سیاهچاله‌ها

سیاهچاله ها از عجیب ترین و جذاب ترین اجرام در فضا هستند. آنها بسیار متراکم هستند، با چنان جاذبه گرانشی قوی که حتی نور نیز نمی تواند از چنگ آنها فرار کند. کهکشان راه شیری می تواند بیش از 100 میلیون سیاهچاله را در خود جای دهد، اگرچه شناسایی این جانوران پرخور بسیار دشوار است. در قلب کهکشان راه شیری یک سیاهچاله بسیار پرجرم به نام Sagittarius A* قرار دارد. طبق بیانیه ناسا (باز شده در برگه جدید) این ساختار عظیم حدود 4 میلیون برابر جرم خورشید است و تقریباً 26000 سال نوری از زمین فاصله دارد. اولین تصویر از یک سیاهچاله در سال 2019 توسط تلسکوپ افق رویداد (EHT) گرفته شد. عکس خیره کننده سیاهچاله در مرکز کهکشان M87 در فاصله 55 میلیون سال نوری از زمین، دانشمندان سراسر جهان را به وجد آورد.

آلبرت اینشتین برای اولین بار در سال 1916 با نظریه نسبیت عام خود وجود سیاهچاله ها را پیش بینی کرد. اصطلاح "سیاه چاله" سال ها بعد در سال 1967 توسط ستاره شناس آمریکایی جان ویلر ابداع شد. پس از چندین دهه که سیاهچاله ها تنها به عنوان اجسام نظری شناخته می شوند.

اولین سیاهچاله ای که تا به حال کشف شد Cygnus X-1 بود که در کهکشان راه شیری در صورت فلکی ماکیان، قو قرار داشت. اخترشناسان اولین نشانه‌های سیاهچاله را در سال 1964 دیدند، زمانی که موشکی که به صدا در آمد منابع آسمانی پرتوهای ایکس را به گفته ناسا شناسایی کرد (در برگه جدید باز می‌شود). در سال 1971، ستاره شناسان تشخیص دادند که پرتوهای ایکس از یک ستاره آبی درخشان می آید که به دور یک جسم تاریک عجیب می چرخد. پیشنهاد شد که پرتوهای ایکس شناسایی‌شده در نتیجه دور شدن مواد ستاره‌ای از ستاره درخشان و «بلوره شدن» توسط جسم تاریک - یک سیاه‌چاله همه‌گیر- است.

چند سیاهچاله وجود دارد؟

در مرکز کهکشان راه شیری یک سیاهچاله کلان پرجرم قوس A* (Sgr A*) قرار دارد. به گفته موسسه علوم تلسکوپ فضایی (STScI) تقریباً از هر هزار ستاره یک ستاره آنقدر جرم دارد که به سیاهچاله تبدیل شود. از آنجایی که کهکشان راه شیری دارای بیش از 100 میلیارد آمار است، کهکشان خانگی ما باید حدود 100 میلیون سیاهچاله را در خود جای دهد.

اگرچه کشف سیاهچاله ها کار دشواری است و تخمین های ناسا نشان می دهد که ممکن است بین 10 میلیون تا یک میلیارد سیاهچاله ستاره ای در کهکشان راه شیری وجود داشته باشد.

نزدیکترین سیاهچاله به زمین "تک شاخ" نام دارد و در فاصله 1500 سال نوری از زمین قرار دارد. نام مستعار معنایی دوگانه دارد. نامزد سیاهچاله نه تنها در صورت فلکی تک شاخ ("تک شاخ") ساکن است، بلکه جرم بسیار کم آن - تقریباً سه برابر خورشید - آن را تقریباً در نوع خود بی نظیر می کند. حلقه درخشان نارنجی که یک دایره سیاه را احاطه کرده است. تلسکوپ افق رویداد، مجموعه‌ای در مقیاس سیاره‌ای متشکل از هشت تلسکوپ رادیویی زمینی که با همکاری بین‌المللی ساخته شده‌اند، این تصویر را از سیاه‌چاله عظیم در مرکز کهکشان M87 و سایه آن گرفته است.

