حفره سیاه ( سیاهچاله ) چیست؟

[s@ba]

یك حفره سیاه فضایی، جسمی است كه سرعت گریز آن بیشتر از سرعت نور باشد. سرعت گریز، به حداقل سرعتی گفته میشود كه یك جسم باید دارا باشد تا بتواند از جاذبه جسم دیگری بگریزد.

.

برای گریز از نیروی جاذبه زمین، سرعت یك جسم باید به بیش از 40،000 كیلومتر در ساعت برسد. اما برای گریز از حفرة سیاه، سرعت جسم باید به بیش از سرعت نور كه حدود 300،000 كیلومتر در ثانیه است برسد، یعنی سرعت آن، بیش از یك میلیارد و هشتاد میلیون كیلومتر در ساعت باشد.

برای رسیدن به چنین سرعتی، بطور طبیعی، یك مشكل وجود دارد، و آن این است كه فقط نور چنین سرعتی دارد. چیزهایی كه مثل انسان و سفینة فضائی از ماده ساخته شده اند، حتی نمی توانند حدود آن سرعت را داشته باشند. به همین دلیل، هیچ چیزی نمی تواند از حفره سیاه بگریزد. اگر نور نتواند از حفره سیاه بگریزد، این بدین معنی است كه ما قادر به دیدن آن نخواهیم بود و در نتیجه، نمی توانیم بفهمیم كه چه چیزی در حفره سیاه اتفاق میافتد. در حقیقت عقاید ما در مورد حفرههای سیاه از تئوری كلی نسبیت آلبرت انیشتین منشاء میگیرد. برای دانشمندان مسلم است كه داخل یك حفره سیاه فعل و انفعالات فیزیكی ناشناخته زیادی انجام میگیرد.
حفرههای سیاه بازمانده از ستارگان عظیمی هستند كه سوختشان به اتمام رسیده و به اصطلاح مرده اند. البته، فقط ستارگانی كه حجم آنها بیش از سه برابر خورشید خودمان است، حفرههای سیاه بوجود میآورند. بعضی از این ستارگان عظیم، منفجر شده و بصورت یك "سوپر نوا"ی درخشان در میآیند. بعضی سوپر نواها، بطور كامل منفجر شده و چیزی از خود باقی نمی گذارند. اما بعضی دیگر در مركز خودشان فرو میریزند و همه مواد در آنها با هم محكم برخورد كرده و به هم می چسبند. بستگی به اینكه مركز آنها چقدر عظیم و حجیم باشد، سوپر نواها تبدیل به نوترون شده و یا تبدیل به حفرههای سیاه میشوند.
به این خاطر كه ما نمیتوانیم خود حفرههای سیاه را ببینیم، ممكن است فكر كنیم كه پیدا كردن آنها غیر ممكن است. اما به كمك فنآوریهای ستاره شناسی، اولین آنها در سال 1972 میلادی كشف شد. نام این حفره Cyghus x-1 و متعلق به كهكشان راه شیری است. با وجود اینكه خود حفرههای سیاه دیده نمیشوند، اما تاثیر قوة جاذبه عظیم آنها بر ستارههای نزدیكشان را میتوان بررسی كرد. همیشه یك ستاره، با سوپر نوا جفت میشود و گازهای حاصل از آن ستاره بصورت مارپیچ به داخل سوپر نوا بلعیده میشوند. حركت مارپیچی گازها، تصویر یك حفره سیاه را در مركز سوپر نوا بوجود میآورد و بدین جهت است كه آن را حفره سیاه مینامند.

