سیاه چاله ها، جذابترین اجرام کیهانی هستند و با وجود اطلاعات زیادی که در مورد آنها داریم، هنوز هم جزو بزرگترین اسرار جهان محسوب میشوند. بههمین دلیل این مطلب را به پاسخ 8 سوال پرتکرار در مورد آنها اختصاص دادهایم.
سیاهچاله بخشی از جهان است که گرانشی به شدت عجیبی قوی دارد، بهطوری که هیچ چیز، حتی نور توانایی فرار از آن را ندارد. هر چیزی که با عبور از مرز نامرئی یا افق رویداد، وارد این اجرام کیهانی شود، امکان خروج از آن را نخواهد داشت. در مرکز این اجرام، بخشی به نام تکینگ قرار دارد، جاییکه نیروی گرانش در آن به شدت بینهایت رسیده و هر شیء و جرمی را در یک نقطه بینهایت فشرده میکند.
سیاه چاله ها چگونه کشف شدند؟
جالب است بدانید که سیاهچالهها ابتدا توسط ستارهشناسان کشف نشدند، بلکه فیزیکدانان نظری آنها را در معادلات نظریه نسبیت عام اینشتین پیدا کردند. در سال ۱۹۱۵، اینشتین نظریهای تازه و بهبودیافته برای درک نیروی گرانش منتشر کرد. تنها چند ماه بعد از انتشار نظریه او، فیزیکدان آلمانی کارل شوارتزشیلد از سنگرهای جنگ جهانی اول نامهای برای اینشتین نوشت. او در این نامه گفته بود که در اوقات فراغت خود، راهحل دقیقی برای توصیف وضعیت میدان گرانشی یک جرم کروی، مانند گرانش خورشید در منظومه شمسی، پیدا کرده است.
این راهحل که آغازگر شناخت سیاه چاله ها محسوب میشود، در آن زمان کاربردی بود اما مشکل عجیبی در مورد آن وجود داشت. در فاصلهای مشخص از مرکز جسمی بزرگ، نتیجه محاسبات عوض میشد. نظریهپردازان دیگر، برداشت دقیقی از این موضوع نداشتند و از آنجایی که این فاصله ویژه بسیار کوچک بود، تاثیر چندانی بر کاربرد راهحل کشفشده شوارتزشیلد نداشت.
بااینحال با گذشت دههها، آن فاصله ویژه همچنان عامل کنجکاوی نظریهپردازان بود، چراکه قادر به درک آن نبودند. سرانجام فیزیکدانان کشف کردند که این فاصله تنها یک کنجکاوی ساده ریاضی نیست و اگر امکان فشرده کردن تمام ماده یک جسم در این فاصله خاص وجود داشته باشد، نیروی گرانش بر همه نیروهای دیگر طبیعت غلبه خواهد کرد و باعث فروپاشی بیپایان و فاجعهبار آن جسم میشود. این فاصله خاص امروزه با نام «افق رویداد» یا «شعاع شوارتزشیلد» شناخته میشود.
نامگذاری سیاهچالهها
این اجرام در سال 1968 «سیاهچاله» نام گرفتند؛ اصطلاحی که فیزیکدان جان ویلر پیشنهاد کرد. او معتقد بود سیاهچالهها در جهان وجود دارند؛ درحالیکه دیگر ستارهشناسان استدلال میکردند که ویژگیهای عجیب این اجرام، نشانه درک اشتباه ما از گرانش است و نظریه نسبیت عام کامل نیست.
این بحث در سال ۱۹۷۱ پایان یافت؛ زمانی که ستارهشناسان وجود منبعی بسیار قوی از پرتو ایکس به نام Cygnus X-1 را تایید کردند. آنها به اندازه و جرم این منبع پی بردند، منبعی که بسیار کوچکتر و چگالتر از هر جرم شناختهشده دیگری بود و تنها یک سیاهچاله توضیحی ممکن برای آن محسوب میشد.
البته ستارهشناسان سیاهچاله را نمیدیدند، چراکه نور توانایی فرار از آن را نداشت. بلکه نوری را مشاهده میکردند که یک ماده هنگام سقوط به زیر افق رویداد از خود ساطع میکرد؛ نوری که شبیه به آخرین فریادهای یک جرم پیش از فرو رفتن در تاریکی مطلق سیاه چاله ها بود.