در سال 2019، تلسکوپ افق رویداد (EHT) اولین تصویر ثبت شده از یک سیاهچاله را منتشر کرد. EHT سیاهچاله را در مرکز کهکشان M87 دید در حالی که تلسکوپ در حال بررسی افق رویداد یا منطقه گذشته بود که هیچ چیز نمی تواند از سیاهچاله فرار کند. تصویر از دست دادن ناگهانی فوتون ها (ذرات نور) را ترسیم می کند. اکنون که اخترشناسان می دانند سیاهچاله چگونه به نظر می رسد، منطقه جدیدی از تحقیقات در مورد سیاهچاله ها را باز می کند.

در سال 2021، ستاره شناسان نمایی جدید از سیاهچاله غول پیکر در مرکز M87 را نشان دادند که نشان می دهد ساختار عظیم در نور قطبی شده چگونه به نظر می رسد. از آنجایی که امواج نور پلاریزه دارای جهت گیری و روشنایی متفاوتی نسبت به نور غیرقطبی هستند، تصویر جدید سیاهچاله را با جزئیات بیشتری نشان می دهد. قطبش نشانه میدان های مغناطیسی است و تصویر به وضوح نشان می دهد که حلقه سیاهچاله مغناطیسی شده است.

سیاهچاله ها چه شکلی هستند؟

سیاهچاله ها دارای سه "لایه" هستند: افق رخداد بیرونی و درونی و تکینگی. افق رویداد یک سیاهچاله مرزی در اطراف دهانه سیاهچاله است که نور نمی تواند از آن بگریزد. هنگامی که یک ذره از افق رویداد عبور کند، نمی تواند آن را ترک کند. گرانش در سراسر افق رویداد ثابت است. ناحیه درونی سیاهچاله، جایی که جرم جسم در آن قرار دارد، به عنوان تکینگی آن شناخته می شود، نقطه واحدی در فضا-زمان که جرم سیاهچاله در آن متمرکز است. دانشمندان نمی توانند سیاهچاله ها را همانطور که می توانند ستاره ها و دیگر اجرام در فضا را ببینند، ببینند. درعوض، اخترشناسان باید به تشخیص تشعشعاتی که سیاهچاله‌ها در اثر کشیده شدن غبار و گاز به درون موجودات متراکم ساطع می‌کنند، تکیه کنند. اما سیاهچاله های کلان پرجرم که در مرکز یک کهکشان قرار دارند، ممکن است توسط غبار و گاز غلیظ اطراف خود پوشیده شوند، که می تواند از انتشار گازهای گلخانه ای جلوگیری کند. گاهی اوقات، هنگامی که ماده به سمت سیاهچاله کشیده می شود، به جای اینکه به درون ماو کشیده شود، از افق رویداد خارج می شود و به بیرون پرتاب می شود. جت های درخشانی از مواد که با سرعت های نزدیک به نسبیتی حرکت می کنند ایجاد می شوند. اگرچه سیاهچاله دیده نشده است، اما این جت های قدرتمند را می توان از فواصل دور مشاهده کرد. تصویر EHT از یک سیاهچاله در M87 (منتشر شده در سال 2019) تلاش خارق العاده ای بود و حتی پس از گرفتن تصاویر به دو سال تحقیق نیاز داشت. این به این دلیل است که همکاری تلسکوپ ها، که در بسیاری از رصدخانه ها در سراسر جهان گسترده شده است، حجم شگفت انگیزی از داده ها را تولید می کند که برای انتقال از طریق اینترنت بسیار بزرگ است. با گذشت زمان، محققان انتظار دارند تا از دیگر سیاهچاله‌ها تصویربرداری کنند و مخزنی از شکل ظاهری اجرام بسازند. هدف بعدی احتمالاً Sagittarius A* است که سیاهچاله ای در مرکز کهکشان راه شیری خودمان است. طبق یک مطالعه در سال 2019، Sagittarius A* جذاب است زیرا ساکت تر از حد انتظار است، که ممکن است به دلیل میدان های مغناطیسی باشد که فعالیت آن را خفه می کنند. مطالعه دیگری در آن سال نشان داد که یک هاله گاز خنک اطراف Sagittarius A* را احاطه کرده است که بینش بی‌سابقه‌ای را در مورد اینکه محیط اطراف سیاه‌چاله چگونه به نظر می‌رسد، می‌دهد. نمودار آناتومی سیاهچاله ESO نشان می دهد که سیاهچاله چگونه به نظر می رسد و اجزای مختلف را برچسب گذاری می کند. نمودار آناتومی سیاهچاله ESO نشان می دهد که سیاهچاله چگونه به نظر می رسد و اجزای مختلف را برچسب گذاری می کند.

