حفره سیاه سیاهچاله چیست

یكی از شگفتی های فضا وجود حفره های سیاه در آن است مكان هایی كه در اثر جاذبه بی نهایت حتی نور از آن قابل گریز نیست و هر چه در آن وارد شود دیگر خارج نخواهد شد

یكی از شگفتی های فضا وجود حفره های سیاه در آن است. مكان هایی كه در اثر جاذبه بی نهایت حتی نور از آن قابل گریز نیست و هر چه در آن وارد شود دیگر خارج نخواهد شد. به این حفره ها در دانش نجوم سیاه چال های فضایی گفته می شود كه در این مقاله به آن می پردازیم.

بر اساس قانون جاذبه نیوتن، هر جرمی دارای نیروی جاذبه بوده و مقدار آن رابطه عكس با مجذور فاصله از آن دارد.

در سال۱۷۹۵ لاپلاس با استفاده از قانون جاذبه نیوتن تئوری خود را چنین بیان كرد: اگر جسمی با جرم M آن قدر فشرده شود كه شعاع آن، rs كمتر از مقدار rs=۲GM/c۲ شود [G ضریب ثابت جهانی نیروی جاذبه و c سرعت نور] ، در نتیجه سرعت فرار از آن از سرعت نور بیشتر خواهد بود. آلبرت انیشتن می گوید: هیچ جسمی نمی تواند از نور سریع تر حركت كند.

اگر دو جسم با سرعت نور در خلاف جهت هم نیز حركت كنند باز هم نسبت سرعت آنها به یكدیگر برابر با سرعت نور است. در واقع سرعت نور حد مطلق سرعت است. با توجه به این نكته كه چون سرعت گریز از حفره های سیاه بیشتر از نور است پس فرار از آن غیر ممكن است.

آلبرت انیشتن در سال۱۹۱۵ در تئوری نسبیت خود(رابطه نیروی جاذبه، زمان و حجم) وجود این سیاه چال ها را عنوان كرد. اثبات فیزیكی و فرمولی آن تا سال ها میسر نبود. اما امروزه به وجود آنها پی برده شده است.

در این تئوری، زمان به عنوان یك بعد (زمان فضایی) نیز شناخته شده است. از آنجایی كه نور نمی تواند از حفره ها بگریزد پس در فضا چنین جسمی قابل رویت نیست.

● پیدایش

نوع و اندازه سیاه چال ها زمان پیدایش آنها را تعیین می كند. برخی از آنها در ابتدای تشكیل كائنات بوجود آمده و اكثراً در مركز كهكشان ها بوده و به آنها سیاه چال های عظیم یا غول پیكر (Supermassive Black Holes) گفته می شود. نوع دیگر آن استلارها (Stellars) هستند كه در اثر انفجار سوپرنواها بوجود می آیند. انواع كوچك تر آنها تا اندازه كوچكتر از یك الكترون با جرم زیاد وجود دارند.

● سیاه چال های غول پیكر

جرم این سیاه چال ها از یك میلیون تا سه میلیارد برابر خورشید بوده و در ابتدای تولد كیهان پیدایش یافته اند. زمانی كه هر نوع ماده، ستاره و یا سیاره ای در نزدیكی آن گرفتار جاذبه اش شود، با سرعت سرسام آور و به صورت مارپیچ به سمت مركز آن كشیده شده و در اثر جاذبه شدید بتدریج به یك صفحه تبدیل می شود. در یكی از تحقیقات اخترشناسان سرعت ورود چندین سیاره به درون مركز كهكشان راه شیری محاسبه و معادل۴ میلیون كیلومتر در ساعت بوده است. حتی سیارات غول پیكر قبل از رسیدن به هسته اصلی در اثر نیروی جاذبه بسیار قوی آن تكه تكه می شوند.

با افزایش سرعت و برخورد قطعات به یكدیگر و تولید اصطكاك شدید، دما به دهها میلیون درجه سانتی گراد رسیده و در این حرارت اشعه های ایكس و گاما تولید می شوند. با ردیابی این تشعشعات، می توان به موجودیت آنها پی برد. به علت این برخورد و اصطكاك شدید در نزدیكی حفره ها نور بسیار درخشنده ای تولید و در نتیجه، مكان این نوع حفره ها در كهكشان ها قابل رد یابی است. نام دیگر آنها «كواسار» (ستاره دجاجه) بوده و درخشنده ترین اجسام در فضا هستند.

