مهر ۱۰, ۱۳۹۹

سیاهچاله چیست و چگونه کار می کند؟

بذارین بدون مقدمه خیال تون رو راحت کنیم. در فضای دور و بر ما تا حالا چیزی به اسم کرمچاله پیدا نشده و بعیده که اصلا همچین چیزی در حالت طبیعی وجود داشته باشه. کرم چاله ها پلایی میان یه مکان-زمان به مکان-وقتی دیگه هستن که در صورت ورود به اون، وارد نقطه ای میشین که می تونه میلیونا سال نوری از مکان قبلی دور باشه و زمان در اون به طور دیگری بگذره.

اما سیاهچالها یه موضوع به طور کامل متفاوت ان. تا حالا خیلی زیاد سیاهچاله در سراسر کائنات پیدا شده. در این ناحیه، فضا و زمان شدیدا فشرده شدن. براساس نظریه نسبیت اینشتین، اجسام می تونن به اندازه ای فشرده شن که خم شدن فضا-زمان بسازن.

دلیل اینکه اونو سیاهچاله می گن به طور کامل مشخصه. هر چیزی که وارد مشکی چاله شه راه برگشتی نداره و نور از این قانون مستثنی نیس. واقعا نوری که وارد سیاهچالها می شه هیچ بازتابی از درون اون نداره، پس جز یه چاله مشکی رنگ هیچ چیزی نمی بینیم. درست مثل ماده تاریک که قبلا در مورد اون واسه تون گفتیم.

همه این داستانا از وقتی شروع شد که اینشتین در سال ۱۹۱۵ نظریه نسبیت رو مطرح کرد و حالا بیشتر از صد سال از اون روزا میگذره اما سیاهچالها هنوز واسه ما نقطه ای تاریک و مبهم باقی مونده ان، با این حال اطلاعات جالبی از اونا داریم و در آینده هم شک نداشته باشین بیشتر میفهمیم.

در ادامه با سایت ما همراه باشین تا به زبون ساده با سیاهچالها از زبون پروفسور Craig Freudenrich آشنا شیم.

سیاهچاله چیه؟

مشکی چاله چیزیه که پس از مرگ یه ستاره بزرگ باقی می مونه. ستاره ها رآکتورهای همجوش بزرگی هستن که در خود می جوشن و به دو دلیل تمایل بسیار زیادی واسه ویرانی دارن: خیلی زیاد بزرگ ان و از گاز تشکیل شدن. این دو عامل کافیه تا میدون گرانشی شدیدی بوجود اومده و ستاره رو از درون ویرون کنه. دوباره که خورشید رو در آسمون دیدید، به این فکر کنین که همون لحظه در سطح خورشید میلیونا اتم در حال همجوشی با همدیگه هستن تا هسته ای سنگین تر بسازن. و هر چی این فعالیت ادامه پیدا میکنه، خورشید پیرتر و پیرتر می شه تا در آخر متلاشی شده و از بین بره.

واکنشای همجوشی که در هسته ستاره اتفاق می افته مثل بمبای هسته ای بزرگی هستن که مرتبا کره رو مورد اصابت قرار میدن. توازن میان نیروی گرانشی و نیروی انفجاری، اندازه یه ستاره رو تعریف می کنه.

به محض اینکه ستاره از پای در میاد، عکس العمل همجوشی هسته ای متوقف می شه چون که سوخت مورد نظر دیگه به اتمام رسیده و چیزی واسه سوختن و انفجار وجود نداره. در همین حال، نیروی انفجاری به صفر می رسه اما نیروی گرانشی سر جای خود باقیه پس با قدرت کامل ستاره رو به دورن میکشه.

ستاره که فشرده می شه یه دفعه داغ شده و انفجار ابرنواختر صورت میگیره که طی اون مواد و اشعه ها به درون فضا پرتاب می شن. اون چیزی که باقی می مونه، هسته بسیار فشرده و عظیمه. گرانش هسته به اندازه ای بالاست که حتی نور هم نمی تونه از اون فرار کنه.

این جسم حالا یه سیاهچالهه و واقعا غیر قابل دیدنه، چون که نوری از اون درخشش نمی شه. پایه دیدن یه چیزی به وسیله آدم، دریافت نور تابیده شدن به اون هستش. اگه خودتون رو درون اتاقی که هیچ نوری به اون نفوذ نمی کنه نگه دارین، هیچ چیزی مشاهده نمی کنین، دقیقا مثل وقتی که پلکای خود رو بسته اید. بنا به خاطر همین، سیاهچالها هم با اینکه به نظر قابل لمس ان اما دیدنی نیستن.

به دلیل فشردگی زیادتر از اندازه و جاذبه قوی، هسته از قانون فضا-زمان گذر می کنه و یه چاله در فضا-زمان بوجود میاره. به خاطر این اونو سیاهچاله می گن.

هسته تبدیل به مرکز سیاهچاله می شه که اونو سینگولاریتی یا تکینگی می گن و مرز ورود به سیاهچاله رو ایونت هورایزن یا افق اتفاق می گن. افق اتفاق جاییه که فضا-زمان در حال تغییر شکله و اگه چیزی وارد اون منطقه شه به طرف تکینگی کشیده می شه.

در واقع افق اتفاق مثل دهن یه سیاهچالهه. اگه چیزی وارد اون شه، همه اتفاقای که در فضا-زمان رخ میدن متوقف می شن و هیچی، حتی نور با سرعت عجیب خود هم نمی تونه از اون فرار کنه. به شعاع یه افق اتفاق، شعاع شوارتزشیلد هم می گن که براساس نام ستاره شناس آلمانی برگزیده شده. کارل شوارتزشیلد در فهم این علم کمک بسیاری کرد و الان نتیجه تحقیقات ایشون رو مطالعه می کنیم.

اولین بار در سال ۱۹۷۵، دانشمندی با نام Pierre Simon Laplace با به کار گیری تئوری جاذبه نیوتون محاسبه کرد که اگه جسمی بسیار فشرده شه، سرعت فرار جسم از سرعت نور هم بیشتر می شه.

شکلای جور واجور سیاهچالها

دو مدل سیاهچاله هست:

  • Schwarzschild – سیاهچالهای ثابت
  • Kerr – سیاهچالهای چرخان

سیاهچالهای شوارتزشیلد آسونترین مدل هستن که هسته اونا حالت چرخشی نداره. این مدل سیاهچالها فقط یه تکینگی و یه افق اتفاق دارن.

سیاهچاله Kerr، که عادی ترین مدل سیاهچالها هستش، حالت چرخان دارن، چون که ستاره قبلی اون (که الان تبدیل به هسته شده) در حال چرخش بوده. وقتی که ستاره چرخان از هم فرو می پاشد، هسته به چرخش خود ادامه میده و این اتفاق وقتی که تبدیل به سیاهچاله می شه هم بنا به قانون پایستگی تکانه زاویه ای، ادامه داره. سیاهچاله Kerr از موارد زیر تشکیل شده:

  • تکینگی – هسته ستاره ویرون شده
  • افق اتفاق – ورودی سیاهچاله
  • ارگوسفر یا کارکُره – ناحیه ای تخم مرغی شکل در ناحیه ای از فضا که دور تا دور افق اتفاق رو پوشونده. ارگوسفر همون ناحیه ایه که همه چیز کشیده شده به نظر می رسه. در این قسمت فضا به درون کشیده می شه اما هنوز چیزی رو به درون سیاهچاله هدایت نکرده. ارگوسفر به خاطر چرخش سیاهچاله ایجاد می شه.
  • حد استاتیک – مرز میان ارگوسفر و فضای حقیقی

اگه جسمی وارد ارگوسفر بشه بازم می تونه با به دست آوردن انرژی از چرخش تکینگی از سیاهچاله خارج شه. با این حال، هر چیزی که از افق اتفاق بگذره به درون مشکی چاله کشیده شده و هیچ وقت نمی تونه از اون خارج شه. کسی نمی دونه که درون سیاهچاله چه اتفاقی اتفاق می افته؛ حتی تئوریای فعلی فیزیکی ما نزدیک به یه تکینگی هم نیس.

با اینکه ما نمی تونیم سیاهچاله رو ببینیم اما سه چیز رو در مورد اون می تونیم اندازه بگیریم: جرم، بار الکتریکی، سرعت چرخش (تکانه زاویه ای).

جرم یه سیاهچاله رو فقط از راه سرعت گردش اجرام به دور اون می تونه محاسبه کرد. اگه سیاهچاله به دنبال خود همراهانی داشته باشه (مثلا یه ستاره دیگه یا اجرام آسمونی بزرگ) میشه شعاع چرخش یا سرعت مدار دور و بر سیاهچاله رو اندازه گرفت. ستاره شناسا با به کار گیری قانون سوم کپلر جرم یه ستاره رو اندازه می گیرن.

نکته : برای دانلود متن کامل پایان نامه به سایت  homatez.com  مراجعه نمایید

چیجوری یه سیاهچاله رو تشخیص می دیم؟

شاید نتونیم سیاهچاله رو مثل تصاویر خیالی فوق ببینیم اما حضور اونو میشه با به کار گیری اندازه گیری اثرات اون روی اجسام دور و برمیگرده فهمید. طرق زیر می تونه مورد استفاده قرار بگیره:

  1. محاسبه جرم از راه اجسامی که دور سیاهچاله می چرخن یا به مرکز اون فرو می رن
  2. اثر همگرایی گرانشی
  3. تشعشعات خارج شده از سیاهچاله

محاسبه جرم

خیلی از سیاهچالها دور و بر شون پر از اجسام دیگه س و با نگاه کردن و بررسی رفتار اونا میشه به حضور سیاهچاله در اون ناحیه فهمید. بعد با به کار گیری سرعت حرکت اونا در دور و بر یه سیاهچاله فرضی، جرم اونو هم محاسبه می کنیم.

باید به دنبال یه ستاره یا صفحه ای از گازها باشین که در حال کشیده شدن هستن. مثلا، اگه ستاره ای بزرگ یا صفحه ای از گازها حرکتی لرزشی یا چرخشی داشته باشن و دلیل روشن و قابل دیدنی هم واسه حرکت شون دیده نشه، شاید یه عامل پنهونی می تونه این اثر رو روی ستاره ای به اون عظمت بسازه. پس با محاسبه حرکت ستاره میشه اندازه سیاهچاله رو هم حساب کرد.

در مرکز کهکشون NGC 4261، دیسک چرخان و قهوه ای رنگی هست. این دیسک هم اندازه منظومه شمسی ماست اما وزن اون ۱٫۲ میلیارد برابر خورشیده. حجمی اینجور بزرگ نشون میده که سیاهچاله ای در این ناحیه جای خوش کرده.

همگرایی گرانشی

نظریه عمومی نسبیت اینشتین پیش بینی می کنه که گرانش می تونه در فضا-زمان خم شدن ایجاد کنه. این بخش از نظر اینشتین بعدا در زمان وقوع یه کسوف خورشیدی به اثبات رسید، وقتی که جایگاه یه ستاره قبل، بعد و هنگام کسوف اندازه گرفته شد. جایگاه ستاره تغییر کرد اونم به خاطر این که نور دریافتی از ستاره به وسیله جاذبه خورشید دچار خمش شد.

در نتیجه جسمی با جاذبه شدید (مثل یه کهکشون یا سیاهچاله) اگه میان زمین و جسمی نورانی در دوردست قرار بگیره می تونه در راه نور خم شدن بسازه، دقیقا همونطور که لنزها یا عدسیا این کار رو انجام میدن. این اثر در تصویر فوق دیده می شه.

در تصویر بالا، همگرایی گرانشی واسه MACHO-96-BL5 اتفاق افتاد و تلسکوپ هابل که این اتفاق رو ناظر بود متوجه فرق شد. در نتیجه با تحقیق و جستجو محققین فهمیدن که سیاهچاله ای از اون میان گذر کرده.

تشعشعات

وقتی که ماده ها درون سیاهچاله می افتن، یه ستاره همراه رو به وجود میارن، گرمای جسم بالا میره، به میلیونا درجه کلوین می رسه و شتاب میگیره. ماده بسیار داغ اشعه اکس از خود به بیرون پخش میکنه که اونو میشه اندازه گرفت.

ستاره Cygnus X-1 یه منبع قوی اشعه اکسه و کاندیدای خوبی واسه تبدیل شدن به یه سیاهچاله هم هست. همونطور که در تصویر فوق می بینین، امواج خورشیدی از ستاره همراه با نام HDE 226868، اجسام بسیاری رو وارد دیسک چرخان سیاهچاله می کنه. به محض اینکه مواد وارد سیاهچاله شن، تابش اشعه اکس شروع می شه.

علاوه بر اشعه اکس، سیاهچالها می تونن موادی رو با سرعت بالا پرتاب کنن و فوارهای اختر فیزیکی رو شکل بدن. خیلی از کهکشونا با اینجور اجرامی دیده شدن. الان کهکشونای نامبرده سیاهچالهای بزرگی در مرکز خود دارن. در تصویر فوق یه نمونه از اونا رو می تونین ببینین.

البته، به یاد بسپرید که مشکی چاله ها جارو برقیای فضا نیستن، اونا هیچ چیزی رو مصرف نمی کنن. پس با اینکه ما نمی تونیم اونا رو ببینیم اما دلایل غیرمستقیمی هست که بودن شون رو تایید می کنه. خیلی از محققان، نظریه پردازان و حتی داستان نویسان سیاهچاله رو با سفر در زمان و کرمچالها در رابطه می دونن و هیچ بعید نیس که اینجور هم باشه.