سیاه چاله چیست؟
شاید شگفت‌انگیزترین اجرام کیهانی سیاه چاله‌ها باشند. یک سیاه چاله با نیروی گرانش بسیار عظیمش هر چیزی را به درون خود می‌بلعد، و هیچ چیزی حتی نور قادر به فرار از آن نیست. در این مطلب کوتاه با این اجرام آسمانی عجیب آشنا می‌شویم.
گرانش: نیروی اصلی
اصلی‌ترین و کلیدی‌ترین نیرویی که در یک ستاره اثر می‌گذارد نیروی گرانش است. درواقع این نیرو است که باعث ایجاد و شکل‌گیری ستاره می‌شود، سیر تحول و زندگی ستاره را کنترل می‌کند و در نهایت هم نوع مرگ یا مراحل پایانی عمر آن ستاره را مشخص می‌کند. البته این نیرو بستگی مستقیم به جرم ستاره دارد، یعنی به مقدار ماده‌ای که ستاره را ساخته است. به همین علت در بررسی تحولات ستاره‌ای، طبقه‌بندی ستارگان براساس جرم آن‌ها انجام می‌شود که جرم آن‌ها هم برپایه جرم خورشید بیان می‌شود.
ستارگانی که جرم آن‌ها بسیار زیاد است و بیش از ۲۰ برابر خورشید جرم دارند، عمر بسیار کوتاهی دارند و در آخر با یک انفجار مهیب ابرنواختری، به زندگی خود خاتمه می‌دهند. در اثر این انفجار بیشترین بخش از ماده ستاره به فضا پرتاب می‌شود و فقط هسته کوچکی از ستاره باقی خواهد ماند.
برای چنین ستارگان بزرگی، احتمالا جرم این کره باقی‌مانده بیش از ۳ برابر جرم خورشید خواهد بود. از طرفی این کره هنگام انفجار ابرنواختری و پس از آن دچار یک رُمبش (فروریزش) شدیدی می‌شود که قطر آن را به کمتر از ۱۰ کیلومتر می‌رساند. وجود چنین جرم زیادی در یک حجم بسیار کوچک باعث می‌شود نیروی جاذبه (گرانش) آن بسیار قوی و شدید شود. در این حال نیروی گرانش به قدری زیاد می‌شود که حتی نور هم توان جدا شدن از سطح آن را نخواهد داشت. چنین جسمی یک سیاه چاله است.
سرعت فرار
توضیح بیشتر این‌که: هر جسمی با توجه به جرم و تراکمی که در خود دارد نیروی جاذبه خاصی را ایجاد می‌کند. این نیروی جاذبه (گرانش) اجسام مجاورش را به سمت آن جذب می‌کند. مثلا زمین به همه اجسام مجاورش نیروی جاذبه مشخصی وارد می‌کند و آن‌ها را به سمت خودش می‌کشد. حال اگر بخواهیم یک جسم کوچکی را مثلا یک توپ را از سطح زمین دور کنیم باید آن را به بالا پرتاب کنیم. تجربه کرده‌اید که هر چه قدرت شما در پرتاب بیشتر باشد، توپ سرعت بیشتری می‌گیرد و به ارتفاع بالاتری از زمین می‌رسد. حال اگر سرعتی که به توپ می‌دهید آن‌قدر زیاد باشد که توپ از سطح زمین به قدری بالا رود که دیگر برنگردد، توپ از قید گرانش زمین فرار می‌کند.
مقاله مرتبط: «۷ نکته از سیاه‌چاله‌ها»
به این سرعت مورد نیاز، سرعت فرار از سطح زمین گفته می‌شود که بستگی به اندازه و جرم زمین دارد. به عنوان مثلا سرعت فرار از سطح زمین در منطقه استوا، برابر ۱۱/۲ کیلومتر بر ثانیه است (کمی بیش از ۴۰٫۰۰۰ کیلومتر بر ساعت!!) . اگر جسم مرکزی که در این‌جا کره زمین است، متراکم‌تر (چگال‌تر) و پرجرم‌تر باشد، این سرعت فرار بیشتر خواهد بود. سرعت فرار از سطح خورشید به مراتب بیش از زمین و سرعت فرار از سطح ماه خیلی کمتر از زمین است.
