سیاه‌چاله چیست و چه چیزی در درون آن وجود دارد؟

سیاه‌چاله‌‌ها ناحیه‌ای از فضا-زمان هستند که بسیار متراکم بوده و جاذبه گرانشی بسیار شدیدی دارند به گونه‌ای که حتی نور نیز نمی‌تواند از گرانش آنها فرار کند.

آلبرت انیشتین (Albert Einstein) نخستین بار در سال ۱۹۱۶ با استفاده از نظریه نسبیت عام وجود آنها را پیش بینی کرد. اصطلاح سیاه‌چاله (Black Holes) سال‌ها بعد و در سال ۱۹۶۷ توسط جان ویلر (John Wheeler) اخترشناس آمریکایی ابداع شد. پس از ده‌ها سال که سیاه‌چاله‌ها صرفاً به عنوان اشیاء نظری شناخته می‌شدند، در سال ۱۹۷۱ اولین سیاه‌چاله فیزیکی کشف شد.

سپس در سال ۲۰۱۹ با همکاری تلسکوپ افق رویداد (Event Horizon Telescope) اولین تصویر تاریخ از یک سیاه‌چاله منتشر شد (ثبت اولین تصویر واقعی از یک سیاه چاله). تلسکوپ افق رویداد، سیاه‌چاله M87 را در مرکز کهکشان مسیه ۸۷ مشاهده نمود در حالیکه همزمان داشت افق رویداد (نقطه بی بازگشت) آن را بررسی می‌نمود. این تصویر از دست رفتن ناگهانی فوتون‌ها را نقشه برداری می‌کرد. با توجه به این که اکنون دانشمندان می‌دانند که شکل یک سیاه‌چاله چگونه است مرحله جدیدی از تحقیقات درباره این اجسام آغاز می‌شود.

تقسیم بندی سیاهچاله‌ها

ستاره شناسان تاکنون سه نوع سیاه‌چاله را شناسایی کرده‌اند که بر مبنای جرمشان به سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای (ریز سیاه‌چاله‌)، سیاه‌چاله‌های جرم متوسط و سیاه‌چاله‌های کلان جرم تقسیم می‌شوند.

سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای: کوچک اما کشنده

هنگامی که یک ستاره در حال سوزاندن آخرین سوخت خود است، ممکن است فروپاشی یا در خود فرو ریزش کند. در ستاره‌های کوچک‌تر (با جرم کمتر از سه جرم خورشیدی) با پایان سوخت، هسته به یک ستاره نوترونی یا کوتوله سفید تبدیل می‌شود. اما وقتی یک ستاره بزرگ‌تر فرو می‌ریزد، به فشرده سازی ادامه داده و یک سیاه‌چاله ستاره‌ای (Stellar Black hole) یا ریز سیاه‌چاله‌ (Small Black hole) ایجاد می‌کند.

سیاه‌چاله‌هایی که با فروپاشی ستاره‌های منحصر بفرد ایجاد می‌شوند نسبتاً کوچک اما فوق العاده متراکم هستند. یکی از این اجسام بیش از سه برابر جرم خورشید را در فضایی به اندازه یک شهر کوچک فشرده می‌کند. این باعث می‌شود تا مقدار بسیار زیادی گرانش در آن ایجاد شده و اجسام نزدیک را به سمت خود بکشد. سیاهچاله‌های ستاره‌ای از گرد و غبار و گازهای کهکشان اطراف خود تغذیه می‌کنند که در نتیجه سبب رشد اندازه آنها می‌شود. به گفته مرکز نجوم هاروارد-اسمیتسونیان (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) کهکشان راه شیری حاوی چند صد میلیون سیاه‌چاله‌ ستاره‌ای است.

سیاه‌چاله‌های جرم متوسط: در وسط گیر کرده‌ها

دانشمندان روزگاری تصور می‌کردند که سیاهچاله‌ها فقط در اندازه‌های کوچک و بزرگ هستند، اما براساس تحقیقات جدید این احتمال را می‌دهند که سیاهچاله‌های جرم متوسط (Intermediate Black holes or IMBHs) نیز می‌توانند وجود داشته باشند. بسیاری از این سیاهچاله‌های جرم متوسط که در یک منطقه تشکیل می‌شوند، می‌توانند سرانجام در مرکز یک کهکشان به همدیگر پیوسته و یک سیاه‌چاله کلان جرم ایجاد کنند.

