نوشته‌ها

تصویر سیاه چاله در مرکز کهکشان M87

انتشار نخستین تصویر واقعی از یک سیاه چاله

انتشار نخستین تصویر از یک سیاه‌چاله

تعداد بازدید: 211

این صفحه در حال به روزرسانی است…

شبیه سازی نخستین تصویر سیاه چاله

امتیاز تصویر از: BRONZWAER, DAVELAAR, MOSCIBRODZKA AND FALCKE/RADBOUD UNIVERSITY

شبیه‌سازی اولیه از نخستین تصویر احتمالی از افق رویداد سیاه‌چاله‌های ابرسنگین در مرکز کهکشان

 

پروژه تلسکوپ رادیویی «افق رویداد» (EHT)، یک طرح بین المللی است که با متصل کردن چندین تلسکوپ رادیویی در سراسر کره زمین، قصد دارد اولین تصویرها را به صورت مستقیم از لبه‌ی سیاه‌چاله‌ها ثبت کند.

قرار است در کنفرانس‌های خبری‌ای که به صورت همزمان در کشورهای بلژیک، دانمارک، امریکا، چین و تایوان، برگذار می‌شوند؛ اولین نتایج این پژوهش منتشر شود. این کنفرانس‌ها روز چهارشنبه ۲۱ فروردین ۱۳۹۸ ساعت ۱۷:۳۰ به وقت تهران برگذار می‌شوند.

اخترشناسان برای آن‌که بتوانند به قدرت تفکیک بسیار بالا دست یابند، تلسکوپ‌های رادیویی زیادی را در سراسر کره زمین، با هم ترکیب می‌کنند تا خروجی آن‌ها همچون خروجی یک تلسکوپ رادیویی به قطر کره زمین باشد. منتظر هستیم که در این کنفرانس خبری، نتایج به دست آمده از دو سیاه‌چاله ابرسنگین در مرکز کهکشان راه شیری و کهکشان M87 را منتشر کنند. به احتمال بسیار زیاد باید منتظر نتایج هیجان انگیزی باشیم که تلسکوپ رادیویی افق رویداد، چنین پوشش خبری بزرگی را برای آن تدارک دیده است.


مقاله مرتبط: ۷ نکته از سیاه‌چاله‌ها


برای دیدن این کنفرانس‌های خبری به صورت زنده می‌توانید به یکی از لینک‌های زیر مراجعه کنید:

سایت رسمی تلسکوپ افق رویداد

رصدخانه جنوبی اروپا

 


و بالاخره انتظارها به پایان رسید

و اولین تصویر از یک سیاه‌چاله و افق رویدادش که به صورت مستقیم و واقعی توسط بشر ثبت شده است، منتشر شد:

سیاه چاله ابرپرجرم در مرکز کهکشان M87

اولین تصویر مستقیم از سیاه چاله مرکزی کهکشان M87 ـ امتیاز تصویر: EHT Collaboration

تصویر فوق در کنفرانس خبری‌ای که عصر روز چهارشنبه ۲۱ فروردین ۱۳۹۸ (به وقت تهران) برگذار شد، به عنوان اولین عکس ثبت شده توسط بشر از افق رویداد و سایه‌ی یک سیاه چاله منتشر شد. این عکس توسط مجموعه تلسکوپ‌های رادیویی به نام «افق رویداد» ثبت شده است.

این‌جا مرکز کهکشان عظیم M87 در فاصله ۵۵ میلیون سال نوری از زمین است و این سیاه‌چاله‌ی ابرسنگین، ۶٫۵ میلیارد برابر جرم خورشید را در خود جای داده است. قطر سیاه چاله کمتر از ۴۰ میلیارد کیلومتر تخمین زده شده است که حدود ۲٫۵ مرتبه کوچکتر از آن قرص سیاه رنگ مرکزی است که به نام سایه‌ی سیاه‌چاله معرفی شده است.

فکر نکنید که ۴۰ میلیارد کیلومتر عدد بزرگی است. در واقع چیزی که تلسکوپ افق رویداد توانسته تفکیک و آشکار کند، مثل این است که بخواد یک کارت بانکی را بر سطح کره ماه و از روی زمین مشاهده کند!!

مقایسه اندازه سیاه چاله مرکزیدر M78

مقایسه اندازه سیاه چاله مرکزی در M78

به گفته‌ی یکی از مدیران تلسکوپ افق رویداد، این عکس شاهکاری استثنایی از همکاری علمی بیش از ۲۰۰ پژوهشگر در سراسر جهان است!

