سیاهچاله و هرچه باید از آن بدانید

سیاهچاله‌ها از عجیب‌ترین و جذاب‌ترین اجرام در فضا هستند. آن‌ها بسیار متراکم هستند و چنان جاذبه گرانشی قدرتمندی دارند که حتی نور نیز نمی‌تواند از چنگ آن‌ها فرار کند. در این مقاله قصد داریم سیاهچاله را به صورت مفصل بررسی کنیم.

در ابتدا به این سوال پاسخ می‌دهیم که سیاهچاله چیست. در ادامه به بررسی ویژگی‌های این جرم مرموز کیهانی می‌پردازیم و درنهایت تصاویر منتشر شده از آن را می‌بینیم.

سیاهچاله چیست؟

سیاهچاله‌ها را می‌توان به یک چاله در فضا-زمان تشبیه کرد. فضا-زمان در حقیقت تاروپود عالم ماست. ما در نظریه نسبیت عام، زمان را به عنوان بعد چهارم در نظر می‌گیریم و زمان و مکان را به هم مرتبط می‌کنیم. گرانش در این نظریه یک نیرو نیست، بلکه انحنای فضا-زمان است که توسط جرم ایجاد می‌شود.

فضا-زمان را همانند بافت نرم و لاستیکی یک ترامپولین در نظر بگیرید. در این صورت سیاهچاله همانند یک توپ بولینگ است که روی سطح آن قرار می‌گیرد. توپ باعث ایجاد یک گودی در سطح بافت لاستیکی می‌شود و اجرام کوچکتر را به داخل این گودی جذب می‌کند.

این دقیقا همان کاری است که یک سیاهچاله‌ها در عالم انجام می‌دهند. از آنجایی که اعتقاد بر این است که سیاهچاله‌ها چگالی – نسبت جرم به حجم – بی‌نهایت دارند، می‌توان گفت این چاله‌ها انتهایی ندارند.

در تعارف دیگر، می‌توان سیاهچاله را مقدار بسیار زیادی ماده دانست که در یک منطقه بسیار کوچک فشرده شده است. به عنوان مثال، ستاره‌ای با ده برابر جرم خورشید را در نظر بگیرید که در کره‌ای که قطر آن در حدود ابعاد شهر نیویورک است، فشرده شود. در نتیجه، میدان گرانشی شدیدی پدید می‌آید که حتی مانع فرار نور نیز می‌شود.

کشف سیاهچاله‌ها

«آلبرت اینشتین» برای اولین‌بار در سال 1916 وجود سیاهچاله‌ها در نظریه «نسبیت عام» پیش‌بینی کرد. پس از آن اخترشناسان تا چندین دهه به دنبال وجود اثبات چنین جرمی در کیهان بودند.

بلاخره در سال 1964 اولین سیاهچاله با نام «Cygnus X-1» متعلق به صورت فلکی «Cygnus» در کهکشان راه شیری شناسایی شد. در آن زمان اخترشناسان تابش‌های قوی از اشعه ایکس را شناسایی کردند.

در سال 1971 تشخیص دادند این تابش متعلق به ستاره‌ای است که به دور یک جسم تاریک با جرم عظیم در حال چرخش است. آن‌ها حدس زدند پرتوهای ایکس در نتیجه بلعیده شدن ستاره توسط این جسم پرجرم تولید می‌شود و از آنجا که این جسم قابل رصد نبود، آن را «سیاهچاله» نامیدند.

کهکشان راه شیری و سیاهچاله

کهکشان راه شیری احتمالا بیش از 100 میلیون سیاهچاله دارد – این رقم تخمینی است و بدست آوردن میزان دقیق آن کار دشواری است. در قلب کهکشان راه شیری یک سیاهچاله بسیار پرجرم به نام «*Sagitarrius A» وجود دارد.

طبق آخرین داده‌های منتشر شده توسط ناسا، این سیاهچاله با جرم تقریبی 4 میلیون برابر جرم خورشید، در فاصله تقریبی 27000 سال نوری از زمین قرار دارد. برای تصور بهتر آن می‌توان گفت این سیاهچاله پرجرم قادر است چند میلیون زمین را در خود جای دهد.

