منو
رایگان
ثبت
خانه  /  درمان درماتیت/ سیاه چاله: داخلش چیست؟ حقایق جالب و تحقیق. تاریخ شگفت انگیز سیاهچاله ها

سیاهچاله: داخلش چیست؟ حقایق جالب و تحقیق. تاریخ شگفت انگیز سیاهچاله ها

با توجه به رشد نسبتاً اخیر علاقه به ساخت فیلم های علمی عامه پسند با موضوع اکتشاف فضا، بینندگان مدرن در مورد پدیده هایی مانند تکینگی یا سیاهچاله چیزهای زیادی شنیده اند. با این حال، بدیهی است که فیلم‌ها ماهیت کامل این پدیده‌ها را آشکار نمی‌کنند و گاهی حتی نظریه‌های علمی ساخته‌شده را برای تأثیر بیشتر تحریف می‌کنند. به همین دلیل، نمایندگی بسیاری از مردم مدرندر مورد این پدیده ها یا کاملاً سطحی یا کاملاً اشتباه است. یکی از راه حل های مشکل پیش آمده 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 فرضی خاصی نام برد که دارای جاذبه گرانشی بسیار قوی است که سرعت فرار دوم آن از سرعت نور فراتر می‌رود. سرعت فرار دوم، سرعتی است که یک جسم نسبتا کوچک برای غلبه بر جاذبه گرانشی یک جرم آسمانی و فراتر رفتن از مدار بسته اطراف این جسم به آن نیاز دارد. طبق محاسبات وی، جسمی با چگالی خورشید و شعاع 500 شعاع خورشیدی، سرعت کیهانی دومی در سطح خود برابر با سرعت نور خواهد داشت. در این صورت حتی نور 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، مفهوم میشل از یک جسم پرجرم تا زمان کار انیشتین مورد توجه قرار نگرفت. به یاد بیاوریم که دومی سرعت نور را به عنوان حداکثر سرعت انتقال اطلاعات تعریف کرد. علاوه بر این، انیشتین نظریه گرانش را به 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 انیشتین، پارامترهای اصلی سیاهچاله شناسایی شدند که تنها سه مورد از آنها وجود دارد: جرم، بار الکتریکی و تکانه زاویه ای. شایان ذکر است که اخترفیزیکدان هندی، سوبرامانیان چاندراسخار، که تک نگاری بنیادی را ایجاد کرد: "نظریه ریاضی سیاهچاله ها".

بنابراین، حل معادلات اینشتین در چهار گزینه برای چهار نوع احتمالی سیاهچاله ارائه شده است:

  • BH بدون چرخش و بدون شارژ - محلول 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 به فرد اجازه می دهد تا میدان گرانشی خارجی یک جسم عظیم کروی را محاسبه کند. ویژگی مفهوم سیاهچاله دانشمند آلمانی وجود یک افق رویداد و پنهان شدن در پشت آن است. شوارتزشیلد همچنین اولین کسی بود که شعاع گرانشی را که نام خود را دریافت کرد، محاسبه کرد که شعاع کره ای را که افق رویداد برای جسمی با جرم معین در آن قرار می گیرد، تعیین می کند.
  • BH بدون چرخش با شارژ - محلول Reisner-Nordström. راه حلی که در سال های 1916-1918 با در نظر گرفتن بار الکتریکی احتمالی یک 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 یک به اصطلاح ارگوسفر با سیاهچاله ایستا متفاوت است (در مورد این و سایر اجزای سیاهچاله بیشتر بخوانید).
  • BH با چرخش و شارژ - محلول Kerr-Newman. این تصمیمدر سال 1965 محاسبه شد و در حال حاضر کامل ترین است، زیرا هر سه پارامتر سیاهچاله 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 مختلفی در مورد چگونگی شکل گیری و پیدایش سیاهچاله وجود دارد که معروف ترین آنها این است که در نتیجه فروپاشی گرانشی ستاره ای با جرم کافی به وجود آمده است. چنین فشرده‌سازی می‌تواند به تکامل ستاره‌هایی با جرم بیش از سه جرم خورشید پایان دهد. پس از اتمام واکنش‌های گرما هسته‌ای در درون چنین ستارگانی، آن‌ها به سرعت شروع به فشرده‌سازی و تبدیل شدن به ابر چگال می‌کنند. اگر فشار گاز یک ستاره نوترونی نتواند نیروهای گرانشی را جبران کند، یعنی جرم ستاره به اصطلاح بر آن غلبه می کند. حد Oppenheimer-Volkoff، 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 در مرحله تبدیل شدن به یک کهکشان یا نوعی خوشه است. اگر فشار داخلی کافی برای جبران همان نیروهای گرانشی وجود نداشته باشد، ممکن است یک سیاهچاله ایجاد شود.

