سیاه چاله چیست؟

سياهچاله چيست؟

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.

ايده تفكر در مورد جرمي چنان چگال كه حتي نور نيز نتواند از آن خارج شود متعلق به لاپلاس در قرن هجدهم است. تقريبا بلافاصله پس

از بيان نظريه نسبيت عام توسط انيشتين ، كارل شوارتز شيلد يك راه حل رياضي براي معادلات تيوري اين اجرام كشف كرد و سال ها بعد

اشخاصي چون اپنيمر و ولكف واشنايدر در دهه 1930 به طور جدي درباره امكان وجود چنين نواحي در عالم به تحقيق پرداختند. اين

پژوهشگران نشان دادند، هنگامي كه محتويات سوخت يك ستاره پرجرم به پايان مي رسد، نمي تواند در مقابل جاذبه دروني خود

مقاومت كند و به صورت يك سياهچاله در خود فرو مي ريزد.

در نسبيت عام جاذبه از عوامل انحراف فضاي 4 بعدي است. اشياء بسيار پرجرم باعث انحرافات محورهاي زمان و فضا مي شوند در حدي

كه قوانين هندسي اعتبار خود را از دست مي دهند و به كار نمي آيند. اين انحراف در اطراف يك سياهچاله بسيار چشمگير است و باعث

مي شود كه سياهچاله ها خصوصيات عجيبي داشته باشند. هر سياهچاله چيزي به نام افق حادثه ( event horizon ) دارد، كه

سطحي كروي است و مرز سياهچاله را مشخص مي كند. شما مي توانيد وارد اين افق شويد اما نمي توانيد از آن رهايي يابيد. در

حقيقت وقتي وارد افق شديد محكوم به نزديك و نزديك تر شدن به مركز سياهچاله هستيد.

درباره افق مي توان اين تصور را داشت كه افق جايي است كه در آن سرعت گريز برابر با سرعت نور است. در خارج از افق سرعت گريز

كمتر از سرعت نور است. بنا بر اين در صورتي كه راكت هاي شما به اندازه كافي انرژي داشته باشند مي توانيد از افق دور شويد اما

وقتي وارد افق شديد راهي براي خروج نداريد. افق خصوصيات هندسي عجيبي دارد، براي يك ناظر كه فاصله زيادي از سياهچاله دارد،

افق جاي خوبي به نظر مي رسد كه كروي و ساكن است. اما در صورتيكه به سياهچاله نزديك شويد متوجه خواهيد شد افق با سرعت

بسيار زياد و يا در حقيقت با سرعت نور به سمت بيرون در حركت است. چون افق با سرعت نور به سمت بيرون گسترش مي يابد، پس

براي خروج از افق بايد سرعتي بيش از سرعت نور داشته باشيم. و چون مي دانيم كه نمي توانيم با سرعتي بيش از سرعت نور سير

كنيم پس هيچ گاه نخواهيم توانست از سياهچاله فرار كنيم.

اگر اين مطالب بسيار عجيب به نظر مي رسند، نگران نباشيد، واقعا عجيب هستند. افق از جهتي ثابت و از جهتي نا پايستار است.

اين مطلب تا حدي شبيه به داستان آليس در سرزمين عجايب است. او بايد تا جايي كه مي توانست سريع حركت مي كرد تا ميتوانست

در يك جا بماند.

در درون افق فضا در حدي منحرف مي شود كه مختصات طول و زمان جايشان عوض مي شود به اين معني كه مختص نشان دهنده

فاصله از مركز سياهچاله كه r نام دارد، يك مختص زماني و t يك مختص فضايي مي شود. نتيجه اين جابجايي اين است

كه نميشود از كوچك شدن لحظه به لحظه r جلوگيري كرد، مشابه شرايط معمولي كه از رسيدن به آينده گريزي نيست (يعني به طور

معمول t در حال افزايش است) در نهايت بايد به مركز جايي كه r = 0 است برسيم. ممكن است فكر كنيد با روشن كردن

راكت ها ميتوان از افق خارج شد، اما اين كار نيز بيهوده است. از هر ماده اي كه استفاده كنيد، نمي توانيد از آينده خود گريزي داشته

باشيد. پس از وارد شدن به افق، تلاش براي دور شدن از مركز سياهچاله درست مثل تلاش براي نرسيدن به پنجشنبه آينده است.