کهکشان بیضوی M87

کهکشان M87 ـ امتیاز تصویر: ESO

 

 

نویسنده: محمد همایونی

 

 

تشکیل سیاه چاله های ابرسنگین اولیه

شبیه سازی تشکیل سیاه‌چاله‌های ابرسنگین در آغاز عالم

ایجاد سیاه چاله های ابرسنگین در عالم آغازین

ایجاد سیاه چاله های ابرسنگین در عالم اولیه

زمانی که کیهان هنوز در دوران کودکی خود بود، یعنی در کمتر از یک میلیارد سالگی‌اش؛ برخی از ستارگان فوقِ سنگینش به سیاه‌چاله‌هایی بسیار عظیم و بزرگ تبدیل شدند. یکی از رازهای کلیدی در اخترشناسی این است که:‌ «چرا در کیهانِ آغازین سیاه‌چاله‌های ابَرسنگین به تعداد زیاد وجود داشته‌اند؟»

مطالعات جدید که توسط بنیاد ملی علم انجام شده است (این مطالعات تحت حمایت مالی ناسا و کمک‌های کمیسیون اروپا انجام شده) پیشنهاد می‌کند که سیاه‌چاله‌های سنگین هنگامی رشد کرده و بزرگ می‌شوند، که کهکشان‌ها به سرعت تشکیل شوند. یعنی سرعت تشکیل کهکشان‌ها در آن عالمِ آغازین بالا باشد. این پژوهش و یافته‌ها بر اساس «شبیه‌سازی رنسانس» انجام شده است.

تأثیر سرعت تشکیل کهکشان‌ها:

شبیه‌سازی‌های رنسانس جامع‌ترین شبیه‌سازی‌هایی است که ابتدایی‌ترین مراحلِ گردهم‌آوری و برهمکنش گرانشیِ گاز اولیه‌ای را نشان می‌دهد که پس از مهبانگ، منجر به تشکیل اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها شده است. این گاز ابتدایی، ترکیبی از هیدروژن، هلیوم و ماده تاریک سرد است.

این مطالعاتِ مبنی بر شبیه‌سازی، که در ۲۳ ژانویه ۲۰۱۹ در نشریه نیچر منتشر شد؛ همچنین بیان می‌کند که وجود سیاه‌چاله‌های ابرسنگین خیلی بیش از آن‌چه که قبلا تصور می‌شد، رایج هستند.

بر اساس سناریویی که به تازگی در این شبیه‌سازی کشف شده این معیار کلیدی که: «تعیین مکان سیاه‌چاله‌های سنگینی که در دوران کودکی کیهان شکل گرفته‌اند، وابسته به رشد سریع ابرهای گازیِ پیش ـ کهکشانی‌ای است که پیشگام تشکیل کهکشان‌های امروزی هستند» بدین معنی است که سیاه‌چاله‌های ابرسنگین در عالم آغازین، منشأ یکسانی داشته‌اند.

برای تشکیل یک کهکشان به ستاره‌ها نیاز است، که این ستاره‌ها از درون ابرهای گازی متولد می‌شوند. اما به ماده‌ای نامرئی که همانند چسبی این ستاره‌ها را نگاه می‌دارد تا از کهکشانِ خودشان فرار نکنند هم نیاز است: آری، ماده تاریک! در این شبیه‌سازی جدید مشخص شده است که اگر ساختار «هاله»ی ماده تاریک در ابتدای عمر خودش به سرعت رشد کند، جریان تشکیل ستارگان فروخواهد نشست. در عوض سیاه‌چاله‌های سنگین می‌توانند قبل از آن‌که کهکشان به تکامل برسد، تشکیل شوند. این سیاه‌چاله‌های سنگین در رقابتِ مصرف گازهای اولیه‌ای که می‌توانند به ستارگان زیادی تبدیل شوند، برنده می‌شوند و به راحتی و با سرعت، گازهای فراوانی را که در آن فضاها وجود دارند، فرو می‌بلعند و بزرگ و بزرگ‌تر می‌شوند.

قسمتی از شبیه ساز رنسانس

امتیاز تصویر:Advanced Visualization Lab, National Center for Supercomputing Applications 

این تصویر ناحیه‌ای به وسعت ۳۰٫۰۰۰ سال نوری را از شبیه‌ساز رنسانس نشان می‌دهد. ناحیه‌ای که مرکز آن خوشه‌ای از کهکشان‌های جوان، تابش‌ها (سفید) و فلزات (سبز) را تولید کرده‌اند. و همین تابش‌ها موجب گرم شدن گازهای اطراف آن‌ها شده است. هاله ماده تاریکِ خارج از این ناحیه گرم شده توانسته سه ستاره ابَرسنگین را تولید کند (داخل کادر) که هرکدام ۱۰۰۰ برابر خورشید جرم دارند. این ستاره‌ها به سرعت به سیاه‌چاله‌های سنگین فرومی‌رمبند و در نهایت پس از چند میلیارد سال به سیاه‌چاله‌های ابرسنگین تبدیل می‌شوند.

