سیاه چاله ها

این مقاله از سایت های مختلف جمع آوری شده و نسبتا کامل است. منابع آن در پایان آمده است.

مقدمه :

طبق نظریه ، نسبیت عام ، گرانش انحنا دهنده فضا - زمان است. فضای حول ستاره به نحو بارزی خم می‌شود در لحظه‌ای که هسته ستاره تبدیل به حفره سیاه می‌شود. این جرم خطوط فضا زمان را مانند پیله‌ای به دور خود می‌پیچد. امواج نوری کم تحت زوایای خاصی به سمت سیاهچاله روان می‌شود. در سطح کره‌ای که هم مرکز نقطه یکتایی سیاهچاله است، تجمع می‌کنند. در فاصله معینی از سیاهچاله که بسته به جرم ستاره رمبیده دارد، جاذبه آنچنان زیاد است که نور نمی‌تواند فرار کند، به این فاصله افق حادثه گفته می‌شود.

 چیزی متوجه نشدید؟ شاید هم متوجه شده اید!  پس بهتر است مقدمه ای ساده تر برای شما آورده شود.

در چند جمله كوتاه ميتوان گفت، سياهچاله ناحيه اي از فضاست كه مقدار بسيار زيادي جرم در آن تمركز يافته و هيچ شيئي نمي تواند از ميدان جاذبه آن خارج شود.از آنجا كه بهترين تيوري جاذبه در حال حاضر تيوري نسبيت عام انيشتن است،در مورد سياهچاله و جزيياتش بايد طبق اين تيوري تحقيق و نتيجه گيري كنيم. ابتدا از مفهوم جاذبه و شرايط ساده تر آغاز مي كنيم.

فرض كنيد روي سطح يك سياره ايستاده ايد. يك سنگ را به سمت بالا پرتاب مي كنيد. با فرض اينكه آن را خيلي خيلي محكم پرتاب نكرده باشيد براي مدتي به سمت بالا حركت مي كند و نهايتا شتاب جاذبه باعث مي شود به پايين سقوط كند. اما اگر سنگ را به اندازه ي لازم محكم پرتاب كرده باشيد مي توانيد آن را به كل از جاذبه سياره خارج كنيد و سنگ بالا رفتن را تا ابد ادامه خواهد داد. سرعتي كه لازم است تا يك شيي را از حاذبه سياره خارج كند سرعت فرار يا سرعت گريز نام دارد. همانطور كه انتظار مي رود سرعت فرار به جرم سياره بستگي دارد. اگر سياره اي جرم زيادي داشته باشد كشش جاذبه آن زياد خواهد بود و نتيجتا سرعت فرار آن بيشتر خواهد شد. سياره سبكتر سرعت فرار كمتري خواهد داشت. همچنين سرعت فرار به فاصله از مركز سياره نيز بستگي دارد. هر چه به مركز سياره نزديك تر شويم سرعت فرار نيز بيشتر مي شود.

سرعت فرار زمين Km/s 11.2 يا m/h 25000 است. در حالي كه سرعت فرار در ماه فقط Km/s 2.4 يا m/h 5300 است.

حال يك جرم بسيار زياد را كه در يك ناحيه با شعاع بسيار كوچك تمركز يافته تصور كنيد. سرعت فرار چنين ناحيه اي از سرعت نور بيشتر خواهد بود و چون هيچ شييي نمي تواند سريعتر از نور سير كند پس هيچ شييي نمي تواند از ميدان جاذبه چنين ناحيه اي خارج شود ، حتي يك دسته پرتو نور. این جرم همان سیاه چاله است.

حال بهتر است تاریخچه ی کلمه ی سیاه چاله را بررسی کنیم:

تاریخچه:

ابداع واژه «کرم‌چاله»^[۱] و «سیاه‌چاله فضایی»^[۲] به جان ویلر نسبت داده شده است. با این‌حال، این مفهوم از مدت‌ها قبل به صورت‌های متفاوتی مطرح بوده است.

