حفره سياه (سياهچاله) چيست؟

يكي از شگفتي هاي فضا وجود حفره هاي سياه در آن است. مكان هايي كه در اثر جاذبه بي نهايت حتي نور از آن قابل گريز نيست و هر چه در آن وارد شود ديگر خارج نخواهد شد. به اين حفره ها در دانش نجوم سياه چال هاي فضايي گفته مي شود كه در اين مقاله به آن مي پردازيم.
بر اساس قانون جاذبه نيوتن، هر جرمي داراي نيروي جاذبه بوده و مقدار آن رابطه عكس با مجذور فاصله از آن دارد. 
در سال1795 لاپلاس با استفاده از قانون جاذبه نيوتن تئوري خود را چنين بيان كرد: اگر جسمي با جرم M آن قدر فشرده شود كه شعاع آن، rs كمتر از مقدار rs=2GM/c² شود [G ضريب ثابت جهاني نيروي جاذبه و c سرعت نور] ، در نتيجه سرعت فرار از آن از سرعت نور بيشتر خواهد بود. آلبرت انيشتن مي گويد: هيچ جسمي نمي تواند از نور سريع تر حركت كند. اگر دو جسم با سرعت نور در خلاف جهت هم نيز حركت كنند باز هم نسبت سرعت آنها به يكديگر برابر با سرعت نور است. در واقع سرعت نور حد مطلق سرعت است. با توجه به اين نكته كه چون سرعت گريز از حفره هاي سياه بيشتر از نور است پس فرار از آن غير ممكن است. 
آلبرت انيشتن در سال1915 در تئوري نسبيت خود(رابطه نيروي جاذبه، زمان و حجم) وجود اين سياه چال ها را عنوان كرد. اثبات فيزيكي و فرمولي آن تا سال ها ميسر نبود. اما امروزه به وجود آنها پي برده شده است. در اين تئوري، زمان به عنوان يك بعد (زمان فضايي) نيز شناخته شده است. از آنجايي كه نور نمي تواند از حفره ها بگريزد پس در فضا چنين جسمي قابل رويت نيست.

پيدايش 
نوع و اندازه سياه چال ها زمان پيدايش آنها را تعيين مي كند. برخي از آنها در ابتداي تشكيل كائنات بوجود آمده و اكثراً در مركز كهكشان ها بوده و به آنها سياه چال هاي عظيم يا غول پيكر (Supermassive Black Holes) گفته مي شود. نوع ديگر آن استلارها (Stellars) هستند كه در اثر انفجار سوپرنواها بوجود مي آيند. انواع كوچك تر آنها تا اندازه كوچكتر از يك الكترون با جرم زياد وجود دارند. 

سياه چال هاي غول پيكر 
جرم اين سياه چال ها از يك ميليون تا سه ميليارد برابر خورشيد بوده و در ابتداي تولد كيهان پيدايش يافته اند. زماني كه هر نوع ماده، ستاره و يا سياره اي در نزديكي آن گرفتار جاذبه اش شود، با سرعت سرسام آور و به صورت مارپيچ به سمت مركز آن كشيده شده و در اثر جاذبه شديد بتدريج به يك صفحه تبديل مي شود. در يكي از تحقيقات اخترشناسان سرعت ورود چندين سياره به درون مركز كهكشان راه شيري محاسبه و معادل4 ميليون كيلومتر در ساعت بوده است. حتي سيارات غول پيكر قبل از رسيدن به هسته اصلي در اثر نيروي جاذبه بسيار قوي آن تكه تكه مي شوند. 
با افزايش سرعت و برخورد قطعات به يكديگر و توليد اصطكاك شديد، دما به دهها ميليون درجه سانتي گراد رسيده و در اين حرارت اشعه هاي ايكس و گاما توليد مي شوند. با رديابي اين تشعشعات، مي توان به موجوديت آنها پي برد. به علت اين برخورد و اصطكاك شديد در نزديكي حفره ها نور بسيار درخشنده اي توليد و در نتيجه، مكان اين نوع حفره ها در كهكشان ها قابل رد يابي است. نام ديگر آنها «كواسار» (ستاره دجاجه) بوده و درخشنده ترين اجسام در فضا هستند.
دانشمندان بر اين عقيده اند كه زمان پيدايش آنها در ابتداي تولد كائنات بوده و امكان بوجود آمدن مجدد آنها مقدور نيست. به مركز اين نوع كهكشان ها «AGN» كه مخفف هسته فعال كهكشان است گفته مي شود. دانشمند انگليسي «هاكينگ» معتقد است كه جرم اصلي عالم را حفره هاي سياهي تشكيل مي دهند كه در ابتداي پيدايش جهان بوجود آمده اند. در اين فاصله زماني، سياه چال هاي اوليه از بين رفته ولي بزرگترها باقي مانده اند. در سال1994 اولين سياه چال به جرم2/5 تا3/5 ميليارد برابر منظومه شمسي توسط تلسكوپ هاي قوي در مركز كهكشان M87 پيدا شد.
آيا تمام كهكشان ها داراي حفره سياه هستند؟ اين سوالي است كه تاكنون پاسخي براي آن وجود نداشته است. برخي مواد ورودي به آنها در اثر سرعت سرسام آور قبل از رسيدن از قطبين آن خارج مي شوند. اين پديده بنام «جت كهكشاني» معروف بوده و قابل رويت است.