انواع سیاهچاله ها

تاکنون، ستاره شناسان سه نوع سیاهچاله را شناسایی کرده اند: سیاهچاله های ستاره ای، سیاهچاله های کلان پرجرم و سیاهچاله های میانی.

سیاهچاله های ستاره ای:

کوچک اما کشنده هنگامی که یک ستاره از طریق آخرین سوخت خود می سوزد، جسم ممکن است سقوط کند یا به درون خود بیفتد. برای ستارگان کوچکتر (آنهایی که جرم آنها تقریباً سه برابر خورشید است)، هسته جدید به یک ستاره نوترونی یا یک کوتوله سفید تبدیل خواهد شد. اما وقتی یک ستاره بزرگتر فرو می ریزد، به فشرده شدن ادامه می دهد و یک سیاهچاله ستاره ای ایجاد می کند. سیاهچاله هایی که از فروپاشی ستارگان منفرد به وجود آمده اند نسبتا کوچک اما به طرز باورنکردنی متراکم هستند. یکی از این اجرام بیش از سه برابر جرم خورشید به قطر یک شهر بسته می شود. این منجر به نیروی گرانشی دیوانه‌واری می‌شود که اجسام اطراف جسم را می‌کشد. سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای پس از آن، غبار و گاز کهکشان‌های اطراف خود را مصرف می‌کنند که باعث می‌شود اندازه آن‌ها رشد کنند.

سیاهچاله های کلان پرجرم:

تولد غول ها سیاهچاله های کوچک جهان را پر می کنند، اما پسرعموهای آنها، سیاهچاله های کلان پرجرم، غالب هستند. این سیاهچاله‌های عظیم میلیون‌ها یا حتی میلیاردها برابر خورشید جرم دارند، اما قطرشان تقریباً برابر است. تصور می‌شود که چنین سیاه‌چاله‌هایی تقریباً در مرکز هر کهکشانی از جمله کهکشان راه شیری قرار دارند. دانشمندان مطمئن نیستند که چگونه چنین سیاهچاله های بزرگی تولید می شوند. پس از تشکیل این غول‌ها، جرم‌هایی را از گرد و غبار و گاز اطراف خود جمع‌آوری می‌کنند، موادی که در مرکز کهکشان‌ها به وفور یافت می‌شوند و به آن‌ها اجازه می‌دهند تا به اندازه‌های عظیم‌تری رشد کنند. سیاهچاله های کلان جرم ممکن است نتیجه صدها یا هزاران سیاهچاله کوچکی باشند که با هم ادغام می شوند. ابرهای گازی بزرگ نیز ممکن است مسئول باشند، که با هم فرو می ریزند و به سرعت توده ای برافزایش می یابند. گزینه سوم فروپاشی یک خوشه ستاره ای است، گروهی از ستاره ها که همه با هم می افتند. چهارم، سیاهچاله های بسیار پرجرم می توانند از خوشه های بزرگ ماده تاریک به وجود بیایند. این ماده ای است که ما می توانیم از طریق اثر گرانشی آن بر اجسام دیگر مشاهده کنیم. با این حال، ما نمی دانیم که ماده تاریک از چه چیزی تشکیل شده است، زیرا نور ساطع نمی کند و نمی توان مستقیماً آن را مشاهده کرد. دانشمندان زمانی فکر می کردند که سیاهچاله ها فقط در اندازه های کوچک و بزرگ هستند، اما تحقیقات احتمال وجود سیاهچاله های متوسط ​​یا متوسط ​​(IMBHs) را آشکار کرده است. چنین اجسامی می توانند زمانی تشکیل شوند که ستاره های یک خوشه در یک واکنش زنجیره ای با هم برخورد کنند. چندین مورد از این IMBH که در همان منطقه شکل می‌گیرند، در نهایت می‌توانند در مرکز یک کهکشان با هم بیفتند و یک سیاه‌چاله بسیار پرجرم ایجاد کنند. در سال 2014، اخترشناسان چیزی را یافتند که به نظر می رسید سیاهچاله ای با جرم متوسط ​​در بازوی یک کهکشان مارپیچی باشد. و در سال 2021 اخترشناسان از یک انفجار پرتو گامای قدیمی برای شناسایی آن استفاده کردند. تیم رابرتز، یکی از نویسندگان این مطالعه، از دانشگاه دورهام در بریتانیا، در بیانیه ای گفت: "اخترشناسان به شدت به دنبال این سیاهچاله های با اندازه متوسط ​​بوده اند." اشاراتی مبنی بر وجود آنها وجود دارد، اما IMBH ها مانند یک خویشاوند گمشده ای عمل می کنند که علاقه ای به پیدا شدن ندارد. تحقیقات انجام شده در سال 2018 نشان داد که این IMBH ها ممکن است در قلب کهکشان های کوتوله (یا کهکشان های بسیار کوچک) وجود داشته باشند. مشاهدات 10 کهکشان از این قبیل (که پنج تای آنها قبلاً قبل از این بررسی جدید برای علم ناشناخته بودند) فعالیت اشعه ایکس - که در سیاهچاله ها رایج است - نشان داد که وجود سیاهچاله هایی با جرم 36000 تا 316000 خورشیدی را نشان می دهد. این اطلاعات از Sloan Digital Sky Survey بدست آمده است که حدود 1 میلیون کهکشان را بررسی می کند و می تواند نوع نوری را که اغلب از سیاهچاله هایی که در حال جمع آوری زباله های مجاور هستند مشاهده می شود، تشخیص دهد. سیاهچاله های دوتایی: مشکل مضاعف تصویر هنرمند از یک سیاهچاله بسیار پرجرم با یک سیاهچاله همراه که به دور آن می چرخد. تصویر هنرمند از یک سیاهچاله بسیار پرجرم با یک سیاهچاله همراه که به دور آن می چرخد. در سال 2015، ستاره شناسان با استفاده از رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری (LIGO) امواج گرانشی را از ادغام سیاهچاله های ستاره ای شناسایی کردند. دیوید شومیکر، سخنگوی همکاری علمی LIGO (LSC) گفت: "ما تایید بیشتری در مورد وجود سیاهچاله هایی با جرم ستاره ای داریم که جرم آنها بیش از 20 خورشید است - اینها اجرامی هستند که قبل از شناسایی آنها توسط LIGO نمی دانستیم وجود دارند." ، در بیانیه ای گفته شد. مشاهدات LIGO همچنین بینش هایی را در مورد جهت چرخش سیاهچاله ارائه می دهد. همانطور که دو سیاهچاله به دور یکدیگر مارپیچ می شوند، می توانند در یک جهت یا خلاف جهت بچرخند. دو نظریه در مورد چگونگی تشکیل سیاهچاله های دوتایی وجود دارد. اولین نشان می دهد که دو سیاهچاله تقریباً در یک زمان به شکل دوتایی هستند، از دو ستاره که با هم متولد شده و تقریباً در یک زمان به صورت انفجاری مرده اند. ستارگان همدم باید جهت چرخش یکسانی با یکدیگر داشته باشند، بنابراین دو سیاهچاله به جای مانده نیز همینطور. در مدل دوم، سیاهچاله‌های یک خوشه ستاره‌ای به مرکز خوشه فرو می‌روند و جفت می‌شوند. بر اساس همکاری علمی LIGO، این همراهان دارای جهت گیری های چرخشی تصادفی در مقایسه با یکدیگر خواهند بود. مشاهدات LIGO از سیاهچاله های همراه با جهت گیری های چرخشی متفاوت شواهد قوی تری برای این نظریه شکل گیری ارائه می دهد. کیتا کاوابه، دانشمند LIGO از کالتک، که در رصدخانه LIGO Hanford مستقر است، گفت: "ما شروع به جمع آوری آمار واقعی در مورد سیستم های سیاهچاله دوتایی کرده ایم." این جالب است زیرا برخی از مدل‌های تشکیل دوتایی سیاه‌چاله حتی در حال حاضر تا حدودی نسبت به سایرین مورد علاقه هستند و در آینده می‌توانیم این را محدودتر کنیم.»

