مطالعه سیاهچاله ها چه کسی سیاهچاله ها را کشف کرد؟ نگاه کردن به اعماق کیهان

سیاهچاله ها، ماده تاریک، ماده تاریک ... اینها بدون شک عجیب ترین و مرموزترین اجرام در فضا هستند. خواص عجیب آنها می تواند قوانین فیزیک جهان و حتی ماهیت واقعیت موجود را به چالش بکشد. برای درک اینکه سیاهچاله ها چیست، دانشمندان پیشنهاد می کنند "تغییر نقاط عطف"، یاد بگیرند که خارج از جعبه فکر کنند و کمی تخیل را به کار ببرند. سیاهچاله ها از هسته ستارگان بسیار پرجرم تشکیل شده اند، که می توان آنها را به عنوان منطقه ای از فضا توصیف کرد که در آن جرم عظیمی در خلأ متمرکز شده است و هیچ چیز، حتی نور، نمی تواند از جاذبه گرانشی در آنجا فرار کند. این ناحیه ای است که سرعت دوم کیهانی از سرعت نور فراتر می رود: و هر چه جسم حرکتی جرم بیشتری داشته باشد، باید سریعتر حرکت کند تا از گرانش خود خلاص شود. این به عنوان دومین سرعت فضایی شناخته می شود.

دایره المعارف کولیر، سیاهچاله ها را منطقه ای در فضا می نامد که در نتیجه فروپاشی کامل گرانشی ماده به وجود آمده است، که در آن جاذبه گرانشی آنقدر زیاد است که نه ماده، نه نور و نه سایر حامل های اطلاعات نمی توانند آن را ترک کنند. بنابراین، فضای داخلی سیاهچاله ارتباط علّی با بقیه جهان ندارد. فرآیندهای فیزیکی که در داخل سیاهچاله اتفاق می‌افتند، نمی‌توانند بر فرآیندهای خارج از آن تأثیر بگذارند. سیاهچاله توسط سطحی احاطه شده است که خاصیت غشای یک طرفه دارد: ماده و تشعشع آزادانه از طریق آن به داخل سیاهچاله می ریزند، اما هیچ چیز نمی تواند از آنجا فرار کند. این سطح "افق رویداد" نامیده می شود.

تاریخچه کشف

سیاهچاله های پیش بینی شده توسط نسبیت عام (نظریه گرانش که توسط انیشتین در سال 1915 ارائه شد) و سایر نظریه های مدرن تر گرانش توسط R. Oppenheimer و H. Snyder در سال 1939 به طور ریاضی اثبات شدند. اما ویژگی های فضا و زمان در مجاورت اینها اجسام آنقدر غیرعادی بودند که اخترشناسان و فیزیکدانان ۲۵ سال است که آنها را جدی نگرفته اند. با این حال، اکتشافات نجومی در اواسط دهه 1960 باعث شد که سیاهچاله ها شبیه یک واقعیت فیزیکی ممکن به نظر برسند. اکتشافات و اکتشافات جدید می توانند اساساً درک ما از فضا و زمان را تغییر دهند و میلیاردها راز کیهانی را روشن کنند.

تشکیل سیاهچاله ها

در حالی که واکنش‌های گرما هسته‌ای در داخل ستاره انجام می‌شوند، دما و فشار بالایی را حفظ می‌کنند و از انقباض ستاره تحت تأثیر گرانش خود جلوگیری می‌کنند. اما با گذشت زمان، سوخت هسته ای تمام می شود و ستاره شروع به کوچک شدن می کند. محاسبات نشان می دهد که اگر جرم یک ستاره از سه جرم خورشید تجاوز نکند، آنگاه برنده "نبرد با گرانش" خواهد بود: فروپاشی گرانشی آن با فشار ماده "منحط" متوقف می شود و ستاره برای همیشه به یک ستاره تبدیل می شود. کوتوله سفید یا ستاره نوترونی. اما اگر جرم یک ستاره بیش از سه جرم خورشید باشد، هیچ چیز نمی‌تواند جلوی فروپاشی فاجعه‌بار آن را بگیرد و به سرعت زیر افق رویداد رفته و تبدیل به سیاه‌چاله می‌شود.

آیا سیاهچاله یک سوراخ دونات است؟

به راحتی نمی توان متوجه چیزی شد که نور ساطع نمی کند. یکی از راه‌های یافتن سیاه‌چاله این است که به دنبال مناطقی در فضای بیرونی پرجرم و در فضای تاریک بگردید. در حین جستجوی این نوع اجرام، ستاره شناسان آنها را در دو منطقه اصلی یافتند: در مراکز کهکشان ها و در سیستم های ستاره ای دوتایی در کهکشان ما. در مجموع، همانطور که دانشمندان پیشنهاد می کنند، ده ها میلیون نفر از این اشیاء وجود دارد.

با توجه به افزایش نسبتاً اخیر علاقه به ساخت فیلم های علمی عامه پسند با موضوع اکتشاف فضا، بیننده مدرن در مورد پدیده هایی مانند تکینگی یا سیاه چاله چیزهای زیادی شنیده است. با این حال، بدیهی است که فیلم‌ها ماهیت کامل این پدیده‌ها را آشکار نمی‌کنند و گاهی حتی نظریه‌های علمی ساخته‌شده را برای اثربخشی بیشتر تحریف می‌کنند. به همین دلیل، تصور بسیاری از افراد مدرن در مورد این پدیده ها یا کاملا سطحی یا کاملاً اشتباه است. یکی از راه حل های مشکل این مقاله است که در آن سعی خواهیم کرد به نتایج تحقیقات موجود پی ببریم و به این سوال پاسخ دهیم که سیاهچاله چیست؟

در سال 1784، جان میشل، کشیش انگلیسی و طبیعت‌شناس، برای اولین بار در نامه‌ای به انجمن سلطنتی از جسم عظیم فرضی‌ای یاد کرد که دارای جاذبه گرانشی بسیار قوی است که دومین سرعت کیهانی برای آن از سرعت نور فراتر می‌رود. دومین سرعت کیهانی سرعتی است که یک جسم نسبتا کوچک برای غلبه بر جاذبه گرانشی یک جرم آسمانی و فراتر رفتن از مدار بسته اطراف این جرم به آن نیاز دارد. طبق محاسبات وی، جسمی با چگالی خورشید و شعاع 500 شعاع خورشیدی در سطح خود دارای دومین سرعت کیهانی برابر با سرعت نور خواهد بود. در این صورت حتی نور نیز از سطح چنین جسمی خارج نمی شود و بنابراین این جسم فقط نور ورودی را جذب می کند و برای ناظر نامرئی می ماند - نوعی لکه سیاه در پس زمینه فضای تاریک.

با این حال، تا قبل از کار انیشتین، مفهوم میشل از یک جسم فوق العاده زیاد مورد توجه قرار نگرفت. به یاد بیاوریم که دومی سرعت نور را به عنوان سرعت محدود کننده انتقال اطلاعات تعریف کرد. علاوه بر این، انیشتین نظریه گرانش را برای سرعت های نزدیک به سرعت نور گسترش داد (). در نتیجه، دیگر کاربرد نظریه نیوتنی در مورد سیاهچاله ها مهم نبود.

معادله انیشتین

در نتیجه اعمال نسبیت عام برای سیاهچاله ها و حل معادلات اینشتین، پارامترهای اصلی یک سیاهچاله شناسایی شد که تنها سه مورد از آنها وجود دارد: جرم، بار الکتریکی و تکانه زاویه ای. باید به سهم قابل توجه اخترفیزیکدان هندی، سوبرامانیان چاندراساکار، که تک نگاری بنیادی را ایجاد کرد، اشاره کرد: «نظریه ریاضی سیاهچاله ها».

