معرفی مقدماتی سیاهچاله

مفهوم جسمی بسیار پرجرم كه حتی نور نیز نمی تواند از آن بگریزد نخستین بار در سال ۱۷۸۳ توسط یك جغرافی دان انگلیسی به نام جان میشل ارائه شد در آن زمان, تئوری نیوتنی گرانش و مفهوم سرعت گریز شناخته شده بود

● تاریخچه

مفهوم جسمی بسیار پرجرم كه حتی نور نیز نمی تواند از آن بگریزد نخستین بار در سال ۱۷۸۳ توسط یك جغرافی دان انگلیسی به نام جان میشل ارائه شد. در آن زمان، تئوری نیوتنی گرانش و مفهوم سرعت گریز شناخته شده بود.

میشل حساب كرد كه اگر اندازه جسمی ۵۰۰ برابر شعاع خورشید باشد و چگالی ای برابر با چگالی خورشید داشته باشد، سرعت گریز برابر با سرعت نور خواهد بود و در نتیجه این جسم غیر قابل مشاهده می باشد. به گفته خودش:

اگر نیم-قطر كره ای با چگالی مشابه خورشید ۵۰۰ برابر نیم-قطر خورشید شود، جسمی كه از ارتفاع نامحدودی به سمت سطح آن می افتد سرعتی بیشتر از سرعت نور خواهد داشت و اگر نوری از آن گسیل شود، به سرعت به سمت خودش جذب میشود.

با اینكه میشل فكر میكرد این پدیده غیر معقول است، اما در هر حال او اولین كسی است كه احتمال وجود اجسام نامرئی در كیهان را مد نظر قرار داد.

در سال ۱۷۹۶، ریاضی دان فرانسوی پیر سیمون لاپلاس همین ایده را در ویرایش اول و دوم كتاب خود، آشكار سازی سیستم جهان (Exposition du Systeme du Monde) ارتقاء داد؛ كه البته در ویرایش های بعدی این كتاب اثری از آن به چشم نمی خورد. در قرن نوزدهم به این موضوع توجه زیادی نشد، زیرا در آن زمان نور را موجی بدون جرم در نظر میگرفتند كه تاثیری از گرانش نمی پذیرفت.

در سال ۱۹۱۵، آینشتاین نظریه گرانشی خود را كه نسبیت عام نام گرفت منتشر كرد. او پیش از این نیز نشان داده بود كه گرانش بر نور تاثیر میگذارد. چند ماه بعد، كارل شوارتزشیلد راه حلی برای میدان گرانشی جرم نقطه ای ارائه دادو به این وسیله نشان داد چیزی كه ما امروزه آن را سیاهچاله می نامیم از لحاظ نظری امكان وجود دارد.در حال حاضر شعاع شوارتزشیلد به عنوان شعاع افق رویداد یك سیاهچاله غیر چرخشی شناخته میشود، اما در زمانی كه او این شعاع را معرفی كرد،به خوبی مورد درك و فهم قرار نگرفت. شوارتزشیلد خودش هم فكر میكرد این موضوع فیزیكی نیست.

در دهه ۱۹۲۰، چاندراسخار متوجه شد كه نظریه نسبیت خاص پیش بینی میكند اگر جسمی كه از خود تابشی نمیكند، بیش از ۱.۴۴ برابر جرم خورشید جرم داشته باشد بر اثر گرانش مركز در خودش ریزش میكند . عاملی هم كه بتواند جلوی چنین اتفاقی را بگیرد تا آن زمان شناخته شده نبود. كشف او با مخالفت شدید آرتور ادینگتون مواجه شد.

او اعتقاد داشت كه قطعا"‌چیزی باعث میشود كه فرو-ریزش ستاره متوقف شود. هر دوی آنها درست میگفتند، زیرا كوتوله سفیدی كه از حد چاندراسخار (۱.۴۴ برابر جرم خورشید) بیشتر جرم داشته باشد تبدیل به ستاره نترونی میشود. اما خود ستاره نوترونی هم اگر بیش از ۳ برابر خورشید جرم داشته باشد به فرو-ریزش خود ادامه میدهد.

در سال ۱۹۳۹، رابرت اوپنهایمر و اشنایدر پیش بینی كردند كه ستاره های پرجرم میتوانند دستخوش یك فرو-ریزش گرانشی شدید شوند. سیاهچاله ها میتوانستند در حقیقت وجود داشته باشند. این اجسام در ابتدا برای مدتی با عنوان ستاره های یخ زده نامیده میشدند؛زیرا مشاهده ها نشان میدادند كه فرو-ریزش به سرعت آرام میشود و در نزدیكی شعاع شوارتزشیلد طیف آنها یه شدت به سمت قرمز متمایل میشد.

