سياهچاله هاي فضايي

[mohammadreza...]

سياهچاله هاي فضايي



يکي از شگفتي هاي فضا وجود حفره هاي سياه در آن است. مکان هايي که در اثر جاذبه، حتي نور از آن قابل گريز نيست و هرچه در آن وارد شود ديگر خارج نخواهد شد. به اين حفره ها در دانش نجوم، «سياهچال هاي فضايي» گفته مي شود و درصدديم تا در مطلب امروز به نقل از پايگاه کانون دانش، به تشريح اين پديده شگفت انگيز جهان هستي بپردازيم. بر اساس قانون جاذبه نيوتن، هر جرمي داراي نيروي جاذبه بوده و مقدار آن رابطه عکس با مجذور فاصله از آن دارد. در سال1795 «لاپلاس» با استفاده از قانون جاذبه نيوتن، تئوري خود را چنين بيان کرد: اگر جسمي با جرم M آن قدر فشرده شود که شعاع آن، کمتر از مقدار rs شود (2gm/c2=rs ) (g ضريب ثابت جهاني نيروي جاذبه و c سرعت نور)، در نتيجه سرعت فرار از آن از سرعت نور بيشتر خواهد بود. «آلبرت اينشتين» مي گويد: هيچ جسمي نمي تواند از نور سريع تر حرکت کند. اگر دو جسم با سرعت نور در خلاف جهت هم نيز حرکت کنند باز هم نسبت سرعت آنها به يکديگر برابر با سرعت نور است. در واقع سرعت نور حد مطلق سرعت است. با توجه به اين نکته که چون سرعت گريز از حفره هاي سياه بيشتر از نور است پس فرار از آن غيرممکن است. «آلبرت اينشتين» در سال1915 در تئوري نسبيت خود (رابطه نيروي جاذبه، زمان و حجم) وجود اين سياهچال ها را عنوان کرد. اثبات فيزيکي و فرمولي آن تا سال ها ميسر نبود. اما امروزه به وجود آنها پي برده شده است. در اين تئوري، زمان به عنوان يک بعد (زمان فضايي) نيز شناخته شده است. از آنجايي که نور نمي تواند از حفره ها بگريزد پس در فضا چنين جسمي قابل رويت نيست.

پيدايش:
نوع و اندازه سياهچال ها زمان پيدايش آنها را تعيين مي کند. برخي از آنها در ابتداي تشکيل کائنات بوجود آمده و اکثرا در مرکز کهکشان ها بوده و به آن ها سياهچال هاي عظيم يا غول پيکر (BlackHoles Supermassive) گفته مي شود. نوع ديگر آن استلارها (Stellars) هستند که در اثر انفجار سوپرنواها بوجود مي آيند. انواع کوچک تر آنها تا اندازه کوچک تر از يک الکترون با جرم زياد وجود دارند.