بنابراین، حل معادلات اینشتین با چهار گزینه برای چهار نوع احتمالی سیاهچاله ارائه می شود:

• BH بدون چرخش و بدون شارژ - راه حل شوارتزشیلد. یکی از اولین توصیفات سیاهچاله (1916) با استفاده از معادلات اینشتین، اما بدون در نظر گرفتن دو پارامتر از سه پارامتر بدن. راه حل فیزیکدان آلمانی کارل شوارتزشیلد امکان محاسبه میدان گرانشی خارجی یک جسم عظیم کروی را فراهم می کند. ویژگی مفهوم BH توسط دانشمند آلمانی وجود یک افق رویداد و افق پنهان در پشت آن است. همچنین، شوارتزشیلد برای اولین بار شعاع گرانشی را که نام او را دریافت کرد، محاسبه کرد، که تعیین کننده شعاع کره ای است که افق رویداد برای جسمی با جرم معین در آن قرار دارد.
• BH بدون چرخش با شارژ - راه حل Reisner-Nordström. راه حلی که در سال های 1916-1918 با در نظر گرفتن بار الکتریکی احتمالی سیاهچاله ارائه شد. این بار نمی تواند خودسرانه زیاد باشد و به دلیل دافعه الکتریکی حاصل محدود می شود. دومی باید با جاذبه گرانشی جبران شود.
• BH با چرخش و بدون بار - راه حل کر (1963). یک سیاهچاله در حال چرخش کر با وجود به اصطلاح ارگوسفر با سیاهچاله ایستا متفاوت است (در مورد این و سایر اجزای سیاهچاله در زیر بخوانید).
• BH با چرخش و شارژ - حل کر - نیومن. این راه حل در سال 1965 محاسبه شد و در حال حاضر کامل ترین راه حل است، زیرا هر سه پارامتر BH را در نظر می گیرد. با این حال، هنوز فرض بر این است که در طبیعت سیاهچاله ها بار ناچیزی دارند.

تشکیل سیاهچاله

نظریه های متعددی در مورد چگونگی شکل گیری و پیدایش سیاهچاله وجود دارد که معروف ترین آنها تشکیل ستاره ای با جرم کافی در نتیجه فروپاشی گرانشی است. این فشرده سازی می تواند به تکامل ستارگانی با جرم بیش از سه جرم خورشید پایان دهد. پس از اتمام واکنش‌های گرما هسته‌ای در درون چنین ستارگانی، آنها به سرعت شروع به فروپاشی و تبدیل به ابر چگال می‌کنند. اگر فشار گاز ستاره نوترونی نتواند نیروهای گرانشی را جبران کند، یعنی جرم ستاره به اصطلاح بر آن غلبه می کند. حد Oppenheimer-Volkov، سپس فروپاشی ادامه می یابد و در نتیجه ماده به یک سیاهچاله فشرده می شود.

سناریوی دوم که تولد یک سیاهچاله را توصیف می کند، فشرده سازی گاز پیش کهکشانی، یعنی گاز بین ستاره ای است که در مرحله تبدیل شدن به کهکشان یا نوعی خوشه است. اگر فشار داخلی کافی برای جبران همان نیروهای گرانشی وجود نداشته باشد، یک سیاهچاله می تواند ایجاد شود.

دو سناریو دیگر همچنان فرضی است:

• وقوع BH به عنوان یک نتیجه - به اصطلاح. سیاهچاله های اولیه
• وقوع در نتیجه واکنش های هسته ای در انرژی های بالا. نمونه ای از این واکنش ها، آزمایش های برخورد دهنده است.

ساختار و فیزیک سیاهچاله ها

ساختار شوارتزشیلد یک سیاهچاله فقط شامل دو عنصر است که قبلا ذکر شد: تکینگی و افق رویداد سیاهچاله. به طور خلاصه در مورد تکینگی می توان به این نکته اشاره کرد که ترسیم یک خط مستقیم از طریق آن غیرممکن است و همچنین اکثر نظریه های فیزیکی موجود در آن کار نمی کنند. بنابراین، فیزیک تکینگی امروزه برای دانشمندان یک راز باقی مانده است. سیاهچاله نوعی مرز است که با عبور از آن، یک جسم فیزیکی توانایی بازگشت به خارج از محدوده خود را از دست می دهد و قطعاً در تکینگی سیاهچاله «سقوط» می کند.

ساختار یک سیاهچاله در مورد راه حل کر، یعنی در حضور چرخش BH، تا حدودی پیچیده تر می شود. راه حل کر فرض می کند که سوراخ دارای ارگوسفر است. ارگوسفر ناحیه خاصی خارج از افق رویداد است که در داخل آن همه اجسام در جهت چرخش سیاهچاله حرکت می کنند. این منطقه هنوز هیجان انگیز نیست و بر خلاف افق رویداد امکان ترک آن وجود دارد. ارگوسفر احتمالاً نوعی شبیه به قرص برافزایشی است که ماده در حال چرخش به دور اجسام عظیم است. اگر یک سیاهچاله ساکن شوارتزشیلد به عنوان یک کره سیاه نشان داده شود، کری BH، به دلیل وجود ارگوسفر، به شکل یک بیضوی مایل است، که به شکل آن اغلب BH را در نقاشی ها، فیلم های قدیمی یا فیلم های قدیمی می دیدیم. بازی های ویدیویی

• وزن یک سیاهچاله چقدر است؟ - بزرگترین مطالب نظری در مورد منشا یک سیاهچاله برای سناریوی ظهور آن در نتیجه فروپاشی یک ستاره در دسترس است. در این مورد، حداکثر جرم یک ستاره نوترونی و حداقل جرم یک سیاهچاله با حد Oppenheimer-Volkov تعیین می شود که بر اساس آن حد پایین جرم BH 2.5 - 3 جرم خورشیدی است. سنگین ترین سیاهچاله ای که تاکنون کشف شده است (در کهکشان NGC 4889) جرمی برابر با 21 میلیارد خورشید دارد. با این حال، نباید BH ها را فراموش کرد، که به طور فرضی در نتیجه واکنش های هسته ای در انرژی های بالا، مانند واکنش های در برخورددهنده ها به وجود می آیند. جرم چنین سیاهچاله‌های کوانتومی، به عبارت دیگر، «سیاهچاله‌های پلانک» دارای مرتبه‌ای است، یعنی 2 · 10-5 گرم.
• اندازه سیاهچاله. حداقل شعاع BH را می توان از حداقل جرم (2.5 - 3 جرم خورشیدی) محاسبه کرد. اگر شعاع گرانشی خورشید، یعنی منطقه ای که افق رویداد در آن قرار دارد، حدود 2.95 کیلومتر باشد، حداقل شعاع BH از 3 جرم خورشیدی حدود نه کیلومتر خواهد بود. وقتی صحبت از اجسام عظیمی می شود که همه چیز را به خود جذب می کنند، چنین اندازه نسبتاً کوچکی در سر نمی گنجد. با این حال، برای سیاهچاله های کوانتومی، شعاع 35-10 متر است.
• چگالی متوسط ​​یک سیاهچاله به دو پارامتر بستگی دارد: جرم و شعاع. چگالی یک سیاهچاله با جرمی برابر با سه جرم خورشیدی حدود 6 · 10 26 کیلوگرم بر متر مکعب است، در حالی که چگالی آب 1000 کیلوگرم بر متر مکعب است. با این حال، چنین سیاهچاله های کوچکی توسط دانشمندان پیدا نشده است. بیشتر BH های کشف شده دارای جرمی بیش از 105 جرم خورشیدی هستند. یک الگوی جالب وجود دارد که بر اساس آن هرچه یک سیاهچاله جرم بیشتری داشته باشد، چگالی آن کمتر است. در این حالت تغییر جرم به میزان 11 مرتبه منجر به تغییر چگالی به میزان 22 مرتبه قدر می شود. بنابراین، یک سیاهچاله با جرم 1 · 10 9 جرم خورشیدی دارای چگالی 18.5 کیلوگرم بر متر مکعب است که یک واحد کمتر از چگالی طلا است. و BH ها با جرم بیش از 10 10 جرم خورشیدی می توانند چگالی متوسط ​​کمتر از چگالی هوا داشته باشند. بر اساس این محاسبات، منطقی است که فرض کنیم تشکیل سیاهچاله نه به دلیل فشردگی ماده، بلکه در نتیجه انباشته شدن مقدار زیادی ماده در حجم معینی رخ می دهد. در مورد BH های کوانتومی، چگالی آنها می تواند حدود 1094 کیلوگرم بر متر مکعب باشد.
• دمای یک سیاهچاله نیز با جرم آن نسبت معکوس دارد. این دما رابطه مستقیمی با. طیف این تابش با طیف یک جسم کاملا سیاه، یعنی جسمی که تمام تشعشعات فرودی را جذب می کند، منطبق است. طیف تابش یک جسم کاملا سیاه فقط به دمای آن بستگی دارد، سپس دمای BH را می توان از طیف تابش هاوکینگ تعیین کرد. همانطور که در بالا ذکر شد، هر چه سیاهچاله کوچکتر باشد، این تابش قوی تر است. در این مورد، تابش هاوکینگ فرضی باقی می ماند، زیرا هنوز توسط ستاره شناسان مشاهده نشده است. از این نتیجه می شود که اگر تابش هاوکینگ وجود داشته باشد، دمای BH های مشاهده شده آنقدر پایین است که اجازه ثبت تابش مشخص شده را نمی دهد. بر اساس محاسبات، حتی دمای یک سوراخ با جرمی برابر با جرم خورشید ناچیز است (1 · 10 -7 K یا -272 درجه سانتیگراد). دمای سیاهچاله های کوانتومی می تواند به حدود 10 12 کلوین برسد و با تبخیر سریع آنها (حدود 1.5 دقیقه)، چنین BH ها می توانند انرژی در حد ده میلیون بمب اتمی ساطع کنند. اما، خوشبختانه، ایجاد چنین اجرام فرضی به انرژی 10 14 برابر بیشتر از انرژی امروزی در برخورد دهنده بزرگ هادرون نیاز دارد. علاوه بر این، چنین پدیده هایی هرگز توسط ستاره شناسان مشاهده نشده است.