به گفته موسسه علوم تلسکوپ فضایی «STScl» تقریبا از هر هزار ستاره، یک ستاره آنقدر پرجرم است که به سیاهچاله تبدیل شود.

نزدیکترین سیاهچاله به زمین با نام «Unicorn» در فاصله 1500 سال نوری از ما قرار دارد. این نامگذاری به دو علت انجام شده است. این سیاهچاله در صورت فلکی «Unicorn» قرار دارد و به علت جرم بسیار کم – تقریبا سه برابر جرم خورشید – در مقایسه با سایر سیاهچاله‌ها، تقریبا در نوع خود بی‌نظیر است.

انواع سیاهچاله‌

سیاهچاله‌ها را با توجه به جرمی که دارند، می‌توان به سه دسته تقسیم کرد: «سیاهچاله‌های ستاره‌ای»، «سیاهچاله‌های میانی» و «سیاهچاله‌های کلان جرم»

سیاهچاله‌های ستاره‌ای

هنگامی که یک ستاره به پایان عمر خود نزدیک می‌شود، رُمبش می‌کند – در درون خود فروپاشی می‌کند. ستارگان کم جرم – با جرم حدودی سه تا بیست برابر جرم خورشید – تبدیل به یک ستاره نوترونی و یا کوتوله سفید می‌شوند. اما اگر جرم ستاره فروپاشیده بیشتر باشد، در اثر رمبش به یک سیاهچاله‌ ستاره‌ای تبدیل می‌شود.

این نوع سیاهچاله‌ها با آنکه نسبتا کوچک هستند، اما از تراکم بالایی برخوردار هستند. تراکم بالا با قدرت کشش گرانشی رابطه مستقیم دارد. بدین ترتیب، سیاهچاله‌های ستاره‌ای گاز و غبار کهکشان‌های اطراف خود را جذب کرده و به مرور زمان رشد می‌کنند.

سیاهچاله‌های میانی

دانشمندان زمانی تصور می‌کردند این اجرام خارق‌العاده تنها در دو دسته جرمی ستاره‌ای و پرجرم وجود دارند، اما تحقیقات وجود سیاهچاله‌هایی با جرم میانی را به اثبات رساند. چنین اجسامی زمانی می‌توانند تشکیل شوند که ستاره‌های یک خوشه در واکنش با یکدیگر قرار بگیرند.

تحقیقات انجام شده نشان می‌دهد که سیاهچاله‌های میانی در مرکز کهکشان‌های کوتوله (کهکشان‌های بسیار کوچک) یافت می‌شوند. مشاهدات ده کهکشان از این دسته – از طریق اندازه‌گیری پرتو ایکس تابش شده – نشان داد که این دسته از سیاهچاله‌ها جرمی در حدود سی و شش هزار تا سیصد هزار برابر جرم خورشید دارند.

سیاهچاله‌های کلان جرم

سیاهچاله‌های کلان جرم را می‌توان در مرکز کهکشان‌ها پیدا کرد. این دسته از سیاهچاله‌ها چندین میلیون تا چندین میلیارد برابر خورشید جرم دارند.

نظریه‌های متعددی در مورد نحوه شکل‌گیری این سیاهچاله‌ها وجود دارند که برخی از معتبرترین‌ها را باهم بررسی می‌کنیم.

برخی عقیده دارند این اجرام کلان جرم از ترکیب هزاران سیاهچاله‌ ستاره‌ای یا میان جرم تشکیل می‌شوند. نظریه دوم فروپاشی ابرهای گرد و غبار است که در اثر نیروی گرانشی شدید به توده‌ای متراکم تبدیل می‌شوند.

گزینه سوم فروپاشی خوشه‌های ستاره‌ای است که در یک ناحیه از فضا و به صورت تقریبا همزمان رخ می‌دهد. در نظریه چهارم، دانشمندان تشکیل سیاهچاله‌های پرجرم از توده‌های ماده تاریک را محتمل می‌دانند.

