اسرار سیاهچاله ها

تصور کنید روی سطح یک سیاره ایستاده‌اید و سنگی را مستقیما به سمت بالا پرتاب می‌کنید. فرض کنید که سنگ را با قدرت زیادی پرتاب نکرده باشید. سنگ برای مدتی بالا خواهد رفت اما در نهایت به خاطر گرانش سیاره پایین خواهد افتاد. اگر سنگ را به اندازه کافی محکم پرتاب کنید، سنگ ممکن است بتواند از گرانش سیاره بگریزد. در این حالت سنگ برای همیشه به بالا رفتن ادامه خواهد داد. سرعتی که نیاز است تا با آن طوری سنگ را پرتاب کنید که از گرانش سیاره بگریزد، “سرعت گریز” نامیده می شود. سرعت گریز به جرم سیاره بستگی دارد. اگر سیاره جرم بسیار زیادی داشته باشد گرانش آن بسیار قوی خواهد بود و در نتیجه سرعت گریز هم بالا می‌باشد. یک سیاره سبکتر، سرعت گریز کمتری هم دارد. علاوه بر این سرعت گریز به فاصله ما از مرکز سیاره نیز بستگی دارد. هر چه به مرکز سیاره نزدیکتر باشیم سرعت گریز بالاتر است. سرعت گریز از گرانش زمین ۲/۱۱ کیلومتر بر ثانیه است در حالیکه سرعت گریز از ماه ۴/۲ کیلومتر بر ثانیه است..

اکنون جسمی را در نظر بگیرید که در آن مقدار عظیمی ماده در شعاع کوچکی جمع شده است، بطوریکه سرعت گریز آن از سرعت نور بیشتر است. از آنجاکه هیچ جسمی نمی تواند از نور سریعتر حرکت کند، لذا هیچ چیزی هم نمی‌تواند از میدان گرانشی این جسم فرار کند. حتی یک پرتوی نور هم بوسیله گرانش این جسم به عقب کشیده می‌شود و نمی‌تواند بگریزد. اینچنین جسمی را سیاهچاله می نامیم.

در نسبیت عام، گرانش نشانه انحنای فضا-زمان است. اجسام پرجرم فضا و زمان را خمیده می کنند، آنچنانکه قوانین هندسه دیگر کارایی خود را از دست می دهند. در نزدیکی یک سیاهچاله این انحنای فضا بینهایت شدید است و سبب می‌شود سیاهچاله‌ها ویژگیهای عجیبی داشته باشند. یک سیاهچاله دارای خصوصیتی بنام «افق رویداد» است. افق رویداد یک سطح کروی است که محدوده ی سیاهچاله را مشخص می‌سازد. شما می‌توانید وارد افق رویداد شوید اما دیگر نمی‌توانید از آن خارج شوید. در حقیقت زمانیکه وارد افق رویداد می شوید، هر لحظه به تکینگی مرکز سیاهچاله نزدیک و نزدیکتر می شوید.

افق رویداد را می‌توان به عنوان ناحیه‌ای در نظر گرفت که سرعت گریز در آنجا برابر سرعت نور است. خارج از افق رویداد سرعت گریز کمتر از سرعت نور است، بنابراین اگر موشک خود را با توان کافی روشن کنید، می توانید برای خود انرژی کافی برای فرار از سیاهچاله فراهم کنید. اما اگر درون افق رویداد قرار داشته باشید، دیگر فرقی نمی کند که موشک شما چقدر قدرت داشته باشد، دیگر راه گریزی نیست! چرا که نمی توان از نور سریعتر حرکت کرد..

سیاهچاله ها در کیهان

در حال حاضر گمان بر این است که تقریبا در مراکز تمام کهکشانها سیاهچاله های بسیار بزرگی وجود دارند که جرمی میلیون ها و یا حتی میلیارد ها برابر جرم خورشید دارند .برخی از این اجرام جزو خشن ترین و فعالترین اجرام در کیهان هستند. از این دست می توان هسته های فعال کهکشانی و کوازار ها را نام برد. این اجرام در حالیکه گازهای اطراف را به سمت داخل می کشند، فورانهایی به سمت بیرون ایجاد می کنند.

همچنین گمان می رود که نمونه های بسیاری از سیاهچاله های کوچک در کهکشانها وجود دارند که جرمی تنها چندین مرتبه بزرگتر از جرم خورشید دارند. تعداد اندکی از این سیاهچاله ها در کهکشان ما نیز شناسایی شده اند. از آنجا که تعدادی از این سیاهچاله های کوچک فوران های کوتاهی شبیه آنچه انواع بزرگترشان می سازند را موجب می شوند، میکروکوازار لقب گرفته اند.

شکل گیری سیاهچاله ها

گمان بر این است که سیاهچاله های معمولی از ستاره های پرجرم تشکیل می شوند (شاید آنهاییکه با جرمهایی ۲۰ یا ۲۵ برابر جرم خورشید فعالیت می کنند). زمانیکه این ستارگان به زندگی خود به شکل یک انفجار ابرنواختر پایان می دهند، هسته آنها فرو می‌پاشد و گرانش بر هر نیروی دیگری که ممکن است بتواند ستاره را نگه دارد، غلبه می کند.

در نهایت ستاره آنقدر فرو می پاشد تا در شعاع شوارتزشیلد یا افق رویداد خود محصور می گردد. در این حالت، سیاهچاله بی نهایت کوچک است، یک سیاهچاله با جرم خورشید در یک شهر کوچک جای می گیرد، در حالیکه سیاهچاله ای با جرم زمین در کف دست شما هم جای می گیرد!

ماده موجود در شعاع شواتزشیلد به طور نامحدودی به فروپاشی ادامه می دهد تا به نقطه ای می رسد که در آنجا قوانین فیزیک دیگر کارایی خود را از دست می دهد. در این ضمن، سیاهچاله های ابر توده به شکل دیگری ایجاد می شوند- شاید از ادغام تعداد زیادی سیاهچاله کوچکتر در آغاز تاریخ جهان- و در طی سالیان دراز با بلعیدن گازهای اطرافشان رشد می‌کنند.

شکل گیری این اجرام و رابطه آنها با کهکشانی که آنها را در بر می گیرد، نکته ای است که هنوز در دست مطالعه و بررسی قرار دارد.

مشاهده ی سیاهچاله ها

دنیایی از نور

سیاهچاله ها را نمی توان مستقیماّ مشاهده کرد، اما می توان اثر آنها بر مواد پیرامونشان را مورد بررسی قرار داد (گاز و غباری که پیش از اینکه به درون سیاهچاله کشیده شود و یا اینکه به شکل یک فوران به بیرون پرتاب شود، ثانیه های پایانی عمر خود را می گذراند).

در حقیقت سیاهچاله ها در تبدیل انرژی مواد ورودی به نور و انتشار آن، بازدهی بسیار بالایی دارند. گازی که به درون سیاهچاله کشیده می شود، به همان دلیلی که زمین به درون خورشید سقوط نمی کند، مستقیماّ فرو برده نمی شود. درعوض، گاز تلاش می کند تا در مداری گرد سیاهچاله حرکت کند، وآنچه که ما به عنوان حلقه تجمعی می شناسیم را تشکیل دهد.

در حلقه تجمعی، ماده ضمن اینکه به دلیل اصطکاک انرژی از دست می دهد به آرامی به طرف داخل سیاهچاله نوسان می کند- کشش های عظیم گرانشی نزدیک سیاهچاله در شکافتن این مواد و بالا بردن دمای آنها به مقادیر بسیار بالا، به بهترین نحو عمل می‌کنند. دمای حلقه های داخلی سیاهچاله های ابر توده به هزارارن درجه کلوین می رسد (مشابه دمای سطح یک ستاره داغ)، این درحالیست که دمای حلقه‌های سیاهچاله های کوچکتر می تواند تا میلیونها درجه بالا رود، تا جاییکه باعث انتشار پرتوهای ایکس از آنها گردد.

بنابراین سیاهچاله ها جزو نورانی ترین اجرام پیرامون ما هستند.

تغییرات سریع

از آنجاییکه سیاهچاله ها کوچک هستند روشنایی آنها می تواند به سرعت تغییر کند. فرایندهای پیچیده ای که در بخشهای درونی حلقه تجمعی رخ می دهند، غالباّ بسیار متغیرند و منجر به تغییرات سریع در نور ساطع شده می گردند.

کوچکترین و در عین حال فعالترین سیاهچاله ها، یعنی میکرو کوازارها، می توانند نورشان را در طول تنها چند ثانیه دو برابر کنند و گاهی اوقات، شواهدی نیز برای تغییرات در مقیاس های زمانی کوتاهتر از خود نشان می دهند، یعنی در برخی موارد صدها برابر در هر ثانیه نوسان می کنند.

فوران های پرانرژی

سیاهچاله ها مواد را به خود جذب می کنند، اما برخی از این مواد بجای اینکه بلعیده شوند، به بیرون پرتاب می شوند. بسیاری از سیاهچاله ها، فوران هایی را تقریبا با سرعت نور پرتاب می کنند که از حلقه تجمعی دور می شوند. این فوران ها نه تنها بطور باشکوهی در مراکز کهکشانهای نزدیک (برای مثال M87) مشاهده شده اند، بلکه در میکروکوازارها هم به صورت فورانها و پرتاب های سریع و بسیار پرانرژی پدیدار می گردند، درست مثل اینکه شخصی تصویری ویدئویی از یک کوازار گرفته و دکمه حرکت سریع به جلو را فشرده باشد.

فرایندهایی که بوسیله آنها این فوران ها شکل می گیرند، به خوبی شناخته نشده اند، ولی به نظر می رسد که وابسته به میدان های مغناطیسی باشند که حضورشان باعث بی ثباتی هایی در حلقه تجمعی می گردد و به مواد اجازه می‌دهد به بیرون پرتاب شوند