نام سياهچاله را براي اولين بار جان آرچيبالد ويلر پيشنهاد داد كه نام مناسبي به نظر مي رسيد، چون از نام هاي پيشنهادي قبل از

خودش جذاب تر بود. پيش از ويلر از اين نواحي با عنوان ستاره هاي منجمد ياد مي شد. در ادامه توضيح خواهم داد كه چرا اين نام را به

آن ها داده بودند.

شعاع شوارتزشیلد : شعاعی است که بر طبق معادلات متریک برای سیاهچاله‌ها تعیین می‌شود.شعاع شوارتزیلد

(Schwarzschild radius ) نام شعاعی در فیزیک است که تمام اجسامی که در آن وارد می‌شوند در یک نقطه جمع می‌شوند با

هر جرمی به نقطه نقطه تکینگی گفته می‌شود.به منطقه‌ای با شعاع شوارتزیلد افق رویداد گفته میشود

افق رویداد : ( Event horizon) در نسبیت عام، منطقه‌ای از فضازمان است که در آنجا تمام مرزهای فضا به شدت تحت

تأثیر سیاه‌چاله است و اگر جسمی وارد این ناحیه شود، سرانجام بروی تکینگی سیاهچاله سقوط می‌کند. افق رویداد قسمتی از

تقسیم بندی مناطق خارجی سیاهچاله هاست.

کارکُره : اگر یک سیاه‌چاله حرکت مداری داشته باشد، آغاز به کشیدن فضا-زمان به دور افق رویداد می‌کند. این گردش فضا به دور

افق رویداد را کارکُره (ergosphere) می‌گویند و شکل بیضوی دارد.

تکینگی : به مرکز یک سیاهچاله که تمام جرم سیاهچاله در آن‌جا متراکم شده و چگالی آن بی‌نهایت است تکینگی گفته میشود.

چون سیاهچاله را ستاره ای در نظر می گیریم که تمام جرم آن پس از رمبش در حجمی در حد صفر متراکم شده (یعنی به سمت صفر

میل می‌کند) که باعث می‌شود چگالی بی نهایت بشود و یک ناپیوستگی و تکینگی در آن نقطه از فضا بوجود آید.

سياهچاله چه اندازه اي دارد؟

اندازه هر چيز دو جنبه دارد. در اولين جنبه مي گوييم اين جسم چه ميزان جرم دارد و در جنبه ديگر آن را از نظر حجم بررسي مي كنيم.

ابتدا درباره جرم سياهچاله بحث مي كنيم.

براي ميزان جرم يك سياهچاله محدوديتي وجود ندارد. هر مقدار جرمي درصورتي كه به اندازه كافي چگال باشد مي تواند سياهچاله

تشكيل دهد. حدس مي زنيم كه سياهچاله هاي موجود از مرگ ستارگان پرجرم تشكيل يافته اند، بنا بر اين بايد به همان اندازه جرم

داشته باشند. به عنوان نمونه جرم يك سياهچاله در حدود 10 برابر جرم خورشيد است، يعني جرمي معادل 10 به توان 31 كيلوگرم.