تئوری‌های پیشین دانشمندان می‌گفت که تابش‌های قدرتمند کهکشان‌های دیگر موجب توقف جریان ستاره‌سازی در این ناحیه‌های جوان که شامل سیاه‌چاله‌های سنگین هستند، می‌شده است و همین امر به رشد و توسعه بیشتر آن سیاه‌چاله‌ها کمک می‌کرده است. اما پژوهش و شبیه سازی جدید، مکانیزم کاملا جدیدی را آشکار کرده است که  منجر به شروع شکل‌گیری سیاه‌چاله‌های عظیم در هاله‌های ماده تاریک در اطراف کهکشان‌ها می‌شود. این مکانیزم نشان می‌دهد که سرعت زیاد در توسعه کهکشان‌ها نکته کلیدی در رشد سیاه‌چاله‌های ابرسنگینِ آغازین هستند.

ایجاد سیاه چاله های ابرسنگین در عالم آغازین

امتیاز تصویر: John Wise, Georgia Institute of Technology

این تصویر قسمت کوچکی به ابعاد ۳۰ سال نوری از هاله ماده تاریک را در این خوشه کهکشانی جوان نشان می‌دهد. قرص چرخان گازها به سه توده تقسیم شده که هر کدام تحت اثر نیروی گرانشِ خودش به یک ستاره فوق سنگین تبدیل می‌شوند.

 

سیاه‌چاله‌ها:

سیاه‌چاله فشرده‌ترین و چگال‌ترین جسم نجومی است که هیچ چیزی حتی نور هم قدرت فرار از آن را ندارد! هنگامی که ستاره سنگینی در یک انفجار ابرنواختری منفجر شود، می‌تواند سیاه‌چاله‌ای را از خود به جای بگذارد. به این دسته از سیاه‌چاله‌ها، سیاه‌چاله کوچک و ستاره‌گون گفته می‌شود. از طرف دیگر یک ستاره فوق سنگین می‌تواند به سرعت، تمام سوخت خود را بسوزاند و بدون هیچ انفجاری، به علت شدت زیاد نیروی گرانش مستقیما به یک سیاه‌چاله تبدیل شود. دانشمندان می‌گویند این حالت دوم است که چگونگی تشکیل تعداد زیادِ سیاه‌چاله‌های بسیار سنگین در پیش ـ کهکشان‌هایی که به سرعت در حال تشکیل هستند، را توجیه می‌کند.

 

نقش ماده تاریک:

ماده تاریک، قسمت زیادی از ماده موجود در عالم است که با وجودی که هنوز به صورت مستقیم مشاهده نشده است؛ اما آثار گرانشیِ کاملا مشخص و مهمی را از آن  در ساختار کهکشان‌ها (به خصوص کهکشان‌های مارپیچی) و خوشه‌های کهکشانی، مشاهده می‌کنیم. این ماده در تحول کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی نقشی کلیدی دارد. براساس مدل‌ها و شبیه‌سازی‌های انجام شده در مورد سیر تحول کیهان در آن دوران‌های اولیه، آثار بسیار مهمی هم از این ماده تاریک مشاهده می‌شود. به عنوان مثال کهکشان‌های اولیه در مراحل آغازین تشکیل‌شان حتما نیاز به هاله‌ای از ماده تاریک در اطرافشان دارند تا هم گازهای داغِ اولیه را در ساختار کهکشان نگه دارند و هم مانع فرار ستاره‌هایی که در آن‌ها ساخته می‌شوند، بشوند. ماده تاریک بر روی هاله‌های کهکشان‌ها فرومی‌ریزد و همچون یک چسب گرانشی برای همه کهکشان‌ها عمل می‌کند.

بر اساس تئوری‌های موجود، توده‌های عظیمی از گازهای اولیه که منشأ تشکیل کهکشان‌های آغازین بوده‌اند، دمای‌شان به قدری بالا بوده که نمی‌توانسته‌اند به خودی خود در اثر نیروی گرانش خودشان به اجسام پایداری یعنی کهکشان‌ها تبدیل شوند. ولی گرانشِ ناشی از ماده تاریک که به صورت هاله‌ای اطراف آن توده‌های گازی را احاطه کرده‌اند، باعث شده تا ستاره‌هایی که در این کهکشان‌های اولیه شکل یافته‌اند، در کنار هم باقی بمانند و فرصتِ شکل یافتن یک کهکشان را داشته باشند.

