نجوم و فضا

سیاه چاله چیست؛ هرآنچه باید درباره سیاه چاله‌ها، اسرارآمیزترین اجرام جهان بدانیم

سیاه چاله‌ها سال‌ها است ذهن دانشمندان و حتی مردم عامه را به خود مشغول کرده‌اند. این اجرام اسرارآمیز دارای گرانشی بسیار قوی هستند که حتی نور هم نمی‌تواند از آن بگریزد.

به‌جرئت می‌توان سیاه چاله‌ها را یکی از اسرارآمیز‌ترین و عجیب‌ترین اجرام شناخته‌شده دانست؛ به‌خصوص با ثبت اولین تصویر سیاه‌چاله در سال ۲۰۱۹ و اثبات فرضیه‌های متعدد مربوط به آن علاقه مردم و دانشمندان به این اجرام افزایش یافت؛ اما چه ویژگی‌هایی سیاه چاله‌ها را تا این اندازه جذاب و هیجان‌انگیز ساخته است؟ در این مقاله سعی می‌کنیم به این پرسش پاسخ دهیم.

عناوینی که در این مقاله خواهید خواند:

سیاه چاله چیست؟

بر‌‌‌اساس تعریفی ساده سیاه‌چاله به نقطه‌ای از فضا با جاذبه‌ و چگالی بسیار بالا گفته می‌شود که حتی نور هم نمی‌تواند از آن فرار کند. این جاذبه به‌قدری قوی است که تمام مواد را در فضایی کوچک فشرده می‌کند. آلبرت اینشتین برای اولین با در سال ۱۹۱۶ با نظریه نسبیت عام احتمال وجود سیاه‌چاله‌ها را مطرح کرد. عبارت «سیاه چاله» هم چند سال بعد در سال ۱۹۶۷ توسط ستاره‌شناسی آمریکایی به نام جان ویلر ابداع شد. بر‌‌‌اساس نظریه نسبیت عام، جرمی که به‌اندازه کافی فشرده شود می‌تواند فضا زمان را خم کرده و سیاه چاله را تشکیل دهد. به مرز بی‌بازگشت سیاه‌چاله افق رویداد گفته می‌شد. سیاه‌چاله‌ها هیچ نوری را منعکس نمی‌کنند؛ اما بر‌‌‌اساس آثاری که بر مواد و اجرام اطراف خود می‌گذارند قابل شناسایی هستند.

تصویر فرضی سیاه چاله

سیاه‌ چاله چگونه تشکیل می‌شود؟

 متداول‌ترین راه تشکیل سیاه چاله مرگ ستاره‌ها است. اغلب ستاره‌ها با رسیدن به پایان عمر خود متورم می‌شوند و جرم خود را از دست می‌دهند و در نهایت به شکل کوتوله‌های سفید سرد درمی‌آیند؛ اما ستاره‌های بزرگی که جرم آن‌ها به ده الی بیست برابر جرم خورشید می‌رسد در پایان عمر به ستاره‌های نوترونی یا سیاه‌چاله تبدیل می‌شوند.

وقتی ستاره‌ای کلان‌جرم کل سوخت هسته‌ای خود را مصرف می‌کند، هسته این ستاره ناپایدار شده و دچار درون‌ریزی گرانشی می‌شود در نهایت لایه‌های بیرونی ستاره از بین می‌روند. این ستاره‌ها در پایان عمر در طی انفجاری عظیم به نام ابرنواختر منفجر می‌شوند و سیاه‌چاله‌ها یا ستاره‌های نوترونی را از خود به جا می‌گذارند. ستاره‌شناسان تاکنون سه دسته سیاه‌چاله را شناسایی کرده‌اند: سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای، سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم و سیاه‌چاله‌های جرم متوسط.

سیاه چاله‌های ستاره‌ای

وقتی سوخت ستاره‌ای تمام می‌شود دچار فروپاشی گرانشی می‌شود. این فرایند در ستاره‌های کوچک‌تر (با جرمی سه برابر جرم خورشید)، باعث می‌شود هسته جدید به ستاره نوترونی یا کوتوله سفید تبدیل شود؛ اما با فروپاشی ستاره‌های بزرگ‌تر سیاه‌چاله ستاره‌ای به وجود می‌آید.

سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای معمولا بسیار متراکم هستند. این سیاه‌چاله‌ها در فضایی به قطر یک شهر جرمی سه برابر جرم خورشید را جای می‌دهند. به این ترتیب نیروی گرانشی دیوانه‌واری به وجود می‌آید. سیاه‌چاله‌های ستارهای می‌توانند گاز و غبار اطراف خود را جذب کنند و بزرگ‌تر شوند. به نقل از مرکز اخترفیزیک اسمیتسونین هاروارد، راه شیری دارای چند میلیون سیاه‌چاله ستاره‌ای است.

سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم

سیاه‌چاله‌های کلان جرم با اینکه از نظر ابعاد هم‌اندازه با خورشید هستند، چند میلیون یا چند میلیارد برابر سنگین‌ترند. به گمان دانشمندان این سیاه‌چاله‌ها در مرکز کهکشان‌ها از جمله راه شیری قرار دارند.

دانشمندان هنوز از چگونگی تشکیل این سیاه‌چاله‌ها مطمئن نیستند. این غول‌ها پس از شکل‌گیری، مقدار زیادی از ماده و گاز و غبار اطراف خود را جذب می‌کنند. وجود مقدار زیادی ماده در مرکز کهکشان‌ها باعث شدند این اجرام بسیار غول‌آسا شوند.

سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم ممکن است حاصل ادغام صدها یا هزاران سیاه‌چاله کوچک باشند. همچنین ممکن است ابرهای گازی بزرگ دچار فروپاشی شده و مواد را به سرعت جذب خود کرده‌اند. گزینه سوم برای تشکیل این سیاه‌چاله‌ها می‌تواند فروپاشی خوشه‌های ستاره‌ای و گزینه چهارم می‌تواند تشکیل سیاه‌چاله‌های کلان جرم از خوشه‌های بزرگ ماده تاریک باشد. این ماده را می‌توان از طریق آثار گرانشی بر اجرام دیگر شناسایی کرد با این حال دانشمندان هنوز از ماهیت و عناصر‌ تشکیل‌دهنده آن اطلاعی ندارند زیرا این ماده نوری از خود منتشر نمی‌کند و نمی‌توان به صورت مستقیم به رصد آن پرداخت.

شبیه‌سازی سیاه‌چاله‌ای کلان‌جرم. جوردی دیولار و همکاران او با استفاده از واقعیت مجازی سیاه‌چاله‌ها را شبیه‌سازی کردند. در این شبیه‌سازی سیاه چاله‌ای با مواد درخشان احاطه شده است. این ماده به شکلی گرداب مانند در سیاه‌چاله نامپدید می‌شود و پلاسمای درخشان تولید می‌کند. سپس نور بر اثر گرانش قوی سیاه‌چاله دچار انحراف و اعوجاج می‌شود.

سیاه‌چاله‌های جرم متوسط

دانشمندان زمانی تصور می‌کردند سیاه‌چاله‌ها تنها به دو طیف بزرگ و کوچک تقسیم می‌شوند؛ اما پژوهش‌های جدید نشان دادند سیاه‌چاله‌های جرم متوسط یا IMBH هم وجود دارند. این اجرام ممکن است بر اثر برخورد خوشه‌ای مجموعه‌ای از ستاره‌ها شکل گرفته باشند. تعدادی از IMBH-هایی که در یک منطقه شکل می‌گیرند در نهایت در مرکز کهکشان به یکدیگر پیوسته و سیاه‌چاله‌های کلان جرم را تشکیل می‌دهند. ستاره‌شناسان در سال ۲۰۱۴ سیاه‌چاله‌ای جرم متوسط را در بازوی یک کهکشان مارپیچی پیدا کردند. به‌گفته تیم رابترت از دانشگاه دورهام بریتانیا:

ستاره‌شناسان سخت در تلاش بودند تا این سیاه‌چاله‌های متوسط را کشف کنند. نشانه‌هایی از آن‌ها وجود داشت؛ اما این سیاه‌چاله‌ها علاقه‌ای به کشف‌شدن نداشتند.

بر‌‌‌اساس پژوهشی در سال ۲۰۱۸ ممکن است سیاه‌چاله‌های جرم متوسط در قلب کهکشان‌های کوتوله (کهکشان‌های بسیار کوچک) وجود داشته باشند. رصد ده نمونه از این کهکشان‌ها (که پنج مورد آن قبل از این بررسی ناشناخته بودند) نشان داد که فعالیت‌ پرتوی ایکس متداول در سیاه‌چاله‌ها می‌تواند مدرکی برای وجود سیاه‌چاله‌هایی با ۳۶ هزار تا ۳۱۶ هزار جرم خورشیدی باشد. این اطلاعات از بررسی Sloan Digital Sky به دست آمد که به بررسی یک میلیون کهکشان اختصاص دارد.

سیاه چاله‌های آغازین

 فرضیه نوعی سیاه‌چاله غیرستاره‌ای هم توسط استیون هاوکینگ، فیزیکدان بریتانیایی ارائه شد. بر‌‌‌اساس نظریه هاوکینگ، سیاه‌چاله‌های کوچک آغازین هم جرم یا کوچک‌تر از یک سیارک هستند که ممکن است در طول بیگ‌بنگ تشکیل شده باشند. بیگ‌بنگ به وضعیتی از چگالی و دماهای بالا گفته می‌شود که جهان از آن در حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش آغاز شد. به این سیاه چاله‌ها ریزسیاه‌چاله هم گفته می‌شود که مانند سیاه‌چاله‌های پرجرم‌تر به‌مرورزمان جرم خود را از طریق تابش هاوکینگ از دست داده و ناپدید می‌شوند. اگر نظریه‌های جهان با ابعاد بیشتر صحیح باشد، شتاب‌دهنده ذرات بزرگ می‌تواند تعدادی از ریزسیاه‌چاله‌ها را تولید کند.

انواع سیاه‌چاله از نظر چرخش و بار

بر‌‌‌اساس نظریه‌های ستاره‌شناسی اگر سیاه‌چاله‌ای دارای حرکت مداری باشد، فضا زمان را به دور افق رویداد خود می‌کشد. این گردش فضا به دور افق رویداد را کارکره می‌گویند که بیضی شکل است. در کارکره اجسام می‌توانند به درون سیاه‌چاله سقوط نکنند چرا که این کره بیرون از افق رویداد قرار دارد. همچنین سیاه‌چاله‌ها از نظر بار الکتریکی به دو دسته دارای بار و بدون بار و از نظر تکانه زاویه‌ای که چرخش سیاه‌چاله را مشخص می‌کند به دو دسته چرخان و غیرچرخان تقسیم می‌شوند. سیاه‌چاله‌های چرخان منطبق با معادله میدان اینشتین هستند.

 درون سیاه‌چاله ها چیست

سیاه‌چاله‌ها سه لایه دارند: افق رویداد خارجی و داخلی و تکینگی.

  • افق رویداد: افق رویداد سیاه‌چاله به مرز اطراف دهانه سیاه‌چاله گفته می‌شود که حتی نور هم نمی‌تواند از آن بگریزد. وقتی ذره‌ای از افق رویداد عبور کند دیگر نمی‌تواند از سیاه‌چاله خارج شود. جاذبه در افق رویداد ثابت است. افق رویداد سیاه‌چاله رابطه مستقیمی با سرعت گریز شئ دارد. سرعت گریز به سرعت مورد نیاز برای فرار از کشش گرانشی سیاه‌چاله گفته می‌شود. هرچقدر شخصی به سیاه‌چاله نزدیک‌تر شود به سرعت بیشتری برای فرار از کشش گرانشی عظیم آن نیاز پیدا می‌کند. در افق رویداد سرعت گریز از سرعت نور فراتر می‌رود.

بر‌‌‌اساس نظریه نسبیت عام اینشتین هیچ چیز در فضا سریع‌تر از نور حرکت نمی‌کند. در نتیجه افق رویداد را نقطه بی‌بازگشت می‌نامند. وقتی شیئ به افق رویداد نزدیک می‌شود، یک شاهد فرضی می‌تواند محو‌شدن تصویر را مشاهده کند. این محو‌شدن به‌دلیل خم‌شدن نور بر اثر جاذبه به وجود می‌آید. در افق رویداد تصویر شیء به‌سمت نامرئی‌شدن می‌رود. اندازه افق رویداد به جرم سیاه‌چاله وابسته است. اگر زمین به‌قدری فشرده شود که به سیاه‌چاله تبدیل شود، قطر آن به ۱۷.۴ میلی‌متر می‌رسد؛ اما اگر خورشید به سیاه‌چاله تبدیل شود قطر آن ۵/۸۴ کیلومتر خواهد بود که تقریبا هم اندازه با یک روستا یا شهری کوچک است.

  • تکینگی: بخش داخلی سیاه‌چاله که جرم آن را تعریف می‌کند، تکینگی نامیده می‌شود. نقطه‌ای واحد در فضا و زمان که جرم سیاه‌چاله در آن متراکم شده است. بافت فضا زمان در اطراف تکینگی به شکلی نامتناهی خم می‌شود در نتیجه قوانین فیزیکی که می‌شناسیم در این نقطه نقض می‌شوند.

 دانشمندان نمی‌توانند مانند ستاره‌ها و دیگر اجرام فضایی سیاه‌چاله‌ها را رصد کنند؛ بلکه مشاهدات آن‌ها به کشف پرتوهای منتشرشده از سیاه‌چاله‌ها و همچنین گاز و غبار اطراف آن‌ها وابسته است؛ اما سیاه‌چاله‌های کلان جرم مرکز کهکشان معمولا با ابری ضخیم و گاز و غبار احاطه شده‌اند که رصد پرتوهای دیگر را دشوار می‌سازند.

لایه های سیاه چاله

لایه‌های درونی سیاه‌چاله

اجزای دیگر سیاه چاله

  • قرص برافزایشی: اغلب سیاه‌چاله‌ها با دیسک‌های بسیار داغی از ماده احاطه شده‌اند که بخش زیادی از آن‌ها را گاز و غبار اجرام دیگری مثل ستاره‌ها و سیاره‌ها تشکیل می‌دهند. این مواد در سیاه‌چاله سقوط می‌کنند. این دیسک‌های داغ و متلاطم «قرص برافزایشی» نامیده می‌شوند.
  • سایه سیاه چاله: سایه سیاه چاله منطقه‌ای تاریک و دوبعدی در کره‌ای سماوی است که بر اثر گرانش قوی سیاه‌چاله شکل می‌گیرد. در این منطقه مجموعه‌ای از مسیرهای فوتونی قرار دارند که نتوانستند از سیاه‌چاله فرار کنند و به دام آن افتادند.
  • کره فوتونی: در کره فوتونی جاذبه به‌قدری قوی است که نور می‌تواند در مسیرهای دایره‌ای حرکت کند. فوتون‌ها در فاصله کره فوتونی در اطراف سیاه‌چاله می‌چرخند. اگر شاهدی فرضی در این نقطه حضور داشته باشد می‌تواند پشت سر خود را ببیند.
  • جت نسبیتی: گاهی ماده پس از ورود به سیاه‌چاله از افق رویداد کمانه کرده و به‌سمت بیرون پرتاب می‌شود. در این شرایط جت‌های درخشانی از ماده به وجود می‌آیند که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند. گرچه سیاه‌چاله‌ها نامرئی به نظر می‌رسند این جت‌های قدرتمند را می‌توان از فواصل دوردست رصد کرد.