سیاهچاله از چه چیزی تشکیل شده است؟

سوال دیگر، هم دانشمندان و هم کسانی که به سادگی به اخترفیزیک علاقه دارند، نگران است - سیاهچاله از چه چیزی تشکیل شده است؟ هیچ پاسخ روشنی برای این سوال وجود ندارد، زیرا نمی توان به فراتر از افق رویداد اطراف هر سیاهچاله نگاه کرد. علاوه بر این، همانطور که قبلا ذکر شد، مدل های نظری یک سیاهچاله تنها 3 جزء آن را ارائه می دهند: ارگوسفر، افق رویداد و تکینگی. منطقی است که فرض کنیم در ارگوسفر فقط آن دسته از اجرام وجود دارند که توسط سیاهچاله جذب شده اند و اکنون به دور آن می چرخند - انواع مختلف اجسام کیهانی و گازهای کیهانی. افق رویداد تنها یک مرز ضمنی نازک است که پس از سقوط به فراسوی آن، همان اجرام کیهانی به‌طور برگشت‌ناپذیری به سوی آخرین جزء اصلی BH - تکینگی جذب می‌شوند. ماهیت تکینگی امروزه مورد مطالعه قرار نگرفته است و هنوز زود است که درباره ترکیب آن صحبت کنیم.

بر اساس برخی فرضیات، سیاهچاله ممکن است از نوترون تشکیل شده باشد. اگر سناریوی یک سیاهچاله را در نتیجه انقباض یک ستاره به یک ستاره نوترونی با انقباض بعدی آن دنبال کنیم، احتمالاً قسمت اصلی سیاهچاله از نوترون هایی تشکیل شده است که خود ستاره نوترونی از آن تشکیل شده است. به عبارت ساده: وقتی ستاره ای فرو می ریزد، اتم های آن به گونه ای منقبض می شوند که الکترون ها با پروتون ها ترکیب می شوند و در نتیجه نوترون تشکیل می دهند. واکنش مشابهی در طبیعت اتفاق می افتد، در حالی که انتشار نوترینو با تشکیل یک نوترون رخ می دهد. با این حال، اینها فقط فرضیات هستند.

اگر در سیاهچاله بیفتید چه اتفاقی می افتد؟

افتادن در یک سیاهچاله اخترفیزیکی بدن را کش می دهد. یک فضانورد فرضی خودکشی را در نظر بگیرید که در یک سیاهچاله با چیزی جز لباس فضایی راه می‌رود، ابتدا پاها. با عبور از افق رویداد، فضانورد با وجود اینکه دیگر فرصتی برای خارج شدن ندارد، متوجه هیچ تغییری نمی شود. در نقطه ای، فضانورد به نقطه ای می رسد (کمی در پشت افق رویداد) که در آن تغییر شکل بدن او شروع می شود. از آنجایی که میدان گرانشی یک سیاهچاله ناهمگن است و با شیب نیرویی که به سمت مرکز افزایش می‌یابد نشان داده می‌شود، پاهای فضانورد به طور قابل توجهی نسبت به سر، تحت تأثیر گرانشی بسیار بیشتری قرار می‌گیرند. سپس، به دلیل گرانش، یا بهتر است بگوییم، نیروهای جزر و مدی، پاها سریعتر "سقوط" می کنند. بنابراین، بدن شروع به کشش تدریجی در طول می کند. برای توصیف این پدیده، اخترفیزیکدانان اصطلاح نسبتاً خلاقانه ای را ارائه کرده اند - اسپاگت کردن. کشش بیشتر بدن احتمالاً آن را به اتم تجزیه می کند که دیر یا زود به یک تکینگی می رسد. آنچه که شخص در این شرایط احساس خواهد کرد، حدس هر کسی است. شایان ذکر است که اثر کشش جسم با جرم سیاهچاله نسبت معکوس دارد. یعنی اگر یک BH با جرم سه خورشید فوراً بدن را بکشد / بشکند، آنگاه سیاهچاله عظیم نیروی جزر و مدی کمتری خواهد داشت و پیشنهاداتی وجود دارد که برخی از مواد فیزیکی می توانند چنین تغییر شکلی را بدون از دست دادن ساختار خود تحمل کنند.

همانطور که می دانید زمان در نزدیکی اجسام عظیم کندتر جریان دارد، به این معنی که زمان برای یک فضانورد انتحاری بسیار کندتر از زمینیان جریان دارد. در این صورت، شاید او نه تنها از دوستان خود، بلکه خود زمین نیز زنده بماند. محاسبات برای تعیین میزان کاهش سرعت فضانورد مورد نیاز است؛ با این حال، با توجه به موارد فوق، می توان فرض کرد که فضانورد بسیار آهسته در سیاهچاله سقوط می کند و شاید به سادگی برای دیدن لحظه ای زنده نماند. بدن او شروع به تغییر شکل می کند.

قابل توجه است که برای یک ناظر در خارج، تمام اجسامی که به سمت افق رویداد پرواز کرده اند تا زمانی که تصویر آنها ناپدید شود، در لبه این افق باقی می مانند. دلیل این امر انتقال گرانشی به قرمز است. تا حدودی ساده تر، می توان گفت که نوری که بر روی بدن یک فضانورد انتحاری "یخ زده" در افق رویداد می افتد، به دلیل کاهش سرعت آن، فرکانس خود را تغییر می دهد. هر چه زمان کندتر می گذرد، فرکانس نور کاهش می یابد و طول موج افزایش می یابد. در نتیجه این پدیده، در خروجی، یعنی برای یک ناظر خارجی، نور به تدریج به سمت فرکانس پایین - قرمز تغییر می کند. یک جابجایی نور در طول طیف اتفاق می‌افتد، زیرا فضانورد انتحاری هر چند تقریباً نامحسوس از ناظر دورتر و دورتر می‌شود و زمان او بیشتر و آهسته‌تر می‌گذرد. بنابراین نور منعکس شده توسط بدن او به زودی از طیف مرئی فراتر می رود (تصویر ناپدید می شود) و در آینده می توان بدن فضانورد را فقط در ناحیه مادون قرمز و بعداً در فرکانس رادیویی و در نتیجه گرفتار کرد. ، تابش کاملاً گریزان خواهد بود.

