فیزیک سیاه چاله ها
بسم الله الرحمن الرحیم
فیزیک سیاه چاله ها
سیاه چاله ها اجرامی آسمانی هستند که شاید در دوران معاصر علی الخصوص چند دهه اخیر جزو پر سوال ترین و جالترین مسائلی بوده که انسانها را در هر قشری به خود معطوف داشته است .اجرامی نامرئی با قدرتی فوق العاده و عجین بودن نام این موجود با دانشمندانی چون البرت انیشتین و استفان هاوکینگ شاید مزید برعلت شده است.
چهره های نام آشنای علم به خصوص کیهانشناسی ، خوب دراینجا خوب است که ببینیم این اجرام مرموز چه چیز هستند واز کجا نشات می گیرند.
خوب است قبل از آنکه وارد توضیح تخصصی این اجرا برآییم به تعریف وچیستی آن وارد شویم وبعد علت پیدایش و انواع آن را مورد ارزیابی علمی قرار دهیم.
خوب گرانش نامی آشنا برای همه کسانی است که تاحدودی با فیزیک آشنا هستند نیرویی که از جانب زمین به همه وارد می شود و عامل می شود که ما بر روی آن میخ کوب شده وهمه چیز را به سوی خود می کشد .
گرانش جزو نیر هایی است که می توان آن را زبان مشترک جمله طبیعت به حساب آورد این یعنی چه؟
در طبیعت چهار نیر وجود دارد که ارتباط بین ذرات و اجسام به وسیله آنها صورت می پذیرد اگر هر کدام از آنها را یک زبان بنامیم چهار زبان وجود دارد ولی همه طبیعت این زبانها را نمی فهمند مثلا نیروی هسته ای قوی وضعیف فقط در حوزه هسته ها قابل فهم هستند و در ساختار های بزرگ مقیاس قابل فهمیدن نیستد نیروی الکترو مغناطیس هم که جزو قوی ترین نیروهای دوربرد محسوب می شود فقط بین ذرات باردار متداول است و ذرات باردار متوجه آن می شوند و ذرات غیر باردار اصلا آن را نمی فهمند ولی گرانش زبان مشترکی است که همه ذرات چه کوچک چه بزرگ آن را می فهمند و قابل درک برای همه است هرجند در مقایسه با الکترو مغناطیس بسیار ضعیف است چون شما با مالیدن یک شانه به موهای خود می توانید تکه کاغذی که روی زمین است بلند کنید و به اصطلاح بایک شانه به کل گرانش زمین که بر کاغذ وارد می شود غلبه کرده اید.
به هرحال همین گرانش ضعیف عامل نظم وارتباط در سیستم های مخصوصا بزرگ مقیاس محسوب می شود.
حال می خواهیم ببینیم که حالا که گرانش ما را به زمین میخکوب کرده چگونه می توان از کمند گرانشی زمین فرار کنیم یا به اصطلاح باید چقدر سرعت وانرژی داشته باشیم تا بتوانیم از زمین فرار کنیم این سوالی بسیار مهم مخصوصا برای فضا نوردان است.
فرض کنید شما توپی را به بالا پرتاب می کنید مشاهده می کنید که توپ بالا رفته بعد از اینکه ارتفاع گرفتت کم کم سرعت آن کم شده وبه صفر می رسد و بعد دوباره به زمین بر می گردد یعنی وقتی شما توپ را پرتاب می کنید یک سرعتی به توپ می دهید هر چقدر که سرعتی که به توپ می دهید بیشتر باشد توپ ارتفاع بیشتری را بالا می رود و نیرویی این سرعت را کم می کند و به صفر می رساند. ولی شما وقتی سرعت بیشتری به توپ می دهید این نیرو دیر تر سرعت توپ را به صفر می رساند گویی دوانرزی دراین بین وجود دارد انرژی که شما به توپ می دهید که با سرعت هم رابطه مستقیم دارد و انرژی که زمین به توپ وارد می کند که سرعت توپ را کم می کند . حالا اگر بخواهیم انرژی به توپ بدهیم که دیگر به زمین باز نگردد باید انرژی به توپ بدهیم که حداقل با انرژی که زمین به آن وارد می کند برابر باشد که دیگر نتواند زمین سرعت توپ را به صفر برسناند . که به این سرعت ، به اصطلاح سرعت فرار می گوییم.
