جذاب ترین حقایق درباره سیاه چاله های فضایی که باید بدانید

با پیشرفت علوم مربوط به فضا و اخترشناسی، هر روز شاهد انتشار اطلاعات جذاب و مهمی در رابطه با سیاه چاله ها هستیم. به همین بهانه در ادامه به جذاب ترین حقایق سیاه چاله ها می‌پردازیم.

سیاه چاله ها حتی نور را نیز به دام می‌اندازند و به همین خاطر جزء مرموزترین اجرام هستی هستند. ما هیچ‌وقت نمی‌توانیم با ابزار و تجهیزات عادی سیاه چاله ها را ببینیم؛ اما این موضوع جلوی تلاش دانشمندان برای کسب اطلاعات بیشتر درباره آنها را نگرفته است. با گجت نیوز همراه باشید تا به بررسی جذاب ترین حقایق مربوط به سیاه چاله ها بپردازیم.

نگاهی به سیاه چاله ها و حقایق علمی مربوط به آنها

از آنجایی که مفهوم سیاه چاله اولین بار از پاسخ‌ به معادلات نسبیت عام اینشتین به وجود آمد، می‌توان گفت که اخترشناسان و دانشمندان اخترفیزیک سیاه چاله را از یک تئوری و احتمالی جذاب به واقعیت تبدیل کرده‌اند.

دانشمندان تاکنون توانسته‌اند به فرآیند تولد یک سیاه چاله و ویژگی‌های آن پی ببرند. آنها حتی متوجه شده‌اند که در قلب اکثر کهشان‌ها حداقل یک سیاه چاله کلان جرم وجود دارد.همچنین برخی از سیاه چاله ها وجود دارند که مواد نزدیک به خود را می‌بلعند و خروجی آنها نیز تا چند هزار سال نوری ادامه می‌یابد.

در سال 2019 دانشمندان تلسکوپ افق رویداد توانستند اولین تصویر مستقیم گرفته شده از یک سیاه چاله را ثبت کنند. این  تصویر به سیاه چاله ای کلان جرم در مرکز کهکشان Messier 87 تعلق داشت. البته آنها امسال نیز همه را شگفت زده کردند و توانستند تصویری از سیاه چاله مرکزی کهکشان راه شیری را ثبت کنند. ثبت تصویر از این کهکشان که کمان ای (Saggitarius *A) نامیده می‌شود نشانگر پیشرفت انسان در درک سیاه چاله‌ها است؛ اما هنوز راه زیادی برای درک تمامی حقایق مربوط به سیاه چاله ها در پیش داریم.

ماهیت سیاه چاله

در نظریه نسبیت عام اینشتین گفته شده بود که جرم روی بافت فضا زمان (محیطی تشکیل شده از سه بعد فضا و یک بعد زمان) تاثیر می‌گذارد. پیش از این نظریه دانشمندان دید کاملا متفاوتی نسبت به فضا داشتند؛ اما اینشتین دید غالب را تغییر داد. پس از آن بود که فضا به عنوان یک بازیگر مهم در خلق اجرام بزرگ کیهانی دیده شد.

جان ویلر، فیزیکدان مطرح در این رابطه گفت:

فضا به جرم می‌گوید که چگونه حرکت کند و جرم نیز به فضا می‌گوید که چگونه خم شود.

در ادامه به یک مثال جذاب برای درک تعامل بین فضا و اجرام آسمانی (مخصوصا سیاه چاله ها) می‌پردازیم. بافت فضا زمان را به عنوان یک ورقه پلاستیکی تصور کنید که از هر طرف کشیده شده است و روی آن توپ‌هایی با جرم متفاوت قرار دارند. طبیعتا یک توپ بسکتبال (یک ستاره) تورفتگی بیشتری نسبت به یک توپ تنیس (یک سیاره) ایجاد می‌کند.

