سیاهچاله چیست؟

مترجم: معصومه یوسفی

در چند جمله کوتاه میتوان گفت، سیاهچاله ناحیه ای از فضاست که مقدار بسیار زیادی جرم در آن تمرکز یافته و هیچ شیئی نمی تواند از میدان جاذبه آن خارج شود.از آنجا که بهترین تیوری جاذبه در حال حاضر تیوری نسبیت عام انیشتن

است،در مورد سیاهچاله و جزییاتش باید طبق این تیوری تحقیق و نتیجه گیری کنیم. ابتدا از مفهوم جاذبه و شرایط ساده تر آغاز می کنیم.

فرض کنید روی سطح یک سیاره ایستاده اید. یک سنگ را به سمت بالا پرتاب می کنید. با فرض اینکه آن را خیلی خیلی محکم پرتاب نکرده باشید برای مدتی به سمت بالا حرکت می کند و نهایتا شتاب جاذبه باعث می شود به پایین سقوط کند. اما اگر سنگ را به اندازه ی لازم محکم پرتاب کرده باشید می توانید آن را به کل از جاذبه سیاره خارج کنید و سنگ بالا رفتن را تا ابد ادامه خواهد داد. سرعتی که لازم است تا یک شیی را از حاذبه سیاره خارج کند سرعت فرار یا سرعت گریز نام دارد. همانطور که انتظار می رود سرعت فرار به جرم سیاره بستگی دارد. اگر سیاره ای جرم زیادی داشته باشد کشش جاذبه آن زیاد خواهد بود و نتیجتا سرعت فرار آن بیشتر خواهد شد. سیاره سبکتر سرعت فرار کمتری خواهد داشت. همچنین سرعت فرار به فاصله از مرکز سیاره نیز بستگی دارد. هر چه به مرکز سیاره نزدیک تر شویم سرعت فرار نیز بیشتر می شود.

سرعت فرار زمین Km/s 11.2 یا m/h 25000 است. در حالی که سرعت فرار در ماه فقط Km/s 2.4 یا m/h 5300 است.

حال یک جرم بسیار زیاد را که در یک ناحیه با شعاع بسیار کوچک تمرکز یافته تصور کنید. سرعت فرار چنین ناحیه ای از سرعت نور بیشتر خواهد بود و چون هیچ شییی نمی تواند سریعتر از نور سیر کند پس هیچ شییی نمی تواند از میدان جاذبه چنین ناحیه ای خارج شود ، حتی یک دسته پرتو نور.

ایده تفکر در مورد جرمی چنان چگال که حتی نور نیز نتواند از آن خارج شود متعلق به لاپلاس در قرن هجدهم است. تقریبا بلافاصله پس از بیان نظریه نسبیت عام توسط انیشتین ، کارل شوارتز شیلد یک راه حل ریاضی برای معادلات تیوری این اجرام کشف کرد و سال ها بعد اشخاصی چون اپنیمر و ولکف واشنایدر در دهه 1930 به طور جدی درباره امکان وجود چنین نواحی در عالم به تحقیق پرداختند. این پژوهشگران نشان دادند، هنگامی که محتویات سوخت یک ستاره پرجرم به پایان می رسد، نمی تواند در مقابل جاذبه درونی خود مقاومت کند و به صورت یک سیاهچاله در خود فرو می ریزد.

در نسبیت عام جاذبه از عوامل انحراف فضای 4 بعدی است. اشیاء بسیار پرجرم باعث انحرافات محورهای زمان و فضا می شوند در حدی که قوانین هندسی اعتبار خود را از دست می دهند و به کار نمی آیند. این انحراف در اطراف یک سیاهچاله بسیار چشمگیر است و باعث می شود که سیاهچاله ها خصوصیات عجیبی داشته باشند. هر سیاهچاله چیزی به نام افق حادثه ( event horizon ) دارد، که سطحی کروی است و مرز سیاهچاله را مشخص می کند. شما می توانید وارد این افق شوید اما نمی توانید از آن رهایی یابید. در حقیقت وقتی وارد افق شدید محکوم به نزدیک و نزدیک تر شدن به مرکز سیاهچاله هستید.

