حقایق جذاب درباره سیاهچاله‌ها که احتمالا از آن‌ها بی‌خبرید

سیاهچاله‌ها یکی از اسرارآمیزترین اجرام در جهان محسوب می‌شوند و تقریبا تمام نور محیط اطراف را به دام میدان گرانشی قوی خود می‌اندازند. اما چنین اتفاقی به این معنی نیست که منجمان و پژوهشگران هیچ وقت نمی‌توانند آن را مشاهده کنند.

از زمانی که آلبرت انیشتین در سال ۱۹۱۵ میلادی/۱۲۹۴ خورشیدی با حل معادلات مرتبط با نسبیت عام توانست به حضور سیاهچاله‌ها پی ببرد، منجمان و اخترفیزیکدانان به دنبال آن بودند تا اینکه بالاخره در سال‌های اخیر توانستیم شواهد مستقیمی از وجود آن‌ها پیدا کنیم.

پژوهشگران تا امروز توانسته‌اند رفتار سیاهچاله‌ها را هنگام تولد توصیف کنند و ویژگی‌های آن‌ها را متوجه شوند. همچنین منجمان می‌دانند که سیاهچاله‌های ابرپرجرم در قلب کهکشان‌ها زندگی می‌کنند و بعضی از آن‌ها حجم زیادی از مواد اطراف خود را می‌بلعند و انفجارهایی رخ می‌دهد که تا هزاران سال نوری در فضا ادامه پیدا می‌کند.

در سال ۲۰۱۹ میلادی/۱۳۹۸ خورشیدی، تلسکوپ افق رویداد (EHT - Event Horizon Telescope) اولین تصویر مستقیم از سیاهچاله مرکزی کهکشان M87 را ثبت کرد. همین امسال نیز منجمان با این تلسکوپ توانستند به دستاوردی بزرگ برسند و تصویری از سیاهچاله مرکزی کهکشان خودمان ثبت کنند. تصویری که از آلفا قنطورس گرفته شد، یکی از بزرگترین اهداف منجمان و فیزیکدانان بود.

سیاهچاله چیست؟

آلبرت انیشتین برای اولین بار با نظریه نسبیت عام خود توانست وجود سیاهچاله‌ها را پیش‌بینی کند. او همچنین متوجه شد که جرم می‌تواند بافت فضا-زمان را خم کند و تاثیری روی آن داشته باشد. تا قبل از مطرح شدن نسبیت، منجمان فکر می‌کردند فضا مکانی است که پدیده‌ها در جهان در آن رخ می‌دهند. اما انیشتین این جمله را بازتعریف کرد و فضا در رخدادهای طبیعی نقش بزرگی ایفا می‌کرد.

جان ویلر در ساده‌ترین شکل ممکن فضا را توصیف کرده است: «فضا سبب حرکت جرم و جرم سبب خمش فضا می‌شود.» اگر بخواهیم تصویری از فضا-زمان داشته باشیم،‌می‌توان یک پارچه کشی را تصور کرد که چند توپ با وزن متفاوت روی آن قرار دارد. درست همانطور که توپ بسکتبال بیشتر از توپ تنیس این پارچه را خم می‌کند، یک ستاره نیز بیشتر از یک سیاره بافت فضا-زمان را خم می‌کند.

سیاهچاله‌ها فضا-زمان را طوری خم می‌کنند که هر جرمی با عبور از کنار آن منحرف می‌شود. اما آنطور که این توصیف‌ها به ما می‌گویند، سیاهچاله‌ها در واقع یک «جرم» شبیه به ستاره‌ها و سیاره‌ها نیستند. بهتر است که به آن‌ها «رخدادهای فضازمانی» (Spacetime events) بگوییم.

سیاهچاله‌ها چگونه متولد می‌شوند؟

تولد سیاهچاله‌ها یکی از مرحله‌های زندگی ستاره‌های بسیار پرجرم است. زمانی که این ستاره‌ها در میانه زندگی خود هستند، دورانی که به نام رشته اصلی شناخته می‌شود، هیدروژن درون خود را می‌سوزانند و به هلیم تبدیل می‌کنند. این همجوشی هسته‌ای فشاری به بیرون ایجاد می‌کند که با فشار داخلی گرانش برابر است و ستاره را در تعادل نگه می‌دارد.

زمانی که هیدروژن سوزی ستاره به پایان می‌رسد،‌این فشار رو به بیرون نیز کاهش می‌یابد و ستاره با نیروی گرانشی خود فرومی‌ریزد. با این اتفاق، لایه‌های بیرون ستاره بزرگتر می‌شود و یک غول سرخ (Red giant) پدید می‌آید. پس از آن، لایه‌های بیرونی به فضا می‌پاشد و تنها هسته‌ای از این ستاره باقی می‌ماند که به کوتوله سفید شناخته می‌شود. این خط سیر زندگی ستاره‌های کم‌جرم است.

