سیاهچاله چیست؟

اینشتین در سال 1915 در نظریه نسبیت عام خود از سیاه‌چاله‌ها سخن گفت. این پدیده مرموز طبیعی کماکان در کانون توجه فیزیکدانان و اخترشناسان است
در اینجا سعی می‌کنیم به مفهوم سیاه‌چاله بپردازیم و با آن بیشتر آشنا شویم.

در کلامی ساده، سیاه‌چاله چیزی است که از متلاشی شدن یک ستاره بزرگ باقی می‌ماند. اگر با مفهوم "ستاره" آشنا باشید می‌دانید که ستاره جسم بزرگی است که در داخل آن همجوشی در مقیاسی بزرگ و به طور پیوسته انجام می‌شود.

به دلیل بزرگ بودن جرم ستاره‌ها و گسترده بودن گاز در ساختار آن‌ها، میدان جاذبه گرانشی همواره در تلاش برای متلاشی کردن ستاره است. از طرفی همجوشی که در مرکز ستاره انجام می‌شود عامل ایجاد ثبات در این میان است و با مقابله با میدان گرانش، ستاره را از نابودی حفظ می‌کند.

هنگام متلاشی شدن ستاره، نیروی لازم برای همجوشی نابود می‌شود. در همین حال نیروی جاذبه گرانشی ستاره، محیط را برای اعمال نیروی خود آزاد می‌بیند و شروع به جذب همه مواد و اجرام در اطراف خود می‌کند.

با پر شدن فضای درون هسته ستاره، دمای هسته افزایش می‌یابد و این امر عامل یک انفجار سهمگین است که تمام تابش‌ها و شعاع‌های انفجار آن در فضا پخش می‌شود. چیزی که از این انفجار باقی می‌ماند هسته‌ای فشرده و بسیار بزرگ است. میدان گرانش این هسته آنقدر وسیع و قوی است که حتی شعاع‌های نور نیز از در امان نیستند.
اکنون هسته‌ای که داریم یک سیاه‌چاله (Black Hole) است. اگر یک سیاه‌چاله حرکت مداری داشته باشد، آغاز به کشیدن فضا-زمان به دور افق رویداد می‌کند. این گردش فضا به دور افق رویداد را کارکُره (ergosphere) می‌گویند و شکل بیضوی دارد.

هسته ستاره متلاشی شده به عنوان مرکز سیاه‌چاله یا تکینگی (نقطه یکتایی) در نظر گرفته می‌شود. دهانه سیاه‌چاله به " افق رویداد" یا Event Horizon معروف است.

ابتدا برای فهم بهتر سیاهچاله‌ها بد نیست این را بدانید سیاهچاله‌ها به قدری متراکمند که اگر کل کرهٔ زمین قطرش به 0.9 سانتیمتر تقلیل یابد اما جرمش ثابت بماند به یک سیاهچاله تبدیل میگردد.

شاید بهتر است افق رویداد را به عنوان دهانه سایه‌چاله در نظر بگیرید که همه چیز را می‌بلعد. وقتی چیزی از افق رویداد می‌گذرد برای همیشه از بین می‌رود. [راز‌های زندگی: آیا سیاه‌چاله‌ها شما را به دنیاهای دیگر می‌فرستند؟]

شعاع دهانه به نام “شعاع شواترزشیلد" معروف است. این نام را به افتخار اختر شناس بزرگ، کارل شواترزشیلد انتخاب کرده‌اند که به پیشرفت تئوری‌های مربوط به سیاه‌چاله کمک‌هایی کرده‌است.

در کل دو نوع سیاه‌چاله وجود دارد:
• شواترزشیلد (Schwarzchild) : سیاه‌چاله غیر دوار
• کِر(Kerr) : سیاه‌چاله دوار
سیاه‌چاله کارل شواترزشیلد ساده‌ترین نوع است که در آن مرکز دوران نمی‌کند و ثابت است. این نوع سیاه‌چاله تنها دارای یک نقطه یکتایی و یک افق رویداد است.

سیاه‌چاله‌های کِر در طبیعت به وفور یافت می‌شوند و در آن‌ها هسته دوران می کند و دلیل این دوران نیز، ستاره‌ای است که این سیاه‌چاله‌ها از آن‌ به وجود آمده‌اند.

