سیاهچاله چیست و چگونه کار می کند؟

بگذارید خیالتان را راحت کنیم. تا به حال چیزی به نام کرم چاله در فضای اطراف ما پیدا نشده است و بعید است که چنین چیزی در طبیعت وجود داشته باشد. کرمچاله ها پل هایی را بین یک فضازمان و فضازمان دیگر نشان می دهند، وقتی وارد آنها می شوید، وارد نقطه ای می شوید که می تواند میلیون ها سال نوری از مکان قبلی فاصله داشته باشد و زمان به طور متفاوتی می گذرد.
اما سیاهچاله ها داستان کاملا متفاوتی هستند. سیاهچاله های بی شماری در کیهان پیدا شده است. در این منطقه فضا و زمان بسیار فشرده شده است. طبق نظریه نسبیت انیشتین، ماده می تواند به اندازه کافی فشرده شود تا در زمان تاب ایجاد کند.
دلیل نامیدن آن سیاهچاله واضح است. هر چیزی که وارد سیاهچاله می شود راه بازگشتی ندارد و نور نیز تفاوتی ندارد. در واقع، نوری که وارد سیاهچاله می شود، بازتاب داخلی ندارد، بنابراین ما چیزی خارج از سیاهچاله نمی بینیم. مثل داستان تاریکی که قبلاً برایتان تعریف کردیم.
همه این داستان ها از زمانی شروع شد که اینشتین نظریه نسبیت را در سال 1915 ارائه کرد و اکنون بیش از صد سال از آن روزها می گذرد، اما سیاهچاله ها هنوز برای ما نقطه تاریک و مبهم هستند، با این وجود، ما اطلاعات جالبی از آنها داریم. قطعا در آینده بیشتر خواهیم دانست.

سیاهچاله چیست؟

چاله بزرگ سیاهچاله ای است که پس از مرگ باقی می ماند. ستاره ها راکتورهای همجوشی عظیمی هستند که به دو دلیل خود جوش می خورند و مستعد فروپاشی هستند: خیلی بزرگ هستند و از گاز ساخته شده اند. این دو عامل برای ایجاد کشش گرانشی قوی و نابودی ستاره از هسته آن کافی است. دفعه بعد که خورشید را در آسمان می بینید، در نظر بگیرید که در آن لحظه میلیون ها اتم روی سطح خورشید در حال ترکیب شدن با یکدیگر هستند و هسته سنگین تری را تشکیل می دهند. با ادامه این روند، خورشید پیرتر می شود تا اینکه در نهایت پوسیده و ناپدید می شود.
واکنش‌های همجوشی که در هسته ستاره اتفاق می‌افتد مانند بمب‌های هسته‌ای غول‌پیکر هستند که مرتباً به زمین برخورد می‌کنند. تعادل بین نیروی گرانش و نیروی انفجاری اندازه ستاره را تعیین می کند.
به محض مرگ ستاره، واکنش متوقف می شود زیرا سوخت مورد نظر مصرف می شود و چیزی برای سوختن و انفجار باقی نمی ماند. در همین حال، نیروی انفجار به صفر می رسد، اما نیروی گرانش در جای خود باقی می ماند و در نتیجه ستاره را تا حد امکان به شدت می کشد.
ستاره فشرده ناگهان گرم می شود و یک انفجار ابرنواختری رخ می دهد که طی آن مواد و پرتوها به فضا پرتاب می شوند. آنچه باقی می ماند یک هسته بسیار فشرده و عظیم است. گرانش هسته آنقدر زیاد است که حتی نور هم نمی تواند از آن فرار کند.
این جسم اکنون یک سیاهچاله است و به معنای واقعی کلمه نامرئی است زیرا هیچ نوری از آن منعکس نمی شود. اساس دیدن چیزی برای انسان این است که نوری را که بر آن فرو می ریزد درک کند. اگر خود را در اتاقی حبس کنید که هیچ نوری در آن نفوذ نکند، عملاً چیزی نخواهید دید، درست مانند زمانی که چشمان خود را می بندید. به همین دلیل است که سیاه‌چاله‌ها نامرئی هستند، حتی اگر محسوس به نظر برسند.
به دلیل فشردگی شدید و گرانش قوی، هسته از پایه فضا-زمان عبور می کند و حفره ای در فضا-زمان ایجاد می کند. به همین دلیل به آن سیاهچاله می گویند.
هسته به مرکز سیاهچاله تبدیل می شود که به آن تکینگی می گویند و مرز سیاهچاله را افق رویداد می نامند. افق رویداد جایی است که فضازمان تغییر شکل می دهد و اگر چیزی وارد این منطقه شود به سمت تکینگی کشیده می شود.
در واقع، افق رویداد مانند دهان یک سیاهچاله است. اگر چیزی وارد آن شود، همه رویدادهای فضا-زمان متوقف می شوند و هیچ چیز، حتی نور، نمی تواند از سرعت باورنکردنی فرار کند. شعاع افق رویداد را شعاع شوارتزشیلد نیز می‌نامند که از نام ستاره‌شناس آلمانی گرفته شده است. کارل شوارتزشیلد کمک زیادی به درک این دانش کرد و ما در حال بررسی نتایج تحقیقات او هستیم.
برای اولین بار در سال 1975 دانشمندی به نام پیر سیمون لاپلاس با استفاده از نظریه گرانش نیوتن محاسبه کرد که اگر جسمی فشرده شود، سرعت فرار جسم از سرعت نور بیشتر خواهد بود.

