سیاهچاله چیست؟

در چند جمله كوتاه میتوان گفت، سیاهچاله ناحیه ای از فضاست كه مقدار بسیار زیادی جرم در آن تمركز یافته و هیچ شیئی نمی تواند از میدان جاذبه آن خارج شود.از آنجا كه بهترین تیوری جاذبه در حال حاضر تیوری نسبیت عام انیشتن است،در مورد سیاهچاله و جزییاتش باید طبق این تیوری تحقیق و نتیجه گیری كنیم. ابتدا از مفهوم جاذبه و شرایط ساده تر آغاز می كنیم.
فرض كنید روی سطح یك سیاره ایستاده اید. یك سنگ را به سمت بالا پرتاب می كنید. با فرض اینكه آن را خیلی خیلی محكم پرتاب نكرده باشید برای مدتی به سمت بالا حركت می كند و نهایتا شتاب جاذبه باعث می شود به پایین سقوط كند. اما اگر سنگ را به اندازه ی لازم محكم پرتاب كرده باشید می توانید آن را به كل از جاذبه سیاره خارج كنید و سنگ بالا رفتن را تا ابد ادامه خواهد داد. سرعتی كه لازم است تا یك شیی را از حاذبه سیاره خارج كند سرعت فرار یا سرعت گریز نام دارد. همانطور كه انتظار می رود سرعت فرار به جرم سیاره بستگی دارد. اگر سیاره ای جرم زیادی داشته باشد كشش جاذبه آن زیاد خواهد بود و نتیجتا سرعت فرار آن بیشتر خواهد شد. سیاره سبكتر سرعت فرار كمتری خواهد داشت. همچنین سرعت فرار به فاصله از مركز سیاره نیز بستگی دارد. هر چه به مركز سیاره نزدیك تر شویم سرعت فرار نیز بیشتر می شود.
سرعت فرار زمین Km/s ۱۱.۲ یا m/h ۲۵۰۰۰ است. در حالی كه سرعت فرار در ماه فقط Km/s ۲.۴ یا m/h ۵۳۰۰ است.
حال یك جرم بسیار زیاد را كه در یك ناحیه با شعاع بسیار كوچك تمركز یافته تصور كنید. سرعت فرار چنین ناحیه ای از سرعت نور بیشتر خواهد بود و چون هیچ شییی نمی تواند سریعتر از نور سیر كند پس هیچ شییی نمی تواند از میدان جاذبه چنین ناحیه ای خارج شود ، حتی یك دسته پرتو نور.
ایده تفكر در مورد جرمی چنان چگال كه حتی نور نیز نتواند از آن خارج شود متعلق به لاپلاس در قرن هجدهم است. تقریبا بلافاصله پس از بیان نظریه نسبیت عام توسط انیشتین ، كارل شوارتز شیلد یك راه حل ریاضی برای معادلات تیوری این اجرام كشف كرد و سال ها بعد اشخاصی چون اپنیمر و ولكف واشنایدر در دهه ۱۹۳۰ به طور جدی درباره امكان وجود چنین نواحی در عالم به تحقیق پرداختند. این پژوهشگران نشان دادند، هنگامی كه محتویات سوخت یك ستاره پرجرم به پایان می رسد، نمی تواند در مقابل جاذبه درونی خود مقاومت كند و به صورت یك سیاهچاله در خود فرو می ریزد.
در نسبیت عام جاذبه از عوامل انحراف فضای ۴ بعدی است. اشیاء بسیار پرجرم باعث انحرافات محورهای زمان و فضا می شوند در حدی كه قوانین هندسی اعتبار خود را از دست می دهند و به كار نمی آیند. این انحراف در اطراف یك سیاهچاله بسیار چشمگیر است و باعث می شود كه سیاهچاله ها خصوصیات عجیبی داشته باشند. هر سیاهچاله چیزی به نام افق حادثه ( event horizon ) دارد، كه سطحی كروی است و مرز سیاهچاله را مشخص می كند. شما می توانید وارد این افق شوید اما نمی توانید از آن رهایی یابید. در حقیقت وقتی وارد افق شدید محكوم به نزدیك و نزدیك تر شدن به مركز سیاهچاله هستید.