اما زمانی که ستاره‌های پرجرم هلیم خود را از دست می‌دهند و در خود فرو می‌ریزند، فشار کافی برای تولید عنصرهای سنگین‌تر ایجاد می‌شود. این فرایند تا جایی ادامه پیدا می‌کند که در هسته ستاره آهن تولید شود.

ستاره‌ها نمی‌توانند عناصری سنگین‌تر از آهن در خود بسازند، به همین خاطر یک انفجار ابرنواختری رخ می‌دهد که تمام لایه‌های ستاره را به فضای اطراف می‌پاشد و فقط یک هسته باقی‌مانده از آن به جا می‌گذارد. البته برای برخی از ستاره‌های پرجرم‌تر این فروریختن متوقف می‌شود و به قدری چگال می‌شود که وزن هر قاشق چای‌خوری از آن ۴ میلیارد تن است. چنین جرمی به نام ستاره نوترونی (Neutron star) شناخته می‌شود.

البته این اتفاق برای بیشتر ستاره‌های پرجرم نمی‌افتد و هیچ پدیده‌ای نمی‌تواند جلوی فروریزش گرانشی ستاره را بگیرد و در نهایت، سیاهچاله‌هایی با جرم یک ستاره ساخته می‌شود.

حقایقی درباره سیاهچاله‌ها

در ادامه این مطلب به پنج حقیقت علمی و جالب درباره سیاهچاله‌ها می‌پردازیم که احتمالا از آن‌ها بی‌خبرید.

۱. خورشید ما هیچ وقت یک سیاهچاله نخواهد شد

در حدود ۴.۵ میلیارد سال بعد، هیدروژن ستاره ما به پایان می‌رسد و حجم آن بزرگتر می‌شود تا تبدیل به یک غول سرخ شود. لایه‌های بیرونی خورشید تا جایی بزرگ می‌شوند که تا مدار مریخ ادامه پیدا می‌کند و تمام سیاره‌های داخلی، از جمله زمین را می‌بلعد.

اما از آنجایی که ستاره ما در مقایسه با ستاره‌های دیگر کم جرم محسوب می‌شود، خط سیر تکامل ستاره‌های عادی را طی می کند و در نهایت، تبدیل به یک کوتوله سفید می‌شود.

۲. سیاهچاله‌های ابرپرجرم در مرکز کهکشان‌ها هستند

سیاهچاله‌هایی با جرم ستاره‌ها جرمی برابر با ۳ تا ۱۰ برابر جرم خورشید را دارند، اما سیاهچاله‌های ابرپرجرم تا میلیون‌ها و حتی میلیاردها برابر جرم خورشید هستند. البته سیاهچاله‌های متوسط هم وجود دارند، اما پیدا کردن آ‌ن‌ها تا امروز مشکل بوده است.

از آنجایی که هیچ ستاره‌ای با چنین جرمی در طبیعت وجود ندارد تا سیاهچاله‌های ابرپرجرم را بسازد، وجود آن‌ها تا امروز برای اخترفیزیکدانان دردسرساز بوده است. البته آن‌ها احتمال می‌دهند که چنین اجرامی با سلسله مراتبی از ترکیب سیاهچاله‌ها با هم ایجاد شده باشند.

پژوهشگران احتمال می‌دهند که سیاهچاله‌هایی با جرم یکسان با هم ترکیب شوند و سیاهچاله‌های بزرگتر را تشکیل دهند. البته چیزی که تا امروز به خوبی می‌دانیم این است که سیاهچاله‌های ابرپرجرم در مرکز کهکشان‌ها زندگی می‌کند.

۳. نور نمی‌تواند از سیاهچاله‌ها فرار کند

وقتی به یک سیاهچاله نزدیک شوید، اولین مرزی که در اطراف این تکینگی (Singularity) مشاهده می‌کنید، افق رویداد (event horizon) است. افق رویداد مرزی است که اثر گرانشی سیاهچاله از آنجا به بعد به حدی قوی می‌شود که حتی نور نیز نمی‌تواند از آن فرار کند.

این ویژگی سیاهچاله‌ها باعث می‌شود تا آن‌ها از دید ما نامرئی باشند و هیچ نوری از آن‌ها بازتاب نشود. اگر سرعت فرار (escape velocity) را به خوبی متوجه شوید، دلیل این اتفاق را نیز درک می‌کنید. هر جسمی اگر بخواهد از میدان گرانشی یک جرم فرار کند، باید به سرعت خاصی برسد. این سرعت فرار برای میدان گرانشی زمین تقریبا ۱۱.۵ کیلومتر بر ثانیه است.

هر چه جرمی سنگین‌تر باشد، سرعت فرار آن نیز بیشتر است. حالا می‌دانیم که میدان گرانشی یک سیاهچاله به قدری زیاد است که حتی نور با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه نمی‌تواند از آن فرار کند.