ماده تاریک را نمی‌توان از طریق تابش‌های الکترومغناطیس رصد کرد، بلکه تنها از طریق اثرات گرانشی در فضا می‌توان به حضور آن پی برد. با این‌حال، هنوز نمی‌دانیم ماده تاریک از چه چیزی تشکیل شده است زیرا همانطور که گفته شد نور ساطع نمی‌کند و مستقیما قابل مشاهده نیست.

سیستم‌های دوتایی

علاوه بر سیاهچاله‌هایی که به صورت منفرد در کیهان یافت می‌شوند، سیاهچاله‌های دیگری در یک «سیستم دوتایی» وجود دارند که به دور هم می‌چرخند. چرخش سیاهچاله‌ها به دور یکدیگر امواجی را در فضا پراکنده می‌کند که به آن «امواج گرانشی» می‌گویند. این امواج را می‌توان به امواج منتشر شده روی سطح آب در اثر انداختن یک سنگ کوچک تشبیه کرد.

رصدخانه‌های مختلفی در دنیا وجود دارند که در تلاش هستند تا این سیستم‌های دوتایی را شناسایی کنند و امواج گرانشی منتشر شده را ثبت کنند. اولین بار رصدخانه تداخل سنج لیزری «LIGO» در سال 2015 موفق به ثبت اولین امواج گرانشی ناشی از ادغام دو سیاهچاله ستاره‌ای شد.

از دیگر رصدخانه‌های فعال در این حوزه می‌توان به رصدخانه «Virgo» اشاره کرد.

ساختار اجرام مرموز کیهان

سیاهچاله‌ها از دو بخش تشکیل شده‌اند: افق رویداد و تکینگی.

افق رویداد سیاهچاله مرزی در اطراف دهانه ورودی است که نور نمی‌تواند از آن بگریزد. هنگامی که یک ذره به افق رویداد می‌رسد، دیگر راهی برای فرار ندارد و به ناچار به درون سیاهچاله سقوط می‌کند.

ناحیه داخلی سیاهچاله که در آن جرم جسم متمرکز شده و حدس زده می‌شود به علت انحنای بی‌نهایت فضا، زمان تا بی‌نهایت ادامه داشته باشد، «تکینگی» نامیده می‌شود. سیاهچاله‌ها را به علت کشش گرانشی بالا نمی‌توان همانند ستاره‌ها و سایر اجرام کیهانی رصد کرد.

بدین ترتیب، کیهانشناسان برای رصد سیاهچاله‌ها – به صورت غیرمستقیم – به تشخیص تشعشعاتی که این اجرام در هنگام بلعیدن سایر اجرام کیهانی دارند، اتکا می‌کنند.

استفان هاوکینگ در مورد سیاهچاله‌ها چه می‌گوید؟

در میان تمام دانشمندان، فیزیکدانان و اخترشناسانی که تاکنون در تلاش برای درک رفتار سیاهچاله‌ها بوده‌اند، نام «استفان هاوکینگ» می‌درخشد. هاوکینگ فیزیکدان بریتانیایی است که به صورت اختصاصی بر روی سیاهچاله‌ها مطالعه می‌کرد. او در بخشی از مطالعات خود در تلاش برای پاسخ دادن به این سوال بود: آیا می‌توان به سیاهچاله‌ها دما نسبت داد؟

محاسبات او منجر به مفهومی به نام «تابش هاوکینگ» شد. هاوکینگ نه تنها نشان داد که سیاهچاله‌ها انرژی ساطع می‌کنند، بلکه نشان داد این اجرام به طور باورنکردنی آهسته کوچک می‌شوند (منقبض می‌شوند) و درنهایت با تابش پرتو گاما منفجر می‌شوند.

تابش هاوکینگ چیست؟

ایده تابش هاوکینگ بر این مفهوم استوار است که فضای خالی درواقع خالی نیست. شاید درک این مفهوم دشوار باشد. اگرچه فضای خالی فاقد جرم، ذره و یا حتی کوانتای انرژی - بسته انرژی - است، اما می‌توان به میدان‌های کوانتومی فکر کرد که در خلا وجود دارند.