درباره افق می توان این تصور را داشت كه افق جایی است كه در آن سرعت گریز برابر با سرعت نور است. در خارج از افق سرعت گریز كمتر از سرعت نور است. بنا بر این در صورتی كه راكت های شما به اندازه كافی انرژی داشته باشند می توانید از افق دور شوید اما وقتی وارد افق شدید راهی برای خروج ندارید. افق خصوصیات هندسی عجیبی دارد، برای یك ناظر كه فاصله زیادی از سیاهچاله دارد، افق جای خوبی به نظر می رسد كه كروی و ساكن است. اما در صورتیكه به سیاهچاله نزدیك شوید متوجه خواهید شد افق با سرعت بسیار زیاد و یا در حقیقت با سرعت نور به سمت بیرون در حركت است. چون افق با سرعت نور به سمت بیرون گسترش می یابد، پس برای خروج از افق باید سرعتی بیش از سرعت نور داشته باشیم. و چون می دانیم كه نمی توانیم با سرعتی بیش از سرعت نور سیر كنیم پس هیچ گاه نخواهیم توانست از سیاهچاله فرار كنیم.
اگر این مطالب بسیار عجیب به نظر می رسند، نگران نباشید، واقعا عجیب هستند. افق از جهتی ثابت و از جهتی نا پایستار است. این مطلب تا حدی شبیه به داستان آلیس در سرزمین عجایب است. او باید تا جایی كه می توانست سریع حركت می كرد تا می توانست در یك جا بماند.
در درون افق فضا در حدی منحرف می شود كه مختصات طول و زمان جایشان عوض می شود به این معنی كه مختص نشان دهنده فاصله از مركز سیاهچاله كه r نام دارد، یك مختص زمانی و t یك مختص فضایی می شود. نتیجه این جابجایی این است كه نمی شود از كوچك شدن لحظه به لحظه r جلوگیری كرد، مشابه شرایط معمولی كه از رسیدن به آینده گریزی نیست (یعنی به طور معمول t در حال افزایش است) در نهایت باید به مركز جایی كه r = ۰ است برسیم. ممكن است فكر كنید با روشن كردن راكت ها می توان از افق خارج شد، اما این كار نیز بیهوده است. از هر ماده ای كه استفاده كنید، نمی توانید از آینده خود گریزی داشته باشید. پس از وارد شدن به افق، تلاش برای دور شدن از مركز سیاهچاله درست مثل تلاش برای نرسیدن به پنجشنبه آینده است.
نام سیاهچاله را برای اولین بار جان آرچیبالد ویلر پیشنهاد داد كه نام مناسبی به نظر می رسید، چون از نام های پیشنهادی قبل از خودش جذاب تر بود. پیش از ویلر از این نواحی با عنوان ستاره های منجمد یاد می شد. در ادامه توضیح خواهم داد كه چرا این نام را به آن ها داده بودند.سیاهچاله چه اندازه ای دارد؟
اندازه هر چیز دو جنبه دارد. در اولین جنبه می گوییم این جسم چه میزان جرم دارد و در جنبه دیگر آن را از نظر حجم بررسی می كنیم. ابتدا درباره جرم سیاهچاله بحث می كنیم.
برای میزان جرم یك سیاهچاله محدودیتی وجود ندارد. هر مقدار جرمی درصورتی كه به اندازه كافی چگال باشد می تواند سیاهچاله تشكیل دهد. حدس می زنیم كه سیاهچاله های موجود از مرگ ستارگان پرجرم تشكیل یافته اند، بنا بر این باید به همان اندازه جرم داشته باشند. به عنوان نمونه جرم یك سیاهچاله در حدود ۱۰ برابر جرم خورشید است، یعنی جرمی معادل ۱۰ به توان ۳۱ كیلوگرم.
هر چه جرم سیاهچاله بیشتر باشد فضای بیشتر اشغال خواهد كرد. در حقیقت شعاع شوارتز شیلد (شعاع افق) و جرم نسبت مستقیم دارند. اگر سیاهچاله ای ۱۰ برابر یك سیاهچاله دیگر جرم داشته باش، شعاعش نیز ۱۰ برابر دیگری خواهد بود. شعاع سیاهچاله ای هم جرم خورشید ۳ كیلومتر است. بنا بر این، اگر سیاهچاله ای ۱۰ برابر خورشید جرم داشته باشد شعاعش ۳۰ كیلومتر خواهد بود و سیاهچاله ای كه در مركز یك كهكشان با جرم یك ملیون برابر خورشید ۳ میلون كیلومتر شعاع خواهد داشت. ممكن است این مقدار شعاع زیاد به نظر برسد ولی با استانداردهای نجومی خیلی هم عجیب نیست. به عنوان مثال شعاع خورشید ۷۰۰۰۰۰ كیلومتر است و یك سیاهچاله بسیار بسیار سنگین شعاعی فقط در حدود ۴ برابر خورشید دارد.