استلارها 
اين نوع حفره ها از انفجار سوپرنوايي بوجود مي آيند. براي تشكيل اين نوع حفره ها جرم ستاره ها بايد حداقل سه برابر خورشيد باشد و در واقع آنها از مرگ ستارگان غول پيكر به وجود مي آيند. 
در زمان تولد، سوخت ستاره هاي جوان، هيدروژن است. در مركز هسته به علت نيروي جاذبه، فشار و حرارت شديد، واكنش اتمي اتفاق افتاده و هيدروژن تبديل به هليوم، نور، حرارت و تشعشع گشته و به سطح آن پرتاب مي شود. در اين زمان ستاره در حال درخشش و سوختن است. نيروي حاصل از گريز حرارت، نور و تشعشات ستاره، باعث خنثي شدن نيروي جاذبه مي شود. اين تعادل تا زماني برقرار است كه سوخت ستاره تمام نشود. اما پس از پايان سوخت (هيدروژن) و تبديل اكثر آن به هليوم، يك واكنش اتمي ديگر اتفاق افتاده و هليوم به كربن و باقيمانده آن به صورت تشعشع به انرژي تبديل مي شود. اين واكنش ادامه يافته و كربن به اكسيژن و بعد به سيليكون و در انتها به آهن تبديل مي شود. واكنش اتمي در زمان بوجود آمدن هسته آهني متوقف مي شود.
اگر ستارگان قديمي را دو نيم كنيم، ملاحظه خواهيم كرد كه از يك هسته آهني و لايه هاي فوقاني، بترتيب سيليكون، كربن، هليوم و هيدروژن تشكيل شده است. غير از هسته مركزي تمام لايه ها در حال سوختن هستند. در نهايت واكنش اتمي به علت نيروي شديد جاذبه و حرارت و فشار، تمام اجزاء عناصر هسته آهني را تبديل به نوترون مي كند. بتدريج با اتمام سوخت ستاره، نيروي گريز از مركز تشعشعات، حرارت و نور ديگر وجود ندارد تا بتواند نيروي جاذبه را خنثي كند. در نتيجه لايه هاي فوقاني به سمت مركز كشيده شده و بر اثر برخورد با هسته نوتروني منفجر و به سطح پرتاب مي شوند. اين واكنش را انفجار سوپرنوايي مي نامند. آنچه اتفاق مي افتد انفجار لايه هاي فوقاني بوده و ما فقط سطح خارجي آن را مشاهده مي كنيم. اين انفجار در واقع در اثر واكنش دروني بوده و فقط هسته باقي مي ماند. 
در اين جا ستاره مي ميرد و اخترشناسان آن را مرگ ستاره ناميده اند. 
وقتي كه يك ستاره سوختش تمام مي شود مانند يك بمب منفجر شده و در زمان وقوع آن درخشش به ميلياردها برابر خورشيد مي رسد. ستاره هايي تا جرم1/4 برابر خورشيد به كوتوله هاي سفيد،1/4 تا3 برابر خورشيد به ستاره هاي نوتروني و از سه برابر بزرگتر از خورشيد به سياه چال هاي فضايي تبديل خواهند شد. حداقل جرم مورد نياز براي ايجاد سياه چال ها بنام «لاندو اوپن هايمر ولكو» ناميده و محاسبه شده است. 
نزديك ترين سياه چال به ما «سايگنوس ايكس يك» است كه در سال971 رصد شده است. كهكشان راه شيري داراي بيش از چند ميليون از آنهاست. به وجود آمدن اين نوع سياه چال ها تا كنون ادامه داشته و هم چنان در حال تشكيل است ولي پيدايش جديد نوع اول آن امكان پذير نيست. انواع بزرگتر سياه چال ها داراي جرمي بيش از5 تا100 برابر خورشيد بوده و قطر آنها بين32 الي650 كيلومتر است. تعداد25 عدد از آنها تاكنون در كهكشان ما، راه شيري، رصد شده است. 