محققان این پژوهش برای زوم کردن روی توده‌های متراکمی که ستاره‌ها و سیاه‌چاله‌ها را در این شبیه‌سازی می‌سازند، از تکنیکی به نام پالایش شبکه تطبیقی استفاده می‌کنند. به علاوه آن‌ها در این شبیه‌سازی، منطقه‌ای به قدر کافی بزرگ از کیهان اولیه را برای تشکیل هزاران جرم کیهانی پوشش می‌دهند؛ که این الزامی برای مطالعه اجرام نادری همچون سیاه‌چاله‌های ابرسنگین اولیه است. در واقع برای رسیدن به چنین نتیجه‌ای، تفکیک بالا، فیزیک غنی و نمونه‌های بزرگی از هاله‌های فروریزنده نیاز است.

 

تهیه و تنظیم: محمد همایونی

منابع: nasa.gov و sciencedaily.com

 

۷ نکته از سیاه چاله ها

همه ما عکس‌های زیادی از سیاه چاله‌ها را در فیلم‌ها یا عکس‌های مختلف دیده‌ایم ولی مطمئنیم که هیچ کدام از آن‌ها تصویر واقعی از یک سیاه چاله نیستند. هرچند که سیاه چاله‌ها مرموزترین اجرام کیهانی هستند ولی آن‌قدر هم در این عالم نادر و کمیاب نیستند؛ بلکه یقین داریم که سیاه چاله‌ها واقعا وجود دارند. بنابراین سوال ساده‌ای پیش می‌آید که آن‌ها چه چیزی هستند؟

آموزش نجوم توسط محمد همایونی سیاه چاله

تصویر شبیه سازی از سیاه چاله

این مقاله مخصوص اعضای ویژه است و به زودی دسترسی عمومی آن محدود می‌شود

۱ـ  تشکیل یک سیاه چاله

تقریبا هر ستاره‌ای که بیش از ۲۰ برابر خورشید جرم داشته باشد، در نهایت به یک سیاه چاله تبدیل می‌شود. یک ستاره در طول عمر اصلی خود سوخت هیدروژنش را مصرف می‌کند و با تبدیل آن به هلیوم، مقدار زیادی انرژی و گرما هم تولید می‌کند. هنگامی که این مخزن اصلی هیدروژن در هسته ستاره تمام می‌شود، دوران اصلی زندگی ستاره آرام آرام به انتهای خود نزدیک می‌شود. پس از آن ستاره چند مرحله را می‌گذارند که همراه با سوختن عناصر دیگر در هسته ستاره است. در ستارگان بسیار سنگین، این مرحله‌ها به سرعت طی می‌شوند و براثر غلبه نیروی بسیار قوی گرانش بر نیروی فشار تابشی؛ قسمت‌های داخلی ستاره بر روی مرکز فرومی‌ریزند و در نهایت منجر به یک انفجار بسیار شدید ستاره‌ای می‌شوند که آن را «انفجار ابرنواختری» می‌گوییم.

آموزش نجوم توسط محمد همایونی انفجار ابرنواختری

انفجار ابرنواختر (شبیه سازی)

در اثر انفجار ابرنواختری، مقدار بسیار زیادی از ماده ستاره به فضا پرتاب می‌شود و از ستاره فقط یک قسمت مرکزی با دمای بسیار زیاد باقی می‌ماند. اگر جرم این کره باقی مانده کمتر از ۳ برابر خورشید باشد فشار و تراکم آن به قدری زیاد است که الکترون‌ها با پروتون‌ها ترکیب شده و همه حجم این کره به ذرات نوترون چسبیده به هم تبدیل می‌شوند: ستاره نوترونی.

ولی اگر جرم آن هسته باقی‌مانده بعد از انفجار بیش از ۳ برابر خورشید باشد، این نوترون‌ها هم نمی‌توانند در مقابل نیروی عظیم گرانش به سمت مرکز مقاومت کنند و بازهم این کره متراکم و کوچک‌تر می‌شود. این فشرده شدن باعث می‌شود شدت گرانش به قدری زیاد شود که این جسم به ناحیه‌ای تبدیل شود با گرانش فوق العاده عظیم که حتی نور هم نخواهد توانست از آن فرار کند. دقت کنید که این اتفاقات در بین ستارگان، بسیار طبیعی و نرمال هستند و تبدیل ستارگان خیلی بزرگ به سیاه چاله یک مرگ معمولی برای آن‌هاست. سیاه چاله‌های این چنینی که جرم‌هایی در حد جرم ستارگان دارند، فقط یک دسته از انواع سیاه چاله‌ها هستند. اما … .