در سال ۲۰۱۴ ستاره شناسان جسمی را که به نظر می‌رسید یک سیاه‌چاله جرم متوسط است در بازوی یک کهکشان مارپیچی کشف کردند. تیم رابرتز (Tim Roberts) از اعضای آن تیم تحقیقاتی در یک بیانه گفت: اخترشناسان برای کشف این نوع سیاه‌چاله تلاش بسیار زیادی انجام داده و به سختی به دنبال یافتن آن بودند. شواهدی از وجود سیاه‌چاله‌های جرم متوسط به دست آمده، اما آنها مانند اقوام دوری هستند که کسی علاقه‌ای به پیدا کردنشان ندارد. ^[۱]

تحقیقات جدید در سال ۲۰۱۸ نشان داد که ممکن است سیاه‌چاله‌های جرم متوسط در قلب کهکشان‌های کوتوله (Dwarf Galaxies) یا کهکشان‌های بسیار کوچک وجود داشته باشند. مشاهدات ۱۰ مورد از این کهکشان‌ها که بر مبنای فعالیت‌های اشعه ایکس سیاه‌چاله‌ها بود، حاکی از وجود سیاهچاله‌هایی با جرم ۳۶۰۰۰ تا ۳۱۶،۰۰۰ جرم خورشیدی است. این اطلاعات توسط نقشه‌بردار آسمانی دیجیتال اسلون (Sloan Digital Sky Survey) بدست آمده که حدود ۱ میلیون کهکشان را بررسی کرده و می‌‌تواند نوع نوری که هنگام خوردن گرد و غبار توسط سیاهچاله منتشر می‌شود را تشخیص دهد.

سیاه‌چاله‌های کلان جرم: تولد غول‌ها

سیاه‌چاله‌های کوچک بسیار زیادند اما سیاه‌چاله‌های کلان جرم در جهان حمکرانی می‌کنند. این سیاهچاله‌های عظیم از نظر جرم میلیون‌ها یا حتی میلیاردها برابر خورشید جرم دارند اما قطر آنها تقریباً به اندازه قطر خورشید است. تصور می‌شود چنین سیاه‌چاله‌هایی تقریباً  در مرکز همه کهکشان‌ها از جمله راه شیری قرار داشته باشند (اولین فیلم از سیاه‌چاله کمان ای در مرکز کهکشان راه شیری).

سیاه‌چاله کلان جرم میلیون‌ها یا حتی میلیاردها برابر خورشید جرم دارند اما قطر آنها تقریباً به اندازه قطر خورشید است. تصور می‌شود این نوع سیاه‌چاله‌های تقریباً در مرکز همه کهکشان‌ها از جمله راه شیری قرار داشته باشند. 

کیهان شناسان هنوز چگونگی تشکیل این اجرام غول پیکر را نمی‌دانند به همین علت نظریات مختلفی درباره نحوه شکل گیری آنها وجود دارد. براساس یک نظریه سیاه‌چاله‌های کلان جرم ممکن است نتیجه ادغام صدها یا هزاران سیاه‌چاله کوچک باشند. نظریه دوم می‌گوید که ابرهای بزرگ گازی نیز می‌توانند عامل بوجود آمدن آنها باشند، این ابرها در خود فروریخته و جرمشان به سرعت افزایش می‌یابد. نظریه سوم سقوط یک خوشه ستاره‌ای است، گروهی از ستاره‌ها که همگی با هم در خود فروریخته‌ و این هیولاهای فضایی را می‌سازند. اما چهارمین نظریه می‌گوید که سیاه‌چاله‌های کلان جرم می‌توانند از خوشه‌های بزرگ ماده تاریک بوجود آیند. ماده‌ای که می‌توانیم اثر گرانشی آن را بر روی اجسام دیگر مشاهده کنیم، با این حال ما نمی‌دانیم که ماده تاریک از چه چیزی تشکیل شده زیرا نوری از آن ساطع نمی‌شود و نمی‌توان‌ مستقیماً آن را مشاهده کرد.

تماشا کنید: مقایسه اندازه انواع سیاهچاله‌ها (فیلم)

شکل سیاه‌چاله‌ و نحوه مشاهده آنها

همانگونه که در اولین تصویر تاریخ از سیاه‌چاله M87 مشاهده شد، شکل سیاه‌چاله از یک ناحیه نارنجی با نام قرص برافزایشی در بیرون و یک سایه سیاه در مرکز تشکیل شده است. مرز بین قرص برافزایشی و ناحیه سیاه نیز افق رویداد نام دارد. با انتشار اولین تصویر از سیاه‌چاله برای بسیاری از علاقه‌مندان این سوال پیش آمد که اگر نور نیز نمی‌تواند از آنها بگریزد پس دانشمندان چگونه توانستند آنها را مشاهده کنند؟ پاسخ این سوال ساده است دانشمندان از طریق قرص برافزایشی توانستند آن را مشاهده کنند.