در این مثال حضور سیاه چاله همانند انداختن یک توپ بولینگ روی ورقه پلاستیکی است. تورفتگی در این حالت آنقدر زیاد است که  سبب انحراف اجرام اطراف خواهد شد. البته جرم از نظر فنی در همان مسیر مستقیم حرکت می‌کند؛ اما بافتی که روی آن حرکت می‌کند، تغییر کرده است. چنین چیزی مشابه خم شدن نور توسط سیاه چاله و دیگر اجرام غول‌پیکر است که از آن در اخترشناسی با نام همگرایی گرانشی یاد می‌شود. در واقع گذر از فاصله بسیار نزدیک به این تورفتگی در فضا زمان به معنی یک سفر یک طرفه به قلب آن است.

این تشبیه جالب به ما می‌گوید که سیاه چاله ها را نمی‌توان همانند سیاره‌ها، ستاره‌ها و یا حتی ستاره‌های نوترونی در دسته اجرام آسمانی قرار دارد و بهتر است به شکلی دقیق‌تر آنها را رویدادهای فضا زمان بنامیم. سیاه چاله ها فقط سه مشخصه قابل اندازه‌گیری دارند: جرم، بار الکتریکی و تکانه زاویه‌ای.

چگونگی متولد شدن یک سیاه چاله

نمی‌توان از حقایق مربوط به سیاه چاله ها حرف زد و از نحوه تولد آنها چیزی نگفت. تولد سیاه چاله با حیات مرگ یک ستاره مرتبط است. در طول رشته اصلی عمر ستاره، فرآیندی به نام گداخت هسته‌ای رخ می‌دهد که در آن از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌شود. گداخت هسته‌ای نه تنها به ایجاد عناصر سنگین‌تری همچون هلیوم منجر می‌شود، بلکه فشاری به سمت بیرون وارد می‌کند که می‌تواند فشار گرانش ناشی از جرم خود ستاره را (به سمت داخل) خنثی کند.

البته هیدروژن نیز بالاخره زمانی به پایان می‌رسد و دیگر چیزی به نام گداخت هسته‌ای وجود نخواهد داشت تا جلوی گرانش ستاره را بگیرد. همین نیز سبب می‌شود که ستاره دچار فروپاشی گرانشی شود. همزمان با فرو ریختن هسته، لایه‌های بیرونی ستاره منبسط می‌شوند تا ستاره به یک غول سرخ تبدیل شود.

پس از مدتی لایه‌های بیرونی ستاره نیز سرد و پراکنده می‌شوند تا از ستاره تنها یک هسته باقی بماند. این هسته کوتوله سفید نامیده می‌شود و پایان ستاره‌های کم جرم است. در ستاره‌هایی که جرم بیشتری دارند، فروپاشی فشار کافی برای مجبور کردن اتم‌های هلیوم به گداخت هسته‌ای و شکل دادن عناصر سنگین‌تری همچون کربن را فراهم می‌کند. به همین خاطر پروسه مرگ ستاره و فروپاشی آن متوقف می‌شود.

البته هلیوم نیز زمانی به پایان می‌رسد و اینبار نیز مجددا فروپاشی فشار لازم برای هم‌جوشی هسته‌ای و شکل گرفتن عناصر سنگین‌تر را فراهم می‌کند. این فرآیند تا جایی ادامه پیدا می‌کند که آهن در هسته ستاره شکل بگیرد. ستاره‌ها قادر به هم‌جوشی عناصر سنگین‌تر از آهن نیستند و به همین خاطر در این مرحله یک انفجار بزرگ به نام ابرنواختر رخ می‌دهد.

در نتیجه این انفجار باقیمانده‌ لایه‌های ستاره به بیرون پرتاب می‌شوند و تنها یک هسته باقی می‌ماند. در برخی ستاره‌ها، فشار شدید گرانش حتی پروتون‌ها و الکترون‌های درون هسته را با هم ادغام می‌کند تا ۹۰ درصد جرم ستاره را نوترون تشکیل دهد. در واقع ستاره آنقدر متراکم می‌شود که یک فنچان چای‌خوری از آن ۴ میلیارد تن وزن خواهد داشت. در این مرحله یک ستاره نوترونی متولد شده است.