محاسبات ریاضی نشان دادند كه یك ناظر بیرونی سطح ستاره راه هنگامی كه از شعاع شوارتزشیلد عبور میكند، یخ زده مشاهده میكند. این اجسام فرضی تا اواخر دهه ۱۹۶۰ مورد توجه و علاقه زیادی وقع نشدند. بیشتر فیزیكدانها بر این باور بودند كه سیاه چاله ها نتیجه عجیب و غریبی از راه حل بسیار متقارن و ایده ئال شوارتزشیلد هستند و اجسامی كه در خودشان فرو میریزند در طبیعت تشكیل یك سیاهچاله نمیدهند.

توجه به سیاهچاله ها دوباره در سال ۱۹۶۷ به علت تجربه ها و نظریه های جدید برانگیخته شد. استیون هاوكینگ و راجر پنروز اثبات كردند كه سیاه چاله ها یك نتیجه كلی از نظریه گرانشی آینشتاین هستند و نمیتوان آنها را فقط به چشم اجسامی كه در خود ریزش میكنند نگاه كرد. پس از كشف پالسار ها توجه ها در محافل نجومی بار دیگر به سیاهچاله ها جذب شد. در مدت كوتاهی پس از این واقعه، جان ویلر (John Wheeler) برای اولین بار از اصطلاح سیاه چاله استفاده كرد. اجسام قدیمی تری كه میشل و لاپلاس توصیف كرده بودند بیشتر اوقات با عنوان "ستاره های تاریك" شناخته میشوند تا از سیاهچاله های نسیبت عام تمایز داده شوند.

● تبدیل ستاره به سیاهچاله

ستاره ها زمانی پدید می آیند كه ابری فوق العاده بزرگ از غبارهای كیهانی و هیدروژن در زیر بار گرانش خود فشرده شوند . در این صورت گرانش به همراه افزایش چگالی فزونی می یابد و بدین ترتیب فضا – زمان خمیده و خمیده تر می شود . پس از مدتی گاز هیروژن در هسته متراكم می شود و در این تراكم شدید اتم ها با یك دیگر برخورد می كنند و دمای آن ها رفته رفته افزایش می یابد . زمانی كه دمای هسته به ۱۰ میلیون درجه رسید ، پروتون های هیدروژن در پی واكنش های زنجیره ای هم جوشی هسته ای به هلیوم تبدیل می شوند .

در هنگام این واكنش ها مقداری از جرم نا پدید می شود كه تبدیل به انرژی و امواج الكترومغناطیسی همچون نور می شوند . در این صورت یك جسم كه همچون یك لامپ غول پیكر كیهانی است پدید آمده است و این آغاز زندگی یك ستاره است . هر ستاره ای كه ما در آسمان مشاهده می كنیم در هسته اش واكنش های عظیم هم جوشی رخ داده است تا این نور تولید شود و به ما برسد .

وقتی یك ستاره در حال سوختن است، انرژی ناشی از واکنش های هسته ای ضمن افزایش فشار گاز، موجبات توازن گرانشی را فراهم می آورد و وقتی سوخت ستاره تمام می شود، دیگر گرمایی برای خنثی كردن نیروی گرانشی و حفظ توازن باقی نمی ماند. مقدار جرم ستاره, تعیین کنندهٔ سرنوشت آن پس از مرگش خواهد بود. پس از اتمام سوخت ستاره، نیروی جاذب گرانشی باعث کوچک شدن ابعاد آن می گردد.

در ستارگانی با اندازهٔ مشابه خورشید و جرمی تا حدود ۴/۱ جرم خورشید، انبوه الكترونهای محصور در ستاره، طبق اصل طرد پاولی انقباض گرانشی را متوقف کرده و كوتوله سفیدی كه از گرمای باقیمانده مشتعل و تابان است، (با چگالی حدود۲ ۱۰ تا gr/cm۳۱۰۷) تشكیل می شود. تقریبا ۹۹ درصد از ستارگان سرنوشتی مشابه خورشید خواهند داشت. در ستارگانی با جرمی بین ۴/۱ تا ۳ برابر خورشید، پس از انفجار های ابر نواختری، چنانچه دافعه کوانتومی پروتون - پروتون و نوترون - نوترون توازن گرانشی ایجاد کند، ستاره ای نوترونی با قلمرو چگالی بین ۱۰۷ تا gr/cm۳ ۱۰۱۲ تشكیل می شود.