هر چه جرم سياهچاله بيشتر باشد فضاي بيشتر اشغال خواهد كرد. در حقيقت شعاع شوارتز شيلد (شعاع افق) و جرم نسبت مستقيم

دارند. اگر سياهچاله اي 10 برابر يك سياهچاله ديگر جرم داشته باش، شعاعش نيز 10 برابر ديگري خواهد بود. شعاع سياهچاله اي هم

جرم خورشيد 3 كيلومتر است. بنا بر اين، اگر سياهچاله اي 10 برابر خورشيد جرم داشته باشد شعاعش 30 كيلومتر خواهد بود و

سياهچاله اي كه در مركز يك كهكشان با جرم يك مليون برابر خورشيد 3 ميلون كيلومتر شعاع خواهد داشت. ممكن است اين مقدار

شعاع زياد به نظر برسد ولي با استانداردهاي نجومي خيلي هم عجيب نيست. به عنوان مثال شعاع خورشيد 700000 كيلومتر است و

يك سياهچاله بسيار بسيار سنگين شعاعي فقط در حدود 4 برابر خورشيد دارد.





سیاهچاله ها میتوانند هر جرمی داشته باشند زیرا هرچه حجم جرمی کاهش یابد ، قدرت گرانش آن بیشتر میشود و تقریبا میتوان گفت

هر جسمی که به اندازه کافی فشرده شود به یک سیاهچاله تبدیل خواهد شد . با این همه سیاهچاله هایی که در طبیعت شکل

میگیرند تنها در چند گروه جرمی قابل دسته بندی هستند که عبارتند از :


این گروه از سیاهچاله ها جرمی بین میلیون ها تا میلیاردها برابر جرم خورشید دارند. دانشمندان معتقدند که این نوع سیاهچاله ها در

مرکز اغلب کهکشانها وجود دارند.


این گروه جرمی هزاران برابر جرم خورشید دارند و گمان میرود که این نوع سیاچاله ها نیروی منابع درخشنده پرتوی ایکس را تامین

میکنند .


جرم این سیاهچاله ها بین 3 تا 15 برابر جرم خورشید متغییر است . این سیاهچاله ها در نتیجه فروپاشی ستارگان منفرد به وجود

می آیند .


جرم این سیاهچاله ها به اندازه ای است که در آنها اثرات مکانیک کوانتومی اهمیت زیادی پیدا میکند . حد پایین جرم این سیاهچاله ها

چیزی در حدود جرم پلانک در نظر گرفته شده است . به طور کلی سیاهچاله هایی که جرمی کمتر از جرم خورشید دارند، میکرو

سیاهچاله نام دارند.

انواع سیاهچاله

شوارتس شیلد

ساده ترین نوع سیاهچاله‌هاست، بار و چرخش ندارد، تنها یک افق رویداد و یک فوتون کره دارد، از آن نمی توان انرژی استخراج کرد.

شامل تکینگی ، نقطه‌ای است که در آن ماده تا چگالی نامحدود در هم فرو رفته است.

رایزنر- نورد شتروم

هم بار دارد و هم چرخش ، میتواند دو افق رویداد داشته باشد ، اما تنها یک فوتون کره دارد. شامل یک تکینگی نقطه ای است که وجود

آن در طبیعت نامحتمل است، زیرا بارهای آن همدیگر را خنثی می کنند. سیاهچاله باردار یا سیاهچاله رایزنر - شتروم کاملا متفاوت از

سیاهچاله شوارتس - شیلد است. از آنجا که جزئیات این نوع سیاهچاله به بار خالص آن بستگی دارد بررسی خود را از یک سیاهچاله

فرضی که از نظر الکتریکی خنثی است شروع کرده و بعد اندکی بار به آن می‌افزاییم. در مرحله بار اولیه تنها یک افق رویداد وجود دارد، اما

به محض اضافه کردن بار به آن اتفاق شگفتی روی می‌دهد. افق رویداد نخستین در هم فرو می‌رود و افق دیگری نزدیکتر به تکینگی ظاهر

می‌شود. اگر به افزودن بار ادامه دهیم، افق رویداد بیرونی به انقباض ادامه می‌دهد، در حالی که افق درونی همواره از جهان بیرون پنهان

خواهد بود (چرا که در درون رویداد بیرونی است)، هر یک از دو افق همان ویژگیهایی را خواهند داشت که افق رویداد سیاهچاله شوارتز

شیلد دارد. اگر باز هم بار بیشتری به سیاهچاله بیفزاییم، افق رویداد منقبض می‌شود و با اضافه کردن بار افق نیز به انقباض ادامه میدهد،

تا اینکه سرانجام درست در بالای تکینگی بصورت سطحی نازک در می‌آید. در این حالت اگر به افزودن بار ادامه دهیم، افق رویداد بطور

ناگهانی ناپدید می‌شود، تنها تکینگی باقی می‌ماند که دیگر با افق رویداد پوشانده نشده است، که تکینگی برهنه نامند. هیچ کس هنوز

در مورد چند و چون آن مطمئن نیست.

ارگوسفراست

چرخش دارد، اما بار ندارد. بیضی و از بیرونی حد استاتیک است. منطقه تیره میان افق رویداد و حد استاتیک ، که می توان از آن انرژی

استخراج کرد. می تواند دو افق رویداد و دو حد استاتیک داشته باشد. دو فوتون کره دارد. شامل یک تکینگی حلقه‌ای است.

سیاهچاله‌های کر

سیاهچاله‌های کر شگفت انگیزترین نوع سیاهچاله‌ها هستند، زیرا مشخصه های گوناگونی را به نمایش می‌گذارند. مشابه حالت بیش

بررسی خود را از یک سیاهچاله ناچرخان شروع کرده و به تدریج به چرخش در می‌آوریم. در اینصورت افق رویداد منقبض می‌شود و افق

رویداد دیگری در درون نزدیک به تکینگی ظاهر می‌شود. با افزودن به چرخش ، افق بیرونی رو به درون حرکت می‌کند و افق درون رو به

بیرون. اما میان این مورد و مورد سیاهچاله‌های باردار ، تفاوتی وجود دارد که به حد ایستایی مربوط می‌شود. حد ایستایی موضعی در

پیرامون سیاهچاله است که در آن ذره نمی‌تواند در حال سکون باشد. در سیاهچال شوارتس- شیلد این حد ایستایی در افق رویداد

است.حال یک ناو فضایی را در نظر می‌گیریم که به یکی از این سیاهچاله‌ها نزدیک می‌شود. به سبب کشش چارچوب ناو در راستای

چرخش سیاهچاله خواهد چرخید. ناو هر چه قدر تلاش کند که بی حرکت مانده و چرخش نکند عاقبت بر گرد سیاهچاله کشیده خواهد

شد. در این نقطه در حد ایستایی بوده که سطحی در پیرامون سیاهچاله و درست بیرون از افق رویداد است. حد ایستایی در قطبها با

افق رویداد مماس است و در استوای سیاهچاله به بیشترین فاصله از آن می‌رسد. میان حد ایستایی و افق رویداد منطقه‌ای عجیب

وجود دارد به نام ارگوسفر که به نظر می‌توان از آن برای استخراج انرژی از سیاهچاله استفاده کرد. برای مثال اگر جسمی به درون

ارگوسفر پرتاب شده و در آنجا به دو قطعه بشکند و یکی از آنها بر تکینگی سقوط کند و دیگری بیرون آید، قطعه بیرون آمده انرژی بسیار

بیشتری از جسم اولیه خواهد داشت. هر چه انرژی بیشتر و بیشتری از سیاهچاله استخراج شود، چرخش آن آرامتر و آرامتر می‌شود تا

نهایتا به یک سیاهچاله شوارتز شیلد تبدیل شود.

با اضافه کردن چرخش به سیاهچاله کرد و افق رویداد شکل می‌گیرد. از آنجا که در سیاهچاله‌های چرخان این افقهای رویداد با حدهای

ایستایی احاطه شده‌اند، پس در این صورت دو حد ایستایی و دو ارگوسفر خواهیم داشت. هر چه چرخش بیشتر شود، دو ارگوسفر به

هم نزدیکتر می‌شوند تا سرانجام یکی شوند. با افزایش بیشتر چرخش هم افق رویداد و هم حد ایستایی به طرف تکینگی حرکت میکنند

و سرانجام همچون سیاهچاله باردا رایزنر – نورد اشترم افق رویداد ناپدید می‌شود و تنها یک تکینگی برهنه بر جای می‌گذارد.