دو سناریو دیگر همچنان فرضی است:

  • وقوع یک سیاهچاله در نتیجه به اصطلاح سیاهچاله های اولیه
  • وقوع در نتیجه واکنش های هسته ای که در انرژی های بالا رخ می دهد. نمونه‌ای از این واکنش‌ها، آزمایش‌هایی در برخورددهنده‌ها است.

ساختار و فیزیک سیاهچاله ها

ساختار سیاهچاله به گفته شوارتزشیلد تنها شامل دو عنصر است که قبلاً ذکر شد: تکینگی و افق رویداد سیاهچاله. به طور خلاصه در مورد تکینگی می توان اشاره کرد که کشیدن یک خط مستقیم از طریق آن غیرممکن است و همچنین بیشتر موارد موجود در درون آن وجود ندارد. نظریه های فیزیکیکار نمی کند. بنابراین، فیزیک تکینگی امروزه برای دانشمندان یک راز باقی مانده است. سیاهچاله یک مرز مشخص است که یک جسم فیزیکی با عبور از آن فرصت 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 سیاهچاله، تا حدودی پیچیده تر می شود. راه حل کر فرض می کند که سوراخ دارای ارگوسفر است. ارگوسفر ناحیه خاصی است که در خارج از افق رویداد قرار دارد و 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 آنالوگ از یک قرص برافزایشی است که نشان دهنده ماده در حال چرخش به دور اجسام عظیم است. اگر سیاهچاله ایستا شوارتزشیلد به صورت یک کره سیاه نشان داده شود، سیاهچاله کری، به دلیل وجود ارگوسفر، به شکل یک بیضوی مایل است، که به شکل آن اغلب سیاهچاله ها را در نقاشی های قدیم می دیدیم. فیلم یا بازی های ویدیویی