با وجود موارد فوق، فرض بر این است که در سیاهچاله های بسیار بزرگ، نیروهای جزر و مدی با فاصله زیاد تغییر نمی کنند و تقریباً به طور یکنواخت روی جسم در حال سقوط عمل می کنند. در این صورت، سفینه فضایی در حال سقوط ساختار خود را حفظ خواهد کرد. یک سوال منطقی مطرح می شود - سیاهچاله به کجا منتهی می شود؟ این سوال را می توان با کار برخی از دانشمندان پاسخ داد و دو پدیده مانند کرمچاله ها و سیاهچاله ها را به هم مرتبط کردند.

در سال 1935، آلبرت انیشتین و ناتان روزن، با در نظر گرفتن فرضیه ای در مورد وجود به اصطلاح کرم چاله ها، دو نقطه فضا-زمان را توسط یک مسیر در مکان های انحنای قابل توجه دومی - انیشتین-روزن - به هم وصل کردند. پل یا کرمچاله برای چنین انحنای قدرتمندی از فضا، اجسامی با جرم غول پیکر مورد نیاز است که سیاهچاله ها با این نقش کاملاً کنار می آیند.

پل انیشتین روزن به دلیل کوچک و ناپایدار بودن آن به عنوان یک کرم چاله صعب العبور در نظر گرفته می شود.

یک کرم چاله قابل عبور در چارچوب نظریه سیاه و سفیدچاله ها امکان پذیر است. جایی که سفیدچاله خروجی اطلاعات به دام افتاده در سیاهچاله است. سفیدچاله در چارچوب نسبیت عام توصیف شده است، اما امروزه به صورت فرضی باقی مانده و کشف نشده است. مدل دیگری از کرم چاله که توسط دانشمندان آمریکایی کیپ تورن و دانشجوی فارغ التحصیل او، مایک موریس پیشنهاد شده است، قابل راه رفتن است. با این حال، مانند کرم‌چاله موریس-تورن و در مورد سیاه‌چاله‌ها، امکان سفر مستلزم وجود ماده‌ای به اصطلاح عجیب و غریب است که انرژی منفی دارد و همچنین فرضی باقی می‌ماند.

سیاهچاله ها در کیهان

وجود سیاهچاله ها نسبتاً اخیراً تأیید شد (سپتامبر 2015)، اما در آن زمان مطالب نظری قابل توجهی در مورد ماهیت BH ها و همچنین بسیاری از اجسام نامزد برای نقش سیاهچاله وجود داشت. اول از همه، اندازه BH باید در نظر گرفته شود، زیرا ماهیت این پدیده به آنها بستگی دارد:

• سیاهچاله جرم ستاره ای... چنین اجرامی در نتیجه فروپاشی یک ستاره به وجود می آیند. همانطور که قبلا ذکر شد، حداقل جرم جسمی که قادر به تشکیل چنین سیاهچاله ای است 2.5 تا 3 جرم خورشید است.
• سیاهچاله های با جرم متوسط... نوعی سیاهچاله میانی شرطی که به دلیل جذب اجرام مجاور مانند خوشه گاز، ستاره همسایه (در سیستم های دو ستاره) و سایر اجرام کیهانی افزایش یافته است.
• سیاهچاله کلان جرم... اجرام فشرده با جرم 10 5 -10 10 خورشیدی. خواص متمایز چنین BH ها چگالی متناقض کم و همچنین نیروهای جزر و مدی ضعیف است که قبلا ذکر شد. این سیاهچاله بسیار پرجرم در مرکز کهکشان راه شیری ما (Sagittarius A *، Sgr A *) و همچنین اکثر کهکشان های دیگر قرار دارد.

نامزدهای کاخ سیاه

نزدیکترین سیاهچاله، یا بهتر است بگوییم کاندیدای نقش BH، یک جرم (V616 Unicorn) است که در فاصله 3000 سال نوری از خورشید (در کهکشان ما) قرار دارد. از دو جزء تشکیل شده است: یک ستاره با جرم نیمی از جرم خورشید، و همچنین یک جسم کوچک نامرئی که جرم آن 3 تا 5 جرم خورشیدی است. اگر معلوم شود که این جرم یک سیاهچاله کوچک با جرم ستاره ای است، آنگاه نزدیکترین BH خواهد بود.

به دنبال این جرم، دومین سیاهچاله نزدیک، شی Cyg X-1 است که اولین نامزد برای نقش یک BH بود. فاصله تا آن تقریبا 6070 سال نوری است. به خوبی مطالعه شده است: جرم آن 14.8 جرم خورشیدی و شعاع افق رویداد حدود 26 کیلومتر است.

بر اساس برخی منابع، نزدیکترین نامزد دیگر برای نقش BH ممکن است جسمی در منظومه ستاره ای V4641 Sagittarii (V4641 Sgr) باشد که طبق برآوردهای سال 1999، در فاصله 1600 سال نوری قرار داشت. با این حال، مطالعات بعدی این فاصله را حداقل 15 برابر افزایش داد.

چند سیاهچاله در کهکشان ما وجود دارد؟

پاسخ دقیقی برای این سوال وجود ندارد، زیرا مشاهده آنها نسبتاً دشوار است و در تمام مدت مطالعه آسمان، دانشمندان موفق به یافتن حدود دوازده سیاهچاله در کهکشان راه شیری شده اند. بدون افراط در محاسبات، متوجه می شویم که در کهکشان ما حدود 100 تا 400 میلیارد ستاره وجود دارد و تقریباً هر هزارمین ستاره دارای جرم کافی برای تشکیل یک سیاهچاله است. این احتمال وجود دارد که میلیون ها سیاهچاله در طول وجود کهکشان راه شیری شکل گرفته باشند. از آنجایی که ثبت سیاهچاله های عظیم آسان تر است، منطقی است که فرض کنیم اکثر BH های موجود در کهکشان ما به احتمال زیاد ابرپرجرم نیستند. قابل توجه است که مطالعات ناسا در سال 2005 حاکی از وجود دسته ای از سیاهچاله ها (10-20 هزار) است که به دور مرکز کهکشان می چرخند. علاوه بر این، در سال 2016، اخترفیزیکدانان ژاپنی یک ماهواره عظیم را در نزدیکی جسم * کشف کردند - سیاه چاله، هسته راه شیری. با توجه به شعاع کوچک (0.15 سال نوری) این جسم و همچنین جرم عظیم آن (100000 جرم خورشید)، دانشمندان پیشنهاد می کنند که این جرم نیز یک سیاهچاله بسیار پرجرم است.

هسته کهکشان ما، سیاهچاله کهکشان راه شیری (کمان A *، Sgr A * یا کمان A *) بسیار پرجرم است و دارای جرم 4.31 106 خورشیدی، و شعاع 0.00071 سال نوری (6.25 سال نوری) است. یا 6.75 میلیارد کیلومتر). دمای قوس A * همراه با خوشه اطراف آن حدود 1 · 10 7 K است.

بزرگترین سیاهچاله

بزرگ‌ترین سیاه‌چاله‌ای که دانشمندان کشف کرده‌اند، سیاه‌چاله‌ای بزرگ به نام FSRQ blazar است که در مرکز کهکشان S5 0014 + 81 در فاصله 1.2 10 10 سال نوری از زمین قرار دارد. طبق نتایج اولیه مشاهدات، با استفاده از رصدخانه فضایی سوئیفت، جرم BH 40 میلیارد (40 · 10 9) جرم خورشید بود و شعاع شوارتزشیلد چنین سوراخی 118.35 میلیارد کیلومتر (0.013 سال نوری) بود. همچنین تخمین زده می شود که 12.1 میلیارد سال پیش (1.6 میلیارد سال پس از انفجار بزرگ) ایجاد شده است. اگر این سیاهچاله غول پیکر مواد اطراف را جذب نکند، پس از آن تا عصر سیاهچاله ها - یکی از دوره های توسعه کیهان که طی آن سیاهچاله ها در آن تسلط خواهند داشت - زنده خواهد ماند. اگر هسته کهکشان S5 0014 + 81 به رشد خود ادامه دهد، آنگاه تبدیل به یکی از آخرین سیاهچاله هایی خواهد شد که در کیهان وجود خواهد داشت.