البته در مرکز کهکشان راه شیری، وضع به صورت دیگری است. یک سیاه چاله بسیار پرجرم در مرکز آن قرار دارد که ۴/۳ میلیون برابر خورشید جرم دارد! تراکم ستارگان در مرکز راه شیری بسیار بیشتر از نواحی بیرونی کهکشان است و طبیعتا جمعیت سیاه چاله‌های موجود در این منطقه هم باید بسیار بیشتر باشد. و احتمالا این سیاه چاله‌های زیاد در آن فضای متراکم، به هم برخورد کرده و باهم ترکیب شده‌اند تا آن سیاه چاله بسیار پرجرم مرکزی را ساخته‌اند.

آموزش نجوم توسط محمد همایونی سیاه چاله مرکزی راه شیری

«A* قوس» در پرتوی ایکس

این سیاه چاله مرکزی در امتداد صورت فلکی قوس قرار دارد و آن را «A* قوس» نام گذاشته‌اند. از این گونه سیاه چاله‌های بسیار پرجرم فقط در مرکز اغلب کهکشان‌های بزرگ مارپیچی و بیضوی مشاهده شده‌اند و گمان اخترشناسان بر این است که سیاه چاله‌های ستاره گون (جرم-ستاره‌ای) یعنی همان دسته اول، در نواحی بیرونی کهکشان توزیع شده‌اند.

۲ـ  چرا سیاه چاله‌ها سیاه‌اند؟

سیاه چاله‌ها واقعا سیاه‌اند، چون هیچ نوری از سطح آن‌ها به بیرون راه پیدا نمی‌کند. این موضوع هم برمی‌گردد به اندازه سرعت فرار در سطح سیاه چاله! سرعت مورد نیاز برای فرار از جاذبه گرانشی یک جسم را «سرعت فرار» آن می‌گویند. این سرعت بستگی به جرم جسم و فاصله از آن دارد. به عنوان مثال برای آن‌که یک سفینه فضایی بتواند از جاذبه زمین فرار کنند باید سرعت ۱۱/۲ کیلومتر بر ثانیه به دست آورد.

اما در مورد سیاه چاله‌ها موضوع خیلی فرق دارد؛ چراکه در آن‌ها مقدار بسیار زیاد ماده در یک فضای بی‌نهایت کوچک متراکم شده و نیروی گرانش فوق العاده عظیمی را ایجاد کرده است. این گرانش به قدری زیاد است که سرعت فرار در مجاورت آن‌ها بیشتر از سرعت نور خواهد بود. از این رو نه تنها ذرات ماده، بلکه فوتون‌های نور هم نخواهند توانست از سطح سیاه چاله فرار کنند و بنابراین هیچ نوری از سطح آن خارج نخواهد شد و واقعاً یک سیاه چاله تاریک و سیاه خواهد بود.

البته توصیف دقیق‌تر آن بر اساس تئوری نسبیت عام این است که مقدار جرم یک جسم و تراکم آن در یک منطقه از فضا باعث ایجاد انحنا در ساختار فضا-زمان می‌شود. مقدار این انحنا و خمیدگی نشان دهنده شدت نیروی گرانش جسم مورد نظر در آن منطقه است. هر چقدر که جرم جسم و تراکم آن در فضا بیشتر باشد، مقدار این خمیدگی و انحنای فضا-زمان هم بیشتر خواهد بود. سیاه چاله به قدری جرم متراکم در خودش دارد که باعث می‌شود فضا-زمان در یک نقطه بر روی خودش بپیچد. از طرفی پرتوهای نور هم در حرکت خود مقید هستند که در ساختار فضا-زمان حرکت کنند؛ بنابراین پرتوهای نور هم هرگز نخواهند توانست از قید انحنای شدید چنین فضا-زمان خمیده‌ای خارج شوند. و این یعنی سرعت فرار بیش از سرعت نور شده است.

۳ـ  ساختار یک سیاه چاله:

اما به سراغ داخل این اجرام مرموز کیهانی می‌رویم، از درون آن‌ها چه اطلاعی داریم؟ از آن داخل چه خبر؟

با مطالعه سیاه چاله‌ها پی می‌بریم که هر سیاه چاله از سه ناحیه فعال ساخته شده است: ۱- تکینگی  ۲- افق رویداد  ۳- ارگوسفر (کارکره).  ناحیه سوم مخصوص سیاه چاله‌های چرخان است، و اگر سیاه چاله‌ای چرخان نباشد، آن را ندارد. البته چون ستارگان در حال چرخش هستند، پس سیاه چاله‌ای هم که از آن ایجاد می‌شود حتما چرخان خواهد بود.

