سیاه چاله چیست و چگونه متولد می شود؟

سیاه چاله ناحیه ای از فضا است که جاذبه آنقدر قوی است که هیچ چیز – هیچ ذره ای یا حتی تابش الکترومغناطیسی مانند نور – نمی تواند از آن فرار کند. نظریه نسبیت عام پیش بینی می کند که یک جرم فشرده به اندازه کافی می تواند باعث تغییر شکل فضا – زمان شود و یک سیاه چاله را ایجاد کند.

مرز منطقه ای که هیچ گریزی از آن امکان پذیر نیست ، افق رویداد نامیده می شود. اگرچه افق رویداد تأثیر زیادی در سرنوشت و شرایط عبور شی از آن دارد ، اما بر اساس نسبیت عام هیچ ویژگی قابل تشخیص محلی ندارد.

از بسیاری جهات ، سیاهچاله مانند یک جسم سیاه ایده آل عمل می کند ، زیرا هیچ نوری را منعکس نمی کند. علاوه بر این ، نظریه میدان کوانتومی در فضای خمیده پیش بینی می کند که افق های رویداد، تابش هاوکینگ را منتشر می کنند که دمای آن بطور معکوس متناسب با وزن آن جرم  است.  این دما به ترتیب میلیاردها میلیارد کلوین برای سیاهچاله های با جرم اختری است و مشاهده آن مستقیماً غیرممکن است. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه در ادامه مقاله با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

تاریخچه کشف سیاه چاله ها

اولین بار در قرن هجدهم اجسامی که میدان های گرانشی آنها برای فرار از نور زیاد نیست ، توسط جان میشل و پیر سیمون لاپلاس مورد بررسی قرار گرفتند. اولین راه حل مدرن نسبیت عام که یک سیاهچاله را مشخص می کند توسط کارل شوارتزیلد در سال ۱۹۱۶ یافت شد ، اگرچه تفسیر آن به عنوان منطقه ای از فضا که هیچ چیز از آن فرار نمی کند اولین بار توسط دیوید فینکلشتاین در سال ۱۹۵۸ منتشر شد.

سیاه چاله ها برای مدت مدیدی به عنوان غرابت ریاضیاتی در نظر گرفته می شدند تا اینکه در دهه ۱۹۶۰ تحقیقات تئوریک نشان داد كه آنها پيش بينی عادی نسبيت عمومی هستند. کشف ستاره های نوترونی توسط جوسلین بل برنل در سال ۱۹۶۷ علاقه به جاذبه حاصل از فروپاشی را به عنوان یک واقعیت فیزیکی احتمالی ایجاد کرد.

پیش بینی می شود سیاه چاله های وقتی شکل می گیرند که یک ستاره غول پیکر در پایان چرخه زندگی خود دچار فروپاشی می شود. سپس سیاهچاله ، می تواند با جذب اجرام از محیط اطراف به رشد خود ادامه دهد. با جذب ستاره های دیگر و ادغام با سیاه چاله های دیگر ، سیاهچاله های عظیم با جرمی میلیون ها برابر خورشید ممکن است تشکیل شوند. این اتفاق نظر وجود دارد که سیاهچاله های بزرگ در مراکز بیشتر کهکشان ها وجود دارند.

چگونه می توان وجود سیاه چاله را اثبات کرد؟

وجود سیاهچاله را می توان از طریق برهم کنش آن با مواد دیگر و تابش الکترومغناطیسی مانند نور مرئی استنباط کرد. ماده ای که روی سیاه چاله می افتد می تواند یک دیسک برافزایشی خارجی ایجاد کند که با اصطکاک گرم می شود و کوازارها – برخی از درخشان ترین اجرام جهان را تشکیل می دهد. ستاره هایی که از مسیری بیش از حد نزدیک به یک سیاهچاله بزرگ در حال عبور هستند ، می توانند به صورت جریانی خرد شوند که قبل از “بلعیده شدن” بسیار درخشان شوند.

از چنین مشاهداتی می توان برای حذف گزینه های احتمالی مانند ستاره های نوترونی استفاده کرد. به این ترتیب ، منجمان تعداد زیادی از کاندیداهای سیاهچاله ستاره ای را در سیستم های باینری شناسایی کرده و مشخص کردند که منبع رادیویی معروف به قوس A * ، در هسته کهکشان راه شیری ، دارای سیاه چاله ای عظیم در حدود ۴.۳ میلیون توده خورشیدی است.

در ۱۱ فوریه ۲۰۱۶ ، همکاری علمی LIGO و ویرجین اولین تشخیص مستقیم امواج گرانشی را اعلام کردند که اولین مشاهده ادغام سیاهچاله را نیز نشان می دهد. از دسامبر ۲۰۱۸ ، یازده رویداد موج گرانشی مشاهده شده است که از ده سیاهچاله ادغام شده (همراه با یک ادغام ستاره نوترونی دوتایی) نشات گرفته است. در پی مشاهدات انجام شده توسط تلسکوپ Event Horizon در سال ۲۰۱۷ از سیاهچاله بزرگ در مرکز کهکشان Messier 8 ، در ۱۰ آوریل ۲۰۱۹ ، اولین تصویر مستقیم از سیاهچاله و نواحی مجاور آن منتشر شد.