دو سیاهچاله شناخته شده دیگر، اگرچه نام خود را ندارند، اما برای مطالعه سیاهچاله ها بیشترین اهمیت را دارند، زیرا آنها وجود آنها را به طور تجربی تأیید کردند و همچنین نتایج مهمی برای مطالعه گرانش به دست آوردند. ما در مورد رویداد GW150914 صحبت می کنیم که به آن برخورد دو سیاهچاله به یکی می گویند. این رویداد امکان ثبت نام را فراهم کرد.

تشخیص سیاهچاله ها

قبل از در نظر گرفتن روش هایی برای تشخیص سیاهچاله ها، باید به این سوال پاسخ داد که چرا سیاهچاله سیاه است؟ - پاسخ به آن نیازی به دانش عمیق در اخترفیزیک و کیهان شناسی ندارد. واقعیت این است که یک سیاهچاله تمام تشعشعات وارده به خود را جذب می کند و اگر فرضی را در نظر نگیریم، اصلاً ساطع نمی کند. اگر این پدیده را با جزئیات بیشتری در نظر بگیریم، می توانیم فرض کنیم که فرآیندهایی که منجر به آزاد شدن انرژی به شکل تابش الکترومغناطیسی می شوند، در داخل سیاهچاله ها انجام نمی شوند. سپس، اگر BH تابش کند، در طیف هاوکینگ قرار دارد (که با طیف یک جسم گرم شده و کاملا سیاه منطبق است). با این حال، همانطور که قبلا ذکر شد، این تشعشع شناسایی نشد، که نشان دهنده دمای کاملاً پایین سیاهچاله ها است.

یکی دیگر از نظریه های پذیرفته شده دیگر می گوید که تابش الکترومغناطیسی به هیچ وجه قادر به خروج از افق رویداد نیست. به احتمال زیاد فوتون ها (ذرات نور) توسط اجسام عظیم جذب نمی شوند، زیرا طبق نظریه، آنها خودشان جرم ندارند. با این حال، سیاهچاله همچنان فوتون های نور را با تحریف فضا-زمان «جذب» می کند. اگر سیاهچاله در فضا را نوعی فرورفتگی در سطح صاف فضا-زمان تصور کنیم، در این صورت فاصله معینی از مرکز سیاهچاله وجود دارد که نور دیگر قادر به دور شدن به آن نخواهد بود. یعنی، به طور کلی، نور شروع به "افتادن" در "گودال" می کند، که حتی "پایین" هم ندارد.

علاوه بر این، اگر تأثیر جابه‌جایی گرانشی به سرخ را در نظر بگیریم، ممکن است نور در سیاهچاله فرکانس خود را از دست بدهد و در امتداد طیف به ناحیه تابش طول موج بلند فرکانس پایین منتقل شود تا زمانی که انرژی خود را از دست بدهد. اصلا

بنابراین، سیاهچاله سیاه است و بنابراین تشخیص آن در فضا دشوار است.

روش های تشخیص

روش هایی را که اخترشناسان برای تشخیص سیاهچاله استفاده می کنند در نظر بگیرید:

علاوه بر روش های ذکر شده در بالا، دانشمندان اغلب اجسامی مانند سیاهچاله ها و. کوازارها نوعی خوشه از اجسام و گازهای کیهانی هستند که یکی از درخشان ترین اجرام نجومی در جهان هستند. از آنجایی که آن‌ها در اندازه‌های نسبتاً کوچک درخشندگی بالایی دارند، دلیلی وجود دارد که باور کنیم مرکز این اجرام یک سیاه‌چاله بسیار پرجرم است که ماده اطراف را جذب می‌کند. به دلیل چنین جاذبه گرانشی قدرتمندی، ماده جذب شده آنقدر داغ است که به شدت تابش می کند. یافتن چنین اجسامی معمولاً با یافتن سیاهچاله مقایسه می شود. گاهی اوقات اختروش ها می توانند جت های پلاسمای گرم شده را در دو جهت تابش کنند - جت های نسبیتی. دلایل ظهور چنین جت ها (جت ها) کاملاً مشخص نیست، با این حال، احتمالاً ناشی از تعامل میدان های مغناطیسی BH و قرص برافزایش است و توسط سیاهچاله مستقیم منتشر نمی شود.

برخورد جت در کهکشان M87 از مرکز BH

با جمع بندی موارد فوق، می توان از نزدیک تصور کرد: این یک جسم سیاه کروی است که مواد به شدت گرم شده به دور آن می چرخد ​​و یک قرص برافزایشی درخشان را تشکیل می دهد.

ادغام و برخورد سیاهچاله ها

یکی از جالب‌ترین پدیده‌های اخترفیزیک، برخورد سیاهچاله‌ها است که تشخیص چنین اجرام نجومی عظیمی را نیز ممکن می‌سازد. چنین فرآیندهایی نه تنها مورد توجه اخترفیزیکدانان است، زیرا پدیده هایی که توسط فیزیکدانان ضعیف مطالعه شده اند، پیامد آنها می شود. بارزترین نمونه، رویدادی است که قبلاً ذکر شد به نام GW150914، زمانی که دو سیاهچاله به قدری نزدیک شدند که در نتیجه جاذبه گرانشی متقابل به یکی تبدیل شدند. پیامد مهم این برخورد، ظهور امواج گرانشی بود.

طبق تعریف امواج گرانشی، اینها تغییرات میدان گرانشی هستند که به صورت موج مانند از اجسام متحرک عظیم منتشر می شوند. هنگامی که دو چنین جسمی به یکدیگر نزدیک می شوند، شروع به چرخش در اطراف یک مرکز ثقل مشترک می کنند. با نزدیک شدن به یکدیگر، چرخش آنها حول محور خود افزایش می یابد. چنین نوسانات متغیر میدان گرانشی در نقطه ای می تواند یک موج گرانشی قدرتمند را تشکیل دهد که می تواند میلیون ها سال نوری در فضا منتشر شود. بنابراین در فاصله 1.3 میلیارد سال نوری، دو سیاهچاله با هم برخورد کردند و یک موج گرانشی قدرتمند را تشکیل دادند که در 14 سپتامبر 2015 به زمین رسید و توسط آشکارسازهای LIGO و VIRGO ثبت شد.

سیاهچاله ها چگونه می میرند؟

بدیهی است که برای اینکه یک سیاهچاله دیگر وجود نداشته باشد، باید تمام جرم خود را از دست بدهد. با این حال، طبق تعریف آن، اگر سیاهچاله از افق رویداد خود عبور کرده باشد، هیچ چیز نمی تواند از محدودیت های سیاه چاله خارج شود. مشخص است که فیزیکدان نظری شوروی، ولادیمیر گریبوف، اولین کسی بود که در گفتگو با دانشمند شوروی دیگر، یاکوف زلدوویچ، به احتمال انتشار ذرات سیاهچاله اشاره کرد. او استدلال کرد که از نقطه نظر مکانیک کوانتومی، یک سیاهچاله می تواند ذرات را از طریق اثر تونل زنی ساطع کند. بعدها، استیون هاوکینگ، فیزیکدان نظری انگلیسی، با کمک مکانیک کوانتومی، نظریه متفاوت خود را ساخت. می توانید در مورد این پدیده بیشتر بخوانید. به طور خلاصه، در خلاء ذرات به اصطلاح مجازی وجود دارند که دائماً به صورت جفت متولد می شوند و با یکدیگر نابود می شوند، در حالی که با دنیای خارج تعامل ندارند. اما اگر چنین جفت هایی در افق رویداد یک سیاهچاله ظاهر شوند، گرانش قوی به طور فرضی قادر است آنها را از هم جدا کند، به طوری که یک ذره در داخل BH می افتد و دیگری از سیاهچاله دور می شود. و از آنجایی که ذره ای که از سوراخ خارج می شود قابل مشاهده است و بنابراین دارای انرژی های مثبت است، ذره ای که در سوراخ می افتد باید دارای انرژی منفی باشد. بنابراین سیاهچاله انرژی خود را از دست می دهد و اثری به نام تبخیر سیاهچاله ایجاد می شود.