به موضوع اصلی برگردیم که سیاه چاله بود. در واقع در یک سیاه چاله قدرت نیروی گرانش در سطح آن به قدری زیاد و عظیم است که سرعت فرار از سطح آن بیش از سرعت نور شده است. در نتیجه هیچ جسم یا علامتی قدرت فرار از سطح آن را نخواهد داشت. حتی نور هم نخواهد توانست از سطح آن فرار کند. چرا که بیشترین سرعتی که در طبیعت می‌توان به دست آورد، سرعت نور است.
افق رویداد
البته وضع این طور نیست که سیاه چاله‌ها مثل یک جاروبرقی باشند که همه چیز را به درون خود می‌مکند. بلکه اگر ماده و جسمی به فاصله خاصی از مرکز آن برسد، در دام گرانش آن خواهد افتاد. این فاصله (یا شعاع) بستگی مستقیم به جرم سیاه چاله دارد و به «شعاع شوارتزشیلد» معروف است و سطحی که پیرامون آن در این شعاع قرار دارد «افق رویداد» نام دارد. مثلا اگر خورشید می‌توانست به یک سیاه چاله تبدیل شود، شعاع شوارتزشیلد آن ۳ کیلومتر می‌شد. و اگر جرم یک سیاه چاله ۱۰ برابر خورشید باشد، شعاع افق رویداد آن ۳۰ کیلومتر خواهد بود.
در فاصله‌های دورتر از افق رویداد، اتفاقی برسر اجسام نمی‌افتد مگر این‌که در یک مسیر مارپیچی در جهت جذب سیاه چاله باشد. ما از درون افق رویداد هیچ اطلاعی نداریم، چون هیچ علامتی وجود ندارد که از آن به بیرون نفوذ کند. فقط بر اساس مدل‌های ریاضی‌ای که براساس نسبیت عام و مکانیک کوانتومی بنا شده‌اند، می‌توانیم حدس بزنیم که در آن داخل چه خبرهایی هست.
سیاه چاله‌های بسیار پرجرم
البته سیاه چاله‌هایی که فرآیند ایجادشان را توصیف کردیم، فقط یک نوع از سیاه چاله‌ها هستند. انواع دیگری از آن‌ها در کیهان موجود است که معروف‌ترین آن‌ها سیاه چاله‌های بسیارپرجرم در مرکز کهکشان‌های مارپیچی و بیضوی هستند. برخی از دانشمندان در اواخر قرن بیستم حدس می‌زدند که در مرکز برخی از کهکشان‌ها سیاه چاله‌های بسیار بزرگ وجود دارد. اکنون مطمئن هستیم که در مرکز کهکشان خودمان (راه شیری) یک سیاه چاله بسیار پرجرمی وجود دارد که حدود ۴ میلیون برابر خورشید جرم دارد و در فضایی خیلی کوچکتر از مدار سیاره عطارد محصور است! حتی در مرکز برخی از کهکشان‌های دیگر سیاه چاله‌هایی با جرم‌های چند میلیارد برابر خورشید هم کشف شده است. سازوکار تشکیل این سیاه چاله‌های عظیم، غیر از آن چیزی است که در بالا توصیف شد.
سوالات بسیار
آیا سیاه چاله‌ای رصد و مشاهده شده است؟
اگر آن‌ها تاریکند پس چطور مشاهده می‌شوند؟
اگر به داخل آن‌ها سقوط کنیم، چه اتفاقی می‌افتد؟ چه چیزی مشاهده خواهیم کرد؟ آیا فضای بیرون را می‌بینیم؟ چه می‌بینیم؟
ماده در درون سیاه چاله چه می‌شود؟
انواع سیاه چاله‌ها چیست؟
اگر زمین از نزدیکی یک سیاه چاله عبور کند، چه می‌شود؟
این‌ها نمونه سوالات زیادی است که در خصوص سیاه چاله‌ها مطرح است و برای آن‌ها جواب‌های کاملی وجود دارد. پاسخ برخی از آن‌ها را در مطالب بعدی سایت می‌توانید مطالعه کنید.
نویسنده: محمد همایونی
۱۷ بهمن ۱۳۹۵
ویرایش: ۵ اردیبهشت ۱۴۰۰