درباره افق می توان این تصور را داشت که افق جایی است که در آن سرعت گریز برابر با سرعت نور است. در خارج از افق سرعت گریز کمتر از سرعت نور است. بنا بر این در صورتی که راکت های شما به اندازه کافی انرژی داشته باشند می توانید از افق دور شوید اما وقتی وارد افق شدید راهی برای خروج ندارید. افق خصوصیات هندسی عجیبی دارد، برای یک ناظر که فاصله زیادی از سیاهچاله دارد، افق جای خوبی به نظر می رسد که کروی و ساکن است. اما در صورتیکه به سیاهچاله نزدیک شوید متوجه خواهید شد افق با سرعت بسیار زیاد و یا در حقیقت با سرعت نور به سمت بیرون در حرکت است. چون افق با سرعت نور به سمت بیرون گسترش می یابد، پس برای خروج از افق باید سرعتی بیش از سرعت نور داشته باشیم. و چون می دانیم که نمی توانیم با سرعتی بیش از سرعت نور سیر کنیم پس هیچ گاه نخواهیم توانست از سیاهچاله فرار کنیم.

اگر این مطالب بسیار عجیب به نظر می رسند، نگران نباشید، واقعا عجیب هستند. افق از جهتی ثابت و از جهتی نا پایستار است. این مطلب تا حدی شبیه به داستان آلیس در سرزمین عجایب است. او باید تا جایی که می توانست سریع حرکت می کرد تا می توانست در یک جا بماند.

در درون افق فضا در حدی منحرف می شود که مختصات طول و زمان جایشان عوض می شود به این معنی که مختص نشان دهنده فاصله از مرکز سیاهچاله که r نام دارد، یک مختص زمانی و t یک مختص فضایی می شود. نتیجه این جابجایی این است که نمی شود از کوچک شدن لحظه به لحظه r جلوگیری کرد، مشابه شرایط معمولی که از رسیدن به آینده گریزی نیست (یعنی به طور معمول t در حال افزایش است) در نهایت باید به مرکز جایی که r = 0 است برسیم. ممکن است فکر کنید با روشن کردن راکت ها می توان از افق خارج شد، اما این کار نیز بیهوده است. از هر ماده ای که استفاده کنید، نمی توانید از آینده خود گریزی داشته باشید. پس از وارد شدن به افق، تلاش برای دور شدن از مرکز سیاهچاله درست مثل تلاش برای نرسیدن به پنجشنبه آینده است.

نام سیاهچاله را برای اولین بار جان آرچیبالد ویلر پیشنهاد داد که نام مناسبی به نظر می رسید، چون از نام های پیشنهادی قبل از خودش جذاب تر بود. پیش از ویلر از این نواحی با عنوان ستاره های منجمد یاد می شد. در ادامه توضیح خواهم داد که چرا این نام را به آن ها داده بودند.

سیاهچاله چه اندازه ای دارد؟

اندازه هر چیز دو جنبه دارد. در اولین جنبه می گوییم این جسم چه میزان جرم دارد و در جنبه دیگر آن را از نظر حجم بررسی می کنیم. ابتدا درباره جرم سیاهچاله بحث می کنیم.

برای میزان جرم یک سیاهچاله محدودیتی وجود ندارد. هر مقدار جرمی درصورتی که به اندازه کافی چگال باشد می تواند سیاهچاله تشکیل دهد. حدس می زنیم که سیاهچاله های موجود از مرگ ستارگان پرجرم تشکیل یافته اند، بنا بر این باید به همان اندازه جرم داشته باشند. به عنوان نمونه جرم یک سیاهچاله در حدود 10 برابر جرم خورشید است، یعنی جرمی معادل 10 به توان 31 کیلوگرم.

هر چه جرم سیاهچاله بیشتر باشد فضای بیشتر اشغال خواهد کرد. در حقیقت شعاع شوارتز شیلد (شعاع افق) و جرم نسبت مستقیم دارند. اگر سیاهچاله ای 10 برابر یک سیاهچاله دیگر جرم داشته باش، شعاعش نیز 10 برابر دیگری خواهد بود. شعاع سیاهچاله ای هم جرم خورشید 3 کیلومتر است. بنا بر این، اگر سیاهچاله ای 10 برابر خورشید جرم داشته باشد شعاعش 30 کیلومتر خواهد بود و سیاهچاله ای که در مرکز یک کهکشان با جرم یک ملیون برابر خورشید 3 میلون کیلومتر شعاع خواهد داشت. ممکن است این مقدار شعاع زیاد به نظر برسد ولی با استانداردهای نجومی خیلی هم عجیب نیست. به عنوان مثال شعاع خورشید 700000 کیلومتر است و یک سیاهچاله بسیار بسیار سنگین شعاعی فقط در حدود 4 برابر خورشید دارد.