۴. قوانین فیزیک در مرکز سیاهچاله‌ها کار نمی‌کند

زمانی که جواب معادله‌ای به بی‌نهایت میل می‌کند، فیزیکدانان متوحه می‌شوند که چیزی در آن محاسبات جا افتاده و یا اصلا شناخته نشده است. تا امروز پژوهشگران تمام محاسباتی که برای اندازه‌گیری تکینگی مرکز یک سیاهچاله انجام دادند، به جواب‌های نامعلومی ختم شده است.

چنین اتفاقی نشان می‌دهد که نباید به یک تکینگی به عنوان یک موقعیت فیزیکی نگاه کنیم. تکینگی نقطه‌ای است که حجم آن جرم به قدری کوچک شده است که یک چگالی بی‌نهایت در مرکز آن ایجاد می‌شود و فضا-زمان را به شدت خم می‌کند.

البته بهتر است بگوییم که در توصیف چنین پدیده‌ای قوانین فیزیک امروزی با شکست مواجه می‌شوند و برای آن به فیزیک جدیدتری نیاز داریم. در کنار آن، برای توضیح چنین پدیده‌ای به ترکیب دو نظریه مهم امروزی نیاز داریم، نسبیت عام که برای توصیف جهان در ابعاد کیهانی استفاده می‌شود و مکانیک کوانتومی که دنیای زیراتمی را توصیف می‌کند، تا امروز با هم سازگار نیستند و ترکیب نمی‌شوند.

تا زمانی که به نظریه «گرانش کوانتومی» (quantum theory of gravity) دست پیدا نکنیم، نمی‌توانیم گرانش را در مقیاس بسیار کوچک مثل درون سیاهچاله‌ها، توصیف کنیم. 

۵. اگر داخل یک سیاهچاله سقوط کنیم، چه اتفاقی می‌افتد؟

فرض کنید که فضانوردی به یک سیاهچاله نزدیک می‌شود. زمانی که این فضانورد به افق رویداد می‌رسد، به احتمال بسیار زیاد هیچ چیزی از بدن او باقی نخواهد ماند و اگر چیزی هم بماند، در مرکز سیاهچاله، که نمی‌دانیم در آنجا چه اتفاقی می‌افتد، از بین خواهد رفت.

البته حتی قبل از اینکه فضانورد به افق رویداد برسد، با «رویدادهای اختلالی کشندی» (tidal disruption events) جان او به خطر می‌افتد. این نیروهای کشندی یا جزر و مدی به قدری قوی هستند که سیاهچاله‌ها با آن می‌توانند ستاره‌ها را از هم بپاشند.

زمانی که فضانورد به سیاهچاله نزدیک می‌شود، عضوی از بدن او که به سیاهچاله نزدیکتر است تحت تاثیر این نیروهای کشندی کش می‌آید و همزمان در جهت عمود بر آن فشرده می‌شود. این فرایندی است که بین منجمان به نام اسپاگتیفیکیشن (spaghettification) یا اسپاگتی شدن شناخته می‌شود و به هیچ وجه به اندازه‌ای که به نظر می‌رسد، خنده‌دار نیست!

اگر گروهی از فضانوردان از داخل فضاپیمای خود سقوط این دوست فضانورد خود را مشاهده کنند، هیچ وقت عبور آن از افق رویداد را نخواهند دید. از آنجایی که نور هیچ وقت نمی‌تواند از افق رویداد فرار کند، آن‌ها هیچ وقت شاهد عبور دوستشان از این مرز نخواهند بود و او برای مدتی بسیار طولانی در آن نقطه دیده خواهد شد.

چیزهایی که درباره سیاهچاله‌ها نمی‌دانیم

یکی از برگترین مسائل امروز کیهان‌شناسی این است که چه اتفاقی در مرکز سیاهچاله‌ها، در آن تکینگی مرموز می‌افتد؟ آیا سیاهچاله‌ها می‌میرند؟ و اگر این اتفاق می‌افتد، چرا و چگونه است؟

استیون هاوکینگ (Stephen Hawking) تا قبل از مرگ خود در سال ۲۰۱۸ میلادی/۱۳۹۷ خورشیدی، متوجه شد که سیاهچاله‌ها چیزی از خود به فضای بیرون منتشر می‌کنند و به عبارتی «تبخیر» می‌شوند. او توضیح داد که سیاهچاله‌ها پس از مدتی طولانی، حتی شاید طولانی‌تر از عمر کیهان، تابشی فروسرخ خواهند داشت که بعد از آن به «تابش هاوکینگ» (Hawking radiation) شناخته شد.

البته چنین اتفاقی به قضیه‌ای به نام تناقض هاوکینگ (Hawking paradox) منجر می‌شود. طبق قوانین مکانیک کوانتومی، اطلاعات از بین نمی‌روند، اما باید اتفاقی برای ماده‌ای که این اطلاعات را به داخل سیاهچاله می‌برد، افتاده باشد.

تا امروز مطالعات زیادی برای درک این پدیده انجام شده است، اما همچنان باید این مطالعات ادامه پیدا کنند تا به اطلاعاتی که امروز از سیاهچاله‌ها نداریم، دست پیدا کنیم.