این میدان‌ها قادر هستند «ذرات مجازی» تولید کنند. ذرات مجازی به یک جفت ذره-پاد ذره گفته می‌شود که در طی واکنش یکدیگر را به سرعت از بین می‌برند. هاوکینگ توضیح می‌دهد ذرات مجازی در اطراف سیاهچاله قادر به نابودی یکدیگر نیستند زیرا سیاهچاله همیشه یکی از ذرات به درون خود می‌مکد و ذره دیگر به عنوان تابش هاوکینگ از اطراف سیاهچاله پراکنده می‌شود.

تابش هاوکینگ در واقع نتیجه چگونگی تأثیر گرانش بر فضا-زمان است.

آیا می توانیم تابش هاوکینگ را تشخیص دهیم؟

هاوکینگ موفق شد به سوال اصلی خود در مورد اینکه آیا می‌توان به سیاهچاله دما نسبت داد یا خیر، پاسخ دهد. بله! سیاهچاله دما دارد، اما این دماها بسیار کم هستند.

هاوکینگ علاوه بر این نشان داد که مقدار انرژی آزاد شده توسط یک سیاهچاله با جرم آن نسبت عکس دارد. به عبارت دیگر، هرچه جرم سیاهچاله بیشتر باشد، دمای کمتری دارد و در نتیجه میزان انرژی آزاد شده از آن نیز کمتر است.

به عنوان مثال، یک سیاهچاله درحدود جرم خورشید، دمایی در حدود 8 تا 10 کلوین دارد، درحالیکه یک سیاهچاله با جرم چند میلیون برابر جرم خورشید، دمایی در حدود 10 تا 14 کلوین دارد. این دماها تنها کمی بالاتر از «صفر مطلق» هستند پس می‌توان آن‌ها را در مقایسه با دمای سایر اجرام کیهانی ناچیز درنظر گرفت.

از سوی دیگر، محاسبات تئوری نشان می‌دهد نمی‌توان سیاهچاله‌هایی با جرم کمتر از 2.5 برابر جرم خورشید در کیهان داشت. پس احتمال یافتن سیاهچاله‌های کوچک - که بسیار داغ هستند - از لحاظ تئوری وجود ندارد.

آیا سیاهچاله‌ نیز مرگ را تجربه می‌کند؟

هاوکینگ در مطالعات خود بر روی این اجرام مرموز کیهانی نشان داد سیاهچاله‌ها برای همیشه زنده نمی‌مانند و درنهایت به شکلی بسیار کند و آهسته تبخیر می‌شوند. او نشان داد تابش هاوکینگ سبب کاهش جرم سیاهچاله در بلند مدت می‌شود و سیاهچاله‌هایی که به طور فعال در حال جذب گاز و غبار موجود در اطراف خود نیستند، به آرامی کوچک شده و درنهایت ناپدید می‌شوند.

اما در نظر داشته باشید که بازه زمانی مورد نیاز برای این تبخیر بسیار زیاد است. برای مثال، تبخیر کامل سیاهچاله‌ای در حدود جرم خورشید بیشتر از هزار سال طول می‌کشد.

پارادوکس اطلاعات سیاهچاله

تبخیر جرم سیاهچاله در اثر تابش هاوکینگ مسئله‌ جدیدی با نام «پارادوکس اطلاعات» را در علم فیزیک مطرح کرد.

یکی از اصول اساسی مکانیک کوانتومی بیان می‌کند اطلاعات را نمی‌توان از بین برد. به عبارت دیگر، اگر اطلاعات کاملی در مورد یک سیستم از ذرات داشته باشیم، می‌توانیم با انجام محاسبات نسبتا پیچیده آینده و گذشته آن سیستم را بررسی و پیش‌بینی کنیم.

از سویی دیگر، از آنجا که ذرات با عبور از افق رویداد راهی برای بازگشت ندارند و محکوم به سقوط درون سیاهچاله هستند، پس اطلاعاتی که این ذرات با خود حمل می‌کنند، برای همیشه از دست می‌رود.

اگر این ذرات به همراه اطلاعاتی که با خود دارند، درون سیاهچاله دست نخورده باقی می‌ماندند، مشکلی پیش نمی‌آمد. اما مشکل اینجاست که سیاهچاله از طریق تابش هاوکینگ جرم خود را از دست می‌دهد. به عبارت دیگر، این اطلاعات نابود شده و یا در دسترس نخواهند بود.

