سیاه چاله چیست و چگونه به وجود می آید؟

سیاه چاله چیست؟

سیاه‌ چاله ها (به انگلیسی: Blackhole) از عجیب‌ترین و جذاب‌ترین اجرام در فضا هستند. ناحیه‌ای در فضا-زمان با گرانشی بسیار نیرومند است که هیچ چیز حتی ذرات و تابش‌های الکترومغناطیسی مانند نور نمی‌توانند از میدان گرانش قدرتمند آن بگریزند. سیاه چاله می تواند با مرگ یک ستاره عظیم تشکیل شود. 

کهکشان راه شیری می تواند بیش از 100 میلیون سیاهچاله را در خود جای دهد، اگرچه شناسایی این جانوران پرخور بسیار دشوار است. در قلب کهکشان راه شیری یک سیاهچاله بسیار پرجرم به نام Sagittarius A* قرار دارد. طبق بیانیه ناسا، این ساختار عظیم حدود 4 میلیون برابر جرم خورشید است و تقریباً 26000 سال نوری از زمین فاصله دارد.

اولین تصویر از یک سیاهچاله در سال 2019 توسط تلسکوپ افق رویداد (EHT) گرفته شد. عکس خیره کننده سیاهچاله در مرکز کهکشان M87 در فاصله 55 میلیون سال نوری از زمین، دانشمندان سراسر جهان را به وجد آورد. 

کشف سیاه چاله

آلبرت انیشتین برای اولین بار وجود سیاهچاله‌ها را در سال 1916 با نظریه نسبیت عام (که یک جرم به اندازه کافی فشرده شده، می‌تواند سبب تغییر شکل و خمیدگی فضا – زمان و تشکیل سیاهچاله شود) خود پیش بینی کرد. اصطلاح “سیاه چاله” سال ها بعد در سال 1967 توسط ستاره شناس آمریکایی جان ویلر ابداع شد.

بر اساس گزارش ناسا، در طول پرواز کوتاه یک موشک در سال ۱۹۶۴، ستاره‌شناسان اولین سیاهچاله ای که یکی از بزرگترین منابع اشعه‌ی ایکس در آسمان بود را یافتند که در صورت فلکی ماکیان، دجاجه یا قو (به انگلیسی: Cygnus ) قرار داشت و آن را “Cygnus X-۱” نامیدند. در سال 1971، ستاره شناسان تشخیص دادند که پرتوهای ایکس از یک ستاره آبی درخشان می آید که به دور یک جسم تاریک عجیب می چرخد. پیشنهاد شد که پرتوهای ایکس کشف‌ شده نتیجه جدا شدن مواد ستاره‌ای از ستاره درخشان و «بلوره شدن» توسط جسم تاریک (یک سیاه‌چاله همه‌گیر) است. 

چند سیاه چاله وجود دارد؟

به گفته موسسه علوم تلسکوپ فضایی (STScI) تقریباً از هر هزار ستاره یک ستاره آنقدر جرم دارد که به سیاه‌چاله تبدیل شود. از آنجایی که کهکشان راه شیری دارای بیش از 100 میلیارد آمار است، کهکشان خانگی ما باید حدود 100 میلیون سیاه چاله را در خود جای دهد. 

اگرچه شناسایی سیاهچاله ها کار دشواری است و تخمین‌های ناسا نشان می‌دهد که ممکن است بین 10 میلیون تا یک میلیارد سیاه چاله ستاره‌ای در کهکشان راه شیری وجود داشته باشد. 

نزدیکترین سیاهچاله به زمین ” Gaia BH1 “ نام دارد و در فاصله 1500 سال نوری از زمین قرار دارد. نام مستعار معنایی دوگانه دارد. نامزد سیاهچاله نه تنها در صورت فلکی تک شاخ (یونیکورن) ساکن است، بلکه جرم بسیار کم آن (تقریباً سه برابر خورشید) آن را تقریباً در نوع خود بی نظیر می کند.

تصاویر سیاه چاله

در سال 2019، تلسکوپ افق رویداد (EHT) اولین تصویر ثبت شده از یک سیاهچاله را منتشر کرد. هنگامی که تلسکوپ EHT در حال بررسی افق رویداد بود، سیاه چاله را در مرکز کهکشان M87 مشاهده کرد. اکنون که ستاره‌شناسان تصاویر حقیقی از سیاه‌چاله را در دست دارند، حوزه جدیدی از تحقیقات در مورد سیاه‌چاله‌ها را باز کرده اند.

در سال 2021، ستاره شناسان نمایی جدید از سیاهچاله غول پیکر در مرکز M87 را نشان دادند که نشان می دهد ساختار عظیم در نور قطبی شده چگونه به نظر می‌رسد. از آنجایی که امواج نور پلاریزه دارای جهت گیری و روشنایی متفاوتی نسبت به نور غیرقطبی هستند، تصویر جدید سیاهچاله را با جزئیات بیشتری نشان می دهد. قطبش نشانه ای از میدان های مغناطیسی است و تصویر به وضوح نشان می‌دهد که حلقه سیاهچاله مغناطیسی شده است.

سیاه چاله ها چه شکلی هستند؟

سیاه چاله ها دارای سه لایه هستند: افق رخداد بیرونی، درونی و تکینگی

افق رویداد

مهمترین ویژگی که یک سیاه چاله را تعریف می‌کند پیدایش افق رویداد است. افق رویداد به شکل کروی یا تقریباً کروی با شعاع شوارتزشیلد (به انگلیسی: Schwarzschild radius، شعاعی است که بر طبق معادلات متریک برای سیاهچاله‌ها تعیین می‌شود.) حول نقطه مرکزی سیاه چاله‌ است. این کره ناحیه‌ای از فضا – زمان است که عبور نور و ماده از آن تنها در یک جهت و به طرف درون آن ممکن است. درون این کره سرعت گریز از سرعت نور بیشتر خواهد بود، و از آنجاییکه هیچ جسمی توانایی حرکت با سرعت بیشتر از سرعت نور را ندارد، هیچ جسمی توانایی گریز از این منطقه را ندارد. هر جرم یا انرژی که به یک سیاه چاله نزدیک شود، در داخل فاصله معینی که افق رویداد آن خوانده می‌شود، به‌طور مقاومت ناپذیری به درون سیاه چاله کشیده می‌شود. نوری که از اطراف یک سیاه چاله عبور می‌کند، اگر به افق رویداد نرسد، روی مسیری منحنی شکل از کنار آن می‌گذرد و اگر به افق رویداد برسد، در سیاه چاله سقوط می‌کند. افق رویداد را از این رو به این نام می‌خوانند که از درون آن اطلاعات راجع به آن رخداد به مشاهده‌کننده نمی‌رسد و مشاهده‌کننده نمی‌تواند یقین حاصل کند که این اتفاق رخ داده‌ است.

ناحیه درونی

ناحیه درونی سیاهچاله، جایی که جرم جسم در آن قرار دارد، به عنوان تکینگی آن شناخته می‌شود، نقطه واحدی در فضا-زمان که جرم سیاه چاله در آن متمرکز است.

تکینگی گرانشی

براساس نسبیت عام، مرکز یک سیاه چاله یک نقطه تکینگی گرانشی است، ناحیه‌ای که در آن خمیدگی فضا-زمان به بی‌نهایت می‌شود. بدین معنا که زمان بی معنا می‌گردد و جاذبه به بی‌نهایت مبدل می‌گردد. برای یک سیاه‌چاله غیر چرخان این ناحیه به شکل یک نقطه منفرد و برای یک سیاه‌چاله کر به شکل یک تکینگی حلقوی روی صفحه چرخش خواهد بود. در هر دوی موارد حجم ناحیه تکینگی صفر است. به همین دلیل چگالی ناحیه تکینگی، بی‌نهایت خواهد بود.
ناظری که به درون یک سیاه‌چاله شوارتزشیلد سقوط می‌کند (یعنی بدون بار و تکانه زاویه‌ای) به محض اینکه از افق رویداد بگذرد دیگر نمی‌تواند در مقابل سرازیر شدن به سوی نقطه تکینگی جلوگیری کند. این ناظر می‌تواند تنها تا میزان محدودی زمان سقوطش را با سرعت گرفتن در جهت مخالف طولانی‌تر کند اما سرانجام به نقطه تکینگی سقوط خواهد کرد. زمانی که به این نقطه برسد به چگالی بی‌نهایت برخورد می‌کند و جرم آن به جرم سیاه‌چاله افزوده می‌شود. البته پیش از این اتفاق در طی فرایندی که به اسپاگتی سازی یا اثر نودلی معروف است، اجزای وی بر اثر نیروهای جزر و مدی در حال گسترش از هم گسیخته می‌شود.

دانشمندان نمی توانند سیاهچاله ها را همانند ستاره ها و دیگر اجرام که در فضا می‌بینند، ببینند. درعوض، اخترشناسان باید به تشخیص تشعشعاتی که سیاهچاله ها در اثر کشیده شدن غبار و گاز به درون موجودات متراکم ساطع می کنند، تکیه کنند. اما سیاه‌چاله های کلان پرجرم که در مرکز یک کهکشان قرار دارند، ممکن است توسط غبار و گاز غلیظ اطراف خود پوشیده شوند، که می تواند انتشار گازهای گلخانه ای را مسدود کند.

گاهی اوقات، هنگامی که ماده به سمت سیاهچاله کشیده می شود، به جای اینکه به درون آن کشیده شود، از افق رویداد خارج می شود و به بیرون پرتاب می شود. جت های درخشانی از مواد ایجاد می شود که با سرعت های نزدیک به نسبیتی حرکت می کنند. اگرچه سیاه‌چاله به دلیل اینکه نوری از آن خارج نمی‌گردد نامرئی است، اما می‌تواند بودن خود را از راه کنش و واکنش با ماده پیرامون خود نشان دهد. 

تصویر EHT از یک سیاه‌چاله در M87 (منتشر شده در سال 2019) تلاش فوق‌العاده‌ای بود و حتی پس از گرفتن عکس‌ها به دو سال تحقیق نیاز داشت. این به این دلیل است که همکاری تلسکوپ ها، که در بسیاری از رصدخانه ها در سراسر جهان گسترده شده است، حجم شگفت انگیزی از داده ها را تولید می کند که برای انتقال از طریق اینترنت بسیار بزرگ است. 

با گذشت زمان، محققان انتظار دارند تا از دیگر سیاهچاله ها تصویربرداری کنند و مخزنی از شکل ظاهری اجرام بسازند. هدف بعدی احتمالاً Sagittarius A* است که سیاهچاله ای در مرکز کهکشان راه شیری خودمان است. یک مطالعه در سال 2019 گزارش داد که Sagittarius A* جذاب است زیرا ساکت تر از حد انتظار است، که ممکن است به دلیل میدان های مغناطیسی باشد که فعالیت آن را خفه می‌کنند. مطالعه دیگری در آن سال نشان داد که یک هاله گازی خنک اطراف Sagittarius A* را احاطه کرده است که بینش بی‌سابقه‌ای در مورد اینکه محیط اطراف یک سیاه‌چاله چگونه به نظر می‌رسد، می‌دهد.

(در حال به روز رسانی)