اجزای سیاهچاله

تصویر بالا: شبیه‌سازی ناسا از سیاه‌چاله . در این تصویر قرص برافزایشی، سایه و کره فوتونی نشان داده شده‌اند. تصویر پائین: شبیه‌سازی جت نسبیتی سیاه چاله‌ها

تبخیر سیاه‌چاله ها و تابش هاوکینگ

تابش هاوکینگ به پرتویی گفته می‌شود که به‌دلیل آثار کوانتومی در نزدیکی افق رویداد سیاه‌چاله منتشر می‌شود. این پرتوها نشان می‌دهند دمای سیاه‌چاله‌ها متناسب با جرم آن‌ها است. تابش هاوکینگ گرچه تاکنون رصد نشده است دارای پشتوانه علمی قوی مدل‌های ترکیبی نسبیت عام و مکانیک کوانتوم است. نام این پدیده از نام استیون هاوکینگ فیزیکدان گرفته شده است که در سال ۱۹۷۴ مقاله‌ای را با عنوان انفجارهای سیاه‌چاله‌ای منتشر کرد. فرضیه تابش هاوکینگ به این معنی است که سیاه‌چاله‌ها می‌توانند انرژی را منتشر کنند و در نتیجه از نظر اندازه کوچکتر می‌شوند.

‌هر گاه ماده‌ای وارد سیاه‌چاله شود نمی‌تواند دوباره از آن خارج شود. این پدیده می‌تواند مقیاس بی‌نظمی یا آنتروپی را حذف کند. ازآنجاکه حذف ماده باعث کاهش بی‌نظمی می‌شود، تصور می‌شد سیاه‌چاله قانون دوم ترمودینامیک را نقض می‌کند.  فرایند فیزیکی تابش هاوکینگ و نشر ذرات از نزدیکی افق رویداد سیاه‌چاله بسیار پیچیده و مستلزم درکی یکپارچه از ریاضیات و نظریه‌های کوانتومی است.

بر‌‌‌اساس نظریه‌ هاوکینگ مساحت سیاه‌چاله‌ها به‌مرورزمان افزایش می‌یابد

اما اخیرا نظریه معروف هاوکینگ درباره آنتروپی سیاه‌چاله‌ها اثبات شده و ابهامات زیادی را در این باره برطرف کرد.  استیون هاوکینگ نظریه مساحت سیاه‌چاله را در سال ۱۹۷۱ بر‌‌‌اساس نظریه نسبیت عام اینشتین ارائه کرد. بر‌‌‌اساس این نظریه، غیر ممکن است مساحت سطح یک سیاه‌چاله به‌مرورزمان کاهش پیدا کند.   این نظریه با رصد ادغام دو سیاه‌چاله و امواج گرانشی حاصل از این ادغام اثبات شد. بر‌‌‌اساس این فرض،  مساحت سیاه‌چاله‌ای که حاصل از ادغام دو سیاه‌چاله‌ است افزایش می‌یابد.

به‌عقیده بسیاری قانون مساحت هاوکینگ در تضاد با دیگر نظریه او یعنی تبخیر سیاه‌چاله‌ها است. از طرفی بر‌‌‌اساس نظریه نسبیت عام سیاه‌چاله‌ها نمی‌توانند کوچک شوند درحالی‌که بر‌‌‌اساس مکانیک کوانتوم می‌توانند. در نظریه تابش هاوکینگ، مهی از ذرات به‌دلیل آثار کوانتومی لبه سیاه‌چاله‌ها منتشر می‌شوند و این پدیده به مرور منجر به کوچک‌شدن سیاه‌چاله و در نهایت تبخیر آن در بازه‌های طولانی‌تر از عمر جهان می‌شود. ازآنجاکه این تبخیر در بازه‌های طولانی‌مدت رخ می‌دهد می‌توان گفت قانون مساحت را در کوتاه مدت نقض نمی‌کند. در هر صورت هنوز حدس و گمان‌های زیادی درباره سیاه‌چاله‌ها وجود دارند؛ اما نظریه مساحت تا این جا منطبق بر قانون دوم ترمودینامیک است.

نظریه مساحت سیاه چاله

بر‌‌‌اساس نظریه هاوکینگ غیرممکن است مساحت سیاه‌چاله به‌مرورزمان کاهش پیدا کند. این نظریه با رصد ادغام دو سیاه‌چاله اثبات شد. مساحت سیاه‌چاله حاصل از این ادغام بزرگ‌تر از مساحت دو سیاه‌چاله اولیه بود.

تناقض اتلاف اطلاعات

ازآنجاکه سیاه‌چاله تنها دارای تعداد معدودی پارامتر داخلی است اغلب اطلاعات مربوط به ماده که وارد سیاه‌چاله می‌شوند از بین می‌روند. صرف نظر از نوع ماده ورودی، واضح است که تنها اطلاعات مربوط به جرم کلی، بار و تکانه زاویه‌ای حفظ می‌شوند. تا زمانی که فرض شود سیاه‌چاله‌ها تا ابد دوام می‌آورند اصل اتلاف اطلاعاتی مشکل‌ساز نیست زیرا اطلاعات درون سیاه‌چاله باقی خواهد ماند و صرفا از دنیای بیرون دسترسی به آن امکان‌پذیر نیست. بااین‌حال سیاه چاله‌ها به مرور و با انتشار تابش هاوکینگ تبخیر می‌شوند. به نظر می‌رسد این تابش هیچ اطلاعاتی درباره ماده ورودی به سیاه‌چاله نمی‌دهد در نتیجه اطلاعات برای همیشه از بین رفته‌اند.

سیاه چاله های دوتایی

سیاه‌چاله دوتایی (BBH) سیستمی شامل دو سیاه‌چاله است که در مدار نزدیک به یکدیگر قرار دارند. سیاه‌چاله‌های دوتایی به دو دسته تقسیم می‌شوند: سیاه‌چاله‌های دوتایی ستاره‌ای که باقی‌مانده ستاره‌ّهای دوتایی هستند یا سیاه‌چاله‌هایی که نتیجه ادغام‌های کهکشانی هستند.

ازآنجاکه سیاه‌چاله‌ها امواجی را از خود منتشر نمی‌کنند روش‌های اثبات آن‌ها دشوار و محدود است. با این حا در صورت ادغام سیاه‌چاله‌ها مقادیر زیادی انرژی به شکل امواج گرانشی منتشر می‌شود. این امواج را می‌توان با استفاده از نظریه نسبیت عام اینشتین تخمین زد. امواج گرانشی توسط اجرام سنگین در خمیدگی فضازمان توزیع می‌شوند و با سرعت نور حرکت می‌کنند. اولین بار هنری پوینکر در سال ۱۹۰۵ فرضیه این امواج را مطرح کرد و آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۶ بر‌‌‌اساس نظریه نسبیت عام به پیش‌بینی آن‌ها پرداخت. در اواخر قرن بیستم و قرن بیست و یک توجه به سیاه‌چاله‌ها‌ی دوتایی به‌دلیل انتشار امواج گرانشی افزایش یافت.

ادغام‌کنندگان سیاه‌چاله‌ای دوتایی یکی از قوی‌ترین منابع امواج گرانشی در جهان هستند و فرصت خوبی را برای کشف مستقیم این امواج فراهم کردند. سیاه‌چاله‌های دوتایی تنها در صورتی که به‌اندازه کافی به یکدیگر نزدیک شوند با هم ادغام می‌شوند. پس از ادغام سیاه‌چاله‌ای یکپارچه با شکلی ثابت به وجود می‌آید. وجود سیاه‌چاله‌های دوتایی ستاره‌ای (و اموج گرانشی) در نهایت در سپتامبر ۲۰۱۵ اثبات شد. رصدخانه لیگو در این تاریخ GW150914 را کشف کرد که اثر موج گرانشی حاصل از ادغام دو سیاه‌چاله ستاره‌ای بود که هر کدام ۳۰ جرم خورشیدی داشتند و در فاصله ۱.۳ میلیارد سال نوری از زمین قرار دارند.

سیاهچاله های دوتایی

تصویری شبیه‌سازی‌شده از سیاه‌چاله‌ای دوتایی

سیاه چاله کهکشان راه شیری

ساگیتاریوس A* منبع رادیویی بسیار فشرده و درخشان در مرکز کهکشان راه شیری است. این جرم در نزدیکی مرز صورت‌های فلکی ساگیتاریوس و اسکورپیوس (عقرب) قرار دارد. ساگیتاریوس A* موقعیت سیاه‌چاله‌ای کلان‌جرم است که به اجرام سنگین در مرکز انواع کهکشان‌های مارپیچی و بیضوی شباهت دارد.

رصد ستاره‌های مختلف اطراف ساگیتاریوس A* به‌ویژه‌ ستاره S2 برای اندازه‌گیری جرم و کران‌های بالایی شعاع این جرم به کار می‌روند. ستاره‌شناسان بر‌‌‌اساس کران‌های شعاعی دقیق و اندازه‌گیری‌های جرمی به این نتیجه رسیدند که ساگیتاریوس A* سیاه‌چاله‌ای کلان‌جرم در مرکز راه شیری است.

رینهارد گنزل و آندره گز جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۰ را برای تطبیق ویژگی‌های Sgr A* با سیاه‌چاله‌ّای کلان جرم برنده شدند. کشف ساگیتاریوس A* در ۳۱ اکتبر ۲۰۱۸ اعلام شد. ستاره‌شناسان توده‌های گازی را در اطراف ساگیتاریوس مشاهده کردند که با ۳۰ درصد سرعت نور حرکت می‌کردند.

در جولای‌ی ۲۰۱۸ گزارش شد که سرعت ستاره S2 در مدار ساگیتاریوس A* به ۷۶۵۰ کیلومتر بر ثانیه (۲.۵۵ درصد سرعت نور) می‌رسد. با فرض اینکه نسبیت عام توضیح معتبری از گرانش در نزدیکی افق رویداد است، پرتوهای رادیویی ساگیتاریوس A* در مرکز سیاه‌چاله قرار ندارند؛ بلکه از نقطه روشنی در اطراف آن و نزدیک به افق رویداد یا احتمالا در قرص برافزایشی سرچشمه می‌گیرند.

تعدادی ستاره در مدار نزدیک به ساگیتاریوس A* قرار دارند که به ستارگان گروه S معروف هستند. این ستاره‌ها در طول موج‌های مادون قرمز باند K قابل رصد هستند زیرا غبار میان‌ستاره‌ای به شکل چشمگیری طول‌موج‌های مرئی را محدود می‌کند. ستاره‌های S62 و S4714 در مدارهای نزدیکی درمقایسه‌با ساگیتاریوس قرار دارند؛ اما بر‌‌‌اساس فرضیه‌ای جدیدتر در سال ۲۰۲۱ ممکن است هیچ سیاه‌چاله‌ای در مرکز راه شیری وجود نداشته باشد و هسته کهکشانی از ماده تاریک متراکم تشکیل شده باشد. ویژگی‌های سیاه‌چاله کلان‌جرم مرکز راه شیری معروف به ساگیتاریوس A* یا بر‌‌‌اساس تأثیر گرانشی آن بر اجرام دیگر مثل مدارهای عجیب ستاره‌های اطراف مرکز کهکشان استنتاج می‌شود؛ اما اگر این تشخیص اشتباه باشد، چه اتفاقی می‌افتد؟

سیاه چاله ساگیتاریوس *A

موقعیت Sgr *A در راه شیری. برخی فرضیه‌ها می‌گویند شاید ساگیتاریوس A* اصلا یک سیاه‌چاله نباشد.

طبق پژوهشی جدید، اگر مرکز کهکشان درواقع هسته ماده تاریک باشد، توجیه بهتری برای توصیف مدارهای مرکز کهکشان و سرعت‌های اولیه مدار در مناطق بیرونی‌تر کهکشان وجود دارد. در دو دهه گذشته، مدار ستاره S2 سوژه بسیاری از پژوهش‌ها بوده است. این ستاره روی مدار شانزده‌ساله‌ای در اطراف مرکز کهکشان قرار دارد؛ حلقه‌‌ای بیضی‌شکل و طویل که آزمایشگاهی بی‌نقص برای آزمایش‌های نسبیت عام به‌شمار می‌رود.

در پژوهش‌های گذشته، دو تیم مجزا نشان دادند که نسبیت نه‌تنها در محیط فضازمانی مرکز کهکشان صدق می‌کند؛ بلکه نتایج آن با سیاه‌چاله کلان‌جرمی با جرم چهارمیلیون برابر خورشید سازگار است. سپس، بحث جرمی به نام G2 مطرح شد. G2 که در مداری بیضوی قرار دارد، در نزدیک‌ترین نقطه مدار به مرکز کهکشان در سال ۲۰۱۴ رفتاری عجیب از خود نشان داد. این جرم از جرمی فشرده و عادی به جرمی طویل و کشیده تبدیل شد و سپس دوباره به حالت عادی بازگشت.

رفتار G2 بسیار عجیب بود و ماهیت آن هنوز ناشناخته است؛ اما هرچه باشد، حرکت مداری آن در نزدیک‌ترین نقطه به سیاه‌چاله نوعی کشیدگی را نشان می‌داد که به‌گفته تیم اخترفیزیکی به رهبری ادوار آنتونیو بسرا وگارا از مرکز بین‌المللی اخترفیزیک نسبیتی، این یافته کاملا با مدل سیاه‌چاله ناسازگار است. سال گذشته، پژوهشگران نشان دادند S2 و G2 با مدل متفاوتی سازگار هستند: فرمیون‌های ماده تاریک که به آن‌ها دارکنینو هم گفته می‌شود. این ماده به‌اندازه کافی سبک است و به سیاه‌چاله تبدیل نمی‌شود؛ در‌نتیجه به‌شکل حبابی متراکم و عظیم در مرکز راه شیری باقی می‌ماند و اطراف آن را مه پراکنده‌ای به‌سمت لبه‌ها احاطه کرده است.

شاید اصلا در مرکز کهکشان راه شیری هیچ سیاه‌چاله‌ای وجود نداشته باشد

 S2 و G2 تنها اجرام موجود در مدار مرکز کهکشان نیستند. پژوهشگران مدل خود را به هفده ستاره دیگر گروه S در مدار مرکز کهکشان تعمیم دادند و به نتایج جالبی رسیدند. یافته‌های آنان با این ستاره‌ها هم منطبق بود. بر‌‌‌اساس محاسبات، ممکن است حبابی متراکم از ماده تاریک در مرکز کهکشان وجود داشته باشد که در دامنه‌های بیرونی کهکشان از تراکم آن کاسته می‌شود.

طبق یافته‌های قبلی، ماده تاریک به‌طور انکارناپذیری یکی از رازهای بزرگ جهان است. دلیل نام‌گذاری این ماده اسرارآمیز آثار گرانشی آن است که با ماده معمولی توصیف‌شدنی نیست. ماده معمولی همان ستاره‌ها و غبارها و کهکشان‌ها هستند. برای مثال، اگر کهکشان‌ها صرفا تحت‌تأثیر ماده معمولی بودند، با سرعت بیشتری به‌چرخش درمی‌آمدند. لنز گرانشی یا خمیدگی فضازمان اطراف اجرام سنگین بسیار قوی‌تر از حد تصور است. این پدیده جاذبه‌ای مضاعف تولید می‌کند که کشف مستقیم آن فراتر از توانایی‌های انسان است.

فقط می‌دانیم ماده تاریک بر اجرام دیگر تأثیر گرانشی می‌گذارد. هسته فعال کهکشان مانند سیاه‌چاله کلان‌جرم کهکشان M87* که حدود ۶/۵ میلیارد برابر جرم خورشید است، سازگاری بیشتری با مدل سیاه‌چاله دارند. به پیشنهاد پژوهشگران، توده ماده تاریک فراتر از جرم بحرانی می‌تواند به سیاه‌چاله‌ای کلان‌جرم تبدیل شود. این پدیده به توصیف شکل‌گیری سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم کمک می‌کند؛ زیرا هیچ ایده‌ای از میزان بزرگی آن‌ها و چگونگی شکل‌گیری تعداد زیادی از آن‌ها در جهان آغازین وجود ندارد.

ماده تاریک نزدیک به ۸۰ درصد از ماده جهان را تشکیل می‌دهد. تعداد سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم و انواع دیگر برای قرارگیری در این دسته کافی نیستند؛ اما پژوهشگران نشان نمی‌دهند این مواد از کجا آمده‌اند. روش آن‌ها کاندیدی از ماده تاریکی را ارائه می‌دهد که به توصیف ماهیت سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم هم کمک می‌کند. تحلیل‌های بعدی می‌توانند ما را بیشتر به حقیقت نزدیک کنند.

سیاه چاله و سفر در زمان

سفر در زمان همیشه یکی از موضوعات داغ و هیجان‌انگیز هم برای دانشمندان و هم برای عامه مردم بوده است. گرچه بسیاری از افراد تحت تأثیر ایده‌ّهایی مثل تغییر دادن گذشته یا دیدن آینده قرار دارند هیچ کس تاکنون نتوانسته به این هدف برسد و این رویا تنها در داستان‌ها و فیلم‌های علمی تخیلی محقق شده است. استیون هاوکینگ در کتاب خود با عنوان «سیاه‌چاله‌ها و جهان‌های نوزاد» (۱۹۹۴) می‌گوید:

«بهترین مدرکی که نشان می‌‌دهد سفر در زمان ممکن نیست و هرگز ممکن نخواهد شد این است که مورد تهاجم توریست‌هایی از آینده قرار نگرفتیم.»

فرضیه‌های متعددی مانند کرمچاله‌ها یا سفر با سرعت نور و خمیدگی فضا زمان درباره سفر در زمان وجود دارند که از بحث این مقاله خارج هستند. درباره سیاه‌چاله‌ها هم فرضیه‌های متعددی درباره زمان و سفر درزمان وجود دارد که در ادامه آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

به‌گفته پروفسور هاوکینگ سیاه‌چاله‌ای تقریبا هم‌اندازه با سیاه‌چاله مرکز کهکشان تأثیر چشمگیری بر زمان دارد و می‌تواند باعث کندی چشمگیری آن شود. درواقع سیاه‌چاله‌ها می‌توانند به‌دلیل جرم بالا مانند یک ماشین طبیعی زمان عمل کنند. از طرفی اطراف سیاه‌چاله به‌قدری داغ است که با فناوری کنونی نمی‌توان به آن نزدیک شد؛ اما اگر حتی بتوان به سیاه‌چاله نزدیک شد با سقوط درون آن چه اتفاقی رخ خواهد داد؟

سیاه چاله و سفر در زمان

به‌گفته پروفسور استیون هاوکینگ اگر سفر در زمان ممکن بود امروز باید مورد تهاجم مسافرانی از آینده قرار می‌گرفتیم

جانا لوین، استاد فیزیک و نجوم، با آثارش نقش مؤثری در درک سیاه‌چاله‌ها دارد. او در کتابش با عنوان «راهنمای بقا در سیاه‌چاله»، مخاطب را به سفری خیالی در فضا و مرکز سیاه‌چاله می‌برد. سقوط در سیاه‌چاله به‌معنی عبور از افق رویداد یا به‌عبارت‌دیگر، افق بی‌بازگشت آن است. در کتاب لوین، مخاطب به افق رویداد می‌رسد. سیاه‌چاله دیسکی یکپارچه و تاریک است. با عبور از افق رویداد، هنوز می‌توانید بیرون را ببینید. به‌بیان‌بهتر، در تاریکی نمی‌مانید. افق رویداد مانعی برای بارش نور ایجاد نمی‌کند؛ اما سیاه‌چاله‌ای که از بیرون تاریک است، از درون می‌تواند بسیار هم درخشان باشد.

در پنجره یک‌طرفه افق رویداد می‌توانید جهان ماورای آن را ببینید. با اینکه نمی‌توانید سقوط خود را متوقف کنید، می‌توانید تکامل جهان را ببینید. نور کهکشان که از افق رویداد می‌گذرد، نسخه‌‌ای سریع‌ از هزاران یا میلیون‌ها و حتی میلیاردها سال روی زمین را ترسیم می‌کند. نوری که با چشمتان برخورد می‌کند، همه‌چیز از سقوط تمدن‌ها تا دوربین پاپاراتزی‌ها و حتی یون‌های ستاره‌های درحال‌انفجار را نمایش می‌دهد. هر چقدر بیشتر سقوط کنید، گلوگاه سیاه‌چاله باریک‌تر شده و تمام نورها را در نقطه‌ای درخشان متمرکز می‌کند. درست مانند تجربه نزدیک به مرگ، نوری را در انتهای تونل خواهید دید.

بر‌اساس دیدگاه فیزیکی و ریاضی و نظریه نسبیت عام، خمیدگی بی‌حد‌و‌حصر فضا زمان به ایجاد تکینگی منجر می‌شود که تمام مسیرها به آن ختم می‌شوند. تکینگی می‌تواند برشی در فضا زمان باشد. شما به‌طور اجتناب‌ناپذیر وارد تکینگی می‌شوید. با سقوط در تکینگی از هم خواهید پاشید. بخشی از بدن که در نزدیکی تکینگی قرار دارد، به‌طور چشمگیری بیشتر از بخش دورتر بدن شتاب می‌گیرد؛ درنتیجه به‌شکلی رقت‌انگیز کش می‌آیید. به‌طور هم‌زمان آناتومی در نقطه‌ای همگرا و بدن دچار فروپاشی می‌شود. تنها در یک میکروثانیه که حتی از یک چشم‌برهم‌زدن کمتر است، هم‌زمان تکه‌تکه و پاره‌پاره می‌شوید تا اینکه در‌نهایت می‌میرید.

سپس مواد زیستی بدن شما به عناصر کوچک‌تر تجزیه می‌شوند تا اینکه درنهایت ذرات وجودتان به‌سمت برش فضا زمان هدایت می‌شوند. تکینگی پایان راه و نقطه انتهای فضا زمان یا نقطه انتهایی وجود است. هیچ آینده‌ای در پس تکینگی وجود ندارد. مرگ در تکینگی پایان راه وجودی شما است: مرگ ذرات بنیادی بدن و حذف واقعیت و حقیقت شما. نیستی واقعی. البته مانند بسیاری از فرضیه‌های دیگر، لزومی ندارد تکینگی را به‌طور قطعی بپذیرید. با وجود پایان شوم تکینگی، باید با دید شک به آن نگاه کرد. تکینگی می‌تواند نفرینی در الگوی جست‌وجوی علمی واقعیت باشد.

به‌بیان‌دیگر و بر‌اساس تعاریف ریاضی، تعریف فیزیکی نسبیت در تکینگی از هم پاشیده می‌شود. نسبیت عام نمی‌تواند بیانگر کل داستان کیهان باشد. شاید در اعماق سیاه‌چاله به‌جای تکینگی بتوان به بقایای مواد کوانتومی رسید که با انرژی‌های مخرب سقوط کرده‌اند. بااین‌حال، این فرضیه هنوز حامیان زیادی ندارد. بر‌اساس حدسیات فرضیه‌ای محبوب‌تر وجود دارد: درون سیاه‌چاله، همه‌چیز در حفره‌ای سفید در هم می‌شکند، درست مانند بیگ‌بنگی جدید در بخش دیگری از جهان. افزون‌براین، درون سیاه‌چاله می‌تواند بزرگ‌تر از بیرون آن باشد؛ حتی ممکن است جهانی دیگر در آن وجود داشته باشد.

فیلم میان ستاره ای و سیاه چاله ها

شخصیت اصلی فیلم میان ستاره‌ای با ورود به سیاه چاله‌ای می‌تواند گذشته خود را ببیند؛ اما این کار به‌دلیل داغ‌بودن بیش از حد قرص برافزایشی اطراف سیاه‌چاله غیرممکن است

براساس اطلاعات موجود، سیاه‌چاله نقطه‌ای تاریک در فضازمان است و هنوز دانشمندان موفق نشدند به این پرسش پاسخ دهند: اگر داخل سیاه‌چاله سقوط کنیم، به کجا می‌رسیم؟ راز داخل سیاه‌چاله و افق رویداد، این جرم را به موضوعی اسرارآمیز تبدیل کرده است. در‌هر‌صورت، قبل از وقوع بیگ‌بنگ خواهید مُرد. تغییر مفهوم تکینگی شما را از مرگ نجات نخواهد داد. بدن شما دچار فروپاشی می‌شود؛ اما ممکن است به بخشی از اکوسیستم بزرگ‌تر تبدیل شود.

اگر ذرات بدن به‌طور‌کلی در تکینگی نابود نشوند، می‌توانند به بقایای کوانتومی در مرکز سیاه‌چاله تبدیل شوند. این بقایا می‌توانند امیدی به آینده داشته باشند یا شاید عناصر شما به عناصری از جهانی جدید تبدیل شوند و بخشی از آن‌ها در‌نهایت به زندگی و حیات میکروبی بینجامند. در نتیجه با اینکه سیاه‌چاله مانند یک ماشین زمان طبیعی عمل می‌کند ایده سفر در زمان از طریق سیاه‌چاله در عمل ممکن نیست.

عجایب سیاه چاله

  • احتمال وجود سیاه‌چاله‌های فوق عظیم:  پژوهشگرها در سپتامبر ۲۰۲۰ از احتمال سیاه‌چاله‌های ابرغول‌آسا (SLAB) سخن گفتند. جرم این اجرام به یک تریلیون برابر جرم خورشید می‌رسد که ده برابر بیشتر از بزرگ‌ترین سیاه‌چاله شناخته‌شده به نام TON 618 است؛ جرم این سیاه‌چاله، ۶۶ میلیارد برابر خورشید است. برخی از SLAB-ها در آغاز جهان شکل گرفتند؛ بنابراین سیاه‌چاله آغازین هستند و می‌توان اثر آن‌ها را در تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی رصد کرد؛ تابش پس‌زمینه کیهانی به نور باقی‌مانده از جهان آغازین (در ۳۸۰ هزار سال اول) گفته می‌شود. آثار دیگر این سیاه‌چاله‌ها را می‌توان از طریق انحراف نور ستاره‌های دوردست آشکار کرد. این سیاه‌چاله‌ها فعلا در حد نظریه هستند؛ ولی توجه بسیاری به خود جلب کرده‌اند.
  • اسپاگتی‌شدن ستاره‌ها در اطراف سیاه‌چاله: وقتی جرمی سنگین در فاصله مشخصی از یک سیاه‌چاله قرار می‌گیرد، نیروهای گرانشی شدید می‌توانند باعث کشیده‌شدن آن شوند. این فرایند اصطلاحا «اسپاگتی‌سازی» گفته می‌شود و بسیار نادر است؛ زیرا سیاه‌چاله‌ها با ابری از گاز و غبار احاطه شده‌اند. در اکتبر ۲۰۲۰، ستاره‌شناسان رصدخانه جنوبی اروپا توانستند فرایند اسپاگتی‌سازی یک ستاره را با جزئیاتی بی‌سابقه با استفاده از تلسکوپ NTT و تلسکوپ بسیار بزرگ (Very Large Telescope) رصد کنند. این رویداد نادر که به نام AT 2019qiz شناخته می‌شود، دیدگاه‌هایی درباره چنین اتفاق‌هایی در اختیار ستاره‌شناس‌ها قرار داد و به آن‌ها در درک بهتر گرانش در محیط‌های کرانه‌ای کمک می‌کند.
  • سیاه‌چاله‌ها می‌توانند فازبال باشند: برای شکل‌گیری سیاه‌چاله، باید ماده و انرژي در نقطه‌ای کوچک با چگالی نامحدود دچار فروپاشی شوند. ازآنجاکه بی‌نهایت‌های این‌چنینی از دیدگاه فیزیکی غیر ممکن هستند، نظریه‌پردازها مدت‌ها است به ‌دنبال راهی برای حل این مسئله هستند. بر‌‌‌اساس نظریه ریسمان که تمام ذرات و نیروها را با رشته‌های لرزان زیراتمی جایگزین می‌کند، سیاه‌چاله‌ها می‌توانند حتی عجیب‌تر باشند و به توپ نخ‌مانند فازی از رشته‌های بنیادی تبدیل شوند. طبق پژوهشی در اکتبر ۲۰۲۰، اگر اتم‌های ستاره‌های نوترونی (بقایای ستاره‌ای که تراکم آن برای شکل‌گیری سیاه‌چاله کافی نیست) به شکل مجموعه‌ای از رشته‌ها باشند، فشرده‌سازی این رشته‌ها منجر به شکل‌گیری فازبال می‌شود که به توپ نخی شباهت دارد. این ایده هنوز نیاز به بررسی بیشتری دارد؛ اما می‌تواند جایگزینی برای حل مسئله بی‌نهایت باشد.

سیاهچاله فازبال

بر‌‌‌اساس نظریه ریسمان، سیاه‌چاله‌ها می‌توانند مانند توپ‌های رشته‌ای تشکیل‌شده از رشته‌های بنیادی (فازبال) باشند

  • سیاه چاله‌های خطرناک: به‌عقیده فیزیک‌دان‌ها، هر سیاه‌چاله دارای افق رویداد است؛ مرزی که با سقوط در آن، هرگز قادر به خروج نخواهید بود؛ اما آیا ممکن است سیاه‌چاله‌ای بدون افق رویداد موسوم به سیاه‌چاله عریان وجود داشته باشد؟ این پدیده در صورت وجود می‌تواند بسیار خطرناک باشد؛ زیرا قوانین فیزیکی افق رویداد سیاه‌چاله را در هم می‌شکنند و سیاه‌چاله عریان فاقد سد حفاظتی خواهد بود. اغلب نظریه‌پردازها وجود سیاه‌چاله عریان را غیر ممکن می‌دانند؛ اما بر‌‌‌اساس مقاله‌ای که در ماه نوامبر منتشر شد، راهی برای اطمینان از این مسئله وجود دارد. برای پی بردن به تفاوت این سیاه‌چاله‌ها باید به قرص برافزایشی آن‌ها نگاه کرد؛ قرص برافزایشی حلقه‌ای از گاز و غبار است که هنگام ورود مواد به سیاه‌چاله شکل می‌گیرد؛ این قرص می‌تواند تفاوت سیاه‌چاله‌های عادی و سیاه‌چاله‌های عریان را آشکار کند.