با توجه به مدل های موجود از یک سیاهچاله، همانطور که قبلا ذکر شد، با کاهش جرم آن، تشعشعات آن شدیدتر می شود. سپس، در مرحله نهایی وجود یک BH، زمانی که ممکن است به اندازه یک سیاهچاله کوانتومی کاهش یابد، مقدار زیادی انرژی به شکل تابش آزاد می کند که ممکن است معادل هزاران یا حتی میلیون ها باشد. بمب های اتمی این رویداد تا حدودی یادآور انفجار یک سیاهچاله مانند همان بمب است. بر اساس محاسبات، در نتیجه انفجار بزرگ، سیاهچاله های اولیه ممکن است به وجود آمده باشند و سیاهچاله هایی از آنها که جرم آنها حدود 1012 کیلوگرم است، باید در زمان ما تبخیر و منفجر می شدند. به هر حال، چنین انفجارهایی هرگز مورد توجه ستاره شناسان قرار نگرفته است.

علیرغم مکانیسم پیشنهادی هاوکینگ برای از بین بردن سیاهچاله ها، خواص تابش هاوکینگ باعث ایجاد پارادوکس در چارچوب مکانیک کوانتومی می شود. اگر سیاهچاله جسمی را جذب کند و سپس جرم حاصل از جذب این جسم را از دست بدهد، بدون توجه به ماهیت جسم، سیاهچاله با آنچه قبل از جذب جسم بوده تفاوتی نخواهد داشت. در این صورت اطلاعات مربوط به بدن برای همیشه از بین می رود. از نقطه نظر محاسبات نظری، تبدیل حالت خالص اولیه به حالت مخلوط به دست آمده ("حرارتی") با نظریه فعلی مکانیک کوانتومی مطابقت ندارد. این پارادوکس گاهی اوقات ناپدید شدن اطلاعات در سیاهچاله نامیده می شود. راه حل قطعی برای این پارادوکس پیدا نشده است. گزینه های شناخته شده برای حل پارادوکس:

• ناهماهنگی نظریه هاوکینگ. این امر مستلزم عدم امکان نابودی سیاهچاله و رشد مداوم آن است.
• وجود سفیدچاله ها در این حالت، اطلاعات جذب شده ناپدید نمی شوند، بلکه به سادگی به جهان دیگری پرتاب می شوند.
• ناسازگاری نظریه عمومی پذیرفته شده مکانیک کوانتومی.

مسائل حل نشده فیزیک سیاهچاله

ظاهراً آنچه قبلاً توضیح داده شد، اگرچه سیاهچاله ها برای مدت نسبتاً طولانی مورد مطالعه قرار گرفته اند، اما هنوز ویژگی های زیادی دارند که مکانیسم های آنها هنوز برای دانشمندان ناشناخته است.

• در سال 1970، یک دانشمند انگلیسی به اصطلاح فرموله کرد. "اصل سانسور کیهانی" - "طبیعت از یک تکینگی برهنه متنفر است." این به این معنی است که تکینگی فقط در مکان‌هایی که از دید پنهان هستند، مانند مرکز یک سیاه‌چاله شکل می‌گیرد. با این حال، این اصل هنوز ثابت نشده است. همچنین محاسبات نظری وجود دارد که بر اساس آن یک تکینگی "برهنه" می تواند رخ دهد.
• همچنین "قضیه بدون مو" ثابت نشده است که بر اساس آن سیاهچاله ها فقط سه پارامتر دارند.
• نظریه کاملی درباره مگنتوسفر سیاهچاله ایجاد نشده است.
• ماهیت و فیزیک تکینگی گرانشی مورد مطالعه قرار نگرفته است.
• به طور قطع مشخص نیست که در مرحله نهایی وجود سیاهچاله چه اتفاقی می افتد و پس از فروپاشی کوانتومی آن چه چیزی باقی می ماند.

حقایق جالب در مورد سیاهچاله ها

با جمع بندی موارد فوق، چندین ویژگی جالب و غیرعادی ماهیت سیاهچاله ها وجود دارد:

• BH ها فقط سه پارامتر دارند: جرم، بار الکتریکی و تکانه زاویه ای. در نتیجه تعداد کمی از ویژگی های این جسم، قضیه ای که این موضوع را تایید می کند «قضیه بدون مو» نامیده می شود. این همچنین باعث ایجاد عبارت "سیاه چاله بدون مو" شد، به این معنی که دو سیاهچاله کاملاً یکسان هستند، سه پارامتر ذکر شده آنها یکسان است.
• چگالی BH می تواند کمتر از چگالی هوا باشد و دما نزدیک به صفر مطلق است. از این رو می توان فرض کرد که تشکیل سیاهچاله نه به دلیل فشردگی ماده، بلکه در نتیجه انباشته شدن مقدار زیادی ماده در حجم معینی اتفاق می افتد.
• زمان برای اجسام جذب شده توسط BH بسیار کندتر از یک ناظر خارجی است. علاوه بر این، اجسام جذب شده به طور قابل توجهی در داخل سیاهچاله کشیده می شوند که دانشمندان آن را اسپاگت کردن نامیده اند.
• ممکن است حدود یک میلیون سیاهچاله در کهکشان ما وجود داشته باشد.
• احتمالاً در مرکز هر کهکشانی یک سیاهچاله کلان جرم وجود دارد.
• در آینده، طبق مدل نظری، جهان به اصطلاح به دوران سیاهچاله ها می رسد، زمانی که سیاهچاله ها به اجسام غالب در جهان تبدیل می شوند.

فرضیه وجود سیاهچاله ها برای اولین بار توسط اخترشناس انگلیسی جی میشل در سال 1783 بر اساس نظریه جسمی نور و نظریه گرانش نیوتن مطرح شد. در آن زمان، نظریه موج هویگنز و اصل موج معروف او به سادگی فراموش شد. حمایت برخی از دانشمندان برجسته، به ویژه دانشگاهیان مشهور سنت پترزبورگ M.V. لومونوسوف و ال. اویلر. منطق استدلالی که میشلا را به مفهوم سیاهچاله سوق داد بسیار ساده است: اگر نور از ذرات-ذرات اتر درخشان تشکیل شده باشد، آنگاه این ذرات، مانند اجسام دیگر، باید از سمت میدان گرانشی جذب شوند. در نتیجه، هرچه جرم ستاره (یا سیاره) بیشتر باشد، جاذبه بیشتری از سمت آن باید توسط اجسام تجربه شود و خروج نور از سطح چنین جسمی دشوارتر است.

منطق بیشتر نشان می دهد که چنین ستارگان عظیمی می توانند در طبیعت وجود داشته باشند، که اجسام دیگر نمی توانند بر جاذبه آنها غلبه کنند، و آنها همیشه برای یک ناظر خارجی سیاه به نظر می رسند، اگرچه خودشان می توانند مانند خورشید با درخشش خیره کننده ای بدرخشند. از نظر فیزیکی، این بدان معناست که دومین سرعت کیهانی روی سطح چنین ستاره ای نباید کمتر از سرعت نور باشد. محاسبات میشل نشان می‌دهد که اگر شعاع ستاره‌ای با چگالی متوسط ​​خورشیدی 500 خورشیدی باشد، نور هرگز از ستاره خارج نمی‌شود. چنین ستاره ای را می توان یک سیاهچاله نامید.

13 سال بعد، ریاضیدان و ستاره شناس فرانسوی P.S. لاپلاس، به احتمال زیاد، مستقل از میشل، فرضیه مشابهی در مورد وجود چنین اشیاء عجیب و غریبی بیان کرد. لاپلاس با استفاده از یک روش محاسباتی دست و پا گیر، شعاع کره را برای چگالی معینی پیدا کرد که سرعت سهموی روی سطح آن برابر با سرعت نور است. به گفته لاپلاس، ذرات نورانی که ذرات گرانشی هستند، باید توسط ستارگان عظیمی که نور ساطع می‌کنند، به تأخیر بیفتند که چگالی آن‌ها برابر با چگالی زمین است و شعاع آن 250 برابر بیشتر از خورشید است.

