در جستجوي سياه چاله ها

سالهاست كه انسان براي تفسير پديده هاي پيرامون خود مصمم شده است. تلاش ما براي تفسير و توضيح پديده ها هنگامي به پايان مي رسد كه با كمبود سوال مواجه شويم. معماهاي آسمان ما پايان ناپذير است؛ بنابراين تلاش ما براي يافتن پاسخ اين معماها نيز بي پايان خواهد بود. ستاره شناسي از همان ابتدا علمي بوده كه به كشفيات بهاي زيادي داده و تنها بعد از بررسي دقيق اين كشفيات، نتايج مستحكمي بيان كرده است. جنبه هايي از آسمان كه زماني به عنوان تفاسير عقلاني و منطقي به شمار مي آمده اند، اكنون چيزي بيش از جسارات خودخواهانه نيستند. تاريخ نشان داده است كه با پيدايش ابزار دقيق تر و بهتر، فهم و درك صحيح تري از آسمان حاصل شده است. اكنون به نظر مي رسد كه با پشت سر گذاشتن مرزهاي علم، جستجوي جديد ما در آسمان بايد پيرامون پديده اي باشد كه به سياه چاله معروف است.

            هدف اين مقاله توضيح چگونگي پيدايش مفهوم سياه چاله و همچنين چگونگي شكل گيري سياه چاله ها است. از اهداف ديگر آن، بحث در مورد رديابي احتمالي سياه چاله ها با استفاده از ابزار پيشرفته اي است كه در آينده به دست بشر ساخته خواهد شد. بدست آوردن درك و تصوري از سياه چاله ها به ما اجازه خواهد داد كه تصور بهتري از فضاي چهار بعدي (كه سه بعد آن مربوط به فضا و يك بعد مربوط به زمان است) بدست بياوريم و در حقيقت فهم و درك بيشتري از افسانه ها و واقعيات علمي دريافت كنيم.

            بيشتر مردمي كه با نجوم ارتباط ندارند يا به دور از جامعه ي فيزيك هستند مفهوم غلطي از سياه چاله ها در ذهن خود مي پرورانند. قبل از بيان اين موضوع كه چگونه يك سياه چاله ايجاد مي شود، مقدمه ي كوتاهي درباره ي ستارگان ضروري به نظر مي رسد. اين مقدمه اطلاعاتي از فلسفه ي سياه چاله ها به ما مي دهد.

            يك ستاره در حقيقت گوي آتشين بزرگي است كه انرژي آن از واكنش هاي هسته اي كه در مركز ستاره انجام مي شوند، تامين مي شود كه اين واكنش ها مقدار هنگفتي فشار و گرما توليد مي كنند. يك ستاره هنگامي متولد مي شود كه دو يا چند ابر بزرگ گازي به سمت هم كشيده شوند كه اين پديده باعث به وجود آمدن هسته و به دنبال آن، بسته به نحوه ي برخورد دو ابر، آزاد كردن انرژي عظيمي خواهد شد. اين ابرها با چنان نيروي عظيمي به هم نزديك مي شوند كه مي تواند باعث آغاز واكنش هاي  هسته اي بشود. اين نوع انرژي از واكنش هاي گداخت هسته اي آزاد مي شود كه در آن دو اتم به هم پيوسته و تشكيل اتم جديدي را مي دهند. بر اثر اين فرايند انرژي هنگفتي آزاد مي شود.

            اين فعاليت ها تا هنگامي ادامه مي يابند كه سوخت هسته اي ستاره به پايان رسد. در حقيقت جالب ترين پديده ها در طول عمر يك ستاره در اين زمان اتفاق مي افتند. در تمام طول زندگي ستاره، واكنش هاي هسته اي باعث به وجود آوردن فشار زيادي به طرف بيرون مي شده اند و دقيقا نيرويي يكسان و برابر، كه به آن گرانش مي گويند، به طرف مركز ستاره وارد مي شده است. اين برابري نيروها به ستاره اجازه مي داده كه شكل خود را حفظ كند و دچار از هم گسيختگي يا فروپاشي نشود.