 

انواع سیاهچاله

دو نوع سیاهچاله وجود دارد:
شوارتزشیلد - سیاهچاله ثابت
کر در حال چرخش سیاهچاله ها هستند
سیاهچاله شوارتزشیلد ساده ترین مدل است که اصل آن نمی چرخد. این نوع سیاهچاله فقط یک تکینگی و یک رویداد دارد.
سیاهچاله کر، که رایج ترین مدل سیاهچاله است، می چرخد ​​زیرا ستاره سابق آن (که اکنون به هسته تبدیل شده است) می چرخد. هنگامی که یک ستاره در حال چرخش فرو می ریزد، هسته همچنان به چرخش خود ادامه می دهد و این زمانی اتفاق می افتد که طبق قانون بقای تکانه زاویه ای تبدیل به یک سیاهچاله می شود. سیاهچاله کر شامل موارد زیر است:
تکینگی - هسته یک ستاره نابود شده
افق رویداد - ورودی یک سیاهچاله
Ergosphere یا carsphere - یک منطقه تخم مرغی شکل که رویداد را احاطه کرده است. ارگوسفر جایی است که به نظر می رسد همه چیز در حال گسترش است. در طول این مرحله، فضا کشیده می شود، اما چیزی را به داخل سیاهچاله هل نمی دهد. ارگوسفر با چرخش سیاهچاله ایجاد می شود.
مرز ایستا - مرز بین ارگوسفر و فضای واقعی
اگر جسمی وارد ارگوسفر شود، باز هم می تواند با جذب انرژی حاصل از چرخش واحد، از سیاهچاله فرار کند. با این حال، هر چیزی که از افق رویداد عبور کند به درون سیاهچاله کشیده می شود و هرگز نمی تواند فرار کند. هیچ کس نمی داند درون سیاهچاله چه می گذرد. حتی نظریه های فیزیکی فعلی ما به وحدت نزدیک نیستند.
اگرچه ما نمی‌توانیم سیاه‌چاله را ببینیم، اما می‌توانیم سه چیز را اندازه‌گیری کنیم: جرم، بار الکتریکی و سرعت چرخش (تکانه زاویه‌ای).
جرم سیاهچاله را می توان از روی سرعت چرخش اجرام اطراف آن محاسبه کرد. اگر سیاهچاله یک همراه داشته باشد (مثلاً یک ستاره دیگر یا یک جرم آسمانی بزرگ)، فاصله یا سرعت گردش آن به دور سیاهچاله قابل اندازه گیری است. ستاره شناسان از قانون سوم کپلر برای اندازه گیری جرم یک ستاره استفاده می کنند.