معمولاً این ستاره‌های دوار هستند که سیاه چاله‌های کِر را بوجود می‌آورند. وقتی که ستاره‌ای دوار متلاشی می‌شود، هسته آن همچنان دوران می‌کند و به همین دلیل سیاه‌چاله بوجود آمده نیز به صورت دوار به جا می‌ماند. اگر با "اندازه حرکت دورانی" آشنا باشید این مطلب را بهتر متوجه می‌شوید.

سیاه‌چاله کِر از چهار قسمت زیر تشکیل می‌شود:

• تکینگی (Singularity) : همان هسته بجا مانده از ستاره متلاشی شده‌است.

• افق رویداد: دهانه سیاه‌چاله

• کارکُره (Ergosphere): اگر یک سیاه‌چاله حرکت مداری داشته باشد، آغاز به کشیدن فضا - زمان به دور افق رویداد می‌کند. این گردش فضا به دور افق رویداد را کارکُره (ergosphere) می‌گویند و شکل بیضوی دارد.

•حد ایستائی (Static Limit): مرز بین کارکره و فضای عادی

اگر جسمی از میان کارکره عبور کند و از دوران آن انرژی کسب کند شانس فرار از سیاه‌ چاله را دارد. ولی اگر جسمی از افق رویداد گذر کند به دورن سیاه‌چاله مکیده می‌شود. در حال حاضر هیچ کدام از تئوری‌های فیزیک نمی‌تواند توضیح دهد که درون سیاه‌چاله چه اتفاقی برای ماده و انرژی می‌افتد.

با اینکه تا بحال هیچ سیاه‌چاله‌ای توسط انسان دیده نشده است، سه خاصیت اصلی سیاه‌چاله برای ما قابل اندازه‌گیری است:

• جرم
• بار الکتریکی
• اندازه حرکت دورانی

جرم سیاه‌چاله و اندازه حرکت آن را می‌توان توسط اجرام در حال حرکت اطراف آن و قوانین کپلر اندازه گرفت.

چیزی که ما به دنبالش هستیم یک ستاره یا حلقه گازی است که با رویت آن و مشاهده رفتار آن بتوانیم حضور سیاه‌چاله را تشخیص دهیم. برای مثال از مشاهده حرکت دورانی ستاره‌ای می‌فهمیم که اثری نامرئی و غیر محسوس عامل این دوران است و سپس در می‌یابیم که این اثر از جرم متراکم عظیمی می‌آید. از اینجا احتمال حضور یک سیاه‌چاله را می‌دهیم.

یک از راه‌های کشف سیاهچاله‌ها استفاده از امواج گرانشی است که هنگام فروپاشی گسیل می ‌کنند. هر جرم اختری از حیث شکل نامتقارن تششع ممکن است یک منبع قابل اکتشاف مشخص به وجود آورد.

زمانی که جسمی به درون سیاه‌چاله مکیده‌ می‌شود دمایش به هزاران درجه کلوین می‌رسد و شتاب بزرگی می‌گیرد. این اجرام امواج مختلفی را گسیل می‌کنند که ساده ترین آن اشعه ایکس است که توسط رصدخانه‌ها و آشکار‌سازهای بیرون جو قابل رویت هستند.

با وجود تمام تلاش‌های دانشمدان در شناخت سیاه‌چاله‌ها، این پدیده‌های فضایی یکی از مرموزترین و جذاب‌ترین موضوعات اختر فیزیک باقی می‌مانند.