دانشمندان بر این عقیده اند كه زمان پیدایش آنها در ابتدای تولد كائنات بوده و امكان بوجود آمدن مجدد آنها مقدور نیست.

به مركز این نوع كهكشان ها «AGN» كه مخفف هسته فعال كهكشان است گفته می شود. دانشمند انگلیسی «هاكینگ» معتقد است كه جرم اصلی عالم را حفره های سیاهی تشكیل می دهند كه در ابتدای پیدایش جهان بوجود آمده اند. در این فاصله زمانی، سیاه چال های اولیه از بین رفته ولی بزرگترها باقی مانده اند.

در سال۱۹۹۴ اولین سیاه چال به جرم۲/۵ تا۳/۵ میلیارد برابر منظومه شمسی توسط تلسكوپ های قوی در مركز كهكشان M۸۷ پیدا شد.

آیا تمام كهكشان ها دارای حفره سیاه هستند؟ این سوالی است كه تاكنون پاسخی برای آن وجود نداشته است. برخی مواد ورودی به آنها در اثر سرعت سرسام آور قبل از رسیدن از قطبین آن خارج می شوند. این پدیده بنام «جت كهكشانی» معروف بوده و قابل رویت است.

▪ استلارها

این نوع حفره ها از انفجار سوپرنوایی بوجود می آیند. برای تشكیل این نوع حفره ها جرم ستاره ها باید حداقل سه برابر خورشید باشد و در واقع آنها از مرگ ستارگان غول پیكر به وجود می آیند.

در زمان تولد، سوخت ستاره های جوان، هیدروژن است. در مركز هسته به علت نیروی جاذبه، فشار و حرارت شدید، واكنش اتمی اتفاق افتاده و هیدروژن تبدیل به هلیوم، نور، حرارت و تشعشع گشته و به سطح آن پرتاب می شود. در این زمان ستاره در حال درخشش و سوختن است. نیروی حاصل از گریز حرارت، نور و تشعشات ستاره، باعث خنثی شدن نیروی جاذبه می شود. این تعادل تا زمانی برقرار است كه سوخت ستاره تمام نشود. اما پس از پایان سوخت (هیدروژن) و تبدیل اكثر آن به هلیوم، یك واكنش اتمی دیگر اتفاق افتاده و هلیوم به كربن و باقیمانده آن به صورت تشعشع به انرژی تبدیل می شود. این واكنش ادامه یافته و كربن به اكسیژن و بعد به سیلیكون و در انتها به آهن تبدیل می شود. واكنش اتمی در زمان بوجود آمدن هسته آهنی متوقف می شود.

اگر ستارگان قدیمی را دو نیم كنیم، ملاحظه خواهیم كرد كه از یك هسته آهنی و لایه های فوقانی، بترتیب سیلیكون، كربن، هلیوم و هیدروژن تشكیل شده است. غیر از هسته مركزی تمام لایه ها در حال سوختن هستند. در نهایت واكنش اتمی به علت نیروی شدید جاذبه و حرارت و فشار، تمام اجزاء عناصر هسته آهنی را تبدیل به نوترون می كند. بتدریج با اتمام سوخت ستاره، نیروی گریز از مركز تشعشعات، حرارت و نور دیگر وجود ندارد تا بتواند نیروی جاذبه را خنثی كند. در نتیجه لایه های فوقانی به سمت مركز كشیده شده و بر اثر برخورد با هسته نوترونی منفجر و به سطح پرتاب می شوند. این واكنش را انفجار سوپرنوایی می نامند. آنچه اتفاق می افتد انفجار لایه های فوقانی بوده و ما فقط سطح خارجی آن را مشاهده می كنیم. این انفجار در واقع در اثر واكنش درونی بوده و فقط هسته باقی می ماند.

در این جا ستاره می میرد و اخترشناسان آن را مرگ ستاره نامیده اند.

وقتی كه یك ستاره سوختش تمام می شود مانند یك بمب منفجر شده و در زمان وقوع آن درخشش به میلیاردها برابر خورشید می رسد. ستاره هایی تا جرم۱/۴ برابر خورشید به كوتوله های سفید،۱/۴ تا۳ برابر خورشید به ستاره های نوترونی و از سه برابر بزرگتر از خورشید به سیاه چال های فضایی تبدیل خواهند شد. حداقل جرم مورد نیاز برای ایجاد سیاه چال ها بنام «لاندو اوپن هایمر ولكو» نامیده و محاسبه شده است.