  • وزن یک سیاهچاله چقدر است؟ - نظری ترین مطالب در مورد پیدایش سیاهچاله برای سناریوی ظهور آن در نتیجه فروپاشی یک ستاره در دسترس است. در این حالت، حداکثر جرم یک ستاره نوترونی و حداقل جرم یک سیاهچاله توسط حد Oppenheimer - Volkov تعیین می شود که بر اساس آن حد پایین جرم یک سیاهچاله 2.5 - 3 جرم خورشیدی است. سنگین ترین سیاهچاله کشف شده (در کهکشان NGC 4889) جرمی برابر با 21 میلیارد خورشید دارد. با این حال، نباید سیاهچاله‌هایی را که به طور فرضی در نتیجه واکنش‌های هسته‌ای در انرژی‌های بالا، مانند واکنش‌های برخوردکننده‌ها، به وجود می‌آیند، فراموش کنیم. جرم چنین سیاهچاله‌های کوانتومی، به عبارت دیگر «سیاهچاله‌های پلانک»، از مرتبه بزرگی، یعنی 2·10-5 گرم است.
  • اندازه سیاهچاله حداقل شعاع یک سیاهچاله را می توان از حداقل جرم (2.5 تا 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 یک سیاهچاله با جرم 3 خورشیدی حدود نه کیلومتر خواهد بود. درک چنین اندازه های نسبتاً کوچکی زمانی که در مورد اجسام عظیمی صحبت می کنیم که همه چیز را در اطراف خود جذب می کنند، سخت است. با این حال، برای سیاهچاله های کوانتومی شعاع 10-35 متر است.
  • چگالی متوسط ​​یک سیاهچاله به دو پارامتر بستگی دارد: جرم و شعاع. چگالی یک سیاهچاله با جرم حدود 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 سیاهچاله های کشف شده دارای جرمی بیشتر از جرم 105 خورشیدی هستند. الگوی جالبی وجود دارد که بر اساس آن هرچه جرم سیاهچاله بیشتر باشد، چگالی آن کمتر است. در این حالت، تغییر جرم با 11 مرتبه بزرگی مستلزم تغییر در چگالی به اندازه 22 مرتبه قدر است. بنابراین، یک سیاهچاله با جرم 1·109 جرم خورشیدی دارای چگالی 18.5 کیلوگرم بر متر مکعب است که یک چگالی کمتر از چگالی طلا است. و سیاهچاله هایی با جرم بیش از 10 10 جرم خورشیدی می توانند چگالی متوسط ​​کمتری از چگالی هوا داشته باشند. بر اساس این محاسبات، منطقی است که فرض کنیم تشکیل سیاهچاله به دلیل فشرده شدن ماده رخ نمی دهد، بلکه در نتیجه انباشته شدن مقدار زیادی ماده در حجم معینی اتفاق می افتد. در مورد سیاهچاله های کوانتومی، چگالی آنها می تواند حدود 1094 کیلوگرم بر متر مکعب باشد.
  • دمای یک سیاهچاله نیز به طور معکوس به جرم آن بستگی دارد. این دماارتباط مستقیم 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 سیاهچاله را می توان از طیف تابش هاوکینگ تعیین کرد. همانطور که در بالا ذکر شد، این تابش هر چه سیاهچاله کوچکتر باشد، قوی تر است. در عین حال، تابش هاوکینگ فرضی باقی می ماند، زیرا هنوز توسط ستاره شناسان مشاهده نشده است. از این نتیجه می‌شود که اگر تابش هاوکینگ وجود داشته باشد، دمای سیاه‌چاله‌های مشاهده‌شده به قدری پایین است که اجازه نمی‌دهد این تابش شناسایی شود. بر اساس محاسبات، حتی دمای یک حفره با جرمی برابر با جرم خورشید بسیار ناچیز است (1·10 -7 کلوین 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 سیاهچاله هایی می توانند انرژی حدود ده میلیون بمب اتمی را ساطع کنند. اما، خوشبختانه، برای ایجاد چنین اشیاء فرضی به انرژی 10 14 برابر بیشتر از آنچه امروز در برخورد دهنده بزرگ هادرون به دست می آید، نیاز است. علاوه بر این، چنین پدیده هایی هرگز توسط ستاره شناسان مشاهده نشده است.

سیاهچاله از چه چیزی تشکیل شده است؟


سوال دیگری هم دانشمندان و هم کسانی را که صرفاً به اخترفیزیک علاقه دارند نگران می کند - 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، زمانی که فراتر از آن همان اجرام کیهانی به‌طور برگشت‌ناپذیری به سوی آخرین جزء اصلی سیاه‌چاله - 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، یک سیاهچاله ممکن است از نوترون تشکیل شده باشد. اگر سناریوی وقوع سیاهچاله را در نتیجه فشردگی یک ستاره به یک ستاره نوترونی با فشردگی بعدی آن دنبال کنیم، احتمالاً قسمت اصلی سیاهچاله از نوترون هایی تشکیل شده است که خود ستاره نوترونی نیز از آن تشکیل شده است. تشکیل شده. به زبان ساده: هنگامی که یک ستاره فرو می ریزد، اتم های آن به گونه ای فشرده می شوند که الکترون ها با پروتون ها ترکیب می شوند و در نتیجه نوترون تشکیل می دهند. واکنش مشابهی در واقