سیاهچاله‌ها چه موجوداتی هستند؟

سیاه‌چاله‌ها از عجیب‌ترین و جذاب‌ترین اجرام فضایی هستند؛ بسیار متراکمند و چنان جاذبه گرانشی بالایی دارند که حتی نور نیز اگر به اندازه کافی به آنها نزدیک شود، نمی‌تواند از دستشان فرار کند.

کد خبر: ۱۲۷۱۱۶۶

تاریخ: ۲۹ دی ۱۴۰۰ - ۱۵:۴۳

به گزارش خبرگزاری دانا، آلبرت انیشتین برای نخستین‌بار در سال ۱۹۱۶ با ارائه نظریه نسبیت عام خود، وجود سیاهچاله‌ها را پیش‌بینی کرد. اصطلاح «سیاهچاله» سال‌ها بعد در سال ۱۹۶۷ و توسط ستاره‌شناس آمریکایی جان ویلر ابداع شد. پس از چندین دهه که سیاهچاله‌ها تنها به عنوان اجرام نظری شناخته می‌شدند، اولین سیاهچاله واقعی در سال ۱۹۷۱  مشاهده شد.

سپس در سال ۲۰۱۹، تلسکوپ افق رویداد (EHT) اولین تصویر ثبت‌شده از یک سیاهچاله را منتشر کرد. این تلسکوپ سیاهچاله را در مرکز کهکشان M87 مشاهده کرد. تصویر، از دست دادن ناگهانی فوتون‌ها (ذرات نور) را ترسیم می‌کند. اکنون که اخترشناسان می‌دانند سیاهچاله چگونه به نظر می‌رسد، حوزه تحقیقاتی جدیدی در زمینه سیاهچاله‌ها شکل گرفته است.

به گزارش ایتنا و به نقل از Space، تاکنون ستاره‌شناسان سه نوع سیاهچاله را شناسایی کرده‌اند: سیاهچاله‌های ستاره‌ای، سیاهچاله‌های ابرپرجرم و سیاهچاله‌های میانی.

هنگامی که سوخت یک ستاره به پایان می‌رسد، ممکن است دچار فروپاشی شود یا به درون خودش فرو بیفتد. در مورد ستارگان کوچکتر (آنهایی که جرمی تقریباً سه برابر خورشید دارند)، هسته جدید به یک ستاره نوترونی یا یک کوتوله سفید تبدیل می‌گردد. اما وقتی یک ستاره بزرگتر فرو می‌ریزد، همچنان به فشرده شدن خود ادامه می‌دهد تا یک سیاهچاله ستاره‌ای ایجاد کند.

سیاهچاله‌هایی که از فروپاشی ستارگان منفرد تشکیل شده‌اند، نسبتاً کوچکند؛ اما تا حدی باورنکردنی متراکم‌اند. یکی از این اجرام بیش از سه برابر خورشید جرم دارد و می‌تواند تا کمتر از پهنای یک شهر متراکم شود. این تراکم زیاد، منجر به نیروی گرانشی دیوانه‌واری می‌شود که می‌تواند تمام اجسام اطراف آن را بطرف خودش بکشد. بدین‌ترتیب، سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای غبار و گازهای کهکشان‌های اطراف خود را می‌بلعند و بدین شکل، اندازه آنها رشد می‌کند.

بنابر مطالعه‌ای که طبق پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا انجام دادند، کهکشان راه شیری تا یکصد میلیون سیاهچاله را در خود جای داده است. کیهان مملو است از سیاهچاله‌های کوچک؛ اما پسرعموهای آنها؛ یعنی سیاهچاله‌های ابرپرجرم، جمعیت بسیار بیشتری دارند. با اینکه این سیاهچاله‌های غول‌آسا میلیون‌ها یا حتی میلیاردها برابر خورشید جرم دارند، اما قطرشان تقریباً یکسان است. تصور می‌شود که در مرکز تمام کهکشان‌ها، یکی از این سیاه‌چاله‌ها قرار داشته باشد.

البته دانشمندان در مورد نحوه پیدایش این سیاهچاله‌های بزرگ چندان مطمئن نیستند. این غول‌ها پس از تشکیل شدن، جرم‌هایی را از گرد و غبار و گاز اطراف خود جمع‌آوری می‌کنند؛ یعنی همان موادی که در مرکز کهکشان‌ها به وفور یافت می‌شوند و به سیاهچاله‌ها کمک می‌کنند تا حد و اندازه بسیار زیادی رشد کنند.

ممکن است سیاهچاله‌های ابرپرجرم نتیجه ادغام صدها یا هزاران سیاهچاله کوچکتر باشند. ابرهای گازی بزرگ نیز ممکن است در این کار مسئول باشند، که همگی با هم فرو می‌ریزند و به سرعت یک توده بزرگ شکل می‌دهند. حالت سوم هم فروپاشی یک خوشه ستاره‌ای است؛ یعنی گروهی از ستاره‌ها که همه با هم دچار فروپاشی می‌شوند. حالت چهارم این است که سیاهچاله‌های ابرپرجرم می‌توانند از خوشه‌های بزرگ ماده تاریک به وجود بیایند. ما می‌توانیم ماده تاریک را از طریق اثر گرانشی آن بر دیگر اجسام مشاهده کنیم. با این حال، هنوز نمی‌دانیم که ماده تاریک از چه چیزی تشکیل شده است؛ چرا که از خودش نور ساطع نمی‌کند و نمی‌توان آن را مستقیماً مشاهده کرد.

دانشمندان زمانی فکر می‌کردند که سیاهچاله‌ها یا بزرگ هستند و یا کوچک؛ اما تحقیقات اخیر احتمال وجود سیاهچاله‌هایی با اندازه متوسط را آشکار کرده است. چنین اجسامی زمانی تشکیل می‌شوند که ستاره‌های یک خوشه در طی یک زنجیره از واکنش‌ها با هم برخورد می‌کنند. وقتی که چندین سیاهچاله متوسط در یک منطقه تشکیل می‌شوند، در نهایت می‌توانند در مرکز یک کهکشان در کنار هم قرار بگیرند و یک سیاه‌چاله ابرجرم ایجاد کنند.

در سال ۲۰۱۴ ستاره‌شناسان چیزی را یافتند که به نظر می‌رسید سیاهچاله‌ای با جرم متوسط باشد که ​​در بازوی یک کهکشان مارپیچی واقع است. سپس در سال ۲۰۲۱، اخترشناسان از یک انفجار پرتو گامای باستانی برای شناسایی آن استفاده کردند. تیم رابرتز (یکی از نویسندگان این مقاله از دانشگاه دورهام در بریتانیا)، در بیانیه‌ای گفت: «ستاره‌شناسان همیشه به دنبال سیاهچاله‌های با اندازه متوسط بوده‌اند. نشانه‌هایی مبنی بر وجود آنها وجود دارد؛ اما این اجرام تمایلی به آشکار شدن ندارند».

تحقیقات جدیدتر در سال ۲۰۱۸ نشان داد که ممکن است این سیاهچاله‌های متوسط در قلب کهکشان‌های کوتوله (یا کهکشان‌های بسیار کوچک) وجود داشته باشند. مشاهدات ده کهکشان از این دست (که پنج تای آنها قبل از این بررسی جدید برای علم ناشناخته بودند)، نشان از فعالیت پرتو ایکس بود که در سیاهچاله‌ها رایج است و وجود سیاهچاله‌هایی با جرم‌هایی معادل با ۳۶ هزار تا ۳۱۶ هزار برابر جرم خورشید را ثابت می‌کرد.

سیاهچاله‌ها دارای سه «لایه» هستند: افق رویداد بیرونی، افق رویداد درونی و تکینگی. افق رویداد سیاهچاله، مرزی در اطراف دهانه سیاهچاله است که نور نمی‌تواند از آن بگریزد. هنگامی که یک ذره از افق رویداد عبور کند، دیگر نمی‌تواند از آن بازگردد. ناحیه داخلی سیاهچاله، یعنی جایی که جرم جسم در آن قرار دارد، به تکینگی موسوم است. در واقع تکینگی نقطه واحدی در فضا-زمان است که جرم سیاهچاله در آن متمرکز شده است.

دانشمندان نمی‌توانند سیاهچاله‌ها را مثل ستاره‌ها یا دیگر اجرام موجود در فضا رصد کنند؛ بلکه اخترشناسان باید به تشخیص تشعشعاتی اتکا کنند که سیاهچاله‌ها به هنگام کشیدن غبار و گاز به درون‌شان ساطع می‌کنند. ولی ممکن است سیاهچاله‌های ابرپرجرم که در مرکز کهکشان‌ها قرار دارند، توسط غبار و گاز غلیظ اطراف خود پوشیده شوند این امر می‌تواند سبب مسدود شدن انتشار چنین تشعشعاتی شود.

گاهی اوقات هنگامی که ماده به سمت سیاهچاله کشیده می‌شود، به جای اینکه به درون آن فرو بیفتد، از افق رویداد خارج می‌شود و به بیرون پرتاب می‌شود. در چنین حالتی، جت‌هایی درخشان از مواد ایجاد می‌شوند که با سرعت‌های بسیار بالا حرکت می‌کنند. هرچند سیاهچاله‌ها بطور مستقیم دیده نشده‌اند؛ اما می‌توان این جت‌های قدرتمند را از فواصل دور مشاهده کرد.

تصویر تلسکوپ افق رویداد از یک سیاهچاله در کهکشان M87 که در سال ۲۰۱۹ منتشر شد، تلاشی ستایش‌برانگیز بود و حتی پس از تهیه عکس‌ها، به دو سال تحقیق نیاز داشت. دلیل این امر آن است که همکاری تلسکوپ‌ها که در بسیاری از رصدخانه‌های جهان قرار دارند، حجم شگفت‌انگیزی از داده‌ها تولید می‌کند که برای انتقال از طریق اینترنت بسیار بزرگ هستند.

محققان انتظار دارند با گذشت زمان، از دیگر سیاهچاله‌ها نیز تصویربرداری کنند و گنجینه‌ای از این اجرام بسازند. احتمالاً هدف بعدی Sagittarius A* ؛ یعنی همان سیاهچاله مرکز کهکشان راه شیری خودمان. مطالعه‌ای که در سال ۲۰۱۹ انجام شد، نشان می‌داد که این سیاهچاله بسیار جذاب است؛ زیرا بیش از آنچه که انتظار می‌رود سکوت پیشه کرده است. البته دلیل این امر می‌تواند وجود میدان‌های مغناطیسی باشد که فعالیت آن را خفه می‌کنند. مطالعه دیگری در همان سال نشان داد یک هاله گازی خنک، اطراف Sagittarius A* را فرا گرفته است و بدین‌ترتیب بینش بی‌سابقه‌ای در مورد محیط اطراف یک سیاه‌چاله بدست داد.

ستاره‌شناسان در سال ۲۰۱۵ با استفاده از رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری (LIGO) امواج گرانشی حاصل از ادغام سیاهچاله‌های ستاره‌ای شناسایی کردند. دیوید شومیکر، سخنگوی همکاری علمی LIGO می‌گوید: «ما مستندات زیادی وجود داریم که نشان می‌دهند سیاهچاله‌هایی با جرمی بیش از ۲۰ برابر خورشید وجود دارند».

دو نظریه راجع به چگونگی تشکیل سیاهچاله‌های دوتایی وجود دارد. نظریه نخست بیان می‌دارد که چنین سیاهچاله‌هایی از دو ستاره که با هم متولد شده و تقریباً در یک زمان به صورت انفجاری مرده‌اند، تشکیل می‌شود. این ستارگان باید جهت چرخش یکسانی نسبت به یکدیگر داشته باشند؛ بنابراین دو سیاهچاله برجامانده نیز به همین شکل نسبت به هم می‌چرخند.

در مدل دوم، سیاهچاله‌های یک خوشه ستاره‌ای به مرکز خوشه فرو می‌روند و با یکدیگر جفت می‌شوند. این سیاهچاله‌ها جهت‌گیری چرخش تصادفی نسبت به هم دارند. مشاهدات LIGO از سیاهچاله‌های همراه با جهت‌گیری‌های چرخشی متفاوت، شواهد قوی‌تری برای این نظریه شکل‌گیری ارائه می‌دهند.

حقایق عجیب در مورد سیاهچاله‌ها

همواره نظریات علمی بیان می‌کردند که اگر در سیاهچاله بیفتید، گرانش با شما کاری می‌کند که مانند اسپاگتی دراز شوید؛ هرچند که قبل از رسیدن به نقطه تکینگی، مرگ به‌سراغ‌تان خواهد آمد. اما مطالعه‌ای که در سال ۲۰۱۲ در نشریه نیچر منتشر شد، نشان داد که اثرات کوانتومی باعث می‌شوند افق رویداد بسیار شبیه به دیوار آتشین عمل کند؛ بدین‌شکل که فوراً شما را تا سرحد مرگ می‌سوزاند.

سیاهچاله‌ها مکش ندارند. مکش با کشیدن چیزی به داخل خلاء ایجاد می‌شود که سیاهچاله‌های عظیم قطعاً خلاء نیستند. در عوض، اجسام در سیاهچاله‌ها «سقوط» می‌کنند؛ درست همانطور که به سمت زمین سقوط می‌کنند.

اولین جسمی که به عنوان سیاهچاله معرفی شد، Cygnus X-1 بود. در واقع استیون هاوکینگ و فیزیکدان همکار کیپ تورن او در سال ۱۹۷۴ بر سر سیاهچاله بودن یا نبودن Cygnus X-1 شرط‌بندی کردند و نظر هاوکینگ این بود که این شیء سیاهچاله نیست؛ اما او در سال ۱۹۹۰ پذیرفت که در اشتباه بوده است.

گفته می‌شود که «سیاهچاله‌های مینیاتوری» بلافاصله پس از انفجار بزرگ شکل گرفته‌اند. این امکان وجود دارد که فضا با گسترش پرسرعت خود، برخی از مناطق را به شکل سیاهچاله‌های کوچک و متراکم که جرم کمتری از خورشید دارند، فشرده کرده باشد.

اگر ستاره‌ای از نزدیکی یک سیاهچاله عبور کند، ممکن است چند پاره شود.

ستاره‌شناسان تخمین می‌زنند که کهکشان راه شیری بین ۱۰ میلیون تا یک میلیارد سیاهچاله ستاره‌ای داشته باشد که جرم آنها تقریباً سه برابر خورشید است.