راهنمای کائنات برای مبتدیان (بخش ۳، آخر)؛ سیاهچاله‌ها

سیاه‌چاله‌ها جاهایی در فضا هستند که گرانش بقدری قوی است که هیچ چیز حتی نور نمی‌تواند از آن بگریزد، منشا سیاهی سیاه‌چاله همین است. تصور امروزی ما از سیاه‌چاله براساس نظریه نسبیت عام اینشتین شکل گرفته است. این نظریه می‌گوید اجرامی مثل خورشید در اطراف خود دره‌ای در فضا-زمان ایجاد می‌کنند و اجرام دیگر هم درون آن می‌افتند. در این نظریه، سیاه‌چاله چاهی بی‌انتها است که نور نمی‌تواند بدون اینکه آخرین ذره انرژی‌اش را از دست بدهد از آن بگریزد.
 
به دلایلی که هنوز بدرستی آنها را نمی‌فهمیم، طبیعت دو نوع سیاه‌چاله ایجاد کرده است: سیاه‌چاله‌های ستاره-جرم‌ و سیاهچاله‌های کلان‌جرم، که جرم آنها از میلیونها برابر جرم خورشید تا میلیاردها برابر آن متغیر است.
 
شواهدی هست که نوع دیگری از سیاه چاله‌ها وجود دارد که جرمشان حد وسط ستاره-جرم و کلان جرم است اما اخترشناسان تا به حال تعداد بسیار کمی از سیاهچاله‌های جرم متوسط را پیدا کرده‌اند.
 
سیاهچاله‌های ستاره-جرم پایان مسیر تکامل ستاره‌های بزرگ‌جرم است. با این حال کسی از منشا سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم خبر ندارد و نمی‌دانیم چرا به نظر می‌رسد که تقریبا در مرکز تمام کهکشان‌ها، از جمله کهکشان خودمان راه شیری، یک سیاهچاله کلان‌جرم قرار دارد. معمای مرغ و تخم مرغ است؛ آیا اول کهکشان ستارگان شکل می‌گیرد و بعد یک سیاه چاله کلان جرم در مرکز آن به وجود می‌آید؟ یا یک سیاه چاله کلان‌جرم وجود دارد و بعد کهکشان ستارگان حول آن شکل می‌گیرد؟
 
وقتی ماده در مسیری مارپیچ درون سیاهچاله سقوط می‌کند گرم می‌شود و یک صفحه حلقوی برافزوده ایجاد می‌کند که بی‌اندازه داغ است و می‌تواند صد برابر کهکشانی از ستارگان انرژی آزاد کند. این انرژی، منشا انرژی کهکشان‌های فعال است، پر انرژی‌ترین پدیده کائنات.
چرخه عمر ستاره
وقتی ابر سرد و تاریک گاز و غباری که بین ستارگان وجود دارد زیر فشار گرانش خود جمع شود، ستاره متولد می‌شود. هر چه این کره گازی فشرده و کوچک‌تر می‌شود دمایش بالاتر می‌رود و وقتی دمای هسته‌اش به بیش از ده میلیون درجه سانتی‌گراد برسد، واکنش هسته‌ای آغاز می‌شود و کره گازی، بدل به ستاره‌ای نورانی می‌شود.
 
ستاره محصول تعادلی موقتی است، بین نیروهای گرانشی که می‌خواهد کره گازی را به درون خود فشرده و جمع کند و حرارت داخلی که کره گازی را به بیرون می‌راند. از جوش خوردن هسته دو اتم هیدروژن -سبک‌ترین عنصر- هلیم -دومین عنصر سبک در ستاره تولید می‌شود. طبق فرمول معروف انیشتین،E=mc۲، تفاوت جرم مواد اولیه (دو هیدروژن) با محصول نهایی (یک هلیم) به شکل نور ظاهر می‌شود.
 
سرانجام این تحولات به آهن ختم می‌شود. تشکیل اتم آهن انرژی اتمی هسته ستاره را می‌بلعد و باعث می‌شود هسته شروع به جمع شدن در خود کند، روندی که سریعتر و سریعتر می‌شود تا اینکه یک کره ریز بی‌اندازه چگال از نوترون شکل می‌گیرد که به آن ستاره نوترونی می‌گوییم. موادی که به مرکز فرو می‌ریزند به هسته نوترونی برخورد می‌کنند و برمی‌گردند و فرو ریزش به برون رانش تبدیل می‌شود- انفجار ابرنواختر که آنقدر درخشان است که نورش تمام کهکشان ستارگان را تحت شعاع قرار می‌دهد.
 