نزدیك ترین سیاه چال به ما «سایگنوس ایكس یك» است كه در سال۹۷۱ رصد شده است. كهكشان راه شیری دارای بیش از چند میلیون از آنهاست. به وجود آمدن این نوع سیاه چال ها تا كنون ادامه داشته و هم چنان در حال تشكیل است ولی پیدایش جدید نوع اول آن امكان پذیر نیست. انواع بزرگتر سیاه چال ها دارای جرمی بیش از۵ تا۱۰۰ برابر خورشید بوده و قطر آنها بین۳۲ الی۶۵۰ كیلومتر است. تعداد۲۵ عدد از آنها تاكنون در كهكشان ما، راه شیری، رصد شده است.

▪ سیاه چال های كوچك

در مقایسه با دو نوع ذكر شده، سیاه چال های كوچك از ابعاد كوچكتری برخوردارند. نوع میكروی آن دارای جرمی معادل یك كیلومتر مكعب آب بوده كه در ابعادی كوچكتر از یك الكترون فشرده شده است. جرم برخی نیز ۱۰۱۷ گرم است.

▪ مشخصات سیاه چال ها

همان گونه كه ذكر شد نیروی جاذبه آنها به قدری زیاد است كه حتی نور قادر به فرار از آن نیست. این جارو برقی ها و یا هیولاهای كیهانی همه چیز را در خود می بلعند و بهتر است به آن نزدیك نشویم!

طبق تئوری های بیان شده، زمان در نزدیكی سیاه چال ها كند و درون آن متوقف می شود. شاید برای سفر در زمان بتوان از آنها استفاده كرد. زمان و مكان در اینجا بر اثر نیروی جاذبه بی نهایت كاملاً به هم ریخته شده و آخرین شكل ماده در آن تحقق می یابد. بسیار سخت است كه تصور كنیم یك ماده با چنین جرمی تقریباً دارای حجم نباشد ولی این آن چیزی است كه در مركز حفره سیاه وجود دارد.

به طور كلی آنها دارای دو محدوده هستند. مركز آن به نام یكتایی (Singularity) نامیده شده و در واقع جرم آن را تشكیل می دهد. در اینجا كل جرم یك ستاره در ابعاد میلیون ها برابر كوچكتر فشرده شده است. در حاشیه آن منطقه دیگری بنام واقعه و یا حد افق (Event Horizon) وجود دارد كه در اصل این یك فاصله فیزیكی نیست بلكه محدوده ای است كه بعد از آن امكان بازگشت وجود ندارد. هر قدر یكتایی بزرگتر باشد، واقعه افق آن بزرگتر خواهد بود. نور پس از عبور از این محدوده دیگر نمی تواند از سیاه چال بگریزد. تشعشعات آن بنام «شوارتست چایلد» نامگذاری شده است.

● ردیابی

ما می دانیم، اكثر سیارات به علت جاذبه آن به دور یك ستاره بزرگ در گردش هستند. زمانی كه اخترشناسان سیاراتی را دیدند كه به دور مركزی می چرخند كه ستاره ای وجود ندارد، نتیجه خواهند گرفت، كه یك سیاه چال یا ستاره نترونی در آن وجود دارد. در كل آنها با سه عامل جرم، شارژ الكتریكی و سرعت گردشی شناخته می شوند. اگر جرم خورشید ما به اندازه یك كره به قطر۶ كیلومتر كوچك شود تبدیل به یك سیاه چال خواهد شد.

● لنزهای فضایی

فرض كنید كه زمین در یك سو و یك ستاره در طرف مقابل باشد. نور آن به طور معمول به زمین می رسد. اگر یك سیاه چال در حركت باشد و میان زمین و آن ستاره قرار گیرد، به علت جاذبه بسیار قوی آن، نور متصاعد شده از ستاره به سمت سیاه چال منحرف و متمركز می شود. در اینجا ما آن ستاره را بسیار درخشنده تر از گذشته خواهیم دید. این واقعه را اثر لنز فضایی می گویند. درست مشابه آن است كه ما یك ذره بین را در جلوی نور خورشیده قرار دهیم، خواهیم دید كه پرتوهای نور آن در یك نقطه متمركز و آنجا بسیار درخشنده تر می شود. این همان اثری است كه سیاه چال در زمان عبور خود از میان زمین و یك ستاره به وجود می آورد و یكی از راههای كشف آنهاست.

