سیاهچاله و انواع آن

سیاهچاله ناحیه‌ای از فضا با میدان گرانشی آنقدر قوی است که هیچ چیز، حتی نور، نمی‌تواند از آن فرار کند. سیاهچاله‌ها در سه و احتمالاً چهار نوع وجود دارند.

سیاهچاله‌ها طبق ماهیت خود تاریک هستند. این اولین تصویر از یک سیاهچاله است که از آوریل 2019 گرفته شده است. حلقه درخشانی از نور که در اثر گرانش شدید اطراف سیاهچاله خم می‌شود، سیاهچاله‌ای که 6.5 بیلیون برابر جرم خورشید ما می‌باشد. این سیاهچاله در مرکز کهکشان M87 و در فاصله 55 میلیون سال نوری از زمین قرار دارد. تصویر از همکاری تلسکوپ افق رویداد.

سیاهچاله چیست؟

سیاهچاله ناحیه‌ای از فضا با میدان گرانشی آنقدر قوی است که هیچ چیز، حتی نور، نمی‌تواند از آن فرار کند. به همین دلیل است که سیاهچاله‌ها سیاه به نظر می‌رسند. ما واقعاً نمی‌توانیم آنها را مستقیم ببینیم. ما فقط می‌توانیم تأثیراتی را ببینیم که آنها بر نور ستارگان اطراف آنها می گذارند. سیاهچاله‌ها می‌توانند به اندازه میلیونها یا بیلیونها ستاره بزرگ باشند. یا می‌توانند به کوچکی چند جرم ستاره‌ای باشند که در جریان انفجارهای ابرنواختری بیش از حد چگال له شده‌اند. سال گذشته فهمیدیم که سیاهچاله‌های با جرم متوسط ​​نیز وجود دارند. به علاوه، حتی ممکن است سیاهچاله‌های کوچک نیز وجود داشته باشد.

از تئوری تا واقعیت

آلبرت اینشتین در نظریه نسبیت عام خود از سال 1915، اولین کسی بود که پیشنهاد کرد جهان ما دارای چنین اجرام عجیب، متراکم و پرجرم است. سیاهچاله‌ها از معادلات نسبیت عام اینشتین به عنوان یک نتیجه طبیعی از مرگ و فروپاشی ستارگان پرجرم پدیدار می‌شوند. در سال 1916، کارل شوارتزشیلد، ریاضیدان آلمانی، اولین کسی بود که سیاهچاله‌ها را به صورت ریاضی فرموله کرد. فیزیکدان نظری جان ویلر برای اولین بار سالها بعد در سال 1967 نام سیاهچاله را ابداع کرد.

تا دهه 1970، سیاهچاله‌ها فقط کنجکاوی ریاضی بودند. سپس، در سال 1971، دانشمندان اولین سیاهچاله فیزیکی، Cygnux X-1 را کشف کردند.

سیاهچاله‌هایی با جرم ستاره‌ای

ما سه نوع سیاهچاله را می‌شناسیم. اولی به اصطلاح سیاهچاله با جرم ستاره‌ای است. اینها بقایای ستارگان بزرگ هستند. وقتی ستاره‌ای با جرم بیش از پنج برابر خورشید ما در پایان عمر خود به صورت یک ابرنواختر منفجر می‌شود، گرانش هسته آن را به طور ناگهانی و شدید فشرده می‌کند.

بسته به جرم ستاره، فروپاشی ممکن است متوقف شود و یک ستاره نوترونی تشکیل دهد. اما اگر جرم آن کافی باشد، فروپاشی هسته ادامه می‌یابد و سیاهچاله را تشکیل می‌دهد. سیاهچاله‌های با جرم ستاره‌ای دارای جرم‌هایی هستند که از حداقل حدود پنج برابر جرم خورشید ما تا حدود 60 برابر جرم خورشید متغیر است. قطر آنها معمولاً بین 10 تا 30 مایل (16-48 کیلومتر) است.

مفهوم هنری از Cygnus X-1. ستاره شناسان معتقدند Cygnus X-1 یک سیاهچاله ستاره‌ای معمولی در یک منظومه ستاره‌ای دوتایی است. Cygnus X-1 یک ستاره قبل از فروپاشی در سیاهچاله بود. دلیل اینکه ما می‌توانیم سیاه‌چاله را تشخیص دهیم این است که این سیاه‌چاله مواد همراه خود، یک ستاره متغیر ابرغول آبی به نام HDE 226868 را بیرون می‌کشد. تصویر از ESA/Wikimedia Commons.