در صورت سقوط در سیاهچاله چه بلای به سرم می آید؟

فرض می کنیم در داخل یک فضا پیما به سمت یک سیاهچاله با جرم یک ملیون برابر خورشید در مرکز کهکشان راه شیری در حال حرکت هستید. (بحث های زیادی در مورد وجود سیاهچاله در مرکز کهکشان راه شیری وجود دارد. اما فرض می کنیم حداقل برای چند ثانیه این سیاهچاله موجود باشد.) از فاصله دور راکت ها را خاموش کرده اید و به سمت سیاهچاله سرازیر می شوید. چه اتفاقی خواهد افتاد؟

در ابتدا هیچ جاذبه ای را حس نخواهید کرد چون در حال سقوط آزاد هستید، همه قسمتهای بدنتان به یک صورت کشیده خواهند شد و احساس بی وزنی خواهید کرد (این دقیقا همان چیزی است که در مدار زمین برای فضا نوردان اتفاق می افتد. با این حال نه فضا نورد و نه شاتل هیچ نیروی جاذبه ای را حس نمی کنند.) همین طور که به مرکز سیاهچاله نزدیک و نزدیک تر می شوید نیروهای جاذبه جزر و مدی را بیشتر حس خواهید کرد. فرض کنید پاهایتان نسبت به سرتان در فاصله کمتری از مرکز سیاهچاله قرار گرفته باشد. نیروی جاذبه با نزدیک شدن به مرکز سیاهچاله بیشتر می شود، بنا بر این در پاهایتان نیروی جاذبه را بیشتر حس خواهید کرد. و حس خواهید کرد کشیده شده اید ( این نیرو نیروی جزر و مدی نام دارد چون دقیقا مانند نیرویی عمل می کند که باعث جزر و مد در سطح زمین می شود). این نیروها با نزدیک شدن به مرکز بیشتر و بیشتر خواهد شد تا جایی که شما را پاره پاره کند.

برای یک سیاهچاله خیلی بزرگ شبیه به آن که شما در آن سقوط می کنید، نیروهای جزر و مدی تا شعاع 600000 کیلومتری مرکز قابل توجه نیستند. البته این مطلب پس از ورود به افق اعتبار می یابد. اگر در حال سقوط به یک سیاهچاله کوچکتر هم جرم خورشید بودید، نیروهای جزر و مدی از فاصله 6000 کیلومتری مرکز شما را تحت تاثیر قرار می داد و شما خیلی زود تر از آنکه وارد افق شوید تکه پاره می شدید (و این موضوع علت این است که شما را در حال سقوط به یک سیاهچاله بزرگ تصور کردیم تا بتوانید حداقل تا وارد شدن به سیاهچاله زنده باشید). در حین سقوط چه چیزهایی می بینید؟ شما در حین سقوط چیز خاص و عجیبی را مشاهده نخواهید کرد. تصویر اشیا درو ممکن است به شکل های عجیب و نا مربوط در آمده باشند، چون جاذبه سیاهچاله نور را نیز منحرف می کند. به ویژه وقتی وارد افق می شوید هیچ اتفاق خاصی نخواهد افتاد. حتی پس از وارد شدن به افق نیز خواهید توانست چیزهایی را که بیرون هستند ببینید. چون نوری که از اشیا بیرونی ساطع می شود می تواند وارد افق شود و به شما برسد. اما در بیرون از افق کسی قادر به دیدن شما نیست چون نور نمی تواند از افق خارج شود.

کل این اتفاقات چقدر طول می کشد؟ البته این مطلب بستگی به این دارد که از چه فاصله سقوط به داخل سیاهچاله را شروع کرده باشید. فرض می کنیم این عملیات از جایی شروع شود که فاصله شما از مرکز 10 برابر شعاع سیاهچاله باشد. برای سیاهچاله ای با جرم یک میلیون برابر خورشید 8 دقیقه طول می کشد تا به افق برسید، پس از آن 7 دقیقه دیگر در پیش دارید تا به ناحیه منحصر به فردی برسید. البته این زمان ها تقریبی است و به عنوان مثال در یک سیاهچاله کوچکتر زمان مرگ نزدیک تر خواهد بود. پس از پشت سرگذاشتن افق در 7 دقیقه باقیمانده از عمر ممکن است وحشت زده بشوید و شروع کنید به روشن کردن راکت ها اما این تلاش بیهوده است.

از یک فاصله مطمئن از سقوط در سیاهچاله چه چیز مشاهده می شود؟

چیزی که از دور دیده می ود با واقعیت کمی تفاوت دارد. همچنان که شما به افق نزدیک تر می شوید ناظر حرکت شما را آهسته و آهسته تر می بیند. او هیچ گاه رسیدن شما را به افق نخواهد دید.