        ۱ـ  تکینگی:

ماده و امواج الکترومغناطیسی در مجاورت سیاه چاله به داخل آن مکیده می‌شوند. هرچه به آن نزدیک‌تر شوند، نیروهای گرانشی هم قوی‌تر می‌شوند. البته این قدرت جاذبه همزمان با مکش بیشتر، زیادتر هم می‌شود. اما سوال مهم این است که این مواد به کجا می‌روند؟

نقطه‌ای را که مواد مکیده شده به آن وارد می‌شوند «تکینگی» می‌گویند که در حال حاضر فقط یک توصیف نظری بر اساس معادلات فیزیک و ریاضی از آن‌ها در دست داریم. به وسیله معادلاتی که دانشمندان در اختیار دارند، می‌توانند موقعیت این نقطه و شرایط حاکم بر آن را توصیف کنند. البته به صورت ریاضی، چرا که ما شاهدی فیزیکی و تجربی از درون تکینگی در دست نداریم. همه معادلات ریاضی و فیزیکی، ویژگی‌های این نقطه را در قالب «بی‌نهایت» توصیف می‌کنند، مانند کوچکی بی‌نهایت و چگالی بی‌نهایت و انحنای بی‌نهایت!

تکینگی موجودیتی عجیب دارد، زیرا عبارت است از جسم یا وجودی در طبیعت که ماده و انرژی در یک «نقطه» متراکم شده‌اند! و ازین‌رو خواص اعجاب انگیز و دور از ذهنی هم خواهد داشت.

آموزش نجوم ساختار سیاه چاله

ساختار سیاه چاله

        ۲ـ  افق رویداد و شعاع شوارتزشیلد:

افق رویداد یک سطح است، سطحی مرزی که دیگر از آن نوری خارج نمی‌شود. در حقیقت هویت یک سیاه چاله با افق رویدادش مشخص می‌شود، این سطح ناحیه تاریکی در فضا را مشخص می‌کند که سرعت فرار در این سطح از سرعت نور بیشتر است. به طور معمول هم اصطلاح «سیاه چاله» را به این منطقه از فضا می‌گویند. هر چیزی (چه ذرات مادی و چه فوتون‌های نور) که به این سطح مرزی برسد، دیگر نمی‌تواند از آن فرار کند و به ناچار به داخل تکینگی کشیده می‌شود. فاصله بین تکینگی تا افق رویداد را شعاع شوارتزشیلد می‌نامند. اندازه این شعاع هم بزرگی سیاه چاله را مشخص می‌کند که ارتباط مستقیم دارد با جرم موجود در سیاه چاله. پس اگر سیاه چاله‌ای در حال مکیدن ماده به درون خود باشد، دائما اندازه‌اش هم بزرگتر خواهد شد.

        ۳ـ  اِرگوسفر (کارکره):

اِرگوسفر ناحیه‌ای است در اطراف افق رویداد که نیروی گرانش شروع به تحت تأثیر قرار دادن حرکت اشیاء نزدیک می‌کند. مواد و اجسامی که در این ناحیه باشند، دیگر نمی‌توانند در مدت طولانی به حالت پایدار در فضا باقی بمانند. با توجه به فاصله بین جسم و افق رویداد، شدت نیروی گرانش می‌تواند بسیار زیاد یا ضعیف باشد. در نزدیکی افق رویداد که سرعت فرار به سرعت نور نزدیک می‌شود، شدت نیروی گرانش باعث خرد شدن اجسام شده و سرانجام مواد آن‌ها را به داخل سیاه چاله فرو می‌کشد.

در فاصله‌های دورتر از ارگوسفر، عملا اثرات خاصی مشاهده نخواهد شد و می‌توان آن‌جا را ناحیه امن نام گذاشت. اجسامی هم که در محدوده ارگوسفر قرار بگیرند، در صورتی که بتوانند به سرعتی بالاتر از سرعت فرار در آن ناحیه برسند، خواهند توانست از قید آن فرار کنند.

تئوری نسبیت عام پیش بینی می‌کند که هر جسم چرخانی فضا-زمان اطرافش را به همراه خود می‌پیچاند. و همین ویژگی باعث می‌شود تا ارگوسفر فقط ویژه سیاه چاله‌ها نباشد و اطراف هر جسم معمولی کیهانی نظیر زمین، سیارات و ستارگان هم وجود داشته باشد. ولی ویژگی‌های سیاه چاله خیلی عجیب و غریب است!

۴ـ  اندازه سیاه چاله:

همان‌طور که در بحث گذشته مورد توجه قرار گرفت، سیاه چاله به عنوان ناحیه‌ای در درون افق رویداد در نظر گرفته می‌شود. با توجه به محاسبات تئوری و نتایج رصدی، اگر یک سیاه چاله ۱۰ برابر خورشید جرم داشته باشد، شعاعی حدود ۳۰ کیلومتر خواهد داشت، درحدود اندازه یک سیارک. این نشان می‌دهد که سیاه چاله‌ها اجسام بسیار کوچکی هستند. البته سیاه چاله‌های بسیار پرجرم در مرکز کهشکان‌ها به نسبت از این اندازه بزرگترند، ولی بازهم در مقابل اندازه اجسام کیهانی، خیلی کوچکند. مثلا تخمین زده شده که افق رویداد سیاه چاله «A* قوس» در حد مدار سیاره عطارد باشد. ولی تصور می‌شود ارگوسفر فعال آن ۱۰ روز نوری قطر دارد.

۵ـ  چگونه می‌توانیم یک سیاه چاله را آشکار کنیم؟

به چند روش می‌توان وجود سیاه چاله را آشکار کرد که عبارتند از:

     ۱ـ  حرکت اجرام مجاور:

با توجه به جذب کامل نور توسط سیاه چاله، غیرممکن است که بتوان آن را به صورت مستقیم مشاهده کرد. همانطور که نمی‌توانیم باد را مستقیما مشاهده کنیم ولی از حرکت و جنبش برگ درختان پی به حضور باد می‌بریم. جرم زیاد سیاه چاله‌ها هم باعث می‌شود که بتوانیم اثراتی را که بر حرکت اجسام مجاورش می‌گذارد مشاهده کنیم و از این طریق وجودش را اثبات کنیم.

پژوهشگران زیادی از سال ۱۹۹۸ میلادی شروع به جمع‌آوری اطلاعات مداری ۹۰ ستاره‌ای که در همسایگی «A* قوس» قرار دارند، کردند و توانستند مسیر حرکت و نحوه حرکت‌شان را به دور یک نقطه مشترک در فضا مشخص کنند. با استفاده از قوانین مداری کپلر، و به کار بردن این داده‌ها توانستند اطلاعات دقیقی از موقعیت و جرم آن سیاه چاله مرکزی کهکشان راه شیری را به دست آورند.

آموزش نجوم توسط محمد همایونی

مدار چند ستاره در مرکز راه شیری

     ۲ـ  تابش‌های اشعه X:

همان‌طور که مواد میان ستاره‌ای به سوی یک سیاه چاله کشیده می‌شوند، شتاب می‌گیرند. و هر چه به سیاه چاله نزدیک‌تر می‌شوند، این شتاب بیشتر و بیشتر می‌شود. از طرفی همین شتاب باعث می‌شود که دمای آن‌ها بالا رود. این افزایش دما به قدری زیاد می‌شود که این گازها به دماهای چندین میلیون درجه سانتیگراد (کلوین) می‌رسند و یونیزه می‌شوند. ذرات این گازها یونیزه به علت شتاب و گرمای بسیار زیادی که دارند، از خود پرتوهای ایکس قوی تابش می‌کنند. این وضعیت را به دو طریق می‌توانیم آشکار کنیم: یا به کمک تلسکوپ‌های پرتو ایکس به صورت مستقیم مشاهده کنیم، یا به کمک اجسامی که این پرتوهای ایکس آن‌ها را برانگیخته کرده و در حال تابشند. معمولا این آثار را به صورت خروج دو جت قدرتمندِ مواد و پرتوها از دو قطب آن محدوده رصد می‌کنیم.

آموزش نجوم توسط محمد همایونی سیاه چاله مرکز کهکشان

جت فورانی از مرکز کهکشانM87

به طور معمول این جت‌های پرتوی ایکس برای یک سیاه چاله ثابت و پایدار نیستند. زیرا تغذیه یک سیاه چاله کاملا تصادفی است و وابسته به مقدار ماده‌ای است که به ارگوسفر آن وارد می‌شود. سیاه چاله مرکزی راه شیری، اکنون خیلی آرام است زیرا بیشتر ماده‌ای که در مجاورت آن قرار دارد جذب آن شده و عملا ماده زیادی در نزدیکی آن نیست تا آن را ببلعد. اما دیگر کهکشان‌ها در این مورد بسیار فعالند و تابش‌های ایکس قوی از هسته آن‌ها آزاد می‌شود. یکی از معروف‌ترین آن‌ها هسته کهکشان M87 است. (تصویر بالا)