هرچند که برای اکثر ستاره‌های کلان جرم، حتی این اتفاق نیز نمی‌تواند مانع از فروپاشی کامل شود و در نتیجه یکی از جذاب ترین اجرام آسمانی یعنی سیاه چاله ها شکل می‌گیرند.

تبدیل خورشید به سیاه چاله

خورشید هرگز انفجار ابرنواختر را تجربه نخواهد کرد و به سیاه چاله نیز تبدیل نمی‌شود. حدود ۴.۵ میلیارد سال دیگر ذخیره هیدروژن هسته خورشید تمام می‌شود و این ستاره به یک غول سرخ تبدیل خواهد شد. در این مرحله لایه‌های بیرونی خورشید به حدود مدار مریخ می‌رسند و غول سرخ سیاره‌های داخلی منظومه شمسی (احتمالا) از جمله زمین را می‌بلعد.

در نهایت لایه‌های بیرونی غول سرخ سرد و پراکنده می‌شوند و از خورشید تنها یک کوتوله سفید که توسط یک سحابی ستاره‌ای محاصره شده، باقی می‌ماند.

حضور سیاه چاله های کلان جرم در مرکز اکثر کهکشان‌ها

همه سیاه چاله ها یک اندازه نیستند. علاوه بر سیاه چاله های ستاره‌وار که جرم آنها بین ۳ تا ۱۰ برابر خورشید است، در کهکشان‌ های مختلف سیاه چاله های کلان جرم نیز وجود دارند که جرم آنها به میلیون‌ها و یا حتی میلیاردها برابر جرم ستاره ما می‌رسد. در میان حقایق مربوط به سیاه چاله ها، حتی تصور کردن این مورد نیز سخت است. البته سیاه چاله های میان جرم نیز در هستی وجود دارند؛ اما پیدا کردن آنها کار بسیار سختی است.

از آنجایی که هیچ ستاره‌ای آنقدر بزرگ نیست که پس از فروپاشی چنین تاثیر شگرفی در فضا زمان بگذارد، وجود سیاه چاله های کلان جرم برای دانشمندان اخترفیزیک مشکل ایجاد کرده است. یکی از مکانیزم‌های احتمالی برای شکل‌گیری سیاه چاله های کلان جرم، ایده ادغام‌های سلسله‌وار است.

بر اساس این ایده، سیاه چاله های با ابعاد مشابه با هم ادغام شده و بزرگتر می‌شوند. آنها حتی گاهی اوقات سیاه چاله های کوچکتر را هم می‌بلعند. البته این نظریه در توضیح چگونگی رسیدن سیاه چاله های کلان جرم به ابعاد فعلی در مقیاس زمانی هستی به مشکل می‌خورد. با همه اینها، یکی از حقایق مربوط به سیاه چاله های کلام جرم، حضور آنها در مرکز اکثر کهکشان‌های بزرگ است.

این موضوع در تصویر تلسکوپ افق رویداد از سیاه چاله کلان جرم کهکشان M87 تایید شد. این سیاه چاله غول‌پیکر ۵۵ میلیون سال نوری با زمین فاصله دارد و جرم آن نیز ۶.۵ میلیارد برابر خورشید است.

حضور یک سیاه چاله کلان جرم در مرکز کهکشان راه شیری

سیاه چاله مرکزی کهکشان راه شیری کمان ای (Sgr *A) نام دارد و نسبت به سیاه چاله M87 به شکل محسوسی کم جرم‌تر است. جرم این سیاه چاله ۴.۳ میلیون برابر خورشید است و ابعاد آن نیز به حدود یک هزارم سیاه چاله کلان جرم کهکشان M87 می‌رسد. سیاه چاله کلان جرم ما ۲۷ هزار سال نوری با زمین فاصله دارد و جالب اینجاست که همانند سیاه چاله مرکزی M87 در حال بلعیدن مواد اطراف خود نیست.

