احتمالا بارها در اخبار علمی یا در زندگی روزمره نام سیاه چاله را شنیده‌اید. سیاه چاله‌ها سال‌ها است ذهن دانشمندان و حتی مردم عامه را به خود مشغول کرده‌اند. در نگاه اول این‌گونه به نظر می‌رسد که هیچ چیز در سیاه چاله وجود ندارد، اما برخلاف نام آن، سیاه چاله مقدار قابل توجهی ماده در ناحیه بسیار کوچکی از فضا است. ستاره‌ای با جرمی معادل ده برابر خورشید را تصور کنید  که در کره‌ای به قطر شهر نیویورک فشرده شده است. نتیجه این تجمعِ جرم بسیار زیاد در حجمی بسیار کم، میدان گرانشی بسیار قوی است که هیچ چیز، حتی نور نمی‌تواند از آن بگریزد. سیاه چاله‌ها را می توان یکی از عجیب‌ترین و اسرارآمیز ترین اجرام شناخت؛ به‌خصوص با ثبت اولین تصویر سیاه‌چاله در سال ۲۰۱۹ و اثبات فرضیه‌های متعدد مربوط به آن علاقه مردم و دانشمندان به این اجرام بیشتر شد؛ اما چه ویژگی‌هایی وجود دارد که سیاه چاله‌ها را تا این حد هیجان انگیزو جذاب کرده است؟ با اینکه بیش از صد سال از ارائه نظریه نسبیت عام انیشتین گذشته اما سیاه چاله ها هنوز نیز برای ما مبهم باقی مانده اند، با این حال اطلاعات جالبی از آن ها در این مقاله برایتان جمع آوری کردیم که دانستن آن ها برایتان جالب خواهد بود. با ما همراه باشید.

سیاه چاله ها در فضا

سیاه چاله‌ ها یکی از حیرت آورترین و شگفت‌انگیزترین اجسام در فضا هستند. سیاه چاله نقطه تاریکی در فضا و مرکز گرانش است جرم بسیار زیاد سیاه چاله سبب ایجاد نیروی جاذبه بسیار قوی (نیروی گرانش) در اطراف آن شده است، به گونه‌ای که حتی نور نمی‌تواند از جاذبه قوی آن فرار کند. سیاه چاله ها با کمک نیروی جاذبه خود توانایی ربایش هرچیزی حتی نور را دارند، هر ماده ای از اطراف سیاه چاله عبور کند، به صورت مارپیچی به سمت سرنوشت نامعلومی روانه می شود و سیاه چاله آن را مانند جاروبرقی به درون خود می کشد. بر اساس نظریه نسبیت عام انیشتین پس از مرگ ستاره ای سنگین ناحیه ای با جرم سنگین از آن باقی می ماند که اگر جرم ناحیه باقی مانده، بیشتر از 3 برابر جرم خورشید باشد، نیروی گرانش با غلبه بر دیگر نیروها منجر به متمرکز شدن جرم شده و سیاه چاله تشکیل می شود.

یکی از مهم‌ترین سوال‌هایی که دانشمندان در مورد این پدیده شگفت‌انگیز از خود پرسیده‌اند آن است که اگر به سیاه چاله نزدیک شویم چه خواهیم دید. آیا با گذر از سیاه چاله به دنیای دیگری وارد می‌شویم؟ چه رازهایی در مورد جهان هستی در دل سیاه چاله‌ها پنهان شده است؟

تجسم کنید که به مرکز کهکشان راه شیری و در فاصله ۲۶ هزار سال نوری از زمین، سفر می‌کنید. در آسمان میلیون‌ها ستاره را مشاهده می‌کنید و در افق، کره‌ای سیاه‌ رنگ و بسیار عجیب به نام سیاه چاله که اندازه آن ده برابر اندازه خورشید و جرم آن میلیون‌ها برابر خورشید است ظاهر می شود.

