سیاهچاله ها

● آسمان شب:
اگر در یک شب صاف با چشم غیر مسلح به آسمان بنگریم تعدادزیادی ستاره، سیاره، ماه، ماهواره را مشاهده می کنیم، حالا فرض کنیم با یک تلسکوپ کوچک در حال مشاهده آسمان هستیم، در این حالت ممکن است چند خوشه ستاره ای، تعدادی سحابی یا اجرام آسمانی دیگر را ببینیم، بعد از این که با چشم غیر مسلح و تلسکوپ کوچک آسمان را مناظره کردیم با یک رادیو تلسکوپ عظیم در نیومکزیکو (VLA) یا در کالیفرنیا به رصد آسمان می پردازیم در این صورت سطح ماه یا سیارات دیگر نزدیک زمین، غول سرخ، کوتوله سفید یا یک کوازار را می بینیم به وسیله عکس های که تلسکوپ های فضایی یا فضا پیماهای بدون سرنشین از ابرنواختران، خوشه های کهکشانی، سیارات، کهکشانها یا سحابی های دور دست، شهاب سنگ ها، ستاره دنباله دار و چیزهای دیگر در اختیار ما گذاشته اند درباره آنها اطلاعاتی را کسب می کنیم اما اجرام آسمانی هستند که باهیچ وسیله ای قابل رویت نیستند مگر اینکه به وسیله نور دیده شوند این اجرام که سیاه چاله نام دارند در صورتی که در حال بلعیدن یک ستاره پرنور باشند دیده خواهند شد. هنگام جذب ستارگان و اجرام آسمانی دیگر توسط سیاه چاله، مقداری اشعه x و پرتوهای گاما (در سیاه چاله های ریز) تولید می شود که دانشمندان توانسته اند به وسیله دستگاه های پیشرفته این امواج نامرئی را رصد کنند در واقع هدف این مقاله ایجاد تفکری درست در مورد سیاهچاله ها، چگونگی تشکیل آن، ویژگی های مادی، اختلالات حاصل از آن در فضا و زمان، نظریات مهم مطرح شده توسط دانشمندان در طول قرن های مختلف و نتیجه گیری از آنها می باشد.
● جسم سیاه فوق العاده متراکم:
می دانیم که هر چقدر اجسام چگالی بیشتری داشته باشند قدرت جاذبه شان هم بیشتر می شود مثلا اگر زمین ما چگالی اش از این حد هم بیشتر می شد موشک های ساخته شده، سوخت و انرژی بیشتری نیاز داشتند تا بتوانند از جاذبه زمین فرار کنند حال اگر جسمی را تصور کنیم که فوق العاده فشرده و پرچگال باشد که حتی نور، یعنی سریعترین چیز در کیهان هم نتواند از تله گرانش آن بگریزد، به تراکم و جاذبه نامحدود سیاه چاله ها پی خواهیم برد.
● تصویر سیاه چاله
در واقع علت اینکه سیاه چاله ها، اجرامی سیاه هستند این است که آنها نوری را که دارند جذب می کنند و چون همان ستاره هایی هستند که سوخت هسته ای آنها به اتمام رسیده، پس فاقد انرژی بوده و تنهابرتری آنها نسبت به اجرام دیگر آن است که جاذبه بیشتری دارند.
● چگونگی تشکیل سیاه چاله ها:
▪ هر آغازی پایانی دارد و هر تولدی مرگ
سحابی هایی که در فضا به طور معلق هستند عامل تشکیل ستاره های جدید می باشند اگر در نزدیکی یک سحابی ستاره ای در حال منفجر شدن باشد موجی که از انفجار آن ستاره به سحابی برخورد می کند باعث می شود که یک قسمت از سحابی چگالی بیشتری داشته باشد (سحابی ها در حالت عادی چگالی همگن دارند.) یعنی اتم های هیدروژن به یکدیگر می پیوندند و ملکول هیدروژن تولید می کنند و به این ترتیب آن قسمت متراکم تر می شود. در این حالت یک نیرو به طرف داخل سحابی و یک نیرو به طرف خارج آن وارد می شود که نیروی رو به داخل آن به تراکم گاز و غبار تشکیل دهنده ستاره مربوط است (هرچقدر جرم زیادی گاز و غبار در ابعاد کوچک جمع شود نیروی گرانش بیشتر می شود.) اگر نیرویی که به طرف بیرون وارد می شود طوری باشد که قسمت چگال تر بتواند از سحابی جدا شود ستاره پدید می آید البته وقتی نیروی خارجی که ستاره تازه تشکیل شده به سحابی و نیرویی که سحابی به ستاره مورد نظر وارد می کند برابر باشد ستاره به شکل کره در می آید در هسته ستاره که هم جوشی هسته ای صورت می گیرد چهار هسته اتم هیدروژن به یک هسته اتم هلیم تبدیل می شود که در این واکنش چند گرم از آن به صورت انرژی آزاد می شود.
gr)] ۹۶/۳) He => H+H+H+H ( gr ۴) ، ۰۴/۰ گرم نیز به صورت انرژی آزاد می شود. [ البته در ستارگانی که دمای هسته آنها زیاد است عناصر سنگین تر دیگری مثل کربن هم تولید می شود مقدار انرژی حاصل از هم جوشی هسته ای از رابطه E=mc۲ انیشتین قابل محاسبه است ( E انرژی آزاد شده و m جرم ماده مورد نظر C سرعت نور)
ستاره ها میلیونها یا میلیاردها سال به همین ترتیب به بقای خود ادامه می دهند اما زمانی که دیگر هیدروژنی برای تولید انرژی باقی نمانده باشد مرگ ستاره فرا می رسد در اواخر عمر ستارگان آنها به غول سرخ تبدیل می شوند یعنی ستاره ابتدا منقبض می شود بعد آن قدر انرژی ذخیره شده زیاد می شود که ستاره را منفجر می کند در این حالت چون دما کاهش می یابد رنگ ستاره به سرخی می گراید.
ستارگانی که به اندازه خورشید یا کوچکتر هستند به کوتوله سفید تبدیل می شوند (جسم کوچک گرم) که طبق محاسبات انجام شده توسط دانشمندان مشخص شده که یک قاشق چایخوری از ماده کوتوله سفید به اندازه ۳ الی ۴ تن جرم دارد. اما اگر اندازه ستاره ۴/۱ برابر جرم خورشید باشد ستاره نوترونی پدید می آید در این نوع ستاره، الکترون و پروتون با هم ترکیب شده و نوترون تولید می شود. که یک قاشق چایخوری آن برابر ۵ میلیون تن سنگینی دارد.
اگر جرم ستاره مد نظر ۳ تا ۵/۳ برابر جرم خورشید باشد آن ستاره به سیاه چاله تبدیل می شود . و این اتفاق زمانی رخ می دهد که ستاره سوخت هسته ای خود را به طور کامل تمام کرده است و در نیتجه نیروی گرانش موجود در خود آن بر ستاره غلبه کرده و باعث فرو ریزش آن به داخل و تشکیل سیاه چاله می شود. از این موضوع می توان نتیجه گرفت که سیاه چاله ها از ستارگان بسیار متراکم و پرجرم و بزرگ به وجود می آید و خورشید هیچگاه به سیاه چاله تبدیل نمی شود.
● نظریات دانشمندان راجع به سیاه چاله ها:
۱) نظریه انحنای فضا – زمان انیشتین (در سال ۱۹۱۷):
فرض کنید بر روی یک تشک گلوله سنگینی می اندازیم در این حالت خواهیم دید که گلوله حالت انحنایی روی تشک ایجاد کرده است حال اگر توپ کوچکی را هم روی تشک رها کنیم این توپ از انحنای ایجاد شده عبور کرده و پیش گلوله خواهد افتاد. ماجرای سیاه چاله ها هم طبق نظریه نسبیت عام انیشتین درست به همین صورت است به طوری که جرم زیاد سیاه چاله ها باعث انحنای فضا – زمان می شود و اجرام را به طرف خود می کشد و یک حلقه زمانی در سیاه چاله ایجاد می شود که اگر فرضاً شما از این حلقه عبور کنید احساس خواهید کرد زمان دچار اختلال شده است و فردا همان دیروز می شود که در این حالت هر روز شما به عقب برمی گردید.
۲) نظریه وجود سیاه چاله های ریز:
این نظریه در سال ۱۹۷۱ توسط استفن ویلیام هاوکینگ (Steven wiliam Hawking) ارایه شد طبق گفته هاوکینگ در آغاز پیدایش جهان (و زمان) که مهبانگ (Bjg bang) رخ داد تعدادی از ذرات معلق در فضا به علت فشار و چگالی بسیار زیاد ماده به یکدیگر پیوسته و سیاه چاله های ریز (mini – blackholes) را که اندازه بعضی از آنها برابر اندازه یک سیاره می باشد و بعضی دیگر به قدری کوچک و پرچگال هستند که تقریباً به اندازه یک پروتون حجم و در حدود یک میلیارد تن جرم دارند. و می توان اینطور توجیه کرد که تشکیل سیاه چاله های ریز در واقع به خاطر وجود شرایط جوی استثنایی، در آن زمان اتفاق افتاده است. بنابر محاسبات انجام شده توسط هاوکینگ، برخی از اختر شناسان تصور می کنند که اگر سیاه چاله های ریزی که در زمان مهبانگ تشکیل شده اند، وجود داشته باشند احتمالاً باید در زمانهای نه چندان دور منفجر شوند که اگر این اتفاق بیفتد پرتوهای گاما تولید خواهند شد که می توان با دستگاههای پیشرفته آنها را رصد کرد.
استفن هاوکینگ این نظریه را با استفاده از ترکیب نظریه نسبیت عام انیشتین و مکانیک کوانتومی مطرح کرده است.
۳) محاسبات و نظریات کارل شوآرتسشیلد:
نظریه شوآرتسشیلد که در سال ۱۹۱۶ ارایه شد. بیانگر آن است که وقتی جرم زیادی از ماده در جسم کوچکی جمع شود ماده حاصله بسیار متراکم خواهد شد که این همان مفهوم سیاه چاله می باشد.
● شعاع شوآرتسشیلد (انحنای فضا - زمان)
یعنی فاصله مرکز تا شعاع قسمتی که نور در آن محوطه قادر به فرار نمی باشد را به این دلیل که اولین بار شوآرتسشیلد آن را محاسبه کرد به نام شعاع شوآرتسشیلد خواندند. طبق این محاسبات دانشمندان امکان وجود تکینگی (Singularity) (محلی که اجرام بلعیده شده توسط سیاه چاله در آنجا ته نشین می شوند) را مطرح کردند. که در این محل دیگر قوانین نیوتون و انیشتین کارساز نمی باشد. علاوه بر اینها در بیرونی ترین قسمت سیاه چاله ها مرزی وجود دارد که افق پدیده (Event Horizon) نامیده می شود که اگر چیزی به آن وارد شود ناچار به طرف مرکز سیاه چاله رانده خواهد شد.
۴) نظریه تبخیر سیاه چاله ها:
این نظریه نیز توسط استفن هاوکینگ بیان شد و گفته شد که مقداری از انرژی گرانشی سیاه چاله ها که از حد شعاع شوآرتسشیلد هم فراتر می روند قسمتی از جرم آنها را نیز به همراه خود می برند که این موضوع باعث می شود سیاه چاله ها به مرور زمان تبخیر شوند اما میزان تبخیر به جرم اولیه سیاه چاله بستگی دارد که هر چقدر چگال تر باشد میزان بدست آوردن جرم (با ربایش بیشتر) بالاتر از موقعی هست که جرم خود را از دست می دهد بنابراین عملاً این گونه سیاه چاله ها از لحاظ جرمی ثابت باقی می مانند ولی در سیاه چاله های کوچکتر این موضوع بر عکس می باشد.
● چگونگی و مراحل جذب اجرام توسط سیاه چاله ها:
زمانی که یک جرم آسمانی مثلاً ستاره ای در نزدیکی سیاه چاله ای قرار می گیرد، مراحل زیر اتفاق می افتد:
۱) ابتدا گاز و غبار ستاره که قسمت های کم چگال آن هستند به صورت حلقه ای دور سیاه چاله می گردند و به مرور جذب آن می شوند
۲) سیارات و قمرهای ستاره و در صورت امکان منظومه آن، ذوب و کم چگال شده و در داخل سیاه چاله فرو می روند و در نهایت
۳) خود ستاره شکار سیاه چاله خواهد شد.
● نتیجه گیری:
تاکنون انسان توانسته است هزاران هزار چیز مختلف را در این جهان شناسایی کند اما باز هم میلیاردها میلیارد چیز دیگر در قلب عالم هستی نهفته هست. هر یک از دانشمندان سعی در این دارند که حداقل یکی از درهای رو به علم را بگشایند و هر محقق هم تلاش می کند کلید هر یک از این درها را پیدا کند.
تحقیق در مورد سیاه چاله ها که یکی از هزاران اجرام پیچیده و شگفت انگیز در این جهان هستند امری مهم هست. اطلاعات قطعی ما در مورد سیاه چاله ها بسیار اندک است چون آنها قابل رویت نیستند و جاذبه زیادی دارند و چیزی نمی تواند به آنها نزدیک شود در غیر اینصورت تبدیل به انرژی شده و جذب سیاه چاله می شوند اما سوالهای زیادی که شاید هنوز جوابی برای آنها پیدا نشده در ذهن ما و سایر علاقه مندان به نجوم باشد از جمله اینکه:
۱) آیا می توان گفت که چگونگی عمل مثلث برمودا و عمل سیاه چاله ها مشابه است؟
۲) آیا سیاه چاله ها در فضا حرکت می کنند؟ در غیر اینصورت، چگونه می توانند ستاره ها یا اجرام آسمانی دیگر را به خود جذب کنند، مگر ستاره ها مدار مشخصی ندارند اگر چنین باشد ستاره باید در اولین گردش خود به دور مدارش در تله سیاه چاله بیفتد.
۳) آیا سیاه چاله ها با گرانش بیشتر می توانند سیاه چاله های کم جاذبه را ببلعند؟
۴) آیا سیاه چاله های کوچکتر به دور سیاه چاله های بزرگتر مرکزی می گردند؟

سامان مولایی
منبع: کتاب نجوم به زبان ساده
منابع و مآخذ:
۱-ساختار ستارگان و کهکشانها - نوشته پاول هاچ.
۲-سیاه چاله ها – نوشته آیزاک آسیموف.
۳-Black Holes: The Final Abyss: Credits: ESA , NASA and Felix Mirabel- Hot Liquid Magma. Com
۴-در جستجوی سیاه چاله ها ] سرویس علمی، سید رضا میرزا رضایی – سایت انجمن نجوم آماتوری ایران

منبع : ایرانیکا