در صورت سقوط در سیاهچاله چه بلای به سرم می آید؟
فرض می كنیم در داخل یك فضا پیما به سمت یك سیاهچاله با جرم یك ملیون برابر خورشید در مركز كهكشان راه شیری در حال حركت هستید. (بحث های زیادی در مورد وجود سیاهچاله در مركز كهكشان راه شیری وجود دارد. اما فرض می كنیم حداقل برای چند ثانیه این سیاهچاله موجود باشد.) از فاصله دور راكت ها را خاموش كرده اید و به سمت سیاهچاله سرازیر می شوید. چه اتفاقی خواهد افتاد؟
در ابتدا هیچ جاذبه ای را حس نخواهید كرد چون در حال سقوط آزاد هستید، همه قسمتهای بدنتان به یك صورت كشیده خواهند شد و احساس بی وزنی خواهید كرد (این دقیقا همان چیزی است كه در مدار زمین برای فضا نوردان اتفاق می افتد. با این حال نه فضا نورد و نه شاتل هیچ نیروی جاذبه ای را حس نمی كنند.) همین طور كه به مركز سیاهچاله نزدیك و نزدیك تر می شوید نیروهای جاذبه جزر و مدی را بیشتر حس خواهید كرد. فرض كنید پاهایتان نسبت به سرتان در فاصله كمتری از مركز سیاهچاله قرار گرفته باشد. نیروی جاذبه با نزدیك شدن به مركز سیاهچاله بیشتر می شود، بنا بر این در پاهایتان نیروی جاذبه را بیشتر حس خواهید كرد. و حس خواهید كرد كشیده شده اید ( این نیرو نیروی جزر و مدی نام دارد چون دقیقا مانند نیرویی عمل می كند كه باعث جزر و مد در سطح زمین می شود). این نیروها با نزدیك شدن به مركز بیشتر و بیشتر خواهد شد تا جایی كه شما را پاره پاره كند.
برای یك سیاهچاله خیلی بزرگ شبیه به آن كه شما در آن سقوط می كنید، نیروهای جزر و مدی تا شعاع ۶۰۰۰۰۰ كیلومتری مركز قابل توجه نیستند. البته این مطلب پس از ورود به افق اعتبار می یابد. اگر در حال سقوط به یك سیاهچاله كوچكتر هم جرم خورشید بودید، نیروهای جزر و مدی از فاصله ۶۰۰۰ كیلومتری مركز شما را تحت تاثیر قرار می داد و شما خیلی زود تر از آنكه وارد افق شوید تكه پاره می شدید (و این موضوع علت این است كه شما را در حال سقوط به یك سیاهچاله بزرگ تصور كردیم تا بتوانید حداقل تا وارد شدن به سیاهچاله زنده باشید). در حین سقوط چه چیزهایی می بینید؟ شما در حین سقوط چیز خاص و عجیبی را مشاهده نخواهید كرد. تصویر اشیا درو ممكن است به شكل های عجیب و نا مربوط در آمده باشند، چون جاذبه سیاهچاله نور را نیز منحرف می كند. به ویژه وقتی وارد افق می شوید هیچ اتفاق خاصی نخواهد افتاد. حتی پس از وارد شدن به افق نیز خواهید توانست چیزهایی را كه بیرون هستند ببینید. چون نوری كه از اشیا بیرونی ساطع می شود می تواند وارد افق شود و به شما برسد. اما در بیرون از افق كسی قادر به دیدن شما نیست چون نور نمی تواند از افق خارج شود. كل این اتفاقات چقدر طول می كشد؟ البته این مطلب بستگی به این دارد كه از چه فاصله سقوط به داخل سیاهچاله را شروع كرده باشید. فرض می كنیم این عملیات از جایی شروع شود كه فاصله شما از مركز ۱۰ برابر شعاع سیاهچاله باشد. برای سیاهچاله ای با جرم یك میلیون برابر خورشید ۸ دقیقه طول می كشد تا به افق برسید، پس از آن ۷ دقیقه دیگر در پیش دارید تا به ناحیه منحصر به فردی برسید. البته این زمان ها تقریبی است و به عنوان مثال در یك سیاهچاله كوچكتر زمان مرگ نزدیك تر خواهد بود. پس از پشت سرگذاشتن افق در ۷ دقیقه باقیمانده از عمر ممكن است وحشت زده بشوید و شروع كنید به روشن كردن راكت ها اما این تلاش بیهوده است.
از یك فاصله مطمئن از سقوط در سیاهچاله چه چیز مشاهده می شود؟
چیزی كه از دور دیده می ود با واقعیت كمی تفاوت دارد. همچنان كه شما به افق نزدیك تر می شوید ناظر حركت شما را آهسته و آهسته تر می بیند. او هیچ گاه رسیدن شما را به افق نخواهد دید.