سیاه چاله چگونه کشف شد؟

ایده وجود چنین جرم بزرگ و متراکمی در فضا از قرن ها پیش وجود داشته است. سیاه چاله‌ها در سال ۱۹۱۶ در نظریه نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی شدند. پس از چندین دهه که سیاه چاله‌ها تنها به عنوان اجرام نظری شناخته می‌شدند، در سال ۱۹۶۷ جان ویلرJohn ) Wheeler ) ستاره‌شناس آمریکایی، اصطلاح «سیاه چاله» را برای این اجرام ابداع کرد.

ماکیان ایکس-یک (Cygnus X-1) اولین سیاه چاله‌ای است که کشف شد. این سیاه چاله در کهکشان راه شیری و در صورت فلکی ماکیان (Cygnus) قرار دارد. ستاره‌شناسان، اولین نشانه‌های این سیاه چاله را در سال ۱۹۶۴ مشاهده کردند؛ زمانی که یک فضاپیمای صوتی حامل دو شمارشگر گایگر (Geiger Counters) به فضا رفت، منابع فضایی اشعه ایکس دریافت شد. در سال ۱۹۷۱ اخترشناسان تشخیص دادند منشا این پرتوهای اشعه ایکس یک ستاره آبی درخشان است که به دور یک جسم تاریک عجیب می‌چرخد. مطالعات نشان داد جرم این همراه نامرئی 8/14برابر جرم خورشید است و این دو در مدت 6/5 روز به دور یکدیگر می‌چرخند. پژوهشگران پیشنهاد دادند که این پرتوها در نتیجه پرتاب مواد ستاره‌ای از ستاره درخشان و بلع شدن توسط جسم تاریک، یعنی یک سیاه چاله است.

به گفته موسسه علوم تلسکوپ فضایی (STScI) آمریکا از هر هزار ستاره یک ستاره آن‌قدر جرم دارد که بتواند به سیاه چاله تبدیل شود. از آنجایی که کهکشان راه‌شیری دارای بیش از ۱۰۰ میلیارد ستاره است، احتمالا حدود ۱۰۰ میلیون سیاه‌ چاله را در خود جای داده است. البته شناسایی سیاه چاله‌ها کار بسیار سختی است و تخمین‌های ناسا نشان می‌دهد ممکن است بین ۱۰ میلیون تا یک میلیارد سیاه چاله ستاره‌ای در کهکشان راه‌ شیری وجود داشته باشد.

سیاه چاله چگونه تشکیل می شود؟

دانشمندان باور دارند کوچکترین سیاه چاله ها زمانی که جهان آغاز شد به وجود آمدند .سیاه چاله ها از مرگ ستاره های بسیار سنگین مخصوصا ستاره های نوترونی به وجود می آیند. ستاره ها رآکتورهای همجوش خیلی بزرگی هستند که به دلیل بزرگ بودن بیش از اندازه و وجود گاز، میدان گرانشی شدیدی درونشان ایجاد شده و ستاره از درون نابود می شود. در صورت زیاد بودن جرم کلی یک ستاره، نیروی گرانشی منجر به کوچک تر شدن شعاع ستاره شده و زمانی که شعاع ستاره تا اندازه ای خاص کوچک شود، زمان روی ستاره نسبت به ناظر بیرونی متوقف می شود. این لحظه، همان زمان تشکیل سیاه چاله می باشد. این شعاع خاص را «افق رویداد» می نامند.

افق رویداد همانند دهان یک سیاه چاله است، اگر چیزی وارد آن شود، همه رویدادهایی که در فضا زمان رخ می دهند متوقف خواهند شد و هیچ چیز، حتی نور با سرعت عجیب خود هم نمی تواند از آن فرار کند. نام دیگرشعاع یک افق رویداد، شعاع شوارتزشیلد است که بر اساس نام ستاره شناس آلمانی انتخاب شده است. سیاه چاله های بزرگ تر نیز می توانند از برخورد اجسام میان ستاره ای تشکیل شوند. در نتیجه برخورد یک ستاره نوترونی و یک سیاه چاله، انفجاری بزرگ اتفاق می افتد که منجر به تشکیل سیاه چاله ای بزرگ تر خواهد شد.