سیاهچاله‌های متوسط

دانشمندان کشف یک سیاهچاله با جرم متوسط ​​را در سال 2021 اعلام کردند. این نوع سیاهچاله شکاف بین سیاهچاله‌های کوچکتر با جرم ستاره‌ای و سیاهچاله‌های کلان جرمی که در مرکز کهکشانها کمین کرده‌اند را پر می‌کند. سیاهچاله تازه کشف شده «گلدیلاکز» جرمی معادل 55000 خورشید دارد. ستاره‌شناسان سیاهچاله متوسط را با کشف چیزی پیدا کردند که در پشت آن قرار داشت: سیگنالهای پرتو گاما. عدسی گرانشی گسیل این انفجار دانشمندان را به سیاهچاله با جرم متوسط ​​هدایت کرد.

سیاهچاله‌های با جرم متوسط، بزرگ‌تر از سیاه‌چاله‌هایی که از ستارگان منفرد تشکیل شده‌اند – اما کوچک‌تر از سیاه‌چاله‌های کلان جرم در مراکز کهکشان‌ها – از نظر تئوری باید وجود داشته باشند. ستاره شناسان می‌گویند که با تشخیص انفجار پرتو گاما یکی را پیدا کرده‌اند که به صورت گرانشی توسط سیاهچاله تابیده شده بود. در این نمودار، انفجار پرتو گاما در سمت راست نشان داده شده است. سیاهچاله پرجرم در مرکز به عنوان یک عدسی عمل می‌کند که نور ناشی از انفجار پرتو گاما را خم می‌کند. تصویر از کارل ناکس / OzGrav / دانشگاه ملبورن.

سیاهچاله‌های کلان جرم

نوع سوم سیاهچاله، سیاهچاله کلان جرم است. جرم آنها می‌تواند به اندازه بیلیونها خورشید باشد. ستاره شناسان بر این باور هستند که اکثر کهکشانها سیاهچاله های بسیار پرجرم در هسته خود دارند. کهکشان در مرکز کهکشان راه شیری خودمان، قوس A، دارای جرمی حدود 4 میلیون برابر خورشید ما و قطر آن حدود 37 میلیون مایل است.

نمونه دیگری از سیاهچاله‌های پرجرم در مرکز اختروش معروف به TON 618 قرار دارد. جرم سیاهچاله مرکزی آن تقریباً 66 بیلیون خورشید است. سیاهچاله‌های کلان پرجرم ممکن است در تاریخ اولیه کیهان از ابرهای در حال فروپاشی عظیم هیدروژن بین ستاره‌ای شکل گرفته باشند، اگرچه منشأ دقیق آنها نامشخص است و نیازمند تحقیقات فعال زیادی است. آنها همچنین ممکن است در طول اعصار از ادغام با سایر سیاهچاله‌ها جرم اضافی انباشته کرده باشند.

مفهوم هنری که محیط یک سیاهچاله کلان جرم را نشان می‌دهد که نمونه سیاهچاله‌هایی است که در قلب بسیاری از کهکشان‌ها یافت می‌شوند. اطراف خود سیاهچاله یک قرص برافزایشی درخشان از مواد بسیار داغ و در حال سقوط و یک چنبره غبارآلود (حلقه دونات شکل) است. همچنین اغلب فواره‌های پرسرعتی از مواد در قطب‌های سیاه‌چاله به بیرون پرتاب می‌شوند که می‌توانند فواصل زیادی را به فضا گسترش دهند. تصویر از  ESO/ Wikimedia Commons.

نوع چهارم سیاهچاله

ممکن است دسته دیگری از سیاهچاله‌ها وجود داشته باشد، سیاهچاله‌های کوچک. اندازه این سیاهچاله‌ها از اندازه یک سیاهچاله با جرم ستاره‌ای کوچکتر خواهد بود. تا کنون،  وجود آنها فقط فرضی بوده و وجود هیچ کدام ثابت نشده است.