مفهوم جسمی که آن قدر پرجرم است که حتی نور هم نمی‌تواند از آن بگریزد ابتدا از سوی زمین‌شناسی به نام جان میچل درسال ۱۷۸۳ در نامه ای که برای هنری کاوندیش ازانجمن سلطنتی نوشته بود، مطرح شد. در آن زمان مفهوم نظریه گرانش نیوتن و مفهوم سرعت گریز شناخته شده بودند. طبق محاسبات میشل جسمی با شعاع خورشید و چگالی ۵۰۰ برابر در سطح خود سرعت گریزی بیش از سرعت نور خواهد داشت و بنابر این غیر قابل مشاهده خواهد بود. به بیان او:

«          اگر شعاع کره‌ای مشابه خورشید قرار باشد که با چگالی ۵۰۰ بار از آن بزرگ تر باشد جسمی که از ارتفاع بینهایت به سمت آن سقوط می‌کند در سطح آن سرعتی بیش ازسرعت نور به دست می‌آورد و اگر فرض کنیم نور با نیروی مشابهی به سمت ستاره کشیده شود آنگاه تمام نوری که از چنین جسمی ساطع می‌شود به ناچار به وسیله گرانش آن به سمت خود ستاره بازمی گردد.           »

در سال ۱۷۹۶ پیر سیمون لاپلاس، ریاضی دان فرانسوی همان ایده را در ویرایش اول و دوم کتاب خود به نام آشکارسازی نظام جهان مطرح کرد. این مطالب در ویرایش‌های بعدی کتاب حذف شد.مفهوم این ستاره های تاریک در قرن نوزدهم توجه چندانی را به خود جلب نکرد زیرا فیزیک دانان نمی توانستند درک کنند که نور که یک موج و فاقد جرم است چگونه ممکن است تحت تاثیر نیروی گرانش قرار گیرد.

سیاه چاله ها چگونه به وجود می آیند:

ابتدا برای فهم بهتر سیاهچاله‌ها بد نیست این را بدانید سیاهچاله‌ها به قدری متراکمند که اگر کل کرهٔ زمین قطرش به ۰٫۹ سانتیمتر تقلیل یابد اما جرمش ثابت بماند به یک سیاهچاله تبدیل می‌گردد.

بر سر ستاره در حال مرگی که بیش از ۱٫۴ برابر خورشید است چه می‌آید؟ حتی نیروی قوی نیز نمی‌تواند سرعت فروپاشی درونی آن را متوقف سازد. و این ستاره کاملاً فرو می‌پاشد و از مرحله ستاره نوترونی فراتر رفته و حتی به یک شی کوچک‌تر و چگال‌تر یعنی سیاهچاله تبدیل می‌شود. اگر هر جسم را به اندازه شعاع شوارتز شیلد منقبض کنیم آن جسم به یک سیاهچاله تبدیل می‌شود شعاع شوارتز شیلد زمانی ایجاد می‌شود که سرعت گریز از جاذبه به سرعت نور برسد

فروپاشی کامل به معنای آن نیست که سیاهچاله از روی صفحه جهان محو می‌شود. همان طور که به‌وسیله اینشتین توصیف شده‌است ساختار فضا- زمان فرو پاشی بی پایان را منتفی می‌کند و به جای آن یک انحنای غیر مادی، نامرئی و واقعی فضا را به وجود می‌آورد. یک سیاهچاله را می‌توان به مرد نامرئی سنگین وزنی تشبیه کرد که روی یک نیمکت نشسته‌است. او دیده نمی‌شود ولی وزن او در نیمکت فرورفتگی ایجاد می‌کند.

سیاهچاله برای فیزیکدانان نظری چیز تازه‌ای نیست. در سال ۱۹۳۹ج. اوپنهایمرو هارتلند و اس. اشنایدر برای نخستین بار سیاهچاله‌ها را به عنوان نتیجه‌ای از نسبیت عمومی پیشنهاد کردند ولی در آن زمان برای تشخیص آنها هیچ راه معلومی وجود نداشت. اما با پیشترفت اخیر اخترشناسی رادیویی و کشف علائم رادیویی توضیح ناپذیر از اعماق فضا، سیاهچاله‌ها به صورت موضوع بسیار مهم اخترشناسی درآمده‌اند. دانشمندان معتقدند که این اشیای نظری پدیده‌های با انرژی فوق العاده چون اختر نماها و تپ اخترها می‌توانند نقشی داشته باشند. سیاهچاله‌ها و ستارگان نوترونی تنها اشیای شناخته شده در فیزیک هستند که برای انجام مشاهده‌های اخترشناختی روی چنان فرستنده‌های بسیار نیرومند تشعشع، به اندازه کافی فشرده و پر جرمند.