            سرانجام، هنگامي كه سوخت ستاره به پايان مي رسد، نيروي گرانش آن بر نيروي به سمت خارج غلبه كرده و ستاره به درون خود فرو مي ريزد. اين يك انفجار دروني بزرگ است. بسته به جرم اصلي و پاياني ستاره، ممكن است چندين حادثه رخ دهد.معمولي ترين نتيجه ي يك چنين رمبشي، ستاره اي است كه به آن كوتوله ي سفيد مي گويند.اين ستاره، به هم فشرده شده و طبيعتا بسيار چگال خواهد بود. گفته مي شود كه يك قاشق چاي خوري از مواد سازنده ي كوتوله ي سفيد 2 تا 4 تن وزن دارد. به محض يافتن اولين كوتوله ي سفيد، اين بحث پيش كشيده شد كه يك ستاره تا چه اندازه مي تواند برمبد و سر انجام در سال 1920، دو اخترفيزيك دان به نام هاي Subrahmanyan Chandrasekhar  و Sir Arthur Eddington  به نتايج متفاوتي رسيدند.توجه Chandrasekhar  به رابطه ي جرم ستارگان با شعاع آنها جلب شد و نتيجه گرفت كه حد فوقاني رمبش معمول يك ستاره منجر به پيدايش ستاره اي مي شود كه به  ستاره  نوتروني معروف است. اين حد 4/1 جرم خورشيدي، آنقدر دقيق بود كه در سال 1983 جايزه ي نوبل فيزيك را براي او به ارمغان آورد. كوتوله ي سفيد چگال است، اما نه به اندازه ي ستارگان نوتروني. معمولا هنگامي كه سوخت هسته اي ستاره تمام مي شود، شروع به پرتاب لايه هاي بيروني خود در انفجاري كه به آن ابر نواختر مي گويند،  مي كند. هنگامي كه اين پديده اتفاق مي افتد، ستاره مقدار زيادي از جرم خود را از دست مي دهد. اما آنچه كه باقي مي ماند اگر بيشتر از 4/1 جرم خورشيدي باشد، تبديل به گوي متراكمي از نوترون ها مي شود. اين نوع ستارگان، بسيار چگال تر بوده و يك قاشق چاي خوري از مواد آن ها بر روي زمين، وزني تقريبا برابر 5 ميليون تن خواهد داشت. شكوه و عظمت يك چنين اجرامي غير قابل تصور است. اما حتي ستارگان نوتروني هم در مباحث رمبش ستارگان حد نهايي نيستند. به نظر مي رسد هنگامي كه ستاره به اندازه ي كافي پر جرم باشد، يعني در حدود 3 تا 5/3 برابر جرم خورشيدي، رمبش باعث ايجاد چيزي بسيار چگال تر مي شود. در حقيقت چگالي اين شيء به سمت بي نهايت ميل مي كند. اين شي چيزي است كه ما آن را سياه چاله مي ناميم.

            بعد از اينكه يك سياه چاله تشكيل شد، نيروي جاذبه ي آن شروع به كشيدن گرد و غبار اطراف و در حقيقت هر چيز ديگري كه به آن نزديك شود به داخل سياه چاله مي كند. اين كار دائما به قدرت سياه چاله مي افزايد و طبيعتا جرم آن را بيشتر مي كند.

            ساده ترين شكل سه بعدي هندسي براي سياه چاله كره است. اين نوع سياه چاله ها، سياه چاله هاي شوارتسشيلد نام دارند. شوارتسشيلد اختر فيزيكدان آلماني است كه بعدا توانست شعاع بحراني هر جرم داده شده اي را براي تبديل شدن آن به سياه چاله محاسبه كند(شعاع شوارتسشيلد). اين گونه محاسبات نشان مي دهد كه در يك نقطه ي مشخص، جرم به سمت نقطه اي با چگالي بي نهايت سقوط مي كند. اين نقطه تكيني(Singularity) نام دارد. در اين نقطه نيروي گرانش بي نهايت زياد است و زمان و مكان به صورت عادي خود عمل نمي كنند. در تكيني، قوانين نيوتون و انيشتين ديگر جايي ندارد و فقط يك جهان مبهم و مرموز گرانش كوانتومي حضور دارد. در مدل شوارتسشيلد، افق پديده(Event Horizon)، يا پوسته ي سياه چاله، مرزي است كه هيچ چيز به محض ورود به آن نمي تواند از نيروي گرانش سياه چاله بگريزد.

            بسياري از سياه چاله ها حركت چرخشي ثابتي دارند كه از چرخش ستاره ي اصلي ناشي مي شود. اين حركت مواد مختلف را جذب كرده و آنها را به شكل حلقه اي اطراف سياه چاله در مي آورد. مواد در افق پديده نگه داشته مي شود تا به سمت مركز سياه چاله حركت كنند و در آنجا انباشته شوند و به جرم سياه چاله بيفزايند. اين سياه چاله هاي چرخان به سياه چاله هاي كِر معروفند. Roy P. Kerr ، رياضيدان استراليايي اتفاقا به راه حلي براي معادلات انيشتين براي سياه چاله هاي با حركت چرخشي دست يافت. اين سياه چاله به شكل قبلي بسيار شباهت دارد. اما به هر حال تفاوت هايي در اين مدل هست كه آن را واقعي تر جلوه مي دهد. تكيني در اين مدل، زمان مانند است در حالي كه در مدل ديگر بيشتر، مكان مانند است. با اين تفاوت ناچيز، مواد مي توانند از جايي دورتر از استواي افق پديده وارد سياه چاله شوند و از بين نروند.

            علت معروف بودن اين گونه اجرام به سياه چاله ها اين است كه هر پرتوي نوري كه بخواهد از داخل تكيني دور شود به وسيله ي گرانش بي نهايت آن به داخل كشيده مي شود و در نتيجه هيچ نوري از آن ها ساطع نمي شود.پس هر چيزي كه وارد افق پديده شود براي هميشه از نظر ها ناپديد خواهد شد و اين موضوع رديابي سياه چاله ها را براي انسان بدون استفاده از ابزار پيشرفته ي اندازه گيري تشعشعات غير ممكن مي سازد. واژه ي چاله به علت اين است كه اين گونه اجرام همانند چاله ها، مكان هايي هستند كه همه چيز به طرف آن كشيده مي شوند و همچنين جايي هستند كه هسته ي مركزي بر آن حكم فرما است . مركز سياه چاله، مهم ترين قسمت آن است كه تمام جرم سياه چاله در آن متمركزشده است و در هرگونه رديابي، حتي با استفاده از دستگاه هاي پرتو ياب نيز كاملا سياه به نظر مي رسد.

            اولين دانشمنداني كه عميقا به تحقيق در مورد سياه چاله ها و رمبش ستاره ها پرداختند، يك استاد دانشگاه به نام Robert Oppenheimer و شاگردش   Hartland Snyder بودند كه در اوايل قرن نوزدهم ميلادي زندگي مي كردند. آنان بر اساس تئوري نسبيت خاص انيشتين نتيجه گرفتند كه اگر سرعت نور حد نهايي سرعت باشد، آنگاه هيچ ماده ي ديگري نمي تواند بعد از افتادن در دام سياه چاله از آن بگريزد.

            البته اين نكته بايد مورد توجه قرار گيرد كه تمام اين اطلاعات حدس و گماني بيش نيستند. بايد گفت كه در نظريات و ابر رايانه ها، اين اجرام وجود دارند اما همان طور كه دانشمندان قبول دارند، هنوز حتي وجود يك سياه چاله هم به اثبات نرسيده است. پس اين سوال پيش مي آيد كه ما چگونه مي توانيم سياه چاله ها را مشاهده بكنيم؟

براي پاسخ به اين سوال چندين راه وجود دارد. در واقع همان طور كه قبلا گفته شد، ديدن يا رويت كردن سياه چاله ها به صورت مستقيم نمي تواند ما را در شناخت آنها ياري كند. پس براي ما دو راه حل باقي مي ماند. راه حل اول آشكار سازي به وسيله ي اشعه ي X است. در اين روش اندازه گيري، دانشمندان به دنبال مكان هايي مي گردند كه در آنجا تغييرات شديد انرژي احساس مي شود. اين تغييرات انرژي مي توانند ناشي از گازهايي باشد كه به داخل سياه چاله كشيده مي شوند. تغييرات شديد ميدان گرانشي در اطراف سياه چاله مي تواند دماي اين گازها را تا ميليون ها درجه افزايش دهد. اين افزايش دما مي تواند شاهدي براي وجود سياه چاله باشد. راه ديگر شناسايي سياه چاله ها بر اساس تئوري ديگري است. امواج جاذبه هم مي توانند ما را در پيدا كردن سياه چاله ها كمك كنند اما محققان هم اكنون به دنبال روش هايي هستند تا بتوانند آنها را رديابي كنند.

            امواج جاذبه به وسيله ي نظريه ي نسبيت عام انيشتين پيش بيني شده اند.آنها آشفتگي هاي انحناي فضا- زمان هستند . Sir Arthur Eddington يكي از حاميان اينشتين بود. اما در مورد امواج جاذبه مشكوك بود و گزارش شده كه گفته است: امواج جاذبه با سرعت بي نهايت حركت مي كنند. اما آنها هر چه هستند براي يك نظريه       مهم اند. امواج جاذبه، امواجي هستند كه از مركز سياه چاله ها و اشياء پر جرم ديگر سرچشمه مي گيرند و گفته مي شود كه با سرعت نور حركت مي كنند اما نه در طول  فضا- زمان. بلكه به عنوان بخش مهمي از آن به شمار مي روند. اين امواج همانند امواج به وجود آمده بر روي سطح آب، هنگام برخورد سنگي به آن است. هر چه به مركز برخورد نزديك تر مي شويم، امواج قوي تر مي شوند و دورتر از آن شروع به محو شدن مي كنند. با اين تفاوت كه اين امواج بسيار جزئي هستند و آشكار كردنشان تجهيزاتي فراتر از امكانات ما نياز دارد. اين امواج سيگنال هاي خاصي را به همراه دارند كه از نوع اشعه ي  X نيستند. در شبيه سازي ها، سياه چاله ها فركانس خاصي را توليد مي كنند كه نوعي ارتعاش است. اين اثر بدون شك ما را در راه يافتن سياه چاله ها كمك مي كند.

            اخيرا اكتشافاتي به كمك تلسكوپ فضايي هابل انجام شده است. اين تلسكوپ چيزي پيدا كرده كه به باور بسياري از ستاره شناسان يك سياه چاله است. ستاره اي كه به دور يك فضاي خالي در حال چرخش است. تعداد بسيار زيادي از عكسها از تلسكوپ هابل به زمين فرستاده شد و با كمك رايانه ها، عكس ها از جنبه هاي مختلف بررسي شد و همچنين هر گونه رد يابي كه مي توانست ما را در يافتن سياه چاله در مكان مورد نظر كمك كند به كار گرفته شد.  

            چون سياه چاله ها در فضايي كه ستارگان اصلي آنها در آنجا رمبش كرده اند شناور مي شوند، مي توانند روي محيط پيرامون خود، كه شايد ستارگان ديگري نيز در آن باشند، تاثير زيادي بگذارند. سياه چاله همچنين مي تواند ستاره اي را ببلعد و آن را كاملا نابود سازد. هنگامي كه ستاره به طرف سياه چاله كشيده مي شود، ابتدا به داخل Ergosphere  مي رود. اينجا مكاني است كه مواد دور و اطراف را به داخل افق پديده جاروب مي كند و داراي ويژگي هاي خاصي است كه تمام تحولات در اين مكان صورت مي گيرد. سياه چاله، ستاره را مانند جارو برقي به داخل خود نمي كشد؛ بلكه ابتدا يك حلقه ي گرداب مانندي از مواد ستاره به دور خود تشكيل مي دهد كه تدريجا به داخل آن فرو مي روند. هنگامي كه ستاره نزديك افق پديده مي شود، نوري كه به طور عادي توليد مي كند در Ergosphere به وجود مي آيد، اما به بيرون منتشر نمي شود. درست در اين هنگام است كه مقدار بسيار زيادي تشعشعات منتشر مي شود و با استفاده از ابزار مناسب، مي توان تصويري از فضاي تهي دريافت كرد كه ترجيها آن را سياه چاله مي پنداريم. با استفاده از اين روش ستاره شناسان اكنون معتقد اند كه دجاجه X-1 يك سياه چاله است. اين سياه چاله يك ستاره ي غول پيكر(HDE226868) در اطراف خود نگه داشته و به دور خود مي چرخاند. در نتيجه ما حدس مي زنيم كه اين يك سياه چاله است كه اين ستاره در حال گردش به دور آن است.

            افسانه هاي علمي، از سياه چاله ها در بسياري از فيلم ها به عنوان پديده هاي خارق العاده و يا به عنوان اجرام شوم ياد كرده اند. داستان هاي سفر در زمان يا ورود به جهاني كه در طرف ديگر سياه چاله و موازي با جهان ما قرار گرفته است. گذشتن از افق پديده مي تواند شما را به اين سفر خارق العاده بفرستد. بعضي ها فكر مي كنند كه نيروي جاذبه ي سياه چاله به قدري است كه آنها را تا انتهاي جهان يا به جهاني متفاوت خواهد برد. اما نظريه هاي مختلف در مورد اين كه آن طرف سياه چاله چه اتفاقي خواهد افتاد تمام شدني نيستند. هم اكنون تلاش ما بر سر پيدا كردن يكي از آنهاست. پس اين سوال باقي مي ماند كه آيا آنها وجود دارند؟

            سياه چاله ها وجود دارند، اما متاسفانه براي جامعه ي علمي، زندگي آنها به فرمول ها و ابر رايانه ها محدود مي شود. اما تلاش بي وقفه ي جامعه ي علمي بر سر ساختن يك وسيله ي بهتر براي رد يابي آنها است. قبلا، تجهيزات فوق حساس نشانه هاي خوبي را به ما داده اند كه دقت آنها نيز هر روز بيشتر مي شود.