اما اگر جرم هسته به اندازه کافی بزرگ باشد، هیچ نیرویی وجود ندارد که بتواند مانع گرانش شود که هسته ستاره را تا حد نابودی فشرده نکند. در واقع گرانش، هسته را آنقدر فشرده می‌کند که چگالی آن بی‌نهایت می‌شود. به چگالی بی‌نهایت تکینگی می‌گوییم. سیاهچاله همان تکینگی است که در دیواری غیر قابل نفوذ به نام افق رویداد محصور شده است.  

 
این تبدیل تاثیر مهمی بر ستاره‌هایی مثل خورشید می‌گذارد. چون هلیم از هیدروژن سنگین‌تر است به مرکز ستاره سقوط می‌کند. هسته اتم‌ها همدیگر را دفع می‌کنند و هر چه هسته اتم بزرگتر باشد دافعه بیشتری دارد. برای اینکه هسته دو اتم با هم برخورد کرده و به هم بچسبند، باید با سرعت زیادی به هم برخورد کنند. این در عمل به معنای برخورد در دمای زیاد است چرا که دما معیار حرکت میکروسکوپی است. هسته خورشید همیشه آنقدر فشرده و داغ خواهد بود که هیدروژن‌ها را به هم جوش دهد و هلیم بسازد. اما این در ستاره‌های پرجرم صادق نیست. هسته آنها در نهایت آنقدر فشرده و داغ می‌شود که هلیم‌ها را جوش می‌دهد و کربن می‌سازد، کربن‌ها را جوش می‌دهد و اکسیژن می‌سازد، اکسیژن‌ها را به هم جوش می‌دهد و نئون می‌سازد و همینطور الی آخر.
 

در جستجوی عکس سیاه‌چاله
دیدن جزئیات سیاه‌چاله‌های ستاره‌جرم دشوار است، اول اینکه کوچک هستند و دوم اینکه سیاه هستند. سیاهچاله‌های کلان‌جرم در مرکز کهکشان‌ها، بسیار بزرگترند اما متاسفانه بسیار دورتر هستند و به همین دلیل هم کوچک به نظر می‌رسند. اما یک سیاهچاله کلان‌جرم هست که هم بزرگ است هم نزدیک.
 
کمان اِی (Sagittarius A) در مرکز کهکشان راه شیری، در فاصله ۲۶۰۰۰ سال نوری، ۴.۳ میلیون برابر خورشید وزن دارد. چشم تلسکوپ افق رویداد -مجموعه‌ای از رادیوتلسکوپ در نقاط مختلف کره زمین، به این سیاهچاله است. تمام علائم رادیویی که این تلسکوپ‌ها ثبت می‌کنند در کامپیوترهایی در هیستک در ماساچوست تلفیق می‌شوند و در واقع یک آنتن ماهواره‌ای عظیم به اندازه کره زمین شبیه سازی می‌شود.
 
هر چه این آنتن بزرگتر و طول موج رصد کوتاهتر باشد - طول موج تلسکوپ افق رویداد ۱.۳ میلی‌متر است- بیشتر می‌تواند به جزئیات دقت (زوم) کند.
افق رویداد مجموعه‌ تلسکوپ‌هایی در نقاط مختلف زمین هستند برای گرفتن عکس یک سیاهچاله چالش ما عکسبرداری از افق رویداد کمان ای است، این مثل این است که بخواهیم از کره زمین، از یک گریپ فروت در کره ماه عکس بگیریم. آنچه اخترشناسان می‌خواهند بدانند این است که آیا افق رویداد همانطور که اینشتین پیش‌بینی کرده عمل می‌کند و اصلا آیا افق رویداد وجود دارد یا نه. اخیرا استیون هاکینگ این فکر را مطرح کرد که شاید افق رویداد وجود نداشته باشد.
 
شیپ دولمن مدیر تلسکوپ افق رویداد در ام آی تی می‌گوید: "یک تصویر می‌تواند نماد تحولی در درک ما درباره سیاهچاله و گرانش باشد."
 
ممکن است اولین عکس از افق رویداد یک سیاه‌چاله در سال ۲۰۱۸ گرفته شود. تقریبا تردیدی نیست که این عکسی تاریخی خواهد بود، مثل عکس مارپیچ دو رشته‌ای دی‌ان‌ای یا مثل عکسی که آپولو از کره ماه از برآمدن زمین گرفت.
کالبدشناسی یک سیاه‌چاله
وقتی یک ستاره بزرگ جرم بقدری جمع فشرده شود که سیاهچاله شکل بگیرد (تا جایی که فعلا می‌دانیم)، چیزی جز چاه بی‌انتهای فضا-زمان باقی نمی‌ماند. سیاهچاله را افق رویداد احاطه می‌کند، یک غشای مجازی که نقطه بدون بازگشت را نشان می‌دهد، جایی که نور و ماده گریزی از افتادن به داخل سیاهچاله ندارد.
 
نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی کرده که درون افق رویداد و در مرکز سیاهچاله، نقطه‌ای با چگالی بی نهایت وجود دارد به نام تکینگی. اما وقتی به تکینگی می‌رسیم، نظریه اینشتین و هر نظریه دیگری فرو می‌ریزد. شاید ما به یک نظریه کوانتومی گرانش جدید نیاز داریم که به ما بگوید واقعا چه چیزی آنجا وجود دارد.
سیاهچاله چرخان یا کِر فضانوردی را تجسم کنید که به سمت سیاهچاله می‌رود. وقتی در محیط دایره ای که ۱.۵ برابر محیط سیاهچاله است، گرانش چنان قوی است که نور را چنان خم می کند که سیاهچاله را دور می‌زند بنابراین فضانورد می تواند پشت سرش را ببیند. در نزدیکی یک سیاهچاله ستاره-جرم، تفاوت عظیم گرانش بین سر و پای فضانورد او را پیش از رسیدن به افق رویداد متلاشی خواهد کرد اما این نیروی کشندی (ناشی از تفاوت گرانش دو جرم) در نزدیکی یک سیاهچاله کلان‌جرم قابل صرف نظر است و فضانورد بدون مشکل از افق رویداد گذر خواهد کرد.
وقتی منبع نور به افق رویداد نزدیک می شود، تعداد فوتون‌هایی که می‌توانند از چنگ گرانش سیاهچاله بگریزند کمتر و کمتر می‌شود (به رنگ نارنجی مشخص شده). وقتی فوتون به افق رویداد برسد، دیگر راه برگشتی نیست  بنا به پیش‌بینی نظریه انیشتین، زمان در گرانش قوی کندتر می‌گذرد. بنابراین اگر شما از فاصله‌ای امن بتوانید ببینید که فضانوردی به سیاهچاله پای می‌گذارد، حرکت او کند (اسلوموشن) و کندتر می‌شود و وقتی فضانورد به افق رویداد می‌رسد کاملا متوقف می‌شود. با این که آنچه داخل سیاه چاله می‌افتد دیگر دیده نخواهند شد، تصویر آن در افق رویداد ثابت و فیکس و بتدریج بتدریج محو خواهد شد چون نور نمی‌تواند از داخل سیاه چاله بیرون بیاید.
 
اما در مورد سیاهچاله‌های چرخان یا کِر، موضوع کمی پیچ می‌خورد. این سیاهچاله ها در عمل دو افق رویداد دارند، وقتی فضانورد از اولی می‌گذرد و وارد ارگوسفر می‌شود، توفان پیچان فضا-زمان او را به هر سو خواهد کشاند. هنوز ممکن است فضانورد از چرخش سیاهچاله انرژی بگیرد و از سیاهچاله به بیرون پرتاب شود اما وقتی از افق رویداد داخلی گذشت دیگر بازگشتی وجود ندارد.
گرانش سیاهچاله چنان عظیم است و نور را چنان خم می‌کند که نور دور سیاه‌چاله حلقه می‌زند. اگر کسی در آنجا باشد می‌تواند پشت سرش را ببیند  هیچ کس نمی داند داخل سیاهچاله چه شکلی است اما در داخل سیاهچاله فضا و زمان چنان در هم پیچیده‌اند که جایشان با هم عوض می‌شود. بنابراین تکینگی در فواصل فضا (مکان) وجود ندارد بلکه در آینده (زمان) فضانورد وجود دارد. از این رو فضانورد نمی‌تواند جلوی نزدیک شدن به آن را بگیرد و فشرده شده و جان می‌دهد، همانطور که ما هیچ جور نمی‌توانیم جلوی رسیدن فردا را بگیریم.
*درباره نویسنده
*مارکوس چٌن اخترشناس رادیویی موسسه فناوری کالیفرنیا در پاسادنا بوده و اکنون به عنوان نویسنده و کارشناس علمی فعالیت می‌کند. او چندین کتاب در فیزیک نظری نوشته که آخرین آن -ظهور گرانش- برنده جایزه بهترین کتاب علمی سال ۲۰۱۷ نشریه ساندی تایمز شده است. او در برنامه‌های متعدد تلویزیونی و رادیویی شرکت داشته و برای تولید اپلیکیشن منظومه شمسی برای آی‌پد برنده جایزه نوآوری شده است.