سياهچال هاي غول پيکر: جرم اين سياهچال ها از يک ميليون تا سه ميليارد برابر خورشيد بوده و در ابتداي تولد کيهان پيدايش يافته اند. زماني که هر نوع ماده، ستاره و يا سياره اي در نزديکي آن گرفتار جاذبه اش شود، با سرعت سرسام آور و به صورت مارپيچ به سمت مرکز آن کشيده شده و در اثر جاذبه شديد بتدريج به يک صفحه تبديل مي شود. در يکي از تحقيقات اخترشناسان سرعت ورود چندين سياره به درون مرکز کهکشان راه شيري محاسبه و معادل4 ميليون کيلومتر در ساعت بوده است. حتي سيارات غول پيکر قبل از رسيدن به هسته اصلي در اثر نيروي جاذبه بسيار قوي آن تکه تکه مي شوند. با افزايش سرعت و برخورد قطعات به يکديگر و توليد اصطکاک شديد، دما به ده ها ميليون درجه سانتي گراد رسيده و در اين حرارت اشعه هاي ايکس و گاما توليد مي شوند. با رديابي اين تشعشعات، مي توان به موجوديت آنها پي برد. به علت اين برخورد و اصطکاک شديد در نزديکي حفره ها نور بسيار درخشنده اي توليد و در نتيجه، مکان اين نوع حفره ها در کهکشان ها قابل رد يابي است. نام ديگر آنها «کواسار» (ستاره دجاجه) بوده و درخشنده ترين اجسام در فضا هستند. دانشمندان بر اين عقيده اند که زمان پيدايش آنها در ابتداي تولد کائنات بوده و امکان بوجود آمدن مجدد آنها مقدور نيست. به مرکز اين نوع کهکشان ها «AGN» که مخفف هسته فعال کهکشان است گفته مي شود. دانشمند انگليسي «هاکينگ» معتقد است که جرم اصلي عالم را حفره هاي سياهي تشکيل مي دهند که در ابتداي پيدايش جهان بوجود آمده اند. در اين فاصله زماني، سياهچال هاي اوليه از بين رفته ولي بزرگترها باقي مانده اند. در سال1994 اولين سياهچال به جرم5/2 تا5/3 ميليارد برابر منظومه شمسي توسط تلسکوپ هاي قوي در مرکز کهکشان M87 پيدا شد. آيا تمام کهکشان ها داراي حفره سياه هستند؟ اين سوالي است که تاکنون پاسخي براي آن وجود نداشته است. برخي مواد ورودي به آنها در اثر سرعت سرسام آور قبل از رسيدن از قطبين آن خارج مي شوند. اين پديده بنام «جت کهکشاني» معروف بوده و قابل رويت است.

استلارها:
اين نوع حفره ها از انفجار سوپرنوايي بوجود مي آيند. براي تشکيل اين نوع حفره ها جرم ستاره ها بايد حداقل سه برابر خورشيد باشد و در واقع آنها از مرگ ستارگان غول پيکر به وجود مي آيند. در زمان تولد، سوخت ستاره هاي جوان، هيدروژن است. در مرکز هسته به علت نيروي جاذبه، فشار و حرارت شديد، واکنش اتمي اتفاق افتاده و هيدروژن تبديل به هليوم، نور، حرارت و تشعشع گشته و به سطح آن پرتاب مي شود. در اين زمان ستاره در حال درخشش و سوختن است. نيروي حاصل از گريز حرارت، نور و تشعشات ستاره، باعث خنثي شدن نيروي جاذبه مي شود. اين تعادل تا زماني برقرار است که سوخت ستاره تمام نشود. اما پس از پايان سوخت (هيدروژن) و تبديل اکثر آن به هليوم، يک واکنش اتمي ديگر اتفاق افتاده و هليوم به کربن و باقيمانده آن به صورت تشعشع به انرژي تبديل مي شود. اين واکنش ادامه يافته و کربن به اکسيژن و بعد به سيليکون و در انتها به آهن تبديل مي شود. واکنش اتمي در زمان بوجود آمدن هسته آهني متوقف مي شود. اگر ستارگان قديمي را دو نيم کنيم، ملاحظه خواهيم کرد که از يک هسته آهني و لايه هاي فوقاني، بترتيب سيليکون، کربن، هليوم و هيدروژن تشکيل شده است. غير از هسته مرکزي تمام لايه ها در حال سوختن هستند. در نهايت واکنش اتمي به علت نيروي شديد جاذبه و حرارت و فشار، تمام اجزا» عناصر هسته آهني را تبديل به نوترون مي کند. بتدريج با اتمام سوخت ستاره، نيروي گريز از مرکز تشعشعات، حرارت و نور ديگر وجود ندارد تا بتواند نيروي جاذبه را خنثي کند. در نتيجه لايه هاي فوقاني به سمت مرکز کشيده شده و بر اثر برخورد با هسته نوتروني منفجر و به سطح پرتاب مي شوند. اين واکنش را انفجار سوپرنوايي مي نامند. آنچه اتفاق مي افتد انفجار لايه هاي فوقاني بوده و ما فقط سطح خارجي آن را مشاهده مي کنيم. اين انفجار در واقع در اثر واکنش دروني بوده و فقط هسته باقي مي ماند. در اين جا ستاره مي ميرد و اخترشناسان آن را مرگ ستاره ناميده اند. وقتي که يک ستاره سوختش تمام مي شود مانند يک بمب منفجر شده و در زمان وقوع آن درخشش به ميلياردها برابر خورشيد مي رسد. ستاره هايي تا جرم4/1 برابر خورشيد به کوتوله هاي سفيد،4/1 تا3 برابر خورشيد به ستاره هاي نوتروني و از سه برابر بزرگتر از خورشيد به سياهچال هاي فضايي تبديل خواهند شد. حداقل جرم مورد نياز براي ايجاد سياهچال ها بنام «لاندو اوپن هايمر ولکو» ناميده و محاسبه شده است. نزديک ترين سياهچال به ما «سايگنوس ايکس يک» است که در سال971 رصد شده است. کهکشان راه شيري داراي بيش از چند ميليون از آنهاست. به وجود آمدن اين نوع سياهچال ها تا کنون ادامه داشته و هم چنان در حال تشکيل است ولي پيدايش جديد نوع اول آن امکان پذير نيست. انواع بزرگتر سياهچال ها داراي جرمي بيش از5 تا100 برابر خورشيد بوده و قطر آنها بين32 الي650 کيلومتر است. تعداد25 عدد از آنها تاکنون در کهکشان ما، راه شيري، رصد شده است.