اگر بخواهیم سرعت بلعیدن مواد توسط سیاه چاله مرکزی کهکشان راه شیری را در قالب مثالی بیان کنیم، همانند انسانی است که هر یک میلیون سال یک دانه برنج می‌خورد. در واقع این سیاه چاله اکثر مواقع در حال استراحت است و خبری از جت‌های قدرتمند اخترفیزیکی در آن نیست.

هرچه اندازه یک سیاه چاله کوچکتر باشد، ثبت تصویر آن نیز برای تلسکوپ سخت‌تر خواهد بود. به همین خاطر تلسکوپ افق رویداد کار آسانی برای شکار سیاه چاله مرکزی راه شیری نداشت.

در میان حقایق مربوط به سیاه چاله ها بد نیست به تعداد آنها نیز اشاره‌ای بکنیم. ناسا اعلام کرده است که کمان ای تنها سیاه چاله کهکشان ما نیست و با توجه به تعداد ستاره‌ها، احتمالا بین ۱۰ میلیون تا ۱ میلیارد سیاه چاله در کهکشان ما وجود داشته باشند.

ناتوانی نور در فرار از سیاه چاله

وقتی به یک سیاه چاله نزدیک می‌شود، اولین بخشی که می‌توان از آن به عنوان تکینگی یاد کرد، افق رویداد است. البته افق رویداد یک تکینگی واقعی نیست؛ اما نقشی بسیار مهم در درک حقایق مربوط به سیاه چاله ایفا می‌کند. افق رویداد نشانگر مرزی است که پس از آن نیروی گرانش حتی بر نور نیز غلبه می‌کند. همین نیروی گرانش قوی است که سبب شده سیاه چاله ها نامرئی باقی بمانند.

بیایید به مفهوم سرعت گریز بپردازیم که نقشی کلیدی در درک افق رویداد بازی می‌کند. این میزان با جذر نتیجه ضرب ۲ در ثابت گرانش تقسیم بر فاصله میان مرکز ثقل جسم به دست می‌آید.

بدین ترتیب سرعت لازم برای گریز از زمین ۱۱۵۵۰ متر بر ثانیه است. این سرعت برای یک جرم فوق‌العاده سنگین با شعاع کوچک به شکل چشم‌گیری افزایش می‌یابد. همچنین اگر شعاع یک جرم کوچکتر از 2GM/c² باشد، حتی سرعت نور در خلا نیز (۳۰۰۰۰۰۰۰۰ متر بر ثانیه) برای فرار از آن کفایت نخواهد کرد. در واقع این همان شرایطی است که در سیاه چاله با آن مواجه هستیم.

در فیزیک برای مشخص کردن محدوده داخلی افق رویداد یک سیاه چاله از مفهومی به نام شعاع شوارتزشیلد (یا همان شعاع گرانشی) استفاده می‌کنند. اگر ماده و انرژی از این محدوده بگذرند، سفری یک طرف به تکینگی واقعی که در قلب سیاه چاله است، خواهند داشت؛ زیرا به هیچ وجه نمی‌تواند به سرعت لازم برای فرار از آن دست یابد.

نقض قوانین فیزیک در مرکز سیاه چاله

فیزیکدانان به محاسباتی که به سمت بی‌نهایت میل می‌کنند، علاقه ندارند؛ زیرا این موضوع نشان دهنده پوشش ندادن یک موضوع در نظریه است. به همین خاطر نباید به تکینگی به عنوان یک موقعیت فیزیکی نگاه کرد. در واقع تکینگی نقطه‌ای است که در آن جرم و شعاع به حدی می‌رسند که چگالی بی‌نهایت و به تبع آن خم شدن بی‌نهایت فضا زمان را رقم می‌زنند.

در این مرحله دیگر قوانین کنونی فیزیک کاربرد ندارند. البته بخشی از مشکل تکینگی را می‌توان به این موضوع مربوط دانست که نسبیت عام (بهترین توضیح ما برای جاذبه و جهان هستی در مقیاس بزرگ) و مکانیک کوانتومی (بهترین توضیح برای دنیای زیر اتمی) با همدیگر سازگار نیستند.