به اصطلاح یعنی اگر انرژِی جنبشی که ما وارد می کنیم با انرژِی پتانسیل زمین که برجسم وارد می شود حداقل برابر باشد در این هنگام وقتی که جسم را پرتاب می کنیم دیگر به زمین باز نمی گردد. خوب همان طور که در فرمول دیده می شود سرعت فرار با جرم زمین رابطه مستقیم داشته و با شعاع زمین رابطه عکس دارد
در حال حاضر سرعت فرار اززمین برابر 11.2 کیلومتر برثانیه است یعنی اگر جسمی را با این سرعت پرتاب کنید دیگر به زمین باز نمی گردد.
حال اگر بخواهیم سرعت فرار از زمین را افزایش داده وبالا ببریم می بایست چه کار بکنیم ،حتما می گویید یا باید جرم زمین را افزایش دهیم یا باید به عمق زمین برویم تا شعاع کم شود،نه این درست نیست چرا که با رفتن به عمق زمین همزمان جرم هم کم می شود چون شما با رفتن به عمق عملا یک مقدار از جرم زمین را در محاسبات حذف می کنیم پس این عامل نمی شود که سرعت فرار زیاد شود. با فرض اینکه جرم زمین ثابت باقی بماند برای افزایش سرعت فرار می بایست زمین متراکم وشعاع کل زمین کم شود.یعنی با تراکم زمین با فرض ثابت بودن جرم سرعت فرار زیاد و زیاد تر می شود حالا سوال اینجاست که تا چه حدی می توانیم سرعت فرار را زیاد کنیم.؟نیوتون برای این پرسش حدیقفی قایل نمی شد و می گفت شما می توانی تراکم را تا نقطه تکینه صفر افزایش دهید لاجرم سرعت فرار به سوی بی نهایت پیش می رود.
اما آلبرت انیشتین در نسبیت خاص سرعت نور را سرعت حد معرفی می کند وخاطر نشان می کند که اجرام نمی توانند از سرعت نور ،سرعت بیشتری داشته باشند،یک از فیزیک دانان به نام شوراسشیلد که در آن دوران در میدان جنگ جهانی دوم سرباز بود،مساله سرعت فرار را با در نظر گرفتن این حد نسبیتی حل کرد
و شعاعی را به دست آورد که اگر تا این شعاع جرمی کوچک شود ،سرعت فرار برابر سرعت نور خواهد شد. و نور هم از سطح آن جرم نمی تواند بگریزد و یا به اصطلاح سرعت فرار برابر سرعت نور می شود. این شعاع را به افتخار این دانشمند به نام شعاع شوارسشیلد می نامند.
بنا به ادعای شوارسشیلد هر جرمی که به شعاع شوارسشیلد برسد اجازه گسیل نور به اطراف را نمی دهد پس به یک سیاه چاله تبدیل می شود ،این اختصاص به جرم خاصی هم ندارد زمین وقتی به حد یک سانتی متر کوچک شود یا خورشید به حد 300 کیلومتری منقبض شود وحتی پرتقال در حددد چند نانومتری با تمام جرمشان منقبض شوند تبدیل به یک سیاه چاله می شوند. پس سیاه چاله یک تعریف عام است که اختصاص به جرم خاصی ندارد بلکه هر جسمی دریک شعاع خاصی با تمام جرمی که دارد منقبض شود تبدیل به سیاه چاله می شود.
سیاهچاله از نظریه تا واقعیت:
حال که نسبیت توانست در حالت حدی برای سرعت فرار سیاهچاله مطرح کند آیا تئوری های ساختار و تحول ستارگان نیز می تواند موید آن باشد ؟
در ساختار وتحول ستارگان عنوان می شود که ستارگان از توده های سرگردانی به نام سحابی ها به وجود آمده ودر اثر فشار و گرما شروع به همجوشی هسته ای می کنند و به مرحله ای می رسند که گرانش و نیروهای هسته ای داخلی در حالت تعادل می رسندو دوره های مختلف تکوینی خود را پشت سر می گذارند تا به مرحله ای می رسندکه فلزات وعناصر سنگینی چون آهن درآنها به وجود می آید وبه اصطلاح پیر می شوند در این حالت ستاره فعل و انفعالات هسته ایش کاهش پیدا کرده لاجرم تعادل آن به هم خورده و شروع به رمبش می کند.
و ممکن است در این رمبش نو اختر یا ابر نو اختر هم به وجود بیایید. به هرحال ستاره با تمام جرمی که دارد شروع به رمبش می کند. اما این رمبش منجر به وجود آمدن سیاه چاله می شود؟
این سوال را دانشمندی هندی به نام چاندراسکار پاسخ داد وی عنوان نمود که همه ستارگان یرنوشت یکسان ندارند بلکه این جرم اولیه ستارگان است که سرنوشت آن را مشخص می کند
اگر ستاره ای هم جرم خورشید یا نزدیک به جرم خورشید را داشته باشد در هنگام رمبش به یک کوتوله سفید و اگر جرم اولیه آن سه خورشید باشد به ستاره نوترونی واگر چهار برابر و بزرگتر از چهار برابر باشد به سیاه چاله تبدیل می شود.
پس در نگاه چاندرسکار عده ای از ستارگان که توانایی رمبش تا شعاع شوارسشیلد خود را دارند فقط به سیاهچاله تبدیل می شوند مثلا خورشید توان رسیدن به این شعاع را ندارد و حتی ستارگان سه برابر بزرگتر از خورشید نیز چنین توانی را ندارند .
فقط ستارگانی که چهار برابر از خورشید بزرگترند یا بیشتر از چهار برابر خورشید جرم دارند چنین توانی را دارند.
حال سوال اینجاست که چرا رمبش همه ستارگان نمی تواند سیاهچاله ایجاد کند چه چیز مانع می شود؟
برای این مساله مثالی می زنیم شما فرض کنید که لوله ای داریم که می توانیم داخل آن تیله کنیم ،حال فرض کنید این لوله را شروع به پرکردن با تیله کردیم تاحدی که امکان داشت در آن تیله وارد نمودیم ،تا به حدی که دیگر تیله درآن جای نگیرد واگر بخواهیم یک تیله وارد کنیم باید یک تیله از آن خارج شود این حالت را به اصطلاح حالت تبهگنی می گویند. در جریان رمبش گازها در ستاره گازها تا حدی که امکان داشته باشد متراکم می شوند تا حدی که دیگر توان از آن متراکم شدن را ندارند و یا به اصطلاح الکترونها تا حد ممکن متراکم شده اند و از این بیشتر توان تراکم ندارند این را تبهگنی الکترونی می گویند در این حال ستاره به حالت کوتوله سفید درآمده است. وتوان تراکم بیش از این را ندارد.و در همین حد به تعادل رسیده است.
در حالتی که ستاره سه برابر خورشید جرم دارد در این حالت فشار گرانشی بیشتری به ستاره وارد می شود و ستاره علی رغم اینکه در تبهگنی الکترونی قرار گرفته ولی باز هم فشار مضاعفی به دان وارد می شود در این حالت عنوان می شود که الکترون ها و پروتونها موجود در محیط با هم ترکیب شده وتبدیل به نوترون می شوند و ستاره های نوترونی را پدید می آورند این ستارگان عمدتا جرمشان ازنوترون است وبا سرعت زیادی به گرد خود در حال گردش هستند و به پالس استارها نیز موسومند.در این حالت ستاره به حالت تبهگنی نوترونی می رسد یعنی درحالت نوترونی به تعادل می رسد اگر باز هم فشار مضاعفی وجود داشت که حالت تعادل نوترونی هم جواب آن را نمی داد لاجرم ماده به فاز سیاهچاله پا می گذارد و به ناگهان شروع به رمبش کرده .و گذار از ماده به ماده ای خاص و نامعلوم شروع می شود و حد فشردگی در حد شعاع شوارسشیلد قرار گرفته و ستاره تبدیل به سیاه چاله می شود.