سياهچال هاي کوچک:
در مقايسه با دو نوع ذکر شده، سياهچال هاي کوچک از ابعاد کوچکتري برخوردارند. نوع ميکروي آن داراي جرمي معادل يک کيلومتر مکعب آب بوده که در ابعادي کوچکتر از يک الکترون فشرده شده است. جرم برخي نيز 1017 گرم است.

مشخصات سياهچال ها: همان گونه که ذکر شد نيروي جاذبه آنها به قدري زياد است که حتي نور قادر به فرار از آن نيست. اين جارو برقي ها و يا هيولاهاي کيهاني همه چيز را در خود مي بلعند و بهتر است به آن نزديک نشويم! طبق تئوري هاي بيان شده، زمان در نزديکي سياهچال ها کند و درون آن متوقف مي شود. شايد براي سفر در زمان بتوان از آنها استفاده کرد. زمان و مکان در اينجا بر اثر نيروي جاذبه بي نهايت کاملا به هم ريخته شده و آخرين شکل ماده در آن تحقق مي يابد. بسيار سخت است که تصور کنيم يک ماده با چنين جرمي تقريبا داراي حجم نباشد ولي اين آن چيزي است که در مرکز حفره سياه وجود دارد. بطور کلي آنها داراي دو محدوده هستند. مرکز آن به نام يکتايي (Singularity) ناميده شده و در واقع جرم آن را تشکيل مي دهد. در اينجا کل جرم يک ستاره در ابعاد ميليون ها برابر کوچکتر فشرده شده است. در حاشيه آن منطقه ديگري بنام واقعه و يا حد افق (Hori Eventzon) وجود دارد که در اصل اين يک فاصله فيزيکي نيست بلکه محدوده اي است که بعد از آن امکان بازگشت وجود ندارد. هر قدر يکتايي بزرگتر باشد، واقعه افق آن بزرگتر خواهد بود. نور پس از عبور از اين محدوده ديگر نمي تواند از سياهچال بگريزد. تشعشعات آن بنام «شوارتست چايلد» نامگذاري شده است.

رديابي:
ما مي دانيم، اکثر سيارات به علت جاذبه آن به دور يک ستاره بزرگ در گردش هستند. زماني که اخترشناسان سياراتي را ديدند که به دور مرکزي مي چرخند که ستاره اي وجود ندارد، نتيجه خواهند گرفت، که يک سياهچال يا ستاره نتروني در آن وجود دارد. در کل آنها با سه عامل جرم، شار ژ الکتريکي و سرعت گردشي شناخته مي شوند. اگر جرم خورشيد ما به اندازه يک کره به قطر 6 کيلومتر کوچک شود تبديل به يک سياهچال خواهد شد.