ماکیان ایکس یک یا دجاجه ایکس یک(به انگلیسی: Cygnus X-1، کوتاه‌شده: Cyg X-1‏) یک منبع مشهور پرتو ایکس در آسمان است که در صورت فلکی ماکیان قرار دارد. در سال ۱۹۶۴ و در خلال پرواز یک تلسکوپ فضایی مدار پایین کشف شد و یکی از بزرگترین منابع پرتو ایکس در آسمان است که پرتوی ایکسی با شارش ۲.۳‎×۱۰[SUP]−۲۳[/SUP] Wm[SUP]−۲[/SUP]Hz[SUP]-۱[/SUP]‏ تولید می‌کند. ماکیان ایکس یکی از بزرگترین احتمالات برای سیاه‌چاله است. این جسم حدود ۸٫۷ برابر جرم خورشید، جرم دارد از آنجایی که هرچه در اطرافش باشد به مشابه این رفتار می‌کند که در کنار یک سیاه‌چاله‌است. شعاع افق رویداد آن ۲۶ کیلومتر محاسبه می‌شود.
ماکیان ایکس یک دوتایی پرتو ایکس پرجرم است و حدود ۶۰۰۰ سال نوری از خورشید فاصله دارد که شامل یک ابرغول آبی متغیر با نام HDE 226868، یک قرص برافزایشی که پرتو ایکس ایجاد می‌کند می‌شود.مواد دور این سیاه‌چاله میلیون‌ها درجه کلوین(K) دما دارند، و بدین علت در طول موج ایکس تابش می‌کنند. یک جفت افشانه فضایی به شکل عمودی از دو سر سیاه‌چاله خارج می‌شود.
این سامانه عضو یک مجموعه ستاره به نام ماکیان OB3 است، به معنی این‌که ماکیان ایکس یک حدود پنج میلیون سال قدمت دارد و تشکیل یافته از ستاره‌ای با جرم بیشتر از ۴۰ برابر جرم خورشید است. اکثر جرم ستارهٔ قدیمی به خاطر از دست دادن پوسته از بین رفته‌است. مرگ این ستاره همراه با یک ابرنواختر همراه بوده‌است، نتیجه انفجار این بوده‌است که مرکز ستاره به سیاه‌چاله تبدیل شده‌است.
ماکیان ایکس یک موضوع شرط‌بندی علمی بین استیون هاوکینگ و کیپ ثورن در سال ۱۹۷۴ بوده‌است، در مورد اینکه این جرم یک سیاه‌چاله نیست. او سیاه‌چاله بودن ماکیان ایکس یک را در سال ۱۹۹۰ بعد از کشف اطلاعات مربوط به امواج گرانشی تایید کرد.

کشف و رصد
[SUP]رصد پرتوهای ایکس به اخترشناسان اجازه بررسی پدیده‌های آسمانی را می‌دهد، بلعیده‌شدن گازها در سیاه‌چاله موجب افزایش دمای گازها تا میلیون‌ها درجه [/SUP][SUP]کلوین[/SUP][SUP] می‌شود و بدین جهت پرتوی ایکس تابش می‌کنند. بهر حال، چون پرتو ایکس توسط [/SUP][SUP]جو زمین[/SUP][SUP] جذب می‌شود برای مطالعه، دانشمندان یا به ارتفاعات می‌روند ویا از اقمار مصنوعی استفاده کنند.[/SUP][SUP] ماکیان ایکس یک از طریق بررسی امواج [/SUP][SUP]پرتو ایکس[/SUP][SUP] کشف شد. کشف آن از طریق یک [/SUP][SUP]پرواز زیرمداری[/SUP][SUP] پژوهشی بود، که از [/SUP][SUP]سکوی پرتاب وایت سندز[/SUP][SUP] در [/SUP][SUP]نیومکزیکو[/SUP][SUP] پرتاب شد. که بخشی از نقشه بررسی منابع پرتو ایکس در آسمان است، در سال ۱۹۶۴ توسط [/SUP][SUP]آئروبی[/SUP][SUP] که یک فضاپیمای مدار پایین است و در طی نقشه برداری کشف شد. این راکت‌ها از [/SUP][SUP]شمارشگر گایگر[/SUP][SUP] استفاده می‌کردند که طول موج بین ۱ تا ۱۵ [/SUP][SUP]آنگستروم[/SUP][SUP] و در مقطع‌های ۸.۴ درجه‌ای را بررسی می‌کرد.[/SUP]
[SUP]در نتایج این نقشه برداری، هشت منبع پرتو ایکس کشف شدند، که در میانشان Cyg XR-1 (بعدا Cyg X-1) و در صورت فلکی ماکیان بود. با مختصات آسمانی [/SUP][SUP]بعد[/SUP][SUP] ۱۹h۵۳m و [/SUP][SUP]میل[/SUP][SUP] ۳۴.۶°. در این مکان [/SUP][SUP]نور[/SUP][SUP] یا [/SUP][SUP]امواج رادیویی[/SUP][SUP] خاص دیده نمی‌شد.[/SUP]
[SUP]در بررسی‌های بیشتر، در ۱۹۶۳ و توسط [/SUP][SUP]ریکاردو گیاکونی[/SUP][SUP] و [/SUP][SUP]هرب گورسکی[/SUP][SUP] پیشنهاد دادند که همدم ستاره از لحاظ پرتو ایکس بررسی شود. [/SUP][SUP]ناسا[/SUP][SUP]فضاپیمای اوهارو[/SUP][SUP] را در سال ۱۹۷۰ برای این کار فرستاد [/SUP][SUP]اوهارو ۳۰۰ منبع جدید پرتو ایکس را کشف کرد.[/SUP][SUP]بررسی‌های اوهارو نشان داد در ماکیان ایکس یک بی‌ثباتی وجود دارد و در هر چند ثانیه تغییراتی در آن به وجود می‌آید [/SUP][SUP]این تغییرات سریع این معنی می‌داد زایش انرژی به اندازه مساحتی کوچک ۱۰۵ km، است [/SUP][SUP]سرعت نور ارتباط بین فضاها را محدود می‌کند. برای یک مقایسه قطر [/SUP][SUP]خورشید[/SUP][SUP] ۱.۴‎×۱۰۶ کیلومتر است.[/SUP]
[SUP]در مدت دوره، یک منبع امواج رادیویی در همان منطقه از فضا کشف شد که از همان منبع پرتو ایکس جاری می‌شد.[/SUP][SUP] اندازه‌گیری‌های بیشتر نشان داد مکان انتشار امواج رادیویی متفاوت و در ستاره BD ۳۴°۳۸۱۵، است[/SUP][SUP] که، در [/SUP][SUP]کره سماوی[/SUP][SUP]، مکان این ستاره در نیم [/SUP][SUP]درجه‌ای[/SUP][SUP] از ستاره [/SUP][SUP]قدر چهارم[/SUP][SUP]اتا ماکیان[/SUP][SUP] قرار دارد.[/SUP][SUP]BD ۳۴°۳۸۱۵ یک [/SUP][SUP]ابرغول[/SUP][SUP] است که، خودش در انتشار پرتو ایکس ناتوان است. بنابراین، باید همدمی داشته باشد که دور آن گازهایی با میلیون‌ها درجه کلوین بچرخند تا پرتوی ایکس با این مقدار تولید شود.[/SUP]
[SUP]لویی وبستر و پائول ماردین، در [/SUP][SUP]رصدخانه سلطنتی گرینویچ[/SUP][SUP]،[/SUP][SUP]و [/SUP][SUP]چالرز توماس بولتن[/SUP][SUP]، از [/SUP][SUP]رصدخانه دیوید دانلوپ[/SUP][SUP] که در [/SUP][SUP]دانشگاه تورنتو[/SUP][SUP] قرار دارد،[/SUP][SUP] در سال ۱۹۷۱ اعلام کردند که جرم پنهانی در همدم BD ۳۴°۳۸۱۵ قرار دارد. این کار از طریق اندازه گیری [/SUP][SUP]اثر دوپلر[/SUP][SUP] در طیف ستاره انجام شد. مقداری جرم قرار دارد که در مدار حرکت می‌کند.[/SUP][SUP]نتایج نشان داد این همدم به احتمال زیاد سیاه‌چاله‌است زیرا بیش از سه برابر [/SUP][SUP]جرم خورشید[/SUP][SUP]، جرم دارد و بیش از این مقدار نمی‌تواند یک [/SUP][SUP]ستاره نوترونی[/SUP][SUP] باشد.[/SUP]
[SUP]با بررسی‌های بیشتر احتمال این موضوع تشدید شد و در کنفرانس اتحادیه بین‌المللی نجوم در سال ۱۹۷۳ به تصویب رسید که این ستاره بیشترین شباهت را به سیاه‌چاله دارد.[/SUP][SUP]بررسی‌های دقیقتر نشان داد ماکیان ایکس یک تپ‌های با مدت یک [/SUP][SUP]میلی‌ثانیه[/SUP][SUP] از خود بیرون می‌دهد. این وقفه‌های منظم نشان داد که ماده در محیط سیاه‌چاله در حال بلعیده‌شدن است. تپ‌های پرتو ایکس سه ثانیه بعد از سقوط ماده به سمت سیاه‌چاله ایجاد می‌شود [/SUP]

خیلی ممنون