داخل سیاه چاله ها چیست؟
پاسخ به سوال داخل سیاهچاله چیست را با یک توضیح کوچک شروع میکنیم. ما با اطمینان نمیدانیم زیر افق رویداد یک سیاهچاله چه چیزی وجود دارد، زیرا امکان دسترسی به این بخش از جهان هستی وجود ندارد؛ درنتیجه فضای داخلی سیاهچالهها همیشه از دید ما پنهان است. اما میتوان براساس درک از نسبیت، حدسهایی در مورد آن زد، چراکه همین نظریه عامل کشف این اجرام بود.
بر این اساس میتوان گفت که چیز زیادی داخل یک سیاهچاله وجود ندارد و تنها اجرام و موادی است که از افق رویداد، به سرعت به سمت مرکز حرکت میکنند. این مرکز، تکینگی یا قلب واقعی سیاهچاله نام دارد. براساس نظریه نسبیت، تکنیگی ناحیهای با گرانش بینهایت است اما امروزه کشف شده که این موضوع بهطور کامل صحیح نیست. چراکه درک ناقص ما از نظریه نسبیت باعث شده امکان تطبیق آن با مکانیک کوانتومی، فیزیک کوچکترین اشیا در جهان، را نداشته باشیم.
به عبارت دیگر، وجود تکینگی نشانه این است که ما گرانش را در مقیاسهای بسیار کوچک درک نمیکنیم. بااینحال دانشمندان امیدوارند که یک نظریه کوانتومی بهتر از گرانش، این معما را حل کند؛ اما در حال حاضر تنها میتوان گفت که درک درستی از اتفاقات داخل یک سیاهچاله وجود ندارد.
سیاهچالهها چگونه تشکیل میشوند؟
بشر امروزی تنها یک روش مطمئن برای ساخت سیاهچاله را کشف کرده و آن، مرگ یک ستاره عظیم است. زمانیکه ستارهای 8 برابر بزرگتر از خورشید، به پایان عمر خود و تشکیل سیاه چاله ها نزدیک میشود، هستهای از آهن و نیکل جامد تشکیل میدهد. مابقی جرم ستاره که نسبتا زیاد است، تلاش میکند از نظر گرانشی روی این هسته فرو بریزد، اما از آن به بیرون پرتاب میشود. این پرتاب منجر به دو اثر فوری و فاجعهبار میشود. اول، ستاره در یک انفجار ابرنواختری تماشایی، یکی از قدرتمندترین رویدادهای جهان، منفجر میشود.
دوم، نیروی این جهش هسته را در خود غرق کرده و باعث فروپاشی آن و تشکیل سیاهچالهای با جرمی چند برابر خورشید میشود. البته احتمالات دیگری هم برای ساخت و تشکیل سیاهچالهها وجود دارد. برای مثال ممکن است در جهان اولیه و کمتر از یک ثانیه پس از مهبانگ یا بیگبنگ، بخشهایی از جهان به چگالیهای فوقالعاده بالایی رسیده و باعث تشکیل ناگهانی سیاهچالههای کوچکی، در حد یک توپ بیسبال شده باشند. این اجرام که سیاهچالههای نخستین نام دارند، احتمالا سراسر جهان را پر کرده و شاید هنوز هم در فضا سرگردان باشند.
همچنین احتمال وجود سیاهچالهها پیش از ظهور نخستین ستارگان هم وجود دارد. شاید چند صد میلیون سال پس از بیگبنگ، تودههای عظیم ماده مستقیما فروپاشیده و به سیاهچاله تبدیل شده باشند، بدون آنکه مرحله تشکیل ستاره را طی کنند. این سیاهچالهها از همان ابتدا بسیار بزرگ بودند و جرمی صدها یا هزاران برابر خورشید داشتند.
آیا سیاهچالهها واقعا سیاه هستند؟
برخلاف تصور بسیاری از افراد، رنگ عجیبترین اجرام کیهانی یعنی سیاه چاله ها، کاملا سیاه نیست. البته تصور سیاهی این اجرام چندان عجیب نیست، چراکه نام حفره خاکستری حس ابهت و رازآلودگی آنها را بهدرستی منتقل نمیکند. بهعلاوه زمانی بشر فهمید سیاهچالهها کاملا سیاه نیستند که دههها با این نام شناخته میشدند.
در نظریه نسبیت عام گفته میشود که این اجرام کاملا سیاه هستند و هیچ چیز توانایی فرار از آنها را ندارد. اما در سال 1976، اخترفیزیکدان مشهور استیون هاوکینگ کشف کرد که اثرات عجیب کوانتومی در افق رویداد، این امکان را دارند که باعث انتشار تابشی آرام از سیاهچالهها شوند.