در این فرآیند که سیاهچاله به طور کلی ناپدید شده و اطلاعات آن نیز بلعیده می‌شود، قوانین مکانیک کوانتومی نقض می‌شود. تلاش برای یافتن پاسخ و حل پارادوکس اطلاعات تاکنون درهای جدیدی به روی علم فیزیک باز کرده است. فیزیکدانان عقیده دارند نظریه‌ای به نام «گرانش کوانتومی» قادر به حل این پارادوکس است.

سیاهچاله اولیه

علاوه بر انواع سیاهچاله‌هایی که در بالا بررسی کردیم - آن‌ها برحسب جرم به سه دسته تقسیم می‌شوند - نوع دیگری از سیاهچاله نیز وجود دارد که «سیاهچاله اولیه» نام دارد.

همانطور که از نامشان حدس می‌زنید، سیاهچاله‌های اولیه تنها کسری از ثانیه پس از انفجار بزرگ (بیگ بنگ) متولد شده‌اند. آن‌ها میلیاردها سال پیش از تولد اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها - یا حتی سیاهچاله‌هایی که در بالا بررسی کردیم - در عالم شکل گرفته‌اند.

کیهانشناسان عقیده دارند سیاهچاله‌های اولیه در اثر وجود ناهمگنی‌ها و ناهمسانگردی‌های موجود در عالم اولیه پدید آمده‌اند - هرچند که هنوز سیاهچاله‌های عالم اولیه در آسمان رصد نشده‌اند.

عالم اولیه!

برطبق معروف‌ترین نظریه‌های کیهانشناسی، انفجار بزرگ آغاز و شروع عالم ماست. در این نظریه، سیاهچاله‌های اولیه تنها درحدود یک ثانیه پس از انفجار بزرگ شروع به شکل‌گیری کرده‌اند. محاسبات نشان می‌دهد هرچه سیاهچاله‌ها دیرتر شروع به تشکیل کرده باشند، جرم بیشتری نیز دارند.

سیاهچاله‌های اولیه بسته به زمان تشکیل می‌توانند جرمی از چندین گرم تا چند میلیارد برابر جرم خورشید داشته باشند.

پس مطابق با آنچه در بالا توضیح داده شد، می‌توان انتظار داشت سیاهچاله‌های کوچک اولیه‌ای در عالم وجود داشته‌اند که تاکنون تبخیر شده‌اند. محاسبات نشان می‌دهد سیاهچاله‌های اولیه با جرم کمتر از یک میلیارد برابر جرم خورشید تاکنون تبخیر شده‌ و از بین رفته‌اند.

تصویر سیاهچاله

از آن زمان که اینشتین در سال 1916 وجود چنین اجرام مرموزی را در کیهان پیش‌بینی کرد، اخترشناسان در تلاش بودند تا آن را مشاهده کنند. این تلاش‌ها زمانی شدت گرفت که این اجرام در سال 1964 و پس از در سال 1971 شناسایی شدند. از آن زمان تاکنون، اخترشناسان همواره در تلاش بودده‌اند تا از این اجرام مرموز تصویربرداری کنند. اخترشناسان درنهایت در سایت 2019 موفق به ثبت اولین تصویر سیاهچاله شدند.

اولین تصویر از سیاهچاله

اولین تصویر از یک سیاهچاله در سال 2019 توسط تلسکوپ «افق رویداد» گرفته شد. عکس خیره‌کننده سیاهچاله در مرکز کهکشان «M87»، دانشمندان سراسر جهان را به وجد آورد.

در فاصله بیش از 53 میلیون سال نوری از زمین، در قلب یک کهکشان بیضی شکل غول پیکر به نام «M87»، یک سیاهچاله در حال بلعیدن هرچیزی است که در فاصله نزدیکی قرار گرفته باشد – ستاره، سیاره، گاز و غبار. حتی نور نیز پس از عبور از افق رویداد نمی‌تواند از نیروی گرانش عظیم آن فرار کند.

دانشمندان و اخترشناسان در اولین تلاش خود برای ثبت اولین تصویر از سیاهچاله، به سراغ این جرم مرموز می‌روند – سیاهچاله مرکزی کهکشان M87.