با توجه به وجود میلیاردها حفره و ایجاد انحراف در نور منتشره از ستارگان، در زمین، بسیاری از آنها را درجای اصلی خود نمی توانیم رصد كنیم، زیرا كه پرتوی آنها به سمت حفره سیاه منحرف شده است.

● پایان انرژی

پس از اتمام سوخت ستاره ها چه اتفاقی خواهد افتاد؟ آیا جهان تبدیل به یك مجموعه سیارات سرد و خاموش خواهد شد كه در حال دور شدن از یكدیگرند؟ این سئوالی است كه جوابش برای بشر نامعلوم است.

نویسنده: مهندس سعید صالحی

منبع : مجله نفت پارس

پی نوشته ها :

اصطلاح سیاه چاله یا حفره های سیاه را دانشمند بزرگ و اولین متخصص فیزیك نظری در زمینه سیاه چاله ها،«جان ویلر» این نام را برای آنها انتخاب كرد. كتاب گرانش وی كه به همراه «میسنر» و « تورن» نوشته شد همچنان از نوشته های كلاسیك و مراجع مهم نسبیت است كه از پایه شروع كرده تانسور ها را توضیح می دهد و به فیزیك كوانتم و ترمودینامیك و مباحث پیشرفته دیگر می رسد.

چگونگی تشکیل سیاه چاله:

حفرههای سیاه بازمانده از ستارگان عظیمی هستند كه سوختشان به اتمام رسیده و به اصطلاح مرده اند. البته، فقط ستارگانی كه حجم آنها بیش از سه برابر خورشید خودمان است، حفرههای سیاه بوجود میآورند. بعضی از این ستارگان عظیم، منفجر شده و بصورت یك "سوپر نوا"ی درخشان در میآیند. بعضی سوپر نواها، بطور كامل منفجر شده و چیزی از خود باقی نمی گذارند. اما بعضی دیگر در مركز خودشان فرو میریزند و همه مواد در آنها با هم محكم برخورد كرده و به هم می چسبند. بستگی به اینكه مركز آنها چقدر عظیم و حجیم باشد، سوپر نواها تبدیل به نوترون شده و یا تبدیل به حفرههای سیاه میشوند.

چرا حفره سیاه نامیده شد؟

به این خاطر كه ما نمیتوانیم خود حفرههای سیاه را ببینیم، ممكن است فكر كنیم كه پیدا كردن آنها غیر ممكن است. اما به كمك فنآوریهای ستاره شناسی، اولین آنها در سال ۱۹۷۲ میلادی كشف شد. نام این حفره Cyghus x-۱ و متعلق به كهكشان راه شیری است. با وجود اینكه خود حفرههای سیاه دیده نمیشوند، اما تاثیر قوهٔ جاذبه عظیم آنها بر ستارههای نزدیكشان را میتوان بررسی كرد. همیشه یك ستاره، با سوپر نوا جفت میشود و گازهای حاصل از آن ستاره بصورت مارپیچ به داخل سوپر نوا بلعیده میشوند. حركت مارپیچی گازها، تصویر یك حفره سیاه را در مركز سوپر نوا بوجود میآورد و بدین جهت است كه آن را حفره سیاه مینامند.

اندازه حفره های سیاه

در این زمینه ظاهر بین علما اختلاف است . در مقاله بالا میزان آنرا از یك میلیون تا سه میلیارد برابر خورشید ذکر کرده . در مقاله ای دیگر به آدرس :http://parssky.com/news/articles/default.aspx?NewsID=۱۱۵۵۲۲۷۷۰۲&Cat=Astrophysics که تحت عنوان : سیاهچاله ها از ابتدا تا انتها آمده این میزان را : بین جرم خورشید و صد میلیون برابر جرم خورشید دانسته و در مقاله ای دیگر به آدرس :http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l۲/black_holes.html و تحت عنوان :Black Holes: What Are They? این میزان را ازحداقل ۱۰ تا ۱۵ برابر جرم خورشید دانسته است.(Black holes are the evolutionary endpoints of stars at least ۱۰ to ۱۵ times as massive as the Sun) بهر حال آنچه که مسلم است ، آنها جرم عظیمی دارند.