طبقه بندی بر اساس جرم:

سیاه چاله‌های کلان جرم

جرمی بین چندميليون تا چند ميليارد برابر جرم خورشید دارند و پیش بینی می‌شود که در مرکز همه کهکشان‌ها از جمله کهکشان راه شیری وجود داشته باشند. شدت تابش از مرکز کهکشان‌های فعال که می‌تواند به خاطر ورود جرم به مرکز کهکشان باشد و کوچک بودن اندازه هسته این کهکشان‌ها بیانگر وجود سیاه چاله کلان جرم در مرکز آنهاست.

بزرگ‌ترین سیاهچاله شناخته شده تا تاریخ نوامبر ۲۰۰۸، سیاه چاله OJ 287 در صورت فلکی خرچنگ است که در فاصله ۳٫۵ میلیارد سال نوری واقع شده است و جرم آن ۱۸ میلیارد برابر جرم خورشید است.

 سیاهچاله‌های جرم متوسط

شکاف بین جرم سیاهچاله‌های معمولی و سیاهچاله‌های کلان جرم، اخترشناسان را بر آن داشت که به جستجوی سیاهچاله‌هایی با جرم صد تا صد هزار برابر جرم خورشید برایند. این گونه سیاهچاله‌ها می‌توانند در مرکز خوشه‌های ستاره‌ای در نزدیکی مرکز کهکشان‌ها وجود داشته باشند. به دو روش می‌توان به دنبال شواهد تجربی برای این دسته از سیاهچاله‌ها بود. یکی از روش‌های مشاهد‌هٔ این گونه سیاهچاله‌ها یافتن منابع اشعه با شدت زیاد است. اخیرا" منابعی از اشعه ایکس با این محدوده شدت با طیف انرژی چند ده الکترون ولت در مرکز خوشه‌های ستاره‌ای مشاهده شده است. این دسته از منابع اشعه به منبع فوق درخشان پرتو ایکس خوانده می شوند و گمان می‌رود که این سیاهچاله‌ها نیروی منابع پرتو ایکس را در فضا تامین می‌کنند. هیچ راه مستقیمی برای شکل گیری آنان شناخته نشده‌است اما محتمل است این نوع از برخورد سیاهچاله‌های با جرم کمتر شکل می‌گیرد. البته منبع پرتو ایکس صادره ناشی از سقوط اجسام به سیاه چاله است، نه خود سیاه چاله.

سیاهچاله‌های ستاره‌وار

این سیاهچاله‌ها جرمی بین سه تا صد برابر جرم خورشید دارند و از دو طریق تشکیل می‌شوند. یکی رمبش گرانشی ستاره‌های منفرد و دیگری برخورد ستاره‌های دوتایی نوترونی. بهترین نامزدهای احتمالی برای این دسته از سیاهچاله‌ها، منظومه های دوتایی گسیل کننده اشعه X هستند که در اوایل دهه هفتاد مورد توچه قرار گرفتند. یکی از دو جسم در این منظومه ها قابل مشاهده نیست که نامزد سیاهچاله بودن است.

نمونه ای از این منظومه های دو تایی Cygnus X-1 است که از یک ستاره ابرغول آبی با جرمی در حدود بیست برابر جرم خورشید و یک ندیم نامرئی با جرم تقریبی چهل برابر جرم خورشید است. در این سیستم دوتایی، جرم از ستاره قابل رویت دوتایی به درون سیاهچاله وارد می‌شود ولی به دلیل سرعت زاویه‌ای، این جرم به صورت شعاعی وارد سیاهچاله نشده بلکه گازها تشکیل یک دیسک داده کهقرص برافزایشی نامیده می شود.

ریزسیاهچاله‌ها

جرم این سیاهچاله‌ها به اندازه‌ای است که در آنها اثرات مکانیک کوانتومی اهمیت زیادی پیدا می‌کند. به طور کلی سیاهچاله‌هایی که جرمی کمتر از جرم خورشید دارند ریزسیاهچاله نامیده می‌شوند.

روش‌های شناسایی سیاهچاله‌ها:

در بعد تئوری هیچ چیز نمی‌تواند از درون افق رویداد یک سیاهچاله به بیرون آن راه یابد. با این وجود سیاهچاله‌ها را می‌توان با مشاهده