داخل سیاهچاله چیست؟

طبق تعریف، ما نمی‌توانیم آنچه را که درون یک سیاه‌چاله است مشاهده کنیم، زیرا هیچ نوری – هیچ نوع اطلاعاتی – نمی‌تواند فرار کند. اما نظریه‌های اخترفیزیکی نشان می‌دهند که در هسته یک سیاه‌چاله، تمام جرم سیاه‌چاله در یک نقطه کوچک با چگالی بی‌نهایت متمرکز شده است. این نقطه به عنوان تکینگی شناخته می‌شود.

این نقطه – تکینگی – است که میدان گرانشی فوق‌العاده قوی سیاهچاله را ایجاد می‌کند. با این حال، در نظر بگیرید که تکینگی ممکن است وجود نداشته باشد که به این دلیل است که تمام قوانین فیزیکی شناخته شده تحت شرایط شدید در مرکز یک سیاهچاله شکسته می‌شوند، جایی که بدون شک اثرات کوانتومی نقش بزرگی را ایفا می‌کند. از آنجایی که ما هنوز یک نظریه کوانتومی گرانش نداریم، توصیف آنچه واقعاً در هسته یک سیاهچاله وجود دارد غیرممکن است.

حدود یک سیاهچاله

مرز یک سیاهچاله افق رویداد آن است. این یک لبه فیزیکی نیست. فقط نقطه‌ای در فضا است که فرار از گرانش سیاهچاله غیرممکن است. هنگامی که هر چیزی که در سیاهچاله می‌افتد از افق رویداد عبور کند، دیگر هرگز نمی‌تواند سیاهچاله را ترک کند. به طور اجتناب ناپذیری به سمت مرکز سیاهچاله می‌کشد. در افق رویداد، هر جسم جامدی توسط گرانش شدید نابود می‌شود و به ذرات زیراتمی تشکیل‌دهنده‌اش تبدیل می‌شود. در افق رویداد، سرعت فرار سیاهچاله به سرعت نور می‌رسد.

مشاهده سیاهچاله‌ها

بدون گسیلی از یک سیاهچاله، دانشمندان تنها می‌توانند اثرات گرانشی آنها را بر روی اجرام مجاور در فضا را مشاهده کنند. اگر ستارگان یا گازی در نزدیکی سیاهچاله وجود داشته باشد، ممکن است به طور فعال از آنها “تغذیه” کند. یعنی ممکن است یک سیاهچاله موادی را از این اجرام مجاور جذب کند. در این حالت، یک سیاهچاله دارای یک قرص برافزایشی خواهد بود. اینجا جایی است که مواد قبل از اینکه سیاهچاله آن را بخورد، به سمت داخل مارپیچی می‌شوند، مانند آب در سینک. قرص برافزایشی ممکن است با درصد قابل توجهی از سرعت نور بچرخد: اصطکاک بین ذرات در حال برخورد در دیسک دمای آن را تا میلیون‌ها درجه افزایش می‌دهد و مقادیر عظیمی اشعه ایکس را ساطع می‌کند که می‌توان با تلسکوپ‌های ویژه آن را تشخیص داد.

در آوریل 2019، پروژه تلسکوپ افق رویداد اولین تصویر مستقیم از یک سیاهچاله، سیاهچاله بسیار پرجرم در مرکز کهکشان بیضوی غول پیکر M87 را نشان داد. مجموعه‌ای جهانی از تلسکوپهای رادیویی این تصویر را به دست آوردند. بدون شک وجود سیاهچاله‌ها را نشان داد. دانشمندان توانستند مستقیماً مدلهای رفتار سیاهچاله نسبیت عام را آزمایش کنند و دریافتند که سیاهچاله M87 کاملاً مطابقت با آن دارد.

تصویری از تلسکوپ فضایی هابل از یک جت سیاهچاله از مرکز کهکشان M87. این جت متشکل از الکترونها و سایر ذرات زیراتمی است که تقریباً با سرعت نور حرکت می‌کنند. تصویر از تیم میراث هابل (STScI/AURA)/ NASA/ ESA/ esahubble.org.

ترجمه:

منبع:

Black holes: All 3 types explained

Posted by Andy Briggs and Kelly Kizer Whitt February 23, 2022

https://earthsky.org/space/definition-what-are-black-holes/