این نظریه لاپلاس تنها در دو نسخه اول مادام العمر کتاب معروف او "ارائه نظام جهان" منتشر شده در 1796 و 1799 گنجانده شد. بله، شاید حتی ستاره شناس اتریشی FK ​​von Zach نیز به نظریه لاپلاس علاقه مند شد و آن را در سال 1798 تحت عنوان "اثبات این قضیه که نیروی گرانش جسم سنگین می تواند آنقدر زیاد باشد که نور نمی تواند از آن خارج شود" منتشر کرد.

در این مرحله، تاریخچه تحقیقات سیاهچاله برای بیش از 100 سال متوقف شده است. به نظر می رسد که خود لاپلاس بی سر و صدا چنین فرضیه ی گزافی را رها کرده است، زیرا آن را از تمام نسخه های مادام العمر کتاب خود که در سال های 1808، 1813 و 1824 منتشر شده است، حذف کرده است. شاید لاپلاس نمی خواست فرضیه تقریباً خارق العاده ستارگان عظیم الجثه که دیگر نور ساطع نمی کنند را تکرار کند. شاید او توسط داده های نجومی جدید در مورد تغییر ناپذیری بزرگی انحراف نور در ستارگان مختلف متوقف شد، که با برخی از نتایج نظریه او که بر اساس آن محاسبات خود را مبتنی بود، در تضاد بود. اما محتمل ترین دلیلی که همه اشیاء فرضی مرموز میشل-لاپلاس را فراموش کردند، پیروزی نظریه موجی نور است که راهپیمایی پیروزمندانه آن در سال های اولیه قرن نوزدهم آغاز شد.

آغاز این پیروزی با سخنرانی بوکر فیزیکدان انگلیسی تی یونگ "نظریه نور و رنگ" منتشر شد که در سال 1801 منتشر شد، جایی که یونگ با جسارت، علی رغم نیوتن و سایر حامیان مشهور نظریه جسمی (از جمله لاپلاس) ، جوهر نظریه موج نور را بیان کرد و گفت که نور ساطع شده از حرکات موج دار اتر درخشان تشکیل شده است. لاپلاس، با الهام از کشف قطبش نور، با ساختن نظریه ای مبنی بر انکسار دوگانه نور در کریستال ها بر اساس عمل مضاعف مولکول های کریستال بر روی ذرات نور، شروع به "نجات" ذرات کرد. اما کارهای بعدی فیزیکدانان O. Zh. فرنل، F.D. آراگون، جی. فراونهوفر و دیگران از نظریه جسمانی که تنها یک قرن بعد و پس از کشف کوانتا به طور جدی یادآوری شد، سنگ تمام نگذاشتند. تمام استدلال ها در مورد سیاهچاله ها در چارچوب نظریه موجی نور در آن زمان مضحک به نظر می رسید.

آنها حتی پس از "بازسازی" نظریه جسمی نور، هنگامی که به لطف فرضیه کوانتوم ها (1900) و فوتون ها (1905) در مورد آن در سطح کیفی جدیدی صحبت کردند، بلافاصله درباره سیاهچاله ها به یاد نیاوردند. سیاهچاله ها برای دومین بار تنها پس از ایجاد نسبیت عام در سال 1916، زمانی که فیزیکدان نظری و ستاره شناس آلمانی K. Schwarzschild، چند ماه پس از انتشار معادلات انیشتین، از آنها برای مطالعه ساختار فضا-زمان منحنی استفاده کرد، دوباره کشف شدند. مجاورت خورشید در نتیجه، او پدیده سیاهچاله ها را دوباره کشف کرد، اما در سطحی عمیق تر.

آخرین کشف نظری سیاهچاله ها در سال 1939 صورت گرفت، زمانی که اوپنهایمر و اسنایدر اولین راه حل صریح معادلات انیشتین را هنگام تشریح تشکیل سیاهچاله از ابر در حال فروپاشی غبار انجام دادند. خود اصطلاح "سیاه چاله" برای اولین بار توسط فیزیکدان آمریکایی جی. ویلر در سال 1968، در طول سالهای احیای سریع علاقه به نسبیت عام، کیهان شناسی و اخترفیزیک، که به دلیل دستاوردهای خارج از جو (به ویژه) به علم معرفی شد. ، اشعه ایکس) نجوم، کشف تابش باقیمانده، تپ اخترها و اختروش ها.

سیاهچاله ها شاید مرموزترین و مرموزترین اجرام نجومی در جهان ما باشند، زیرا کشف آنها توجه صاحب نظران را به خود جلب کرده و تخیل نویسندگان علمی تخیلی را برانگیخته است. سیاهچاله ها چیست و چه هستند؟ سیاهچاله ها ستارگان خاموش شده ای هستند که به دلیل ویژگی های فیزیکی خود دارای چنان چگالی بالا و گرانش قدرتمندی هستند که حتی نور نیز نمی تواند از آنها فرار کند.

تاریخچه کشف سیاهچاله ها

برای اولین بار وجود نظری سیاهچاله ها، مدت ها قبل از کشف واقعی آنها، توسط شخصی D. Michel (کشیش انگلیسی از یورکشایر، که در اوقات فراغت خود به نجوم علاقه دارد) در سال 1783 پیشنهاد شد. طبق محاسبات او، اگر مال ما گرفته شود و فشرده شود (به اصطلاح کامپیوتری مدرن - بایگانی شود) تا شعاع 3 کیلومتری، چنان نیروی گرانشی بزرگ (به سادگی عظیم) تشکیل می شود که حتی نور نیز نمی تواند از آن خارج شود. مفهوم "سیاه چاله" اینگونه ظاهر شد، اگرچه در واقع اصلاً سیاه نیست، به نظر ما اصطلاح "تاریک چاله" مناسب تر است، زیرا دقیقاً عدم وجود نور است که اتفاق می افتد.

بعدها، در سال 1918، دانشمند بزرگ آلبرت انیشتین در مورد موضوع سیاهچاله ها در زمینه نوشت. اما تنها در سال 1967، با تلاش جان ویلر، اخترفیزیکدان آمریکایی، سرانجام مفهوم سیاهچاله ها در محافل دانشگاهی جای گرفت.

میشل و آلبرت اینشتین و جان ویلر در آثار خود فقط وجود نظری این اجرام اسرارآمیز آسمانی را در فضای بیرونی فرض می‌کردند، اما کشف واقعی سیاهچاله‌ها در سال 1971 اتفاق افتاد، در آن زمان بود که آنها برای اولین بار در تلسکوپ مورد توجه قرار گرفتند.

این چیزی است که یک سیاهچاله به نظر می رسد.

نحوه تشکیل سیاهچاله ها در فضا

همانطور که از اخترفیزیک می دانیم، همه ستارگان (از جمله خورشید ما) مقداری سوخت محدود دارند. و اگرچه عمر یک ستاره می تواند میلیاردها سال طول بکشد، دیر یا زود این عرضه مشروط سوخت به پایان می رسد و ستاره "خاموش می شود". فرآیند "انقراض" یک ستاره با واکنش های شدیدی همراه است که طی آن ستاره دستخوش دگرگونی قابل توجهی می شود و بسته به اندازه آن می تواند به یک کوتوله سفید، یک ستاره نوترونی یا یک سیاهچاله تبدیل شود. علاوه بر این، بزرگترین ستاره ها با ابعاد فوق العاده چشمگیر معمولاً به سیاهچاله تبدیل می شوند - به دلیل انقباض این اندازه های بسیار باورنکردنی، افزایش چند برابری در جرم و نیروی گرانشی سیاهچاله تازه تشکیل شده وجود دارد که به نوعی تبدیل می شود. جاروبرقی کهکشانی - همه چیز و همه افراد اطراف خود را جذب می کند.

یک سیاهچاله ستاره ای را در خود فرو می برد.

یک نکته کوچک - خورشید ما، طبق استانداردهای کهکشانی، اصلاً یک ستاره بزرگ نیست و پس از انقراض، که در حدود چند میلیارد سال آینده رخ خواهد داد، به احتمال زیاد به سیاهچاله تبدیل نخواهد شد.