سیاه چاله چگونه شکل می گیرد؟

به طور کلی پذیرفته شده است که ستاره هایی با جرم حداقل سه برابر بیشتر از خورشید ما می توانند پس از اتمام سوخت ، دچار فروپاشی شدید گرانشی شوند. با جرم زیاد در یک حجم محدود ، نیروی جاذبه جمعی بر قاعده ای غلبه می کند که معمولاً اجسام سازنده اتم ها را از اشغال همان فضا  باز می دارد. با این تراکم یک سیاهچاله ایجاد می کند.

در رابطه با نوع دوم سیاهچاله مینیاتوری هرچند هرگز مشاهده نشده فرض بر این است که آنها هنگامی تشکیل شده اند که خلا موج دار جهان اولیه در یک واقعه معروف به تورم به سرعت گسترش یافته و باعث فروپاشی مناطق بسیار متراکم می شود. جرم این سیاهچاله های اولیه کوچکتر است – بعضی حتی به جرم زمین نزدیک هستند.

برخی سیاهچاله ها ظاهراً منشأ غیر ستاره ای دارند. اخترشناسان مختلف حدس می زنند که حجم زیادی از گاز بین ستاره ای جمع شده و در سیاه چاله های بزرگ در مراکز اختروش ها و کهکشان ها فرو می ریزد. توده ای از گاز که به سرعت در سیاه چاله سقوط می کند بیش از ۱۰۰ برابر انرژی آزاد شده توسط مقدار مشابه جرم از طریق همجوشی هسته ای تخمین زده می شود. بر این اساس ، سقوط میلیون ها یا میلیاردها توده خورشیدی گاز بین ستاره ای تحت نیروی جاذبه در یک سیاهچاله بزرگ ، تولید انرژی عظیم کوازارها و برخی از سیستم های کهکشانی را به همراه دارد.

انواع سیاه چاله ها از نظر اندازه

ابر سیاه چاله‌ ها

این سیاهچاله ها جرمی بین چند میلیون تا چند میلیارد برابر جرم خورشید دارند و در مراکز کهکشان  های مختلف قرار می گیرند. بزرگترین ابرسیاه چاله نزدیک کهکشان راه شیری سیاهچاله مرکزی کهکشان مسیه ۸۷ است که جرمی برابر با ۱۰^۹×(۰٫۵±۶٫۴) جرم خورشید دارد که به فاصله ۵۳٫۵ میلیون سال نوری از ما قرار گرفته ‌است. یکی دیگر از بزرگ ‌ترین سیاهچاله های شناخته شده سیاه چاله OJ 287 در صورت فلکی خرچنگ است که ۱۸ میلیارد برابر خورشید است و با فاصله ۳٫۵ میلیارد سال نوری از زمین قرار دارد.

سیاه چاله‌ های با جرم متوسط

این سیاهچاله‌ ها با بررسی و یافتن منابع اشعه ایکس با شدت زیاد در کهکشان‌ های نزدیک یافت شدند. این سیاهچاله با منابع فوق درخشان پرتو ایکس ، بیشتر در نواحی شکل ‌گیری ستاره‌ ها دیده می شوند. علاوه بر این می توان با مشاهده تابش گرانشی منتشر شده از جسم فشرده نیز به آنها رسید. فرض بر این است که این سیاهچاله ها با برخورد سیاهچاله‌ هایی با جرم کمتر متولد می شوند.

سیاه چاله‌های ستاره ‌وار

این سیاه چاله‌ ها که  چند ده برابر جرم خورشید هستند  با رمبش گرانشی ستاره‌ های بزرگ شکل می گیرند و با تابش اشعه ایکس مشخص می شوند.

ریزسیاه چاله‌ ها

جرم این سیاه چاله ‌ها بسیار کوچک است و می توان با مکانیک کوانتومی آنها را بررسی کرد.  محاسبات هاوکینگ نشان می‌ دهد که این سیاهچاله هرچقدر کوچکتر باشد سرعت تبخیر آن بیشتر خواهد بود در نتیجه به محض تولد تبخیر شده و از بین می روند.

نظریه وجود کوتوله‌ ها و غول ‌ها

اکنون که نحوه تشکیل سیاه چاله ها کاملا شرح داده شده است دانشمندان در صدد کشف این راز هستند که چرا آنها از نظر اندازه با یکدیگر فرق دارند.

برای جواب دادن به این پرسش باید گفت که سیاه چاله ها فقط بزرگ و عظیم نیستند بلکه بینهایت سیاه‌ چاله با اندازه معمولی وجود دارند که در نتیجه مرگ ستاره‌ های بزرگ و سنگین ایجاد شده ‌اند که جرمی بین ۱۰ تا ۲۴ برابر خورشید را دارند و تخمین زده‌ شده  که تنها در کهکشان راه شیری بین  ۱۰ تا ۱۰۰۰ میلیون مورد از این سیاه‌ چاله‌ها وجود دارد.

ولی سیاه ‌چاله‌ های غول ‌پیکر تحت عنوان ابرسیاه‌ چاله شناخته می شوند میلیون‌ها برابر خورشید هستند آنها اکثرا در مراکز کهکشان ‌ها قرار دارند و با استفاده از حرکت توده‌ اجرام فضایی در اطرافشان قابل شناسایی هستند مانند سیاه چاله موجود در مرکز کهکشان راه شیری که ما در آن قرار داریم.