انوع سیاه چاله

دو مدل سیاه چاله به نام، Schwarzschild ( سیاه چاله های ثابت ) و Kerr ( سیاه چاله های چرخان ) وجود دارند. ساده ترین مدل سیاه چاله ها شوارتزشیلد می باشند که هسته آن ها حالت چرخشی نداشته و تنها یک تکینگی و یک افق رویداد دارند. معمول ترین مدل سیاه چاله ها نیز سیاهچاله Kerr هستند که حالت چرخان دارند زیرا ستاره ای که سیاهچاله از آن به وجود آمده در حال چرخش بوده و زمان فروپاشی از هم، هسته به چرخش خود ادامه می دهد؛ به همین دلیل بعد از تشکیل سیاه چاله، چرخش بنا به قانون پایستگی تکانه زاویه ای ادامه دارد.

سیاهچاله Kerr از تکینگی هسته ی ستاره ی منهدم شده، افق رویداد - ورودی سیاهچاله و ارگوسفر یا کارکُره که ناحیه ای است که که دور تا دور افق رویداد را پوشانده و به خاطر چرخش سیاه چاله ایجاد می شود، حد استاتیک - مرز میان ارگوسفر و فضای حقیقی به وجود آمده است.

از زمان های گذشته کیهان شناسان معتقد بودند که سیاه چاله ای با اندازه متوسط وجود ندارد و سیاه چاله ها از نظر اندازه به دسته بندی کاملا متفاوت کوچک و بزرگ تقسیم می شوند و کوچک ترین سیاه چاله ها به اندازه یک اتم تنها هستند این سیاه چاله ها بسیار کوچک هستند اما جرمی به اندازه یک کوه بزرگ دارند. اما اطلاعات اخیر بدست آمده از رصد خانه چاندرا نشان می دهد که سیاه چاله هایی با اندازه متوسط نیز وجود دارند. در کهکشان راه شیری، بین 10 تا 1000 میلیون سیاه چاله با اندازه معمولی وجود دارد که نتیجه مرگ ستاره های سنگین هستند. این سیاه چاله ها جرمی بین 10 تا 24 برابر خورشید دارند و ستاره شناسان آنها را با استفاده از قرص برافزایشی تشکیل شده در اطرافشان، شناسایی می کنند.

سیاه چاله‌ها را با توجه به جرمی که دارند هم، می‌توان به سه دسته تقسیم کرد: «سیاه چاله‌های ستاره‌ای»، «سیاه چاله‌های میانی» و «سیاه چاله‌های کلان جرم»

سیاه چاله‌های ستاره‌ای

هنگامی که یک ستاره به پایان عمر خود نزدیک می‌شود، رُمبش می‌کند – در درون خود فروپاشی می‌کند. ستارگان کم جرم – با جرم حدودی 3 تا 20 برابر جرم خورشید – تبدیل به یک ستاره نوترونی و یا کوتوله سفید می‌شوند. اما اگر جرم ستاره فروپاشیده بیشتر باشد، در اثر رمبش به یک سیاه چاله‌ ای تبدیل می شود که آن را سیاه چاله ستاره ای می نامیم. این نوع سیاه چاله‌ها با آنکه نسبتا کوچک هستند، اما از تراکم بالایی برخوردار هستند. تراکم بالا با قدرت کشش گرانشی رابطه مستقیم دارد. بدین ترتیب، سیاه چاله‌های ستاره‌ای گاز و غبار کهکشان‌های اطراف خود را جذب کرده و به مرور زمان رشد می‌کنند.

سیاه چاله‌های میانی

دانشمندان زمانی تصور می‌کردند این اجرام شگفت انگیز تنها در دو دسته جرمی ستاره‌ای و پرجرم وجود دارند، اما تحقیقات وجود سیاه چاله‌هایی با جرم میانی را به اثبات رساند. چنین اجسامی زمانی می‌توانند تشکیل شوند که ستاره‌های یک خوشه در واکنش با یکدیگر قرار بگیرند. تحقیقات انجام شده نشان می‌دهد که سیاه چاله‌های میانی در مرکز کهکشان‌های کوتوله (کهکشان‌های بسیار کوچک) یافت می‌شوند. مشاهدات ده کهکشان از این دسته – از طریق اندازه‌گیری پرتو ایکس تابش شده اثبات کرد که این دسته از سیاه چاله‌ها جرمی در حدود 36 هزار تا 300هزار برابر جرم خورشید دارند.

سیاه چاله‌های کلان جرم

سیاه چاله‌های کلان جرم را می‌توان در مرکز کهکشان‌ها پیدا کرد. این دسته از سیاه چاله‌ها چندین میلیون تا چندین میلیارد برابر خورشید جرم دارند که نظریه‌های متعددی در مورد نحوه شکل‌گیری این سیاهچاله‌ها وجود دارند. که به بررسی آن ها می پردازیم. برخی معتقدند این اجرام کلان جرم از ترکیب هزاران سیاه چاله‌ ستاره‌ای یا میان جرم به وجود می آیند. نظریه دوم فروپاشی ابرهای گرد و غبار است که در اثر نیروی گرانشی شدید به توده‌ای متراکم تبدیل می‌شوند. نظریه سوم فروپاشی خوشه‌های ستاره‌ای است که در یک ناحیه از فضا و به صورت تقریبا همزمان رخ می‌دهد. در نظریه چهارم، دانشمندان تشکیل سیاه چاله‌های پرجرم از توده‌های ماده تاریک را امکان پذیرمی‌دانند.

ماده تاریک را نمی‌توان از طریق تابش‌های الکترومغناطیس رصد کرد، بلکه تنها از طریق اثرات گرانشی در فضا می‌توان به حضور آن پی برد. با این‌حال، هنوز نمی‌دانیم ماده تاریک از چه چیزی تشکیل شده است زیرا همانطور که گفته شد نور ساطع نمی‌کند و مستقیما قابل مشاهده نیست.

مشاهده سیاه چاله‌ها

سیاه‌ چاله‌ها معمولا به دلیل اندازه کوچک و منتشر نکردن نور مستقیما قابل مشاهده نیستند. با این حال، می‌توان آن‌ها را از تاثیر میدان‌های گرانشی عظیمشان روی اجرام مجاور مشاهده کرد. در واقع چون نامرئی اند و هیچ نوری نمی‌تواند از این اجرام خارج شود، دانشمندان قادر نیستند سیاه چاله‌ها را ببینند. تلسکوپ‌های فضایی با ابزارهای ویژه می‌توانند به یافتن سیاه چاله‌ها کمک کنند. این ابزارها با بررسی عملکرد متفاوت ستارگانی که بسیار نزدیک به سیاه چاله‌ها هستند، می توانند از وجود آن ها باخبر شوند.

حقایقی جالب درباره سیاه‌ چاله‌ها

- سیاه چاله‌ها مکش نمی‌کنند. مکش با کشیدن چیزی به داخل خلا ایجاد می‌شود که سیاه چاله‌های بزرگ قطعا چنین نیستند. در عوض، اجسام در آن‌ها سقوط می‌کنند؛ درست همان‌طور که گرانش اجرام را به سمت خود می‌کشد، همانند: گرانش در زمین.

- از سیاه چاله‌ها در رمان‌ها و فیلم‌های علمی‌ تخیلی بسیاری استفاده شده است.

- سیاه چاله‌ها فقط زمانی خطرناک هستند که خیلی به آن‌ها نزدیک شویم؛ بدین معنا که این اجرام کیهانی نمی‌توانند کل جهان را ببلعند.

- اگر ستاره‌ای از نزدیکی یک سیاه چاله عبور کند، تکه تکه می‌شود.