لنزهاي فضايي:
فرض کنيد که زمين در يک سو و يک ستاره در طرف مقابل باشد. نور آن بطور معمول به زمين مي رسد. اگر يک سياهچال در حرکت باشد و ميان زمين و آن ستاره قرار گيرد، بعلت جاذبه بسيار قوي آن، نور متصاعد شده از ستاره به سمت سياهچال منحرف و متمرکز مي شود. در اينجا ما آن ستاره را بسيار درخشنده تر از گذشته خواهيم ديد. اين واقعه را «اثر لنز فضايي» مي گويند. درست مشابه آن است که ما يک ذره بين را در جلوي نور خورشيده قرار دهيم، خواهيم ديد که پرتوهاي نور آن در يک نقطه متمرکز و آنجا بسيار درخشنده تر مي شود. اين همان اثري است که سياهچال در زمان عبور خود از ميان زمين و يک ستاره به وجود مي آورد و يکي از راه هاي کشف آنهاست. با توجه به وجود ميلياردها حفره و ايجاد انحراف در نور منتشره از ستارگان، در زمين، بسياري از آنها را درجاي اصلي خود نمي توانيم رصد کنيم، زيرا که پرتوي آنها به سمت حفره سياه منحرف شده است.

پايان انرژي: پس از اتمام سوخت ستاره ها چه اتفاقي خواهد افتاد؟ آيا جهان تبديل به يک مجموعه سيارات سرد و خاموش خواهد شد که در حال دور شدن از يکديگرند؟ اين سئوالي است که جوابش براي بشر نامعلوم است. اصطلاح سياهچاله يا حفره هاي سياه را دانشمند بزرگ و اولين متخصص فيزيک نظري در زمينه سياهچاله ها،«جان ويلر» اين نام را براي آنها انتخاب کرد. کتاب گرانش وي که به همراه «ميسنر» و « تورن» نوشته شد همچنان از نوشته هاي کلاسيک و مراجع مهم نسبيت است که از پايه شروع کرده تانسور ها را توضيح مي دهد و به فيزيک کوانتم و ترموديناميک و مباحث پيشرفته ديگر مي رسد.

چگونگي تشکيل سياهچاله:
حفره هاي سياه بازمانده از ستارگان عظيمي هستند که سوختشان به اتمام رسيده و به اصطلاح مرده اند. البته، فقط ستارگاني که حجم آنها بيش از سه برابر خورشيد خودمان است، حفره هاي سياه بوجود ميآورند. بعضي از اين ستارگان عظيم، منفجر شده و بصورت يک سوپر نواي درخشان در مي آيند. بعضي سوپر نواها، بطور کامل منفجر شده و چيزي از خود باقي نمي گذارند. اما بعضي ديگر در مرکز خودشان فرو ميريزند و همه مواد در آنها با هم محکم برخورد کرده و به هم مي چسبند. بستگي به اينکه مرکز آنها چقدر عظيم و حجيم باشد، سوپر نواها تبديل به نوترون شده و يا تبديل به حفره هاي سياه مي شوند.

چرا حفره سياه ناميده شد؟
به اين خاطر که ما نمي توانيم خود حفره هاي سياه را ببينيم، ممکن است فکر کنيم که پيدا کردن آنها غيرممکن است. اما به کمک فناوري هاي ستاره شناسي، اولين آنها در سال1972م کشف شد. نام اين حفره 1-X Cyghus و متعلق به کهکشان راه شيري است. با وجود اينکه خود حفره هاي سياه ديده نمي شوند، اما تاثير قوه جاذبه عظيم آنها بر ستاره هاي نزديکشان را مي توان بررسي کرد. هميشه يک ستاره، با سوپر نوا جفت مي شود و گازهاي حاصل از آن ستاره بصورت مارپيچ به داخل سوپر نوا بلعيده مي شوند. حرکت مارپيچي گازها، تصوير يک حفره سياه را در مرکز سوپر نوا بوجود مي آورد و بدين جهت است که آن را حفره سياه مي نامند.