سیاهچاله ای را در نظر بگیرید كه از فرو ریختن یك ستاره شكل گرفته است. در حالی كه ماده تشكیل دهنده سیاهچاله فرو می ریزد، ناظر آن را كوچك و كوچك تر می بیند، همچنین او نزدیك شدن شما را می بیند اما نمی تواند رسیدن به افق را ببیند و این علت نام گذاری اولیه آنها یعنی ستاره های منجمد است. چون به نظر می رسد آن ها در فاصله ای به اندازه كمی بیشتر از شعاع شوارتز شیلد یخ زده اند.
چرا اینگونه به نظر می رسد؟ مهمترین مطلبی كه در این مورد عنوان شده یك خطای نوری است. در حقیقت شكل گرفتن یك سیاهچاله یا رسیدن شما به افق زمان نامحدودی نمی برد. وقتی شما به افق نزدیك و نزدیك تر می شوید، نوری كه از شما ساطع می شود به زمان بیشتری نیاز دارد تا به ناظر برسد در واقع نوری كه بدن شما در هنگام گذر از افق ناظر دیگر تصویری از شما نمی بیند و حس می كند رسیدن به افق چه زمان نامحدودی وقت می برد.
از زاویه دیگری نیز می شود به این مسئله نگاه كرد. زمان در نزدیكی افق بسیار آرامتر از فضاهای دورتر سپری می شود. فرض كنید فضاپیمای شما برای خروج از افق در حركت است و برای چندین ثانیه آنجا توقف می كند (با مصرف مقداری زیادی سوخت برای جلوگیری از سقوط به داخل). سپس شما به سمت ناظری می روید و به او ملحق می شوید. متوجه می شوید در طی این ایام او سنی بیش از شما دارد، در حقیقت زمان برای شما بسیار آهسته تر (كند تر) سپری شده است تا برای او.
به نظر شما كدام یك از این دو نظریه فریب نور یا كندی زمان درست است؟ جواب بستگی به مختصاتی داردكه طبق آن به بررسی سیاهچاله ها بپردازید. طبق مختصات معمول كه مختصات شوارتز شیلد نام دارد، زمانی افق را پشت سر می گذارید كه مختصات t (زمان) بی نهایت است. طبق این مختصات گذر از افق زمان بی نهایت لازم دارد. اما علت این مطلب این است كه مختصات شوارتز شیلد تصویر تحریف شده ای از آنچه در اطراف افق می گذرد به ما می دهد. در حقیقت درست در افق مختصات كاملا تحریف شده و تغییر یافته اند. در صورتی كه مختصات واحدی را در نزدیكی افق انتخاب نكرده اید متوجه می شوید كه در هنگام گذر از افق زمان واقعا محدود است. ولی زمانی كه ناظر شما را مشاهده می كند نامحدود است. تشعشات نیاز به زمان بی نهایت و نامحدودی دارند تا به چشم ناظر برسند. پس شما می توانید از هر دو نوع مختصات استفاده كنید، در عمل هر دوی آنها درست هستند. فقط دو بیان متفاوت از یك مطلب ارئه می دهند. درعمل شما از چشم ناظر پنهان خواهید ماند قبل از اینكه زمان بی نهایت سپری شود. برای یك جسم نوری كه از طرف سیاهچاله تابش می شود به طرف سرخی و طول موجهای بیشتر می رود.
بنا براین در صورتی كه شما نور مرئی با طول موجهای ثابتی ساطع كنید، ناظر آن را با طول موج بیشتری دریافت خواهد كرد. با نزدیك تر شدن شما به افق این طول موجها افزایش می یابند. كه درنهایت به تابش های نامرئی، مادون فرمز و امواج رادیویی خواهند رسید. در بعضی نقاط طول موجها به قدری زیاد خواهند بود كه ناظر نخواهد توانست آن ها را مشاهده كند. از گذشته به خاطر دارید كه نور در دسته هایی به نام فوتون ساطع می شود. تصور كنید در حین گذر از افق فوتون هایی ساطع كنید. قبل از گذشتن از افق آخرین فوتون ها را ساطع خواهید كرد، این فوتون ها در زمان محدودی به چشم ناظر خواهند رسید - به عنوان مثال برای چنان سیاهچاله پر جرمی چیزی در حدود ۱ ساعت.. و پس از آن ناظر دیگر قادر به دیدن شما نخواهد بود (فوتون هایی كه پس از گذر از افق ساطع می شوند هیچ گاه به ناظر نمی رسند)...

مترجم: معصومه یوسفی

منبع : شبکه فیزیکی هوپا