     ۳ـ  لنزهای گرانشی:

بر اساس تئوری نسبیت عام، سیاه چاله هم مانند هر جسم جرم دارِ دیگری، فضا-زمان اطراف خود را خمیده می‌کند. اما چون در این اجسام مقدار بسیار زیادی ماده در یک فضای بسیار کوچک فشرده شده است، پس اثر بسیار قدرتمندی را بر روی ساختار فضا-زمان و خمیدگی آن می‌گذارد. اگر یک سیاه چاله در کنار مسیر نور یک جسم دورتر قرار داشته باشد، می‌تواند موجب ایجاد یک لنز گرانشی برای تصویر آن جسم دوردست شود و از این طریق می‌توان به وجود سیاه چاله پی برد. ولی از آن جهت که سیاه چاله‌های ستاره گون (جرم-ستاره‌ای) حجم فعال بسیار کوچکی در فضا دارند، عملا شاید بتوان سیاه چاله‌های بسیار پرجرم را از این طریق آشکارسازی کرد.

آموزش نجوم توسط محمد همایونی لنزهای گرانشی

طرحی از نحوه کار لنزهای گرانشی

اولین تصویر این مقاله هم نشان دهنده اثر لنز گرانشی‌ای است که یک سیاه چاله فرضی می‌تواند از تصویر اجسام دوردست ایجاد کند. البته این یک تصویر هنری است.

۶ـ  وضعیت جهان در تکینگی:

از نظر ریاضی، تکینگی عبارت است از شرایطی که معادلات موجود نمی‌توانند نتایج معتبری را ارائه دهند. معادلات فعلی ما که بر اساس تئوری نسبیت عام بنا شده‌اند نمی‌توانند توصیف موفقی از شرایط تکینگی را ارائه دهند. زیرا معادلات و مقیاسی که در نسبیت عام به کار می‌روند در حد ابعاد و اندازه‌های بسیار بزرگ عالم است ولی تکینگی یک ویژگی بسیار کوچک کوانتومی است. بنابراین شاید مکانیک کوانتومی بتواند آن را توصیف کند، ولی هنوز پل ارتباطی مناسبی بین این دو نظریه برای توصیف ویژگی‌های تکینگی پیدا نشده است.

۷ـ  تابش سیاه چاله و نابودی آن!

نکته‌ای جالب وجود دارد که استفان هاوکینگ به کمک معادله تابش خودش نشان داد که در واقع سیاه چاله‌ها می‌توانند انرژی از خود تابش کنند (یک چیز بسیار عجیب!). محاسبات هاوکینگ پیش بینی می‌کنند که بر اثر این تابش‌های کوانتومی، انرژی سیاه چاله در گذر زمان کاهش می‌یابد و به تبع آن از جرم آن هم کم خواهد شد. به عبارتی پس از گذشت زمان لازم، سیاه چاله‌ها تبخیر خواهند شد و به صورت ابدی نخواهند ماند. البته این زمان بسیار بسیار زیاد است.

آموز نجوم تابش هاوکینگ

دیاگرام تابش هاوکینگ از سیاه چاله ها

عکس فوق شمایی است از مکانیزم تابش هاوکینگ در جوار افق رویداد یک سیاه چاله در گذر زمان.

 

آرزوی ما موفقیت و لذت روزافزون شما از درک بیشتر این آیات الهی و عظمت آفرینش است.

موفق باشید.

نویسنده:

محمد همایونی

شبیه سازی سیاه چاله

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 مقاله کوتاه با این اجرام آسمانی عجیب آشنا می‌شویم.

تصویر خیالی از سیاه چاله

سیاه چاله

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 مقدار بسیار زیادی از ماده ستاره به فضا پرتاب می‌شود و فقط هسته کوچکی از ستاره باقی خواهد ماند. برای چنین ستارگان بزرگی، 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.

نیروی گرانش در ستاره

نیروی گرانش

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.

به این سرعت مورد نیاز، سرعت فرار از سطح زمین گفته می‌شود که فقط 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.

سرعت فرار از سطح زمین

سرعت فرار از زمین

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.

 

مقاله مرتبط: «۷ نکته از سیاه‌چاله‌ها»

 

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.

تصویر خیالی از سیاه چاله

سیاه چاله

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 ۴/۳ میلیون برابر خورشید جرم دارد و در فضایی کمتر 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. می‌توانید جواب آن‌ها را در مقالات بخش اعضای ویژه سایت مطالعه کنید.

 

نویسنده:

محمد همایونی