سياهچاله
فرض كنيد جرم ستاره اي درحدود 20 برابر جرم خورشيد باشد بعد از طي مراحل تكامل وانفجار بصورت ابرنواختري, اگر جرم ستاره باقي مانده به سه برابر خورشيد برسد از آنجاييكه اين جرم براي تبديل به ستاره نوتروني شدن زياداست ستاره بطور كامل متراكم شده و به يك سياهچاله تبديل خواهد شد.برطبق قوانين فيزيك واستنتاج منطقي عاقبت كار يكتايي (Singularity) خواهد بود.
يكتايي نقطه اي كه شعاع آن صفر وچگالي آن بينهايت خواهد بود.هر چه به اين جرم نزديكتر شويم سرعت فرار از آن بيشتر خواهد شد و در فاصله اي كه بانام شعاع شوارزشيلد شناخته ميشود سرعت فرار از چنين جرمي با سرعت نور برابر مي شود.اندازه اين شعاع ويژه به جرم ستاره بستگي مستقيم دارد براي ستاره اي با جرم خورشيد مقدار آن 3 كيلومتر است اين بدان معناست براي اينكه خورشيد به يك سياه چاله تبديل شود بايد قطر آن به 3 كيلومتر كاهش بيابد.اگر كره اي با شعاع شوارزشيلد حول نقطه مركزي رسم كنيم (نام اين كره افق رويداد(Event horizon )مي باشد)درون اين كره سرعت فرار از سرعت نور بيشتر خواهد بود و از آنجاييكه هيچ جسمي توانايي حركت باسرعت بيشتر از سرعت نور را ندارد ، هيچ جسمي توانايي گريز از اين منطقه را ندارد.برطبق روابط فيزيكي معمول هيچ خبري از درون اين كره در دسترس نمي باشد و نيروهاي شديد كشندي درون اين محيط موجب انفجار و از هم گسيختگي هر جسمي كه به آن نزديك شود مي گردد.
برطبق نسبيت عام فضاي اطراف افق رويداد به شدت تاب برمي دارد.مقدار تاب برداشتن به جرم سياهچاله بستگي دارد وهر جرم بيشتر باشد مقدار آن بيشتر خواهد بود.از آنجاييكه سياه چاله هيچ نوري از خود بيرون نمي دهد تنها براساس همين تغيير فضاي اطراف آن است كه ما مي توانيم وجود آنرا بطور غيرمستقيم رديابي كنيم.درواقع مابا مشاهده اثر آن بر مواد بيرون از افق رويداد ميتوانيم تاحدودي آنرا تشخيص دهيم.سياهچاله مواداطراف خود را به شدت جذب مي كند واين مواد جذبي قبل از برخورد با آن به دليل سرعت سقوط فوق العاده زياد پرتوهاي ايكس گاما و امواج راديويي گسيل مي كنند.
سياهچاله هايي كه در يك دستگاه دوتايي قرار دارند از گازهاي ستاره همدم خود گازدريافت مي كنند واين گاز با نزديك شدن به افق رويداد دراثر نيروهاي شديد گرانشي گرم شده وشروع به تابش اشعه ايكس مي كنند پس يك راه براي تشخيص سياهچاله ها جستجوبراي يافتن ستاره هاي دوتايي است كه منبع قوي امواج اشعه ايكس باشند.موادي كه از ستاره همدم مي آيند بطور مستقيم برسطح سياهچاله سقوط نمي كنند بلكه ابتداتشكيل يك قرص برافزايشي مي دهند مواد درون اين قرص با حركت سريع ومارپيچي به سياهچاله نزديك شده وبه مرور زمان ميسوزند.عكسهاي گرفته شده توسط تلسكوپ فضايي هابل در مواردبسيار زيادي نشاندهنده اين قرص مي باشد.
اين گمان وجود دارد كه در مركز كهكشانها سياهچاله هاي ابر سنگين وجود داشته باشد.از جمله در كهكشان خودمان.نحوه حركت ابرهاي گازي وشدت پرتوهاي ارسالي از مركز كهكشان خودمان از دلايل وجود چنين سياهچاله اي مي باشد. بررسي سرعت ستارههاي نزديك به مركز كهكشان راه شيري كه امروزه توسط تلسكوپهابل قابل انجام است، بيانگر اين واقعيت است كه جرم هسته كهكشان بسيار بزرگ بوده كه در يك ناحيه كوچك قرار دارد اين نمونه ميتواند وجود سياهچاله در مركز كهكشانها را مورد تاييد قرار دهد. همچنين مشاهده اشعه گاما متغيير را ميتوان به عنوان شاهدي دال بر قبول سياهچاله ابرجرمدار در مركز كهكشانها دانست. اخيرا" وجود سياهچاله در مركز كهشكان M87 نيز مورد قبول منجمين قرار گرفته است.
چگالي متوسط يك سياهچاله متناسب با عكس مربع جرم آن است. براي يك سياهچاله در حد جرم خورشيد چگالي ده ميليون تن در سانتي مترمكعب بدست ميآيد كه چهل برابر چگالتر از مواد هستهاي است . در صورتي كه براي يك سياهچاله با جرم صد ميليون برابر جرم خورشيد چگالي يك گرم در سانتي مترمكعب محاسبه ميشود كه برابر چگالي آب است. بنابراين شرايطي كه ميتواند يك سياهچاله كوچك ايجاد گردد بسيار سخت تر از شرايطي است كه يك سياهچاله بزرگ ميتواند توليد شود.
بطوركلي سياهچاله ها به سه گروه تقسيم مي شوند:
1- سياهچالههاي ستارهاي (Stellar Black Holes )
اين دسته از سياهچالهها معمولا" از رمبش ستارگان بوجود آمده و جرم آنها بين 3 تا 100 برابر جرم خورشيد است. بهترين كانديد براي مشاهده اين دسته از سياهچالهها، سيستمهاي دوتايي منبع اشعه X است كه يكي از دو شي مشاهده نميشود. اين دسته از سيستمهاي نجومي از خود اشعه X تشعشع ميكنند كه از اوايل دهه 1970 مورد توجه قرار گرفتند.
اولين دوتايي كانديد از اين گروه، Cygnus X-1 است كه ستاره اپتيكي دوتايي يك ابرغول آبي است كه جرم آن حدود 20 برابر جرم خورشيد است و دور زوج نامرئي خود كه جرم آن در حدود 40 برابر جرم خورشيد است با پريود 6/5 روز ميچرخد. فاصله آن از ما در حدود 2/2 كيلو پارسك است . در اين سيستم دوتايي، جرم از ستاره قابل رويت دوتايي به درون سياهچاله وارد ميشود ولي به دليل سرعت زاويهاي، اين جرم به صورت شعاعي وارد سياهچاله نشده بلكه گازها تشكيل يك ديسك داده كه آنرا قرص برافزايشي (accretion disk) گويند.
دو دسته اشعه در طيف تابش اين سيستم دوتايي كه از قرص برافزايشي تابش ميگردد ديده ميشود كه يكي از اين دو، تابش جسم سياه با دماي 31000K بوده و دسته دوم اشعه X سخت تا انرژي 150K است . در واقع طيف اين دسته دوم اشعه كه تا انرژي 150Kev را هم داراست شاهدي بر وجود سياهچاله بعنوان زوج نامرئي اين دوتايي است. البته اگر اين زوج ستاره نوتروني هم باشد اشعه X توليد ميشود ولي نشان داده شده است كه در اين صورت اشعه X داراي انرژي حدود100K نخواهد بود . اخيرا" اشعه گاما پرانرژي هم براي اين دوتايي مشاهده شده است كه بر سياهچاله بودن شي غيرقابل رويت اين دوتايي تاكيد ميكند. تا كنون تعداد زيادي از اين سيستمهاي دوتايي كه ميتواند شاهد وجود سياهچاله باشد كشف شده است و امروزه يكي از زمينههاي مشاهدهاي كشف و بررسي اين گونه دوتاييهاست.