وقایع روی داده در اطراف سیاه چاله

بررسی وقایع روی داده در اطراف یك سیاه چاله از كارهای جالب برای اغلب اختر شناسان حرفه ای در مراكز بزرگ تحقیقاتی در جهان بوده است. چرا كه این اجرام ، با اجرام دیگری كه ما می شناسیم بسیار متفاوت بوده و این تفاوت موجب ایجاد حس كنجكاوی بسیاری در میان دانشمندان شده است.
ذراتی كه از اطراف این اجرام به بیرون پرتاب می شوند بسیار پر انرژی هستند. همچنین طیف الكترومغناطیس گسیلی آنها از محدوده ی امواج رادیویی تا اشعه ی x و نیز كاملاً در بر می گیرد. این امواج انرژی زیادی دارند و تنها منبع ایجاد چنین تشعشات ، اجرام بسیار سنگین و چگال می توانند باشند كه همچون یك شتابدهنده ، ذرات را به بیرون پرتاب می كنند . باید توجه داشت كه گسیل این ذرات و انرپی در تمام سطح سیاه چال صورت نمی گیرد؛ و مكان های خاصی برای گسیل این ذرات و این فوتون ها وجود دارد. علت این امر هم چگال بودن بیش از اندازه ی این اجرام است كه تغییرات شدیدی در فضای اطراف خود ایجاد می كنند.
در توضیح این مطلب باید گفت كه فضای اطراف یك سیاه چاله با فضای دور تر از آن و نیز با فضای اطراف یك جرم كوچك مثل زمین بسیار متفاوت دارد این تفاوت ویژگیهای خاصی را نیز برای سیاه چاله ایجاد می كند. برای مثال باید گفت چیزی كه امروزه فیزیكدانان از آن به عنوان افق رویداد سیاه چاله نام می برند همان تفاوت فضا زمانی اطراف یك حفره ی سیاه است. در توضیح افق رویداد سیاه چاله هم باید گفت فضایی در اطراف سیاه چاله است كه فضا و زمان در دوسری آن بطور فاحشی متفاوت هست.

حال با توجه به این توضیحات می توان ایجاد حفره های عمیتاً فضایی در اطراف سیاه چاله ها را توضیح داد. چون حفره فضایی در اثر كشیدگی بیش از اندازه ایجاد و می شود و این كشیدگی را نیروی گرانش سیاه چاله فراهم می آورد. حال در زیر این پدیده را بطور كامل تر توضیح می دهیم:
با پایان یافتن عمر یك ستاره هنگامی كه این ستاره با یك انفجار ابر نو اختری بزرگ مواجه می شود و مداد سنگین به طرف مركز رانده شده و شدیداً متراكم می شوند. نیروی گرانشی فوق العاده قوی ایجاد می شود و مقداری از گازهای رانده شده دوباره جذب می شود . این گازها در اثر نیروی گرانش شدید سیاه چاله ی ایجاد شده شدیداً بر گردش در می آید در كنار این خود سیاه چاله نیز به دوران در می آید. این دوران بسیار سریع موجب می شود نیروی مركز گرای كشنده به طرف قطب های سیاه چاله متمركز شود .
چنان چه مقدار زیادی از گازهای اطراف به طرف دو قطب به حركت در می آیند و در آنجا با سرعت زیادی گردش می كنند . در این هنگام كه دوران سیاه چاله اندكی ; شدت می گیرد و بطور كامل رمبیده می شود نیروی گرانشی شروع به كشیدن فضای اطراف سیاه چاله در مكانی كه اندكی از افق رویداد سیاه چاله دورتر است می كند. این كشیدگی در قطب های سیاه چاله بطور بسیار محسوسی انجام می گیرد . به گونه ای كه در یك لحظه دو حفره ی بسیار عمیق كه عمق آن ها هم اندازه و جرم سیاه چاله بستگی دارد بطرف سیاه چاله ایجاد می شوند این دو حفره كه در دو قطب سیاه چاله ایجاد می شوند ذرات را به درون سیاه چاله فرو می برند . ذرات كشیده شده در مكان هایی نزدیك به سیاه چاله به سرعت نور نزدیك می شوند. این ذرات شتاب گرفته به چند حالت مختلف در می آیند یا توسط سیاه چاله بلعیده شده و جذب می شود كه در كنار آن زمانی كه به سرعت نور نزدیك شدند انواع امواج الكترومغناطیسی را دز طول موج های مختلف گسیل می كنند . باید توجه داشت چون این ذرات بطور خاص فقط از درون حفره عبور می كنند؛ فوتون های گسیلی آنها هم در امتداد این حفره حركت می كند و بصورت متمركز از درون حفره یا به بیرون پرتاب می شوند یا به درون حفره می روند.
همچنین ذراتورودی به حفره ممكن است در اثر سرعت زیاد به درون سیاه چاله كشیده نشوند و از كنار سیاه چاله به بیرون پرتاب شود . دراین حالت اگر این ذرات به گازهای اطراف برخورد نكنند می توانند در مكانی در اطراف خط استوای سیاه چاله به بیرون پرتاب شوند. این ذرات در این هنگام انرژی بسیار زیادی دارند و با سرعت های نزدیك به نور در فضا منتشر می شوند
تشعشعاتی كه از سیاه چاله ها به بیرون گسیل می شود همیشه با یك شدت و در یك فركانس مشخس نیستند زیرا كه اغلب انها در كنار جاذبه ی شدید نیروهای فرعی بسیاری را نیز ایجاد می كنند و یا اینكه این نیرو ها از خارج بر انها تحمیل می شود.

