله تشکیل می‌دهد. محدوده‌ای را که از آن محدوده به بعد هیچ چیزی و حتی نور نیز نمی‌تواند بگریزد، افق رویداد می‌نامند. قاعدتاً هر چیزی که وارد محدوده افق رویدادشود سرانجامش تحت تاثیر گرانش شدید سیاه‌چاله، دگرگون می‌شود اما در ظاهر امر تغییر مشهودی روی نمی‌دهد. ضمنا نظریه میدان کوانتومی در فضا-زمان منحنی پیش‌بینی می‌کند که افق رویداد تابش هاوکینگ دارد.

 

موضوع: سیاه‌چاله چیست و چگونه تشکیل می‌شود، سیاه‌ چاله چیست و چگونه تشکیل می‌شود

عنوان: سیاه‌چاله چیست و چگونه تشکیل می‌شود؟

عبارت کلیدی: سیاه‌چاله چیست و چگونه تشکیل می‌شود، سیاه چاله چیست و چگونه تشکیل می‌شود