2-سياهچالههاي ابرجرم دار (Supermassive Black Holes )
جرم اينگونه سياهچاله بين يك ميليون تا ده هزار ميليون برابر جرم خورشيد است. اينگونه سياهچالهها در مركز كهكشانها از جمله كهكشان راه شيري قرار دارند. شدت تابش از مركز كهكشانهاي فعال كه ميتواند به خاطر ورود جرم به مركز كهكشان باشد و كوچك بودن اندازه هسته اين كهكشانها بيانگر وجود سياهچاله ابرجرم دار در مركز آنهاست.
3- سياهچالهها با جرم متوسط
شكاف بين جرم سياهچالههاي معمولي (3 تا 100 برابر جرم خورشيد) و سياهچالههاي ابرجرمدار (با جرم يك ميليون تا ده هزار ميليون برابر جرم خورشيد) منجمين را بر آن داشت كه به دنبال سياهچالههايي با جرم(با جرم 100 تا 100هزار برابر جرم خورشيد) هم باشند. اين گونه سياهچالهها ميتوانند در مركز خوشههاي ستارهاي در نزديكي مركز كهكشانها وجود داشته باشند. به دو روش ميتوان به دنبال شواهد تجربي براي اين دسته از سياهچالهها بود. يكي از روشهاي مشاهدهاي اين گونه سياهچالهها يافتن منابع اشعه با شدت زياد است. اخيرا" منابعي از اشعه X با اين محدوده شدت با طيف انرژي چند ده الكترون ولت در مركز خوشههاي ستارهاي مشاهده شده است. اين دسته از منابع اشعه به منبع فوق درخشان پرتو ايكس يا Ultraluminous X-ray source (ULXs)مشهور هستند.
كلمه سياهچاله از اينجا گرفته شده كه هيچ پرتوي الكترومغناطيسي نمي تواند از آن ساطع شود درنتيجه سياه ديده ميشود.
آيا سياهچاله هميشه سياهچاله باقي ميماند، يا به چيز ديگري تبديل ميشود؟
جسمي كه سياهچاله شد، ديگر تا ابد سياهچاله خواهد بود. تنها تغيير مهمي كه ميتواند در سياهچاله رخ بدهد، افزايش يافتن جرم آن بر اثر بلعيدن مواد مختلف است (شايد از ستارهي نزديكش، يا از گازهاي مركز كهكشان و يا فضانورد بختبرگشتهاي كه زيادي به آن نزديك شده است!).
از ديد نظري، سياهچاله ميتواند تبخير شود. اين موضوعي است كه نخستين بار استفان هاوكينگ به آن پي برد. پديدههايي در عرصهي مكانيك كوانتومي وجود دارند كه ميتوانند باعث شوند كه سياهچاله پرتوهايي از خود گسيل كند. همين موضوع باعث ميشود كه سياهچاله انرژي از دست بدهد و بنابر فرضيهي اينشتين، از دست دادن انرژي معادل است با كاهش جرم.
پس سياهچاله ميتواند لاغر هم بشود. البته اين تابش هاوكينگ بسيار ضعيف است. به عنوان مثال، سياهچالهاي كه به اندازهي خورشيد جرم داشته باشد، 1067 سال طول ميكشد تا تبخير شود. اين مقدار بسيار بيشتر از عمر كنوني عالم است. تازه، سياهچالههاي سنگينتر، بسيار ديرتر از اين تبخير خواهند شد. سياهچالهي مركزي كهكشان ما، كه بين 3 تا 4 ميليون برابر خورشيد جرم دارد، بيشتر از يك ميليارد ميليارد برابر ديرتر تبخير ميشود.
منبع: با اقتباس از مقاله اي از دكتردهقاني از دانشگاه شيراز
درباره 
محصولات
تماس سریع و مشاوره
نظرسنجی