تا زمانی که یک نظریه کوانتومی گرانش ارائه نشود، ما متوجه نخواهیم شد در مقیاس‌های بسیار کوچک چه اتفاقی برای گرانش رخ می‌دهد. اگرچه ما به حقایق زیادی در رابطه با تکینگی مرکزی سیاه چاله دست نیافته‌ایم و به لطف افق رویداد نمي‌توانیم آن را مشاهده کنیم، اما شک نداریم که اگر جرمی از شعاع شوارتزشیلد بگذرد، به سمت تکینگی حرکت خواهد کرد.

کشیده شدن مواد به داخل سیاه چاله

اگر سیاه چاله ها با تشعشعات الکترومغناطیسی دیده نمی‌شوند،‌پس چطور می‌دانیم که آنها وجود دارند؟ خوشبختانه این پدیده‌های خاص کیهانی تاثیر شگرفی بر محیط اطراف خود می‌گذارند و به واسطه آن شناسایی می‌شوند.

این تاثیر مخصوصا در مواقعی که سیاه چاله توسط گاز و گرد و غبار احاطه شده، بیشتر نمایان می‌شود. به خاطر تکانه زاویه‌ای، این مواد به شکل یک چرخ باریک به دور سیاه چاله به گردش در می‌آیند و قرص برافزایشی نامیده می‌شوند. مواد موجود در قرص برافزایشی به تدریج به داخل سیاه چاله کشیده می‌شوند و در نتیجه پرتوهای قدرتمند نور (شامل اشعه ایکس) در قالب جت‌های نسبیتی به بیرون پرتاب می‌شوند.

باور عمومی اینطور شکل گرفته که سیاه چاله هر چیزی که اطرافش قرار دارد را به داخل می‌کشد. هرچند که نمی‌توان چنین موردی را به عنوان یکی از حقایق مربوط به سیاه چاله به حساب آورد؛ زیرا بیشتر این مواد هستند که درون سیاه چاله سقوط می‌کنند. البته مواد داخل قرص برافزایشی نیز از تاثیر مرکز سیاه چاله مصون نیستند. گرانش فوق‌العاده قوی سبب می‌شود که قرص با سرعت بالایی بچرخد و گرد و غبار داخل آن نیز به دمای بالایی برسند.

همچنین قرص‌های برافزایشی برخی از سیاه چاله‌ ها زمینه‌ساز یک پدیده قوی‌تر و قدرتمند‌تر به نام هسته کهکشانی فعال نیز می‌شوند. در واقع آنها مواد لازم برای جت‌ها یا فواره‌های قطبی بسیار بزرگی که از مرکز سیاه چاله به بیرون پرتاب می‌شوند را فراهم می‌کنند. این جت‌ها حتی از خود کهکشان نیز درخشان‌تر هستند.

در ادامه حقایق مربوط به سیاه چاله و فواره‌های قطبی باید گفت که گاهی اوقات ماده توسط سیاه چاله بلعیده نمی‌شود، بلکه به واسطه میدان‌های مغناطیسی به قطب‌های یک سیاه چاله در حال چرخش دارای میدان الکترومغناطیسی هدایت می‌شوند. در این مرحله عاملی (احتمالا چرخش سیاه چاله) سبب می‌شود که ماده با سرعتی نزدیک به سرعت نور و به شکل فواره‌های قطبی از سیاه چاله به بیرون پرتاب شود.

سرنوشت انسان در صورت افتادن در سیاه چاله

اگر یک فضانورد از افق رویداد بگذرد، بدنش در مسیر رفتن به سمت تکینگی مرکزی به صورت کامل نابود خواهد شد. البته این فرد به احتمال زیاد پیش از حتی نزدیک شدن به افق رویداد نیز جان خود را از دست خواهد داد. این اتفاق به خاطر نیروی کشندی قدرتمندی است که حتی ستاره‌ها را دچار فروپاشی می‌کند.