برای یک سیاهچاله معمولی، این تابش هاوکینگ شاید فقط حدود یک فوتون در سال باشد. اما در بازههای زمانی بسیار طولانی، همین تابش باعث کاهش جرم سیاهچاله شده و سرانجام آن را از بین میبرد. نکته مهم این است که این تابش، گرمایی و کاملا تصادفی بوده و هیچ اطلاعاتی درباره چیزهایی که وارد سیاهچاله شدهاند با خود حمل نمیکند.
این موضوع به پارادوکس اطلاعات سیاهچالهها، یکی از بزرگترین مسائل حلنشده فیزیک مدرن، نیز منجر شده است. این پارادوکس بیان میکند که اگر اطلاعات نه ایجاد شده و نه از بین میروند، پس هنگام تبخیر سیاهچاله چه بر سر آنها میآید؟ قطعا کسی که اولین پاسخ برای این پرسش را پیدا کند، برنده جایزه نوبل خواهد شد.
آیا کسی وارد سیاهچاله شده است؟
پاسخ این سوال منفی است و بهطور حتم سفر خوشایندی نخواهد بود. در مورد سیاهچالههای کوچک، گرانش شدید شما را پیش از رسیدن به افق رویداد چنان خواهد کشت که به این فرایند در زبان عامیانه اسپاگتیشدن میگویند.
در سیاه چاله های بزرگتر، این احتمال وجود دارد که بدون آسیب از افق رویداد عبور کنید. بااینحال بهمحض عبور از آن مرز نامرئی، دیگر راه گریزی وجود نداشته و سرنوشت شما رسیدن به تکینگی خواهد بود؛ جایی که بهطور کامل خرد و نابود خواهید شد.
نزدیکترین سیاهچاله به زمین کدام است؟
این احتمال وجود دارد که صدها میلیون سیاهچاله در کهکشان راه شیری سرگردان باشد، اما نزدیکترین نمونه شناختهشده Gaia BH1 نام دارد. این سیاهچاله در سال ۲۰۲۲ و طی ماموریت Gaia متعلق به آژانس فضایی اروپا کشف شد و در فاصله ۱۵۶۰ سال نوری از ما قرار دارد.
همانطور که گفته شد، احتمال وجود سیاهچالههای نزدیکتر هم وجود دارد اما شناسایی آنها بهسادگی امکانپذیر نیست، چراکه ما تنها زمانی قادر به مشاهده آنها خواهید بود که بر محیط اطراف خود اثر بگذارند. مانند آنچه در مورد Cygnus X-1 اتفاق افتاد یا زمانیکه با یکدیگر ادغام شده و امواج گرانشی آزاد کنند.
سیاهچالهها چقدر بزرگ هستند؟
بیشتر سیاهچالهها در دسته اجرام ستارهای قرار میگیرند؛ یعنی جرمی بین چند تا چند ده برابر خورشید دارند. این نوع سیاهچالهها تقریبا در همه کهکشانها وجود دارند، چراکه محصول مرگ ستارگان با جرم بالا هستند.
البته نمونههای بزرگتری هم از این سیاه چاله ها وجود دارد. سیاهچالههای کوچک این امکان را دارند که با ادغام با یکدیگر یا بلعیدن ماده جدید رشد کنند. این غولها که سیاهچالههای ابر پرجرم نامیده میشوند، بهطور معمول در مرکز کهکشانها جا خوش میکنند.
سیاهچاله مرکز راه شیری، یعنی Sagittarius A*، جرمی حدود ۴.۵ میلیون برابر خورشید دارد. اما رکورددار واقعی موجودی هیولایی به نام TON 618 است. این سیاهچاله جرمی شگفتانگیز برابر با ۶۶ میلیارد برابر خورشید دارد. خوشبختانه این غول در فاصلهای بیش از ۱۸ میلیارد سال نوری از زمین قرار گرفته، درنتیجه هرگز مجبور نخواهیم شد از نزدیک با عظمت هراسانگیز آن روبهرو شویم. البته این نکته را فراموش نکنید که شگفتیهای جهان هستی، به سیاهچالهها ختم نمیشود، برخی از آنها را میتوانید در مطلب 40 شگفتی فضا بخش اول مطالعه کنید.