سياه چال هاي كوچك 
در مقايسه با دو نوع ذكر شده، سياه چال هاي كوچك از ابعاد كوچكتري برخوردارند. نوع ميكروي آن داراي جرمي معادل يك كيلومتر مكعب آب بوده كه در ابعادي كوچكتر از يك الكترون فشرده شده است. جرم برخي نيز 1017 گرم است. 

مشخصات سياه چال ها 
همان گونه كه ذكر شد نيروي جاذبه آنها به قدري زياد است كه حتي نور قادر به فرار از آن نيست. اين جارو برقي ها و يا هيولاهاي كيهاني همه چيز را در خود مي بلعند و بهتر است به آن نزديك نشويم! 
طبق تئوري هاي بيان شده، زمان در نزديكي سياه چال ها كند و درون آن متوقف مي شود. شايد براي سفر در زمان بتوان از آنها استفاده كرد. زمان و مكان در اينجا بر اثر نيروي جاذبه بي نهايت كاملاً به هم ريخته شده و آخرين شكل ماده در آن تحقق مي يابد. بسيار سخت است كه تصور كنيم يك ماده با چنين جرمي تقريباً داراي حجم نباشد ولي اين آن چيزي است كه در مركز حفره سياه وجود دارد. 
به طور كلي آنها داراي دو محدوده هستند. مركز آن به نام يكتايي (Singularity) ناميده شده و در واقع جرم آن را تشكيل مي دهد. در اينجا كل جرم يك ستاره در ابعاد ميليون ها برابر كوچكتر فشرده شده است. در حاشيه آن منطقه ديگري بنام واقعه و يا حد افق (Event Horizon) وجود دارد كه در اصل اين يك فاصله فيزيكي نيست بلكه محدوده اي است كه بعد از آن امكان بازگشت وجود ندارد. هر قدر يكتايي بزرگتر باشد، واقعه افق آن بزرگتر خواهد بود. نور پس از عبور از اين محدوده ديگر نمي تواند از سياه چال بگريزد. تشعشعات آن بنام «شوارتست چايلد» نامگذاري شده است.

رديابي 
ما مي دانيم، اكثر سيارات به علت جاذبه آن به دور يك ستاره بزرگ در گردش هستند. زماني كه اخترشناسان سياراتي را ديدند كه به دور مركزي مي چرخند كه ستاره اي وجود ندارد، نتيجه خواهند گرفت، كه يك سياه چال يا ستاره نتروني در آن وجود دارد. در كل آنها با سه عامل جرم، شارژ الكتريكي و سرعت گردشي شناخته مي شوند. اگر جرم خورشيد ما به اندازه يك كره به قطر6 كيلومتر كوچك شود تبديل به يك سياه چال خواهد شد. 

لنزهاي فضايي 
فرض كنيد كه زمين در يك سو و يك ستاره در طرف مقابل باشد. نور آن به طور معمول به زمين مي رسد. اگر يك سياه چال در حركت باشد و ميان زمين و آن ستاره قرار گيرد، به علت جاذبه بسيار قوي آن، نور متصاعد شده از ستاره به سمت سياه چال منحرف و متمركز مي شود. در اينجا ما آن ستاره را بسيار درخشنده تر از گذشته خواهيم ديد. اين واقعه را اثر لنز فضايي مي گويند. درست مشابه آن است كه ما يك ذره بين را در جلوي نور خورشيده قرار دهيم، خواهيم ديد كه پرتوهاي نور آن در يك نقطه متمركز و آنجا بسيار درخشنده تر مي شود. اين همان اثري است كه سياه چال در زمان عبور خود از ميان زمين و يك ستاره به وجود مي آورد و يكي از راههاي كشف آنهاست. 
با توجه به وجود ميلياردها حفره و ايجاد انحراف در نور منتشره از ستارگان، در زمين، بسياري از آنها را درجاي اصلي خود نمي توانيم رصد كنيم، زيرا كه پرتوي آنها به سمت حفره سياه منحرف شده است. 