چنانچه جرم در حال فرو ریزش ستاره بیش از ۳ برابر جرم خورشید باشد، حتی نیروهای بین نوترونها هم نمی تواند انقباض را متوقف كند. جاذبه، لاشه فشرده ستاره مورد نظر كه چگالی بی نهایت بزرگی دارد، فضا ـ زمان اطراف خود را به قدری انحنا می دهد که حفره سیاه یا همان سیاهچاله پدید می آید. گرانش حاصل به اندازه ای قوی است كه هیچ چیز حتی نور (فوتون) هم نمی تواند از آن بگریزد.

● محاسبه شعاع شوارتزشیلد

اندازه شعاع شوارتزشیلد یا افق حادثه رابطه مستقیم با جرم ستاره دارد. با توجه به روابط نیوتونی و نتایج نسبیت خاص، افق حادثه به آسانی قابل محاسبه است. برای انرژی کل مکانیکی جسمی به جرم m که با سرعت v در فاصله r از جرم M در حال دور شدن است، چنین داریم:

اگر ، جسم مقید است و دوباره به سمت جرم M سقوط می کند، در غیر این صورت به حرکت خود همچنان ادامه داده و از سرعتش کاسته می شود. به ازای ، می توان حداقل سرعت فرار را بدست آورد. توجه شود که سرعت گریز به جرم m وابسته نیست.

با توجه به نسبیت خاص، سرعت هیچ جسمی نمی تواند فراتر از سرعت نور C باشد. بنابراین اگر فاصله جسمی کمتر ازÂ باشد، برای فرار به سرعتی بیشتر از سرعت نور احتیاج دارد و چون امکانپدیر نیست تا ابد در دام جاذبه M خواهد ماند. بنابراین شعاع شوارتزشیلد Â از رابطه زیر به دست می آید.

● شناسایی سیاهچاله ها

بخاطر خاصیت گریز ناپذیر بودن، تشخیص سیاهچاله ها بسیار مشكل است و مهمترین راهی كه به دانشمندان امكان شناسایی آنها را می دهد، مشاهده دیسك تجمعی است. نكته زیبا اینجاست كه گازها و مواد قسمتهای داخلی دیسك، سریعتر از گاز نواحی دور دست می چرخند و دراقع سرعت قسمتهای مختلف دیسك متفاوت است.

لذا گازهایی كه تحت اصطكاك و مالش بسیار داغ شده اند از خود انواع مختلفی از تشعشعات حامل انرژی ساطع می كرده و یك منبع نیرومند پرتو x تشكیل می دهند که توسط تلسكوپهای امواج x قابل دیدن می باشد. علاوه بر امواج x معمولاً از طریق وجود لنزهای گرانشی و ستاره ای در حال چرخش به دور یك شی غیر قابل رویت نیز می توان به وجود سیاهچاله یا ستاره ای نوترونی در یك منطقه از فضا پی برد.

به طور كلی سیاهچاله ها در دو نوع چرخان و غیر چرخان وجود دارند و بعضی از آنها كه به سیاهچاله های كهكشانی یا سوپر سیاهچاله ها موسومند از حدود یك میلیون تا یك ملیارد ستاره فشرده شده در داخل یك مركز تشكیل می شوند. شواهدی از وجود این اجرام عظیم الجثه در قلب كهكشانها در دست است.

با توجه به نظربات جدید تر, سیاهچاله ها کاملا سیاه نیستند, بلکه به دلیل افت و خیزهای کوانتومیِ نزدیکِ افق, تشعشعاتی ساطع می کنند که به تبخیر سیاهچاله می انجامد. بر اساس این نظریه, بعد از ملیاردها سال, سیاهچاله کل جرم و اطلاعات ذرات بلعیده شده را از دست می دهد. امروزه نظریه ریسمان تنها نظریه کارآمدی است که قادر است نحوه فشرده شدن چنان جرم عظیمی در ناحیه ای کوچک از فضا را با توجه به ابعاد اضافی توضیح دهد.

۴.منابع

۱. http://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole

http://www.cis.umassd.edu/~gleung/physicsfo/Dense%۲۰Matter/Dense%۲۰Matter%۲۰Physics%۲۰۰.htm

Universe، ویلیام كافمن

تاریخچه زمان، استیون هاوكینگ، ترجمه محمدرضا محجوب

جهان در پوست گردو، استیون هاوكینگ، ترجمه محمدرضا محجوب

سیاهچاله ها (نگاهی به تاریخ علم، ۱۳) ، ایراك آسیموف ، ترجمه هوشنگ شریف زاده