رصدها و اکتشافات سیاه چاله ها

ما در عصر طلایی سیاه‌چاله‌ها به سر می‌بریم. پژوهشگرها از سال ۲۰۱۵ با رصدخانه موج گرانش تداخل‌سنج لیزری (LIGO)، موفق به دریافت‌ سیگنال‌ مستقیم از سیاه‌چاله‌های در حال ادغام شدند و رصدخانه‌هایی مثل تلسکوپ ایونت هرایزن (EHT) اولین تصویر سایه سیاه‌چاله را تولید کردند. ازآنجاکه سیاه‌چاله‌ها هیچ پرتوی الکترومغناطیسی را از خود منتشر نمی‌کنند در نتیجه جست‌وجوی اخترفیزیک‌دان‌ها برای کشف این اجرام به روش‌های مستقیم وابسته است. برای مثال وجود سیاه‌چاله را می‌توان بر‌‌‌اساس تأثیر گرانشی آن بر مواد اطراف ثابت کرد.

کشف امواج گرانشی

در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵، رصدخانه موج گرانشی LIGO اولین رصد مستقیم از امواج گرانشی را ثبت کرد. این سیگنال منطبق با پیش‌بینی‌های تئوری امواج گرانشی بود که بر اثر ادغام دو سیاه‌چاله به وجود آمده بود: یکی از سیاه‌چاله‌ها برابر با ۳۶ جرم خورشیدی و دیگری برابر با ۲۹ جرم خورشیدی. این رصد مدرکی منسجم برای وجود سیاه‌چاله‌ها تا این تاریخ بود. از سال ۲۰۱۵ به بعد تعداد دیگری از رویدادهای موج گرانشی ثبت شدند.

در سال ۲۰۲۰، لیگو و همتای اروپایی آن ویرگو، از طریق امواج گرانشی موفق به رصد امواج عظیمی در بافت فضا زمان شدند؛ این امواج زمانی منتشر می‌شوند که اجرام سنگین نوسان کنند. این رصدخانه‌ها اکتشافات زیادی داشته‌اند؛ اما در ماه می پژوهشگرهای دو رصدخانه در اعلامیه‌ای مشترک از کشف بزرگ‌ترین برخورد سیاه‌چاله‌ای خبر دادند که جرم یکی از سیاه‌چاله‌ها ۸۵ برابر و جرم دیگری ۶۶ برابر خورشید بود. با برخورد این دو سیاه‌چاله، سیاه‌چاله‌ای با جرم ۱۴۲ برابر خورشید به وجود آمد. ستاره‌شناس‌ها قبلا موفق به کشف سیاه‌چاله‌هایی هم‌اندازه با خورشید شده بود و می‌دانستند سیاه‌چاله‌های عظیم معمولا چند میلیون برابر سنگین‌تر از خورشید در مرکز کهکشان‌ها وجود دارند؛ اما در گذشته به هیچ‌گونه شواهدی درباره سیاه‌چاله‌های متوسط دست نیافته بودند. شکل‌گیری دقیق سیاه‌چاله‌ها هنوز به‌صورت یک راز باقی مانده است که دانشمندان به‌ دنبال حل آن هستند. در اکتبر ۲۰۲۰، LIGO و ویرگو، کاتالوگ ده‌ها سیگنال موج گرانشی را منتشر کردند که بین آوریل و سپتامبر ۲۰۱۹ کشف شده بودند. ۳۹ رویداد در این کاتالوگ ثبت شده‌اند.

امواج گرانشی

رصدخانه لیگو برای اولین بار در سال ۲۰۱۵ امواج گرانشی حاصل از ادغام دو سیاه‌چاله را کشف کرد.

اندازه‌گیری حرکت ستاره‌ها در اطراف ساگیتاریوس A*

حرکت‌های خاص ستاره‌های نزدیک به مرکز کهکشان می‌توانند مدرکی قوی برای وجود سیاه‌چاله‌ای کلان جرم در مرکز این کهکشان باشند. ستاره‌شناسان از سال ۱۹۹۵ به ردیابی حرکت ۹۰ ستاره در اطراف جرم نامرئی ساگیتاریوس A* پرداختند. با تطبیق حرکت این ستاره‌ها با مدارهای کپلری، ستاره‌شناس‌ها توانستند مدار نزدیک‌ترین ستاره‌ها مرکز کهکشان را شناسایی کنند.

اولین تصویر سیاه‌چاله

سال ۲۰۱۹ سالی تاریخی برای علم نجوم بود. در این سال تلسکوپ ایونت هرایزن (ETH) موفق به ثبت اولین تصویر مستقیم از سیاه‌چاله شد. این سیاه‌چاله در مرکز کهکشان M87 قرار دارد که ۵۵ میلیون سال نوری با زمین فاصله دارد. این تصویر حلقه درخشانی را در اطراف مرکزی تاریک نشان می‌دهد که همان سایه سیاه‌چاله است؛ اما دانشمندان چگونه توانستند از چنین فاصله‌ای از یک سیاه‌چاله عکس بگیرند؟ راز این تصویر در عظمت تلسکوپ نهفته است. درواقع تلسکوپ ایونت هرایزن شبکه‌ای از تلسکوپ‌های مستقر در سراسر دنیا است.

 مشکلات زیادی بر سر ثبت عکس سیاه‌چاله وجود داشت. در درجه اول سیاه‌چاله‌ها اجرام سیاهی هستند که هیچ نور مرئی را از خود ساطع نمی‌کنند بنابراین نمی‌توان آن‌ها را به‌صورت مستقیم رصد کرد؛ اما این تنها مشکل بزرگ سیاه‌چاله نیست.

رصد اجرام با اندازه زاویه‌ای کوچک دشوار است؛ اما چگونه می‌توان جرمی به کوچکی سیاه‌چاله را در آسمان شب مشاهده کرد؟ وضوح زاویه‌ای تلسکوپ به دو معیار وابسته است: اندازه دهانه و طول‌موج نور. استفاده از طول‌موج‌های کوتاه‌تر (مثل فرابنفش یا اشعه ایکس)، وضوح بهتری را می‌دهد؛ اما در مورد عکس سیاه‌چاله، تلسکوپ از طول‌موج نور در طیف میلی‌متری استفاده کرده است. این طول‌موج در مقایسه با نور مرئی بسیار بزرگ است. نور مرئی در طیف ۵۰۰ نانومتر قرار دارد.

این یعنی تنها راه‌حل مشکل انکسار، استفاده از تلسکوپ بزرگ‌تر است. ازاین‌رو EHT گزینه مناسبی برای ثبت این عکس بود. برای این کار، تلسکوپی به‌اندازه کره زمین لازم است که در عمل غیرممکن است؛ اما با دریافت داده از تلسکوپ‌های رادیویی متعدد در بخش‌های مختلف دنیا و ترکیب آن‌ها در تلسکوپ غول‌آسایی مثل EHT می‌توان به نتیجه رسید. البته در این روش هم مشکلاتی وجود دارد. گروه EHT از روش‌های تحلیلی برای دستیابی به دقیق‌ترین تصویر از داده‌های جمع‌آوری شده استفاده کرده است.

اولین تصویر سیاهچاله

تلسکوپ ایونت هرایزن (EHT)، آرایه‌ای متشکل از هشت تلسکوپ عظیم رادیویی در مقیاس کل کره زمین، این تصویر را از سیاه‌چاله‌ای کلان جرم و سایه آن در مرکز کهکشان M87 ثبت کرده است.

از طرفی تصویر سیاه‌چاله با نور مرئی ثبت نشده است؛ بلکه تصویری رادیویی است. هر پیکسل موجود روی تصویر، نشان‌دهنده بخشی از یک طول‌موج رادیویی است. وقتی به بخش‌های نارنجی تصویر نگاه می‌کنید، نمایش رنگی کاذبی از طول‌موج را می‌بینید؛ بنابراین تصویر دریافتی از سیاه‌چاله اخیر، تصویری عادی نیست که بتوان با یک تلسکوپ معمولی به آن رسید؛ اما باز هم قدمی خارق‌العاده در علم نجوم محسوب می‌شود.

این عکس گواه محکمی بر نظریه نسبیت عام اینشتین است که گرانش را نتیجه خمیدگی فضا زمان می‌دانست. عکس‌های آینده می‌توانند به درک عملکرد سیاه‌چاله‌ها کمک کنند و نقش سیاه‌چاله‌های غول‌آسا، ازجمله سیاه‌چاله کهکشان M87 را در تکامل کهکشان میزبان خود نشان دهند. باوجوداین، این به‌معنی پایان پروژه نیست. به‌گفته شفرد دلمن، رئیس EHT از مرکز اخترفیزیک هاروارداسمیتسونین، می‌توان وضوح تصاویر موجود را با الگوریتم‌های موجود افزایش داد.

 رصد نزدیک‌ترین سیاه چاله

تکشاخ یا یونیکورن (Unicorn) نزدیک‌ترین سیاه‌چاله شناخته‌شده به زمین تنها ۱۵۰۰ سال نوری فاصله دارد و سه برابر سنگین‌تر از خورشید است. نام این سیاه‌چاله کوچک معنایی دوگانه دارد. این سیاه‌چاله نه‌تنها در صورت فلکی تک شاخ قرار دارد؛ بلکه با جرمی کم (تنها سه برابر جرم خورشید) در نوع خود منحصر‌به فرد است.

سیاه‌چاله یونیکورن دارای یک همراه از نوع غول سرخ است که در پایان عمر خود به سر می‌برد (غول سرخ زمانی به وجود می‌آید که ستاره‌هایی مثل خورشید به پایان عمر خود برسند). این ستاره همراه در طول سال‌های گذشته با ابزارهای متعددی از جمله ASAS و ماهواره TESS ناسا رصد شد. دانشمندان با تحلیل داده‌ها متوجه نکته جالبی شدند: شدت نور غول سرخ به صورت دوره‌ای تغییر می‌کند و همین مسئله نشان‌دهنده وجود شیء دیگر و تأثیر آن بر این ستاره بود.

پژوهشگرها بر‌‌‌اساس جزئیات سرعت اولیه و تغییرات نور ستاره متوجه شدند شیء تأثیرگذار بر غول سرخ احتمالا سیاه‌چاله‌ای با سه برابر جرم خورشیدی است. همان‌طورکه جاذبه ماه بر اقیانوس‌های زمین تأثیر می‌گذارد، سیاه‌چاله هم ستاره نزدیک خود را به شکل توپ فوتبالی در می‌آورد که یکی از محورهای آن طولانی‌تر است.سیاه‌چاله‌های سبک‌وزن معمولا به ندرت پیدا می‌شوند زیرا رصد آن‌ها بسیار دشوار است؛ اما با تأثیری که بر نور و اجرام اطراف خود می‌گذارند راحت‌تر می‌توان به وجودشان پی برد.

رصد نور پشت سیاه چاله

ازآنجاکه محیط گرانشی و مغناطیسی اطراف سیاه چاله‌ها بسیار شدید است، حداقل بر‌‌‌اساس نظریه نسبیت عام اینشتین می‌توان خم‌شدن نور در اطراف سیاه‌چاله و انعکاس آن از پشت سیاه‌چاله را مشاهده کرد. بر‌‌‌اساس یکی از جدیدترین اکتشافات ستاره‌شناسان برای اولین بار موفق شدند این نور خمیده را به صورت مستقیم به شکل پرتوهای ایکس از سیاه‌چاله‌ای کلان جرم در فاصله ۸۰۰ میلیون سال نوری کشف کنند. این سیاه‌چاله در کهکشان l Zw 1 قرار دارد.

سیاه‌چاله فعالی مثل l Zw 1* دارای قرص بر‌افزایشی است. این قرص به‌دلیل میدان مغناطیسی بالا به‌شدت داغ است به‌طوری‌که الکترون‌ها از اتم‌ها خارج شده و پلاسمای مغناطیسی را تشکیل می‌دهند. خارج از افق رویداد یک سیاه‌چاله فعال و در لبه داخلی قرص‌ برافزایشی قسمتی به نام تاج قرار دارد. الکترون‌های داغ این بخش بر اثر میدان مغناطیسی سیاه‌چاله تقویت می‌شوند. میدان مغناطیسی به گونه‌ای به خود پیچیده و تابیده که به صورت مرتب قطع و وصل می‌شود. این فرایند در خورشید باعث ایجاد فوران‌های قدرتمند می‌شود؛ اما در سیاه‌چاله قسمت تاج مانند یک سنکروترون برای شتاب دادن به الکترون‌ها عمل می‌کند تا جایی که این الکترون‌های پرانرژی در طول موج‌های پرتوی X درخشش بالایی پیدا می‌کنند.

بخشی از فوتون‌های پرتوی ایکس باعث درخشان‌شدن قرص برافزایشی شده و در فرآیندهایی مثل جذب فوتوالکتریک و فلوئورسنس بازیابی می‌شوند و سپس دوباره به صورت انعکاسی در طیف پرتوی ایکس منتشر می‌شود. از این نشر بازتابی می‌توان برای تصویر نزدیک‌ترین مناطق به افق رویداد سیاه‌چاله استفاده کرد.

رصدهای آینده سیاه چاله‌ها

ابزارهای آینده می‌توانند رصد سیاه چاله‌ها را آسان کنند. تلسکوپ‌های ۳۰ متری در دست ساخت در شیلی و هاوایی می‌توانند با دقت ۸۰ برابری درمقایسه‌با ابزارهای فعلی مرکز کهکشان را رصد کنند. از سوی دیگر پژوهشگران EHT (تلسکوپ ایونت هرایزن) هم بشقاب‌های رادیویی بیشتری را به شبکه خود اضافه کرده‌اند و به این ترتیب می‌توانند با دقت بیشتری از سیاه‌چاله M87 عکس‌برداری کنند. پژوهشگران این پروژه همچنین به‌دنبال عکس‌برداری از ساگیتاریوس A*، سیاه‌چاله مرکز راه شیری هستند.

از طرفی پژوهشگران موج گرانشی در حال برنامه‌ریزی برای ساخت نسل بعدی آشکارسازهای حساس از جمله آنتن فضایی تداخل سنج لیزری (LISA) هستند که از سه ماهواره در فاصله میلیون‌ها کیلومتر از یکدیگر تشکیل شده‌ است. LISA که در دهه ۲۰۳۰ پرتاب خواهد شد به‌قدری حساس و دقیق است که می‌تواند سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای تا سیاه‌چاله‌های کلان جرم در کهکشانی دوردست را رصد کند.

 

منبع زومیت
  دیدگاه
کاراکتر باقی مانده

بیشتر بخوانید