اما بیایید با شما صریح باشیم - امروزه دانشمندان هنوز از همه پیچیدگی های تشکیل یک سیاهچاله اطلاعی ندارند، بدون شک، این یک فرآیند اخترفیزیکی بسیار پیچیده است که به خودی خود می تواند میلیون ها سال طول بکشد. اگرچه می توان در این مسیر حرکت کرد، اما کشف و مطالعه بعدی سیاهچاله های به اصطلاح میانی، یعنی ستارگان در حال انقراض، که در آن فرآیند فعال تشکیل سیاهچاله در حال انجام است، انجام شد. به هر حال، ستاره مشابهی توسط ستاره شناسان در سال 2014 در بازوی یک کهکشان مارپیچی کشف شد.

چه تعداد سیاهچاله در کیهان وجود دارد

طبق نظریات دانشمندان مدرن، کهکشان راه شیری ما ممکن است حاوی صدها میلیون سیاهچاله باشد. ممکن است کمتر از آنها در کهکشان همسایه وجود داشته باشد، که چیزی برای پرواز از راه شیری ما وجود ندارد - 2.5 میلیون سال نوری.

نظریه سیاهچاله

با وجود جرم عظیم (که صدها هزار بار بزرگتر از جرم خورشید ماست) و نیروی گرانش باورنکردنی، دیدن سیاهچاله ها از طریق تلسکوپ آسان نبود، زیرا آنها اصلاً نور ساطع نمی کنند. دانشمندان فقط در لحظه "غذا" - جذب یک ستاره دیگر - متوجه سیاهچاله شدند، در این لحظه یک تشعشع مشخص ظاهر می شود که قبلاً قابل مشاهده است. بنابراین، نظریه سیاهچاله تایید واقعی پیدا کرده است.

خواص سیاهچاله ها

ویژگی اصلی سیاهچاله میدان های گرانشی باورنکردنی آن است که اجازه نمی دهد فضا و زمان اطراف در حالت معمول خود باقی بماند. بله، درست شنیدید، زمان درون یک سیاهچاله چندین برابر کندتر از حد معمول جریان دارد، و اگر آنجا بودید، پس از بازگشت (البته اگر خیلی خوش شانس بودید) متعجب خواهید شد که قرن ها بر روی زمین می گذرد. و شما حتی پیر نمی شوید زمان داشت. اگر چه ما صادق خواهیم بود، اگر شما در داخل یک سیاهچاله بودید، به سختی می توانستید زنده بمانید، زیرا نیروی گرانش در آنجا به حدی است که هر جسم مادی به سادگی حتی به قطعات، به اتم ها هم نمی شود.

اما اگر حتی نزدیک یک سیاهچاله، در محدوده میدان گرانشی آن بودید، در آن صورت نیز کار سختی خواهید داشت، زیرا هرچه بیشتر در برابر گرانش آن مقاومت کنید و سعی کنید دور شوید، سریعتر در آن می افتادید. دلیل این به ظاهر پارادوکس میدان گرداب گرانشی است که همه سیاهچاله ها دارای آن هستند.

اگر فردی در سیاهچاله بیفتد چه می شود

تبخیر سیاهچاله ها

ستاره شناس انگلیسی اس. هاوکینگ یک واقعیت جالب را کشف کرد: سیاهچاله ها نیز، به نظر می رسد، ساطع می کنند. درست است، این فقط برای سوراخ هایی با جرم نسبتا کوچک اعمال می شود. گرانش قدرتمند اطراف آنها باعث ایجاد جفت ذرات و پادذره می شود، یکی از جفت ها توسط سوراخ به داخل کشیده می شود و دومی به بیرون رانده می شود. بنابراین، سیاهچاله پادذرات سخت و اشعه گاما ساطع می کند. این تبخیر یا تشعشع از یک سیاهچاله به نام دانشمندی که آن را کشف کرد - "تابش هاوکینگ" نامگذاری شد.

بزرگترین سیاهچاله

بر اساس تئوری سیاهچاله ها، تقریباً در مرکز همه کهکشان ها سیاهچاله های عظیمی قرار دارند که جرم آنها از چند میلیون تا چند میلیارد خورشید است. و نسبتاً اخیراً دانشمندان دو تا از بزرگترین سیاهچاله‌های شناخته شده را کشف کرده‌اند که در دو کهکشان مجاور واقع شده‌اند: NGC 3842 و NGC 4849.

NGC 3842 درخشان ترین کهکشان در صورت فلکی شیر است که حدود 320 میلیون سال نوری از ما فاصله دارد. در مرکز آن یک سیاهچاله عظیم با وزن 9.7 میلیارد خورشید قرار دارد.

NGC 4849 کهکشانی در خوشه کما است که در فاصله 335 میلیون سال نوری از ما قرار دارد و دارای سیاهچاله ای به همان اندازه چشمگیر است.

مناطق عمل میدان گرانشی این سیاهچاله های غول پیکر یا به عبارت آکادمیک افق رویداد آنها حدود 5 برابر فاصله خورشید تا! چنین سیاه چاله ای منظومه شمسی ما را می خورد و حتی خفه نمی شود.

کوچکترین سیاهچاله

اما نمایندگان بسیار کوچکی در خانواده بزرگ سیاهچاله ها وجود دارد. بنابراین سیاهچاله کوتوله کشف شده توسط دانشمندان در حال حاضر از نظر جرم تنها 3 برابر جرم خورشید ما است. در واقع این حداقل نظری مورد نیاز برای تشکیل یک سیاهچاله است، اگر آن ستاره کمی کوچکتر بود، آن چاله تشکیل نمی شد.

سیاهچاله ها آدمخوار هستند

بله، چنین پدیده‌ای وجود دارد، همانطور که در بالا نوشتیم، سیاه‌چاله‌ها نوعی «جاروبرقی کهکشانی» هستند که همه چیز اطراف خود از جمله ... سیاهچاله‌های دیگر را جذب می‌کنند. اخیراً ستاره شناسان کشف کرده اند که یک سیاهچاله از یک کهکشان توسط یک شکم سیاه بزرگ از کهکشان دیگر خورده می شود.

• بر اساس فرضیه‌های برخی دانشمندان، سیاه‌چاله‌ها نه تنها جاروبرقی‌های کهکشانی هستند که همه چیز را به درون خود می‌مکند، بلکه تحت شرایط خاصی می‌توانند جهان‌های جدیدی تولید کنند.
• سیاهچاله ها می توانند با گذشت زمان تبخیر شوند. در بالا نوشتیم که دانشمند انگلیسی استیون هاوکینگ کشف کرد که سیاهچاله ها دارای خاصیت تشعشع هستند، و پس از مدتی طولانی، زمانی که چیزی برای جذب در اطراف وجود ندارد، سیاهچاله شروع به تبخیر بیشتر خواهد کرد تا در نهایت همه چیز را رها کند. جرم آن در فضای اطراف اگرچه این فقط یک فرضیه، یک فرضیه است.
• سیاهچاله ها زمان را کند می کنند و فضا را منحرف می کنند. قبلاً در مورد اتساع زمان نوشته ایم، اما فضا در شرایط سیاهچاله کاملاً منحنی خواهد بود.
• سیاهچاله ها تعداد ستاره های جهان را محدود می کنند. یعنی میدان های گرانشی آنها از سرد شدن ابرهای گازی در فضا جلوگیری می کند که همانطور که می دانید ستاره های جدیدی از آنها متولد می شوند.

ویدئوی سیاهچاله های کانال دیسکاوری

و در خاتمه یک مستند علمی جالب در مورد سیاهچاله ها از کانال دیسکاوری به شما پیشنهاد می کنیم.

هنگام نوشتن مقاله سعی کردم تا حد امکان جالب، مفید و با کیفیت باشد. از هرگونه بازخورد و انتقاد سازنده در قالب نظرات به مقاله سپاسگزار خواهم بود. همچنین، می توانید خواسته / سوال / پیشنهاد خود را به ایمیل من بنویسید [ایمیل محافظت شده]یا فیس بوک، با احترام نویسنده.