انواع سیاهچاله ها:
دانشمندان سیاهچاله ها را به انواع مختلفی از لحاظ فیزیکی و از از لحاظ تکوینی تقسیم بندی کرده اند:
تقسیم بندی از لحاظ فیزیکی : سیاه چاله های شوارسشیلد سیاهچاله های کر یا گردانسیاهچاله های باردار
تقسیم بندی از لحاظ تکوینی:میکرو سیاهچاله هاسیاهچاله های ستاره ایابر سیاهچاله ها
ردیابی سیاه چاله ها:
ردیابی سیاه چاله ها از زمانی که انیشتین وجود انها را پیشبینی کرد در دستورکار ستاره شناسان بوده و روشهای زیادی را برای دیدن مستقیم یا غیر مستقیم آن پیشنهاد داده اند:
روشهای غیر مستقیم مشاهده یک سیاه چاله را می توان در تغییر فضا زمانی اطراف سیاه چاله و تاثیراتی که روی اجرام مجاور خود می گذارند جستجو نمود مثلا درمیکرو سیاه چاله ها با رصد ستارگان و افت وخیز ناگهانی نور ستارگان در اطراف سیاهچاله ها که به لنز های گرانشی موسوم هستند به دنبال آنها می گردند میکرو لنز های گرانشی یا همان میکرو سیاهچاله ها اجرامی هستند به اندازه یک ذزه چند سانتی متری یا کوچکتر و با جرم در حدود جرم زمین که در لحظه بیگ بنگ به وجود آمده اند گروه اروس و سایر گروه های نجومی در پی کشف این گونه سیاه چاله ها هستند.
برای ردیابی سیاهچاله های ستاره ای با توجه به اینکه درصد قابل توجه ستارگان موجود در آسمان را ستارگان دوتایی یا باینری استارها تشکیل می دهند هراز گاهی ممکن است که این ستارگان دوتایی یکی شان سیاهچاله وهمدمش ستاره ای قابل ردیابی باشد و در این گونه ستارگان معمولا سیاهچاله در حال بلعیدن همدم خود می باشد با تغیر شکلی که در همدم سیاهچاله پدید آمده است می توان به وجود سیاهچاله پی برد.
و بالاخره روش های غیر مستقیم در ردیابی ابر سیاهچاله ها در رصد مسیر حرکت ستارگان نزدیک به این سیاهچاله ها می باشد یکی از این سیاهچاله های پرجرم که از ادغام چندین سیاه چاله تشکیل شده است در صورت فلکی قوس یابرج عقرب قرار دارد که به نام قوس ای معروف است که 26 هزارسال نوری از منظومه شمسی فاصله دارد این سیاهچاله چهار میلیون برابر خورشید جرم دارد و در مسیر حرکت ستارگان تغیراتی را به وجود آورده است.
یکی دیگر از روشهای غیر مستقیم در ردیابی سیاهچاله ها استفاده از امواج گرانشی است که ازادغام دوسیاه چاله حاصل شده و این امواج توسط تلسکوپ ردیاب لاگو در دو سال اخیر توانستند اول امواج گرانشی و ثانیا وجود سیاهچاله را اثبات نمایند.
وبالاخره روش مشاهده مستقیم در اردیبهشت سال 1398 اتفاق افتاد و تلسکوپ هایی موسوم به افق رویداد با برنامه ریزی کتی بومن توانست اولین تصویر از سیاه چاله را در مسیه 87 در خوشه سنبله ودر فاصله 60 میلیون سال نوری و جرم 6.5 میلیون برابر خورشید عکس برداری کند .
این اولین تصویر از فوتون کره یک سیاه چاله بود که بشر توانست ببیند و شاید ما جزو خوش شانس ترین انسانها بودیم که توانستیم این را دریابی کنیم وببینیم.