قرص برافزایشی 

قرص برافزایشی (Accretion disk) دیسک بسیار داغ و چرخان متشکل از مواد، گرد و غبار و گاز در اطراف سیاه‌چاله است که قبل از سقوط به درون سیاه‌چاله با سرعتی نزدیک به سرعت نور و حرارت بسیار زیاد در اطراف آن می‌چرخند. این بخش آشکارترین نشانه برای شناسایی سیاه‌چاله‌ها است.

به خاطر حفظ تکانه زاویه‌ای گازهایی که به چاه گرانشی یک جسم پرجرم سقوط می‌کنند ساختاری قرص مانند در اطراف جسم ایجاد می‌کنند. اصطکاک درون قرص سبب می‌شود تا تکانه زاویه‌ای به سوی بیرون منتقل شود و ماده بیشتر به سمت داخل سقوط کرده و انرژی پتانسیلی آزاد می‌کند که دمای گاز را افزایش می‌دهد.

در مورد اجرام فشرده مانند کوتوله‌های سفید، ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها، گاز در نواحی داخلی به اندازه‌ای داغ می‌شود که تابش بسیاری زیادی که عمدتاً شامل اشعه ایکس است از خود گسیل می‌کند که توسط تلسکوپ‌ها قابل ردیابی می‌باشد.

گاهی اوقات ، هنگامی که ماده به سمت سیاه‌چاله کشیده می‌شود قبل از ورود به افق رویداد از آن رانده شده و به جای اینکه به درون آن کشیده شود به سمت بیرون رانده می‌شود. در نتیجه این فرآیند جت‌های روشنی از ماده که با سرعت تقریباً نسبی حرکت می‌کنند، ایجاد می‌شوند. با وجود این که هسته سیاه‌چاله پنهان است اما این جت‌های قدرتمند را می‌توان از مسافت‌های طولانی مشاهده کرد.

بیشتر بخوانید: شبیه سازی شگفت انگیز ناسا از سیاه‌چاله ام ۸۷

چه چیزی در درون سیاهچاله‌ وجود دارد؟

درون یک سیاه‌چاله‌ از دو بخش افق رویداد و تکینگی تشکیل شده‌ است.

افق رویداد

افق رویداد (Event Horizon) سیاه‌چاله مرز اطراف دهانه و مهمترین ویژگی یک سیاه‌چاله بوده و نیروی گرانش در تمام افق رویداد ثابت است. افق رویداد به شکل کروی یا تقریباً کروی حول نقطه مرکزی سیاه‌چاله‌ است. این کره ناحیه‌ای از فضا-زمان است که عبور نور و ماده از آن تنها در یک جهت و صرفاً به سمت درون امکان پذیر است.

درون این کره سرعت گریز از سرعت نور بیشتر است ولی از آنجایی که هیچ جسم و ذره‌ای توانایی حرکت با سرعت بیشتری از نور را ندارد در نتیجه هیچ جسمی توانایی گریز از این منطقه را ندارد. هر جرم یا انرژی که به یک سیاه‌چاله نزدیک شود، پس از گذر از دیسک برافزایشی به‌ طور مقاومت ناپذیری به درون سیاه‌چاله کشیده می‌شود. 

نوری که از اطراف یک سیاه‌چاله عبور می‌کند اگر به افق رویداد نرسد در نتیجه گرانش بسیار زیاد خم شده و در مسیر منحنی شکل از کنار آن می‌گذرد، ولی اگر به افق رویداد برسد در سیاه‌چاله سقوط می‌کند. افق رویداد را از این رو به این نام می‌خوانند که از درون آن اطلاعات راجع به آن رخداد به بیرون نمی‌رسد و مشاهده‌ کننده نمی‌تواند از این که این اتفاق رخ داده‌ یقین حاصل کند. ^[۲]

تکینگی 

براساس نظریه نسبیت عام انیشتین بخش مرکزی یک سیاه‌چاله نقطه تکینگی (Singularity) گرانشی است، ناحیه‌ای که در آن خمیدگی فضا-زمان بی‌نهایت می‌شود، نقطه واحدی در فضا-زمان که جرم سیاه‌چاله در آن متمرکز است. حجم ناحیه تکینگی صفر است به همین دلیل چگالی ناحیه تکینگی، بی‌نهایت خواهد بود.