پايان انرژي 
پس از اتمام سوخت ستاره ها چه اتفاقي خواهد افتاد؟ آيا جهان تبديل به يك مجموعه سيارات سرد و خاموش خواهد شد كه در حال دور شدن از يكديگرند؟ اين سئوالي است كه جوابش براي بشر نامعلوم است.

نويسنده: مهندس سعيد صالحي
منبع : مجله نفت پارس

پي نوشته ها :

اصطلاح سياه چاله يا حفره هاي سياه را دانشمند بزرگ و اولين متخصص فيزيك نظري در زمينه سياه چاله ها،«جان ويلر» اين نام را براي آنها انتخاب كرد. كتاب گرانش وي كه به همراه «ميسنر» و « تورن» نوشته شد همچنان از نوشته هاي كلاسيك و مراجع مهم نسبيت است كه از پايه شروع كرده تانسور ها را توضيح مي دهد و به فيزيك كوانتم و ترموديناميك و مباحث پيشرفته ديگر مي رسد.

چگونگي تشکيل سياه چاله:

حفرههاي سياه بازمانده از ستارگان عظيمي هستند كه سوختشان به اتمام رسيده و به اصطلاح مرده اند. البته، فقط ستارگاني كه حجم آنها بيش از سه برابر خورشيد خودمان است، حفرههاي سياه بوجود ميآورند. بعضي از اين ستارگان عظيم، منفجر شده و بصورت يك "سوپر نوا"ي درخشان در ميآيند. بعضي سوپر نواها، بطور كامل منفجر شده و چيزي از خود باقي نمي گذارند. اما بعضي ديگر در مركز خودشان فرو ميريزند و همه مواد در آنها با هم محكم برخورد كرده و به هم مي چسبند. بستگي به اينكه مركز آنها چقدر عظيم و حجيم باشد، سوپر نواها تبديل به نوترون شده و يا تبديل به حفرههاي سياه ميشوند.

چرا حفره سياه ناميده شد؟

به اين خاطر كه ما نميتوانيم خود حفرههاي سياه را ببينيم، ممكن است فكر كنيم كه پيدا كردن آنها غير ممكن است. اما به كمك فنآوريهاي ستاره شناسي، اولين آنها در سال 1972 ميلادي كشف شد. نام اين حفره Cyghus x-1 و متعلق به كهكشان راه شيري است. با وجود اينكه خود حفرههاي سياه ديده نميشوند، اما تاثير قوة جاذبه عظيم آنها بر ستارههاي نزديكشان را ميتوان بررسي كرد. هميشه يك ستاره، با سوپر نوا جفت ميشود و گازهاي حاصل از آن ستاره بصورت مارپيچ به داخل سوپر نوا بلعيده ميشوند. حركت مارپيچي گازها، تصوير يك حفره سياه را در مركز سوپر نوا بوجود ميآورد و بدين جهت است كه آن را حفره سياه مينامند.

اندازه حفره هاي سياه

در اين زمينه ظاهر بين علما اختلاف است . در مقاله بالا ميزان آنرا از  يك ميليون تا سه ميليارد برابر خورشيد ذکر کرده . در مقاله اي ديگر به آدرس :http://parssky.com/news/articles/default.aspx?NewsID=1155227702&Cat=Astrophysics که تحت عنوان : سياهچاله ها از ابتدا تا انتها آمده اين ميزان را : بين جرم خورشيد و صد ميليون برابر جرم خورشيد  دانسته و در مقاله اي ديگر به آدرس :http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l2/black_holes.html و تحت عنوان :Black Holes: What Are They? اين ميزان را ازحداقل  10 تا 15 برابر جرم خورشيد دانسته است.(Black holes are the evolutionary endpoints of stars at least 10 to 15 times as massive as the Sun) بهر حال آنچه که مسلم است ، آنها جرم عظيمي دارند.

منابع ديگر :

•  آسمان شب ايران

• آسمان پارس