 

چگونه یک سیاهچاله را تشخیص می دهیم؟

ممکن است مانند تصاویر خیالی بالا، سیاهچاله ای را نبینیم، اما وجود آن را می توان با اندازه گیری اثرات آن بر روی اجسام اطراف تشخیص داد. از روش های زیر می توان استفاده کرد:
محاسبه جرم ماده در حال چرخش یا فروپاشی در مرکز یک سیاهچاله
اثر جاذبه
تشعشعات ساطع شده از سیاهچاله ها
محاسبه جرم
بسیاری از سیاهچاله ها توسط اجرام آسمانی دیگری احاطه شده اند و با نگاه کردن به حرکات آنها می توانیم متوجه وجود سیاهچاله ای شویم. سپس با استفاده از سرعت حرکت در یک سیاهچاله فرضی، جرم آن را نیز محاسبه کنید.
شما باید به دنبال ستاره یا گاز در حال انبساط باشید. به عنوان مثال، اگر یک ستاره یا صفحه گازی بزرگ حرکت ارتعاشی یا چرخشی داشته باشد و هیچ دلیل آشکار و قابل مشاهده ای برای حرکت آنها وجود نداشته باشد، احتمالاً عاملی پنهان باعث ایجاد این اثر در ستاره ای با آن اندازه شده است. بنابراین با محاسبه حرکت ستاره می توان اندازه سیاهچاله را نیز محاسبه کرد.
در مرکز کهکشان NGC 4261 یک دیسک قهوه ای در حال چرخش قرار دارد. این دیسک به اندازه منظومه شمسی ما است، اما وزن آن 1.2 میلیارد برابر خورشید است. چنین حجم عظیمی نشان می دهد که سیاهچاله در این منطقه مستقر شده است.
همگرایی گرانشی
نظریه نسبیت عام انیشتین پیش‌بینی کرد که گرانش می‌تواند فضازمان را منحرف کند. این بخش، به گفته انیشتین، بعدها در هنگام کسوف‌ها هنگام اندازه‌گیری موقعیت ستارگان قبل، بعد و در حین کسوف ثابت شد. موقعیت ستاره تغییر می کند زیرا نوری که دریافت می کند توسط گرانش خورشید شکسته می شود.
در نتیجه، جسمی با کشش گرانشی قوی (مانند کهکشان یا سیاهچاله) اگر بین زمین و یک جسم درخشان دور قرار گیرد، می تواند مانند عدسی مسیر نور را خم کند. این محصول در تصویر بالا قابل مشاهده است
در تصویر بالا، MACHO-96-BL5 توسط گرانش مورد اصابت قرار گرفت و تلسکوپ فضایی هابل با رصد این رویداد، تفاوت را مشاهده کرد. بنابراین، پس از بررسی و بررسی، محققان متوجه شدند که یک سیاهچاله از آن عبور کرده است.
تابش - تشعشع
هنگامی که ماده در یک سیاهچاله فرو می ریزد و یک ستاره همراه ایجاد می کند، جسم گرم می شود و تا میلیون ها درجه کلوین شتاب می گیرد. مواد بسیار داغ اشعه ایکس قابل اندازه گیری ساطع می کنند.
ستاره Cygnus X-1 منبع پرتو ایکس قوی و نامزد خوبی برای سیاهچاله است. همانطور که در تصویر بالا می بینید، تابش خورشیدی از ستاره HDE 226868 اجسام زیادی را به صفحه چرخان سیاهچاله هل می دهد. به محض ورود ماده به سیاهچاله، اشعه ایکس شروع به تابش می کند.
علاوه بر اشعه ایکس، سیاهچاله ها می توانند مواد را با سرعت بالا به بیرون پرتاب کنند و منابع اخترفیزیکی ایجاد کنند. ستاره های زیادی با چنین اجرامی رصد شده اند. در حال حاضر، اعتقاد بر این است که سیاهچاله های بسیار پرجرم در مرکز این ستاره ها وجود دارد. نمونه ای از آنها را در تصویر بالا مشاهده می کنید.
البته به یاد داشته باشید که سیاهچاله ها جاروبرقی در فضا نیستند، از هیچ چیزی استفاده نمی کنند. بنابراین، اگرچه ما نمی توانیم آنها را ببینیم، اما شواهد غیرمستقیم وجود آنها را تأیید می کند. بسیاری از دانشمندان، نظریه پردازان و حتی رمان نویسان سیاهچاله ها را با سفر در زمان و کرم ها مرتبط می دانند و در وجود آن شکی نیست.