حقایق سیاهچاله ها

اگر در سیاهچاله بیفتید، تئوری مدت‌هاست که نشان می‌دهد گرانش شما را مانند اسپاگتی دراز می‌کند، اگرچه مرگ شما قبل از رسیدن به تکینگی اتفاق می‌افتد. اما مطالعه‌ای در سال 2012 که در مجله Nature منتشر شد (در برگه جدید باز می‌شود) نشان داد که اثرات کوانتومی باعث می‌شود افق رویداد بسیار شبیه به دیوار آتش عمل کند که فوراً شما را تا حد مرگ می‌سوزاند. سیاهچاله ها مکش نمی کنند. مکش با کشیدن چیزی به داخل خلاء ایجاد می شود، که قطعا سیاهچاله عظیم چنین نیست. در عوض، اجسام در آنها می‌افتند درست همانطور که به سمت هر چیزی که گرانش اعمال می‌کند، مانند زمین سقوط می‌کنند. اولین جسمی که به عنوان سیاهچاله در نظر گرفته می شود Cygnus X-1 است. Cygnus X-1 موضوع یک شرط بندی دوستانه در سال 1974 بین استیون هاوکینگ و فیزیکدان همکار کیپ تورن بود و هاوکینگ شرط بندی کرد که منبع سیاهچاله نبوده است. در سال 1990، هاوکینگ شکست را پذیرفت. سیاهچاله های مینیاتوری ممکن است بلافاصله پس از انفجار بزرگ شکل گرفته باشند. فضایی که به سرعت در حال گسترش است ممکن است برخی از مناطق را به سیاهچاله های ریز و متراکم فشرده کند که جرم کمتری از خورشید دارند. اگر ستاره ای از نزدیکی یک سیاهچاله عبور کند، ستاره می تواند پاره شود. ستاره شناسان تخمین می زنند که کهکشان راه شیری بین 10 میلیون تا 1 میلیارد سیاهچاله ستاره ای دارد که جرم آنها تقریباً سه برابر خورشید است. سیاهچاله ها خوراک فوق العاده ای برای کتاب ها و فیلم های علمی تخیلی هستند. فیلم «بین ستاره‌ای» را ببینید که برای گنجاندن علم به شدت به تورن متکی بود. کار تورن با تیم جلوه‌های ویژه فیلم منجر به درک بهتر دانشمندان از چگونگی ظاهر شدن ستاره‌های دوردست در نزدیکی سیاه‌چاله‌هایی شد که به سرعت در حال چرخش هستند.

منبع: space