سیاهچاله ای را در نظر بگیرید که از فرو ریختن یک ستاره شکل گرفته است. در حالی که ماده تشکیل دهنده سیاهچاله فرو می ریزد، ناظر آن را کوچک و کوچک تر می بیند، همچنین او نزدیک شدن شما را می بیند اما نمی تواند رسیدن به افق را ببیند و این علت نام گذاری اولیه آنها یعنی ستاره های منجمد است. چون به نظر می رسد آن ها در فاصله ای به اندازه کمی بیشتر از شعاع شوارتز شیلد یخ زده اند.

چرا اینگونه به نظر می رسد؟ مهمترین مطلبی که در این مورد عنوان شده یک خطای نوری است. در حقیقت شکل گرفتن یک سیاهچاله یا رسیدن شما به افق زمان نامحدودی نمی برد. وقتی شما به افق نزدیک و نزدیک تر می شوید، نوری که از شما ساطع می شود به زمان بیشتری نیاز دارد تا به ناظر برسد در واقع نوری که بدن شما در هنگام گذر از افق ناظر دیگر تصویری از شما نمی بیند و حس می کند رسیدن به افق چه زمان نامحدودی وقت می برد.

از زاویه دیگری نیز می شود به این مسئله نگاه کرد. زمان در نزدیکی افق بسیار آرامتر از فضاهای دورتر سپری می شود. فرض کنید فضاپیمای شما برای خروج از افق در حرکت است و برای چندین ثانیه آنجا توقف می کند (با مصرف مقداری زیادی سوخت برای جلوگیری از سقوط به داخل). سپس شما به سمت ناظری می روید و به او ملحق می شوید. متوجه می شوید در طی این ایام او سنی بیش از شما دارد، در حقیقت زمان برای شما بسیار آهسته تر (کند تر) سپری شده است تا برای او.

به نظر شما کدام یک از این دو نظریه فریب نور یا کندی زمان درست است؟ جواب بستگی به مختصاتی داردکه طبق آن به بررسی سیاهچاله ها بپردازید. طبق مختصات معمول که مختصات شوارتز شیلد نام دارد، زمانی افق را پشت سر می گذارید که مختصات t (زمان) بی نهایت است. طبق این مختصات گذر از افق زمان بی نهایت لازم دارد. اما علت این مطلب این است که مختصات شوارتز شیلد تصویر تحریف شده ای از آنچه در اطراف افق می گذرد به ما می دهد. در حقیقت درست در افق مختصات کاملا تحریف شده و تغییر یافته اند. در صورتی که مختصات واحدی را در نزدیکی افق انتخاب نکرده اید متوجه می شوید که در هنگام گذر از افق زمان واقعا محدود است. ولی زمانی که ناظر شما را مشاهده می کند نامحدود است. تشعشات نیاز به زمان بی نهایت و نامحدودی دارند تا به چشم ناظر برسند. پس شما می توانید از هر دو نوع مختصات استفاده کنید، در عمل هر دوی آنها درست هستند. فقط دو بیان متفاوت از یک مطلب ارئه می دهند. درعمل شما از چشم ناظر پنهان خواهید ماند قبل از اینکه زمان بی نهایت سپری شود. برای یک جسم نوری که از طرف سیاهچاله تابش می شود به طرف سرخی و طول موجهای بیشتر می رود.

بنا براین در صورتی که شما نور مرئی با طول موجهای ثابتی ساطع کنید، ناظر آن را با طول موج بیشتری دریافت خواهد کرد. با نزدیک تر شدن شما به افق این طول موجها افزایش می یابند. که درنهایت به تابش های نامرئی، مادون فرمز و امواج رادیویی خواهند رسید. در بعضی نقاط طول موجها به قدری زیاد خواهند بود که ناظر نخواهد توانست آن ها را مشاهده کند. از گذشته به خاطر دارید که نور در دسته هایی به نام فوتون ساطع می شود. تصور کنید در حین گذر از افق فوتون هایی ساطع کنید. قبل از گذشتن از افق آخرین فوتون ها را ساطع خواهید کرد، این فوتون ها در زمان محدودی به چشم ناظر خواهند رسید - به عنوان مثال برای چنان سیاهچاله پر جرمی چیزی در حدود 1 ساعت.. و پس از آن ناظر دیگر قادر به دیدن شما نخواهد بود (فوتون هایی که پس از گذر از افق ساطع می شوند هیچ گاه به ناظر نمی رسند)...

منبع :www.alacheegh.com