به فرض مثال یك سیاه چاله ی ثابت پر جرم كه غیر از حركت دورانی شدید حركت دیگری ندارد را در مركز یك كهكشان بزرگ در نظر می گیریم . این سیاه چاله بایستی طبق معمول مركز كهكشان را فعال سازد و انرژی فوق العاده زیادی را در تمام رادیو تلسكوپ ها وگیرنده های اشعه ی ایكس و فروسرخ و حتی گاما ثبت كند. این امر برای سیاه چاله های كوچكتر نیز صادق است. اما چیزی كه بیشتر دانشمندان را متعجب می سازد این است كه برخی از این اجرام بر خلاف معمول گاهی ساكت و گاهی هم بسیار كم صدا هستند. بدین معنا كه انرژی گسیلی انها با وجود شتاب گرانشی شدید در فركانسهای بسیار پایین ثبت میشود . همچنین امواجی كه از قطب های سیاه چاله ها به بیرون گسیل می شوند باید انرژی زیادی داشته باشند اما در برخی موارد این امواج در طول موجهای بسیار بلند تر ایجاد می شوند. شاید این گونه تصور شود كه ماده ی سقوط كرده به داخل انها در سطح پایینی است اما شدت این امواج به حدی بالا است كه از سقوط ذرات بسیار زیادی در سطح انها حكایت می كند.
علت پایین بودن فركانس های تولیدی را باید در حركت هایی غیر از حركت دورانی دانست. یعنی سیاه چاله ها یی وجود دارند كه به غیر از حركت دورانی به صورت هایی مختلف به دور خود می چرخند. این چرخش های متقارن و غیر متقارن از اثر نیروی جاذبه به خصوص در قطب های سیاه چاله كه در اثر دوران حول محور خود ایجاد شده است به طور چشم گیری می كاهد و در بسیاری از موارد از تشكیل حفره های كشنده ی ماده در دو قطب خود جلو گیری میكند. این حركت ها احتمالا اغلب در سیاه چاله های كوچك و ستاره های نوترونی باید وجود داشته باشد . این نوع حركت باعث می شود امواج گسیلی در تلسكوپ های رادیویی بصورت روشن و خاموش با تناوب بسیار منظمی ثبت شوند.
اما برخی سیاه چاله های فوق سنگین نیز در مركز برخی كهكشان ها با وجود مقدار زیاد ماده و گاز در اطراف انها چندان فعال به نظر نمی رسند. یكی از علل اساس دوران كند این سیاه چاله ها می تواند باشد . چون دوران سریع باعث پرتاب برخی مواد به بیرون شده اطراف سیاه چاله را داغ می كند كه در ان شرایط امواج حرارتی و نیز اشعه ی ایكس به طور شدیدی از اطراف سیاه چاله ساطع می شود. در نبود دوران سریع اجرام به ارامی به داخل سقوط كرده و فرار ذرات از داخل به كمترین مقدار می رسد. اما با توجه به اینكه در اطراف این سیاه چاله ها برخی اجرام دیگر مثل ستارگان بزرگ و سیاه چاله های كوچك و ستارگان نوترونی نیز حضور دارند. این اجرام نیز می می توانند از گزینه های مناسب برای این امر باشن د. برای مثال همین سیاه چاله ی بزرگ را در نظر بگیرید . اگر در اطراف ان چند سیاه چاله ی ریز و درشت دیگر را نیز قرار دهیم اوضاع كمی فرق خواهد كرد. تمام گازهایی كه به طرف مركز حركت میكنند در راه حركت توسط این سیاه چاله ها بلعیده شده و عملا مقدار اندكی ماده وارد سیاه چاله ی مادر می شود در نتیجه این سیاه چاله نمی تواند انرژی قابل توجهی را از خود ازاد كند.