کر- نیومان

هم باردارد و هم چرخش ، ساختارش شبیه ساختار سیاهچاله کر است. می‌توان از آن انرژی استخراج کرد. یک تکنیگی حلقه‌ای دارد به

نظر پژوهشگران چهارنوع سیاهچاله همچنانکه ذکر شد می تواند وجود داشته باشند.

مهمترین موضوع در باب سیاه چاله آنست که ، بدانیم ماده در داخل سیاهچاله‌ای که حاصل آمده است در نهایت به چه سرنوشتی دچار

می شود؟ اختر فیزیکدانان می‌گویند اگر مقداری ماده به داخل حفره سیاه از قبیل آنچه که از یک ستاره وزین مرده بجای مانده بیندازید،

نتیجه نهایی همواره الزاماً یک چیز خواهد بود و تنها جرم ، بار الکتریکی و اندازه حرکت زاویه ای که جسم با خود حمل می کند باقی

خواهند ماند. اما اگر کل جهان به داخل حفره سیاه خود بیفتد، یعنی به شکل سیاهچاله در آید، دیگر حتی جرم ، بار الکتریکی و اندازه

حرکت زاویه ای نیز ناپدید می گردند.

شناسايي سياهچاله ها

بخاطر خاصيت گريز ناپذير بودن، تشخيص سياهچاله ها بسيار مشكل است و مهمترين راهي كه به دانشمندان امكان شناسايي آنها را

ميدهد، مشاهده ديسك تجمعي است. نكته زيبا اينجاست كه گازها و مواد قسمتهاي داخلي ديسك، سريعتر از گاز نواحي دور دست

ميچرخند و دراقع سرعت قسمتهاي مختلف ديسك متفاوت است. لذا گازهايي كه تحت اصطكاك و مالش بسيار داغ شده اند از خود انواع

مختلفي از تشعشعات حامل انرژي ساطع مي كرده و يك منبع نيرومند پرتو x تشكيل مي دهند که توسط تلسكوپهاي امواج xقابل

ديدن مي باشد. علاوه بر امواج x معمولاً از طريق وجود لنزهاي گرانشي و ستاره اي در حال چرخش به دور يك شي غير قابل رويت

نيز مي توان به وجود سياهچاله يا ستاره اي نوتروني در يك منطقه از فضا پي برد. به طور كلي سياهچاله ها در دو نوع چرخان و غير

چرخان وجود دارند و بعضي از آنها كه به سياهچاله هاي كهكشاني يا سوپر سياهچاله ها موسومند از حدود يك ميليون تا يك مليارد

ستاره فشرده شده در داخل يك مركز تشكيل مي شوند. شواهدي از وجود اين اجرام عظيم الجثه در قلب كهكشانها در دست است.با

توجه به نظربات جديد تر, سياهچاله ها کاملا سياه نيستند, بلکه به دليل افت و خيزهاي کوانتوميِ نزديکِ افق, تشعشعاتي ساطع

ميکنند که به تبخير سياهچاله مي انجامد. بر اساس اين نظريه, بعد از ملياردها سال, سياهچاله کل جرم و اطلاعات ذرات بلعيده شده

را از دست مي دهد. امروزه نظريه ريسمان تنها نظريه کارآمدي است که قادر است نحوه فشرده شدن چنان جرم عظيمي در ناحيه اي

کوچک از فضا را با توجه به ابعاد اضافي توضيح دهد.


منابع : http://nightcreation.blogfa.com

http://www.hupaa.com

http://www.daneshju.ir

http://www.parssky.com