جالب است بدانید هرچه فاصله جسمی که درتلاش برای رصد آن هستیم، بیشتر باشد، نیاز به تلسکوپ‌های بزرگتری برای مشاهده آن داریم. پس برای تصویربرداری از یک سیاهچاله با فاصله چند ده میلیون سال نوری نیاز به تلسکوپی در حدود ابعاد زمین داشتیم. از آنجایی که ساخت چنین تلسکوپ بزرگی امکان‌پذیر نیست، دانشمندان از یک روش جدید در رصد اجرام دوردست استفاده کردند.

آن‌ها 8 تلسکوپ رادیویی در نقاط مختلف زمین نصب کرده و آن‌ها را باهم هماهنگ کردند – مجموعه این تلسکوپ‌ها را تلسکوپ افق رویداد می‌نامند. در این پروژه بیش از 300 دانشمند از 13 موسسه علمی در دنیا با یکدیگر همکاری کردند. پس از آنکه این تلسکوپ‌ها داده‌ها را جمع‌آوری کردند، اخترشناسان با کنار هم قرار دادن اطلاعات بدست آمده موفق شدند اولین تصویر سیاهچاله را منتشر کنند. این تصویر را در زیر مشاهده می‌کنید.

همانطور که مشاهده می‌کنید، نور در اطراف این سیاهچاله خمیده شده است که نشان از گرانش شدید سیاهچاله دارد – این خمیدگی صحت نظریه نسبیت عام اینشتین را نشان می‌دهد. آلبرت اینشتین در نظریه نسبیت عام پیش‌بینی کرده بود گرانش قوی سیاهچاله قادر است مسیر حرکت نور را خمیده کند. این اجرام همچنین قادر هستند گرد و غبار فوق گرم محیط میان کهکشانی را به درون خود جذب کنند.

نوبت به دومین تصویر می‌رسد!

پس از ثبت موفقیت‌آمیز تصویر سیاهچاله مرکزی کهکشان مسیه 87، نوبت به سیاهچاله مرکزی کهکشان راه شیری می‌رسد. اخترشناسان عقیده دارند هر کهکشان دارای یک سیاهچاله کلان جرم در مرکز خود است.

همانطور که گفتیم سیاهچاله مرکزی کهکشان راه شیری *Sagittarius A نام دارد. این سیاهچاله با جرمی در حدود 4 میلیون برابر جرم خورشید، همانند سیاهچاله مرکزی مسیه 87 در حال خم کردن فضا-زمان است. سیاهچاله کهکشان راه شیری در حدود بیست و هفت هزار سال نوری از ما فاصله دارد.

«فریال اوزل» یکی از دانشمندان این پروژه پس از انتشار تصویر سیاهچاله مرکزی کهکشان راه شیری گفت: « به نظر می‌رسد سیاهچاله‌ها دونات‌ها را دوست دارند.»

او ادامه داد: « شباهت تصویر جدید با تصویر سیاهچاله مسیه 87 نشان می‌دهد که تصویر قبلی بدون انجام خطا بدست آمده است. » او با اشاره به اینکه کهکشان مسیه 87 حدود 1500 برابر بزرگتر از کهکشان راه شیری است، شباهت تصویر سیاهچاله‌های این دو کهکشان را نکته‌ای شگفت‌انگیز دانست. این تصویر را در زیر مشاهده می‌کنید.

دو تصویری که در بالا مشاهده کردید، تصاویر واقعی از سیاهچاله‌ها هستند که برای ثبت آن‌ها تلاش بسیاری صورت گرفته است. این تصاویر را می‌توان حیرت‌انگیز دانست.

مطالعه در زمینه سیاهچاله‌ها، ویژگی‌های آن‌ها، شکل‌گیری و تحول همچنان بازار داغی در میان اخترشناسان و کیهانشناسان دارد. امیدواریم در آینده‌ای نه چندان دور با مطالعه عمیق‌تر سیاهچاله‌ها و به کمک داده‌های جدیدی که منتشر می‌شوند، به اطلاعات شگرف بیشتری در مورد این اجرام مرموز کیهانی دست پیدا کنیم.

سوالات متداول درباره سیاهچاله