همزمان با حرکت فضانورد به سمت افق رویداد، بخشی از بدن که به سیاه چاله نزدیک‌تر است، به خاطر تاثیر شدید گرانش به صورت عمودی کشیده و به صورت همزمان به صورت افقی فشرده می‌شود. این پروسه اسپاگتی شدن نام دارد؛ اما برخلاف نامش اصلا جالب نیست.

برای یک سیاه چاله ستاره‌ای با جرمی ۴۰ برابر جرم خورشید، اسپاگتی شدن در فاصله ۱۰۰ کیلومتری از افق رویداد و به بیانی دیگر ۱۲۰ کیلومتری از تکینگی مرکزی رخ می‌دهد. یکی از حقایق جالب مربوط به سیاه چاله این است که حتی اگر انسان به دلایلی زنده از افق رویداد بگذرد، متوجه تغییر خاصی در محیط اطراف خود به جز تاریک شدن آن نخواهد شد.

اگر در همین حین همکاران فضانورد مورد نظر از یک فضاپیمای دور دست در حال تماشای او باشند، حتی گذشتن وی از افق رویداد را نخواهند دید. از آن جایی که نور در سیاه چاله دچار کشیدگی یا سرخ‌گرایی می‌شود، اینگونه به نظر می‌رسد که سرعت سقوط فضانورد در حال کاهش است. این وضعیت آنقدر در افق رویداد تشدید خواهد شد که از نظر خدمه فضاپیما فضانورد در لبه سیاه چاله متوقف شده و به تدریج محو می‌شود.

ابهامات مربوط به سیاه چاله

یکی از بزرگترین رازهای مربوط به سیاه چاله ها این است که چه اتفاقی در قلب آنها (در تکینگی معروف) رخ می‌دهد. سوال بعدی این است که آیا سیاه چاله‌ها می‌میرند؟ و اگر پاسخ به این سوال مثبت است، چطور و چگونه؟

استیون هاوکینگ، فیزیکدان مطرح انگلیسی پیش از مرگ خود گفته بود که سیاه چاله ها همه‌چیز را جذب نمی‌کنند. در واقع آنها تنها نیمی از یک جفت ذره را می‌بلعند که بخش کوچکی از سیاه چاله را با خود نابود می‌کند. ذره دیگر نیز به فضا برمی‌گردد. این پدیده تابش هاوکینگ نام دارد.

هاوکینگ در سال ۱۹۷۴ در نامه‌ای به مجله Nature توضیح داد که پس از گذشت یک دوره زمانی بسیار طولانی (شاید حتی طولانی‌تر از قدمت هستی با قدمت احتمالی آن در آینده)، پدیده تابش هاوکینگ باعث می‌شود که سیاه چاله با یک انفجار بسیار بزرگ به حیات خود خاتمه دهد.

در اینجا ما با مشکلی به نام پارادوکس هاوکینگ مواجه خواهیم شد. بر اساس فیزیک کوانتومی اطلاعات نمی‌توانند نابود شوند؛ بنابراین باید توجیهی برای اطلاعاتی که توسط ماده به داخل سیاه چاله برده می‌شود، وجود داشته باشد. تاکنون نظریه‌های زیادی برای حل این پارادوکس ارائه شده است؛ اما هیچکدام نتوانسته‌اند به طور کامل پژوهشگران را متقاعد کنند.

جالب است که استیون هاوکینگ (یکی از بزرگترین نوابغ تاریخ بشر) در آخرین تلاش‌های خود برای پیشرفت علم به این موضوع پرداخته است که احتمالا هیچ چیز حتی سیاه چاله برای همیشه در هستی باقی نمی‌ماند. کدام یک از حقایق مربوط به سیاه چاله برای شما جذاب‌تر بود؟ اگر مورد دیگری را در نظر دارید، حتما در بخش نظرات با ما در میان بگذارید.