جسمی که به درون سیاه‌چاله سقوط می‌کند به محض اینکه از افق رویداد بگذرد، دیگر نمی‌تواند در برابر سرازیر شدن به سوی نقطه تکینگی مقاومت کند. این جسم تنها می‌تواند تا میزان محدودی زمان سقوط خود 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 کرده و جرم آن به جرم سیاه‌چاله افزوده می‌شود. البته پیش از این اتفاق در طی فرآیندی 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 در تلاشند تا دریابند که پس از ورود ماده به دورن سیاه‌چاله چه اتفاقی می‌افتد و اساساً چه چیزی در درون سیاه‌چاله وجود دارد. هنگامی که یک اتم هیدروژن از ستاره در حال فروپاشی وارد افق رویداد شود، نظریه گرانش می‌گوید که در تکینگی فشرده می‌شود، البته آن اتم مطمئناً دیگر هیدروژن نیست. بنابراین داخل یک سیاه‌چاله به نظر نمی‌رسد که شبیه فیلم‌ها باشد.

عبارت سیاه‌چاله‌ها مو ندارند (black holes have no hair) این نظریه را توصیف می‌کند که اطلاعات وارد شده به سیاه‌چاله‌ها به طور ناگهانی برای ناظران خارجی از بین رفته و دیگر قابل اندازه گیری نیستند. اما هاوکینگ در آخرین تحیقاتش اظهار داشت: برخی از اجرامی که درون سیاه‌چاله هستند همچنان که در حال نابودی هستند می‌توانند به آهستگی از آن بیرون رفته و یا توسط سیاه‌چاله آزاد شوند، در این صورت، این نظریه هاوکینگ احتمالاً در مغایرت با نظریه عمومی گرانش است.

بیشتر بخوانید: در صورت سقوط به یک سیاه‌چاله چه اتفاقی برایتان خواهد افتاد؟

چند نکته جالب درباره سیاه‌چاله‌ها

• اگر به درون سیاه‌چاله‌ای سقوط کردید بر اساس نظریه، جاذبه شما را مانند اسپاگتی کشیده و دراز می‌کند، هرچند که مرگ شما قبل از رسیدن به تکینگی خواهد بود. اما یک مطالعه در سال ۲۰۱۲ نشان داد که اثرات کوانتومی باعث می‌شود افق رویداد شبیه به یک دیوار آتش باشد که پس از برخورد به آن بلافاصله شما را به کام مرگ خواهد فرستاد.
• سیاه‌چاله‌ها مانند جارو برقی نیستند که همه چیز را به سمت خود بمکند، عمل مکیدن هنگام کشیده شدن به داخل خلا ایجاد می‌شود که درباره سیاه‌چاله قطعاً این گونه نیست. درعوض اشیاء همانطور که به سمت هر چیزی مانند زمین که گرانش دارد جذب می‌شوند، به سمت سیاه‌چاله نیز جذب می‌شوند.
• اولین شیء که به عنوان یک سیاهچاله محسوب شد ماکیان ایکس ۱ (Cygnus X-1) است. Cygnus X-1 در سال ۱۹۷۴ موضوع شرط‌بندی دوستانه بین استیون هاوکینگ و اخترفیزیکدان کیپ تورن (Kip Thorne) بود که در آن هاوکینگ می‌گفت که این منبع سیاه‌چاله نیست، در سال ۱۹۹۰ هاوکینگ شکست را پذیرفت.
• سیاه‌چاله‌های مینیاتوری ممکن است بلافاصله پس از بیگ بنگ ایجاد شده باشند. فضا که در آن زمان به سرعت در حال گسترش بود ممکن است بعضی از مناطق را در نقاط بسیار ریزی متراکم کرده و سیاه‌چاله‌هایی را که جرمشان کمتر از جرم خورشید است، تشکیل داده است.
• اگر یک ستاره بیش از حد به سیاه‌چاله نزدیک شود، سیاه‌چاله می‌تواند آن را از هم جدا کند.
• ستاره شناسان تخمین می‌زنند که در کهکشان راه شیری ۱۰ میلیون تا ۱ میلیارد سیاه‌چاله ستاره‌ای با جرم تقریباً سه برابر خورشید وجود دارد.

.

بیشتر بخوانید: ۱۰ واقعیت عجیب درباره سیاهچاله‌ها که اخیرا کشف شده است