در جستجوی سیاه چاله ها

سالهاست كه انسان برای تفسیر پدیده های پیرامون خود مصمم شده است. تلاش ما برای تفسیر و توضیح پدیده ها هنگامی به پایان می رسد كه با كمبود سوال مواجه شویم. معماهای آسمان ما پایان ناپذیر است؛ بنابراین تلاش ما برای یافتن پاسخ این معماها نیز بی پایان خواهد بود. ستاره شناسی از همان ابتدا علمی بوده كه به كشفیات بهای زیادی داده و تنها بعد از بررسی دقیق این كشفیات، نتایج مستحكمی بیان كرده است.
جنبه هایی از آسمان كه زمانی به عنوان تفاسیر عقلانی و منطقی به شمار می آمده اند، اكنون چیزی بیش از جسارات خودخواهانه نیستند. تاریخ نشان داده است كه با پیدایش ابزار دقیق تر و بهتر، فهم و درك صحیح تری از آسمان حاصل شده است. اكنون به نظر می رسد كه با پشت سر گذاشتن مرزهای علم، جستجوی جدید ما در آسمان باید پیرامون پدیده ای باشد كه به سیاه چاله معروف است.
هدف این مقاله توضیح چگونگی پیدایش مفهوم سیاه چاله و همچنین چگونگی شكل گیری سیاه چاله ها است. از اهداف دیگر آن، بحث در مورد ردیابی احتمالی سیاه چاله ها با استفاده از ابزار پیشرفته ای است كه در آینده به دست بشر ساخته خواهد شد. بدست آوردن درك و تصوری از سیاه چاله ها به ما اجازه خواهد داد كه تصور بهتری از فضای چهار بعدی (كه سه بعد آن مربوط به فضا و یك بعد مربوط به زمان است) بدست بیاوریم و در حقیقت فهم و درك بیشتری از افسانه ها و واقعیات علمی دریافت كنیم.
بیشتر مردمی كه با نجوم ارتباط ندارند یا به دور از جامعه ی فیزیك هستند مفهوم غلطی از سیاه چاله ها در ذهن خود می پرورانند. قبل از بیان این موضوع كه چگونه یك سیاه چاله ایجاد می شود، مقدمه ی كوتاهی درباره ی ستارگان ضروری به نظر می رسد. این مقدمه اطلاعاتی از فلسفه ی سیاه چاله ها به ما می دهد.
یك ستاره در حقیقت گوی آتشین بزرگی است كه انرژی آن از واكنش های هسته ای كه در مركز ستاره انجام می شوند، تامین می شود كه این واكنش ها مقدار هنگفتی فشار و گرما تولید می كنند.
یك ستاره هنگامی متولد می شود كه دو یا چند ابر بزرگ گازی به سمت هم كشیده شوند كه این پدیده باعث به وجود آمدن هسته و به دنبال آن، بسته به نحوه ی برخورد دو ابر، آزاد كردن انرژی عظیمی خواهد شد. این ابرها با چنان نیروی عظیمی به هم نزدیك می شوند كه می تواند باعث آغاز واكنش های هسته ای بشود. این نوع انرژی از واكنش های گداخت هسته ای آزاد می شود كه در آن دو اتم به هم پیوسته و تشكیل اتم جدیدی را می دهند. بر اثر این فرایند انرژی هنگفتی آزاد می شود.
این فعالیت ها تا هنگامی ادامه می یابند كه سوخت هسته ای ستاره به پایان رسد. در حقیقت جالب ترین پدیده ها در طول عمر یك ستاره در این زمان اتفاق می افتند. در تمام طول زندگی ستاره، واكنش های هسته ای باعث به وجود آوردن فشار زیادی به طرف بیرون می شده اند و دقیقا نیرویی یكسان و برابر، كه به آن گرانش می گویند، به طرف مركز ستاره وارد می شده است. این برابری نیروها به ستاره اجازه می داده كه شكل خود را حفظ كند و دچار از هم گسیختگی یا فروپاشی نشود.
سرانجام، هنگامی كه سوخت ستاره به پایان می رسد، نیروی گرانش آن بر نیروی به سمت خارج غلبه كرده و ستاره به درون خود فرو می ریزد. این یك انفجار درونی بزرگ است. بسته به جرم اصلی و پایانی ستاره، ممكن است چندین حادثه رخ دهد.معمولی ترین نتیجه ی یك چنین رمبشی، ستاره ای است كه به آن كوتوله ی سفید می گویند.این ستاره، به هم فشرده شده و طبیعتا بسیار چگال خواهد بود. گفته می شود كه یك قاشق چای خوری از مواد سازنده ی كوتوله ی سفید ۲ تا ۴ تن وزن دارد.
به محض یافتن اولین كوتوله ی سفید، این بحث پیش كشیده شد كه یك ستاره تا چه اندازه می تواند برمبد و سر انجام در سال ۱۹۲۰، دو اخترفیزیك دان به نام های Subrahmanyan Chandrasekhar و Sir Arthur Eddington به نتایج متفاوتی رسیدند.توجه Chandrasekhar به رابطه ی جرم ستارگان با شعاع آنها جلب شد و نتیجه گرفت كه حد فوقانی رمبش معمول یك ستاره منجر به پیدایش ستاره ای می شود كه به ستاره نوترونی معروف است. این حد ۴/۱ جرم خورشیدی، آنقدر دقیق بود كه در سال ۱۹۸۳ جایزه ی نوبل فیزیك را برای او به ارمغان آورد. كوتوله ی سفید چگال است، اما نه به اندازه ی ستارگان نوترونی. معمولا هنگامی كه سوخت هسته ای ستاره تمام می شود، شروع به پرتاب لایه های بیرونی خود در انفجاری كه به آن ابر نواختر می گویند، می كند.
هنگامی كه این پدیده اتفاق می افتد، ستاره مقدار زیادی از جرم خود را از دست می دهد. اما آنچه كه باقی می ماند اگر بیشتر از ۴/۱ جرم خورشیدی باشد، تبدیل به گوی متراكمی از نوترون ها می شود. این نوع ستارگان، بسیار چگال تر بوده و یك قاشق چای خوری از مواد آن ها بر روی زمین، وزنی تقریبا برابر ۵ میلیون تن خواهد داشت.
شكوه و عظمت یك چنین اجرامی غیر قابل تصور است. اما حتی ستارگان نوترونی هم در مباحث رمبش ستارگان حد نهایی نیستند. به نظر می رسد هنگامی كه ستاره به اندازه ی كافی پر جرم باشد، یعنی در حدود ۳ تا ۵/۳ برابر جرم خورشیدی، رمبش باعث ایجاد چیزی بسیار چگال تر می شود. در حقیقت چگالی این شیء به سمت بی نهایت میل می كند. این شی چیزی است كه ما آن را سیاه چاله می نامیم.
بعد از اینكه یك سیاه چاله تشكیل شد، نیروی جاذبه ی آن شروع به كشیدن گرد و غبار اطراف و در حقیقت هر چیز دیگری كه به آن نزدیك شود به داخل سیاه چاله می كند. این كار دائما به قدرت سیاه چاله می افزاید و طبیعتا جرم آن را بیشتر می كند.
ساده ترین شكل سه بعدی هندسی برای سیاه چاله كره است. این نوع سیاه چاله ها، سیاه چاله های شوارتسشیلد نام دارند. شوارتسشیلد اختر فیزیكدان آلمانی است كه بعدا توانست شعاع بحرانی هر جرم داده شده ای را برای تبدیل شدن آن به سیاه چاله محاسبه كند(شعاع شوارتسشیلد). این گونه محاسبات نشان می دهد كه در یك نقطه ی مشخص، جرم به سمت نقطه ای با چگالی بی نهایت سقوط می كند.
این نقطه تكینی(Singularity) نام دارد. در این نقطه نیروی گرانش بی نهایت زیاد است و زمان و مكان به صورت عادی خود عمل نمی كنند. در تكینی، قوانین نیوتون و انیشتین دیگر جایی ندارد و فقط یك جهان مبهم و مرموز گرانش كوانتومی حضور دارد. در مدل شوارتسشیلد، افق پدیده(Event Horizon)، یا پوسته ی سیاه چاله، مرزی است كه هیچ چیز به محض ورود به آن نمی تواند از نیروی گرانش سیاه چاله بگریزد.
بسیاری از سیاه چاله ها حركت چرخشی ثابتی دارند كه از چرخش ستاره ی اصلی ناشی می شود. این حركت مواد مختلف را جذب كرده و آنها را به شكل حلقه ای اطراف سیاه چاله در می آورد. مواد در افق پدیده نگه داشته می شود تا به سمت مركز سیاه چاله حركت كنند و در آنجا انباشته شوند و به جرم سیاه چاله بیفزایند. این سیاه چاله های چرخان به سیاه چاله های كِر معروفند.Roy P. Kerr ، ریاضیدان استرالیایی اتفاقا به راه حلی برای معادلات انیشتین برای سیاه چاله های با حركت چرخشی دست یافت. این سیاه چاله به شكل قبلی بسیار شباهت دارد. اما به هر حال تفاوت هایی در این مدل هست كه آن را واقعی تر جلوه می دهد. تكینی در این مدل، زمان مانند است در حالی كه در مدل دیگر بیشتر، مكان مانند است. با این تفاوت ناچیز، مواد می توانند از جایی دورتر از استوای افق پدیده وارد سیاه چاله شوند و از بین نروند.
علت معروف بودن این گونه اجرام به سیاه چاله ها این است كه هر پرتوی نوری كه بخواهد از داخل تكینی دور شود به وسیله ی گرانش بی نهایت آن به داخل كشیده می شود و در نتیجه هیچ نوری از آن ها ساطع نمی شود.پس هر چیزی كه وارد افق پدیده شود برای همیشه از نظر ها ناپدید خواهد شد و این موضوع ردیابی سیاه چاله ها را برای انسان بدون استفاده از ابزار پیشرفته ی اندازه گیری تشعشعات غیر ممكن می سازد.
واژه ی چاله به علت این است كه این گونه اجرام همانند چاله ها، مكان هایی هستند كه همه چیز به طرف آن كشیده می شوند و همچنین جایی هستند كه هسته ی مركزی بر آن حكم فرما است . مركز سیاه چاله، مهم ترین قسمت آن است كه تمام جرم سیاه چاله در آن متمركزشده است و در هرگونه ردیابی، حتی با استفاده از دستگاه های پرتو یاب نیز كاملا سیاه به نظر می رسد.
اولین دانشمندانی كه عمیقا به تحقیق در مورد سیاه چاله ها و رمبش ستاره ها پرداختند، یك استاد دانشگاه به نام Robert Oppenheimer و شاگردش Hartland Snyder بودند كه در اوایل قرن نوزدهم میلادی زندگی می كردند. آنان بر اساس تئوری نسبیت خاص انیشتین نتیجه گرفتند كه اگر سرعت نور حد نهایی سرعت باشد، آنگاه هیچ ماده ی دیگری نمی تواند بعد از افتادن در دام سیاه چاله از آن بگریزد.
البته این نكته باید مورد توجه قرار گیرد كه تمام این اطلاعات حدس و گمانی بیش نیستند. باید گفت كه در نظریات و ابر رایانه ها، این اجرام وجود دارند اما همان طور كه دانشمندان قبول دارند، هنوز حتی وجود یك سیاه چاله هم به اثبات نرسیده است. پس این سوال پیش می آید كه ما چگونه می توانیم سیاه چاله ها را مشاهده بكنیم؟
برای پاسخ به این سوال چندین راه وجود دارد. در واقع همان طور كه قبلا گفته شد، دیدن یا رویت كردن سیاه چاله ها به صورت مستقیم نمی تواند ما را در شناخت آنها یاری كند. پس برای ما دو راه حل باقی می ماند. راه حل اول آشكار سازی به وسیله ی اشعه ی X است. در این روش اندازه گیری، دانشمندان به دنبال مكان هایی می گردند كه در آنجا تغییرات شدید انرژی احساس می شود.
این تغییرات انرژی می توانند ناشی از گازهایی باشد كه به داخل سیاه چاله كشیده می شوند. تغییرات شدید میدان گرانشی در اطراف سیاه چاله می تواند دمای این گازها را تا میلیون ها درجه افزایش دهد. این افزایش دما می تواند شاهدی برای وجود سیاه چاله باشد. راه دیگر شناسایی سیاه چاله ها بر اساس تئوری دیگری است. امواج جاذبه هم می توانند ما را در پیدا كردن سیاه چاله ها كمك كنند اما محققان هم اكنون به دنبال روش هایی هستند تا بتوانند آنها را ردیابی كنند.
امواج جاذبه به وسیله ی نظریه ی نسبیت عام انیشتین پیش بینی شده اند.آنها آشفتگی های انحنای فضا- زمان هستند . Sir Arthur Eddington یكی از حامیان اینشتین بود. اما در مورد امواج جاذبه مشكوك بود و گزارش شده كه گفته است: امواج جاذبه با سرعت بی نهایت حركت می كنند. اما آنها هر چه هستند برای یك نظریه مهم اند. امواج جاذبه، امواجی هستند كه از مركز سیاه چاله ها و اشیاء پر جرم دیگر سرچشمه می گیرند و گفته می شود كه با سرعت نور حركت می كنند اما نه در طول فضا- زمان.
بلكه به عنوان بخش مهمی از آن به شمار می روند. این امواج همانند امواج به وجود آمده بر روی سطح آب، هنگام برخورد سنگی به آن است. هر چه به مركز برخورد نزدیك تر می شویم، امواج قوی تر می شوند و دورتر از آن شروع به محو شدن می كنند. با این تفاوت كه این امواج بسیار جزئی هستند و آشكار كردنشان تجهیزاتی فراتر از امكانات ما نیاز دارد. این امواج سیگنال های خاصی را به همراه دارند كه از نوع اشعه ی X نیستند.
در شبیه سازی ها، سیاه چاله ها فركانس خاصی را تولید می كنند كه نوعی ارتعاش است. این اثر بدون شك ما را در راه یافتن سیاه چاله ها كمك می كند.
اخیرا اكتشافاتی به كمك تلسكوپ فضایی هابل انجام شده است. این تلسكوپ چیزی پیدا كرده كه به باور بسیاری از ستاره شناسان یك سیاه چاله است. ستاره ای كه به دور یك فضای خالی در حال چرخش است.
تعداد بسیار زیادی از عكسها از تلسكوپ هابل به زمین فرستاده شد و با كمك رایانه ها، عكس ها از جنبه های مختلف بررسی شد و همچنین هر گونه رد یابی كه می توانست ما را در یافتن سیاه چاله در مكان مورد نظر كمك كند به كار گرفته شد.
چون سیاه چاله ها در فضایی كه ستارگان اصلی آنها در آنجا رمبش كرده اند شناور می شوند، می توانند روی محیط پیرامون خود، كه شاید ستارگان دیگری نیز در آن باشند، تاثیر زیادی بگذارند. سیاه چاله همچنین می تواند ستاره ای را ببلعد و آن را كاملا نابود سازد. هنگامی كه ستاره به طرف سیاه چاله كشیده می شود، ابتدا به داخل Ergosphere می رود. اینجا مكانی است كه مواد دور و اطراف را به داخل افق پدیده جاروب می كند و دارای ویژگی های خاصی است كه تمام تحولات در این مكان صورت می گیرد. سیاه چاله، ستاره را مانند جارو برقی به داخل خود نمی كشد؛ بلكه ابتدا یك حلقه ی گرداب مانندی از مواد ستاره به دور خود تشكیل می دهد كه تدریجا به داخل آن فرو می روند.
هنگامی كه ستاره نزدیك افق پدیده می شود، نوری كه به طور عادی تولید می كند در Ergosphere به وجود می آید، اما به بیرون منتشر نمی شود. درست در این هنگام است كه مقدار بسیار زیادی تشعشعات منتشر می شود و با استفاده از ابزار مناسب، می توان تصویری از فضای تهی دریافت كرد كه ترجیها آن را سیاه چاله می پنداریم. با استفاده از این روش ستاره شناسان اكنون معتقد اند كه دجاجه X-۱ یك سیاه چاله است. این سیاه چاله یك ستاره ی غول پیكر(HDE۲۲۶۸۶۸) در اطراف خود نگه داشته و به دور خود می چرخاند. در نتیجه ما حدس می زنیم كه این یك سیاه چاله است كه این ستاره در حال گردش به دور آن است.
افسانه های علمی، از سیاه چاله ها در بسیاری از فیلم ها به عنوان پدیده های خارق العاده و یا به عنوان اجرام شوم یاد كرده اند. داستان های سفر در زمان یا ورود به جهانی كه در طرف دیگر سیاه چاله و موازی با جهان ما قرار گرفته است. گذشتن از افق پدیده می تواند شما را به این سفر خارق العاده بفرستد.
بعضی ها فكر می كنند كه نیروی جاذبه ی سیاه چاله به قدری است كه آنها را تا انتهای جهان یا به جهانی متفاوت خواهد برد. اما نظریه های مختلف در مورد این كه آن طرف سیاه چاله چه اتفاقی خواهد افتاد تمام شدنی نیستند. هم اكنون تلاش ما بر سر پیدا كردن یكی از آنهاست. پس این سوال باقی می ماند كه آیا آنها وجود دارند؟
سیاه چاله ها وجود دارند، اما متاسفانه برای جامعه ی علمی، زندگی آنها به فرمول ها و ابر رایانه ها محدود می شود. اما تلاش بی وقفه ی جامعه ی علمی بر سر ساختن یك وسیله ی بهتر برای رد یابی آنها است. قبلا، تجهیزات فوق حساس نشانه های خوبی را به ما داده اند كه دقت آنها نیز هر روز بیشتر می شود.

سید رضا میرزارضایی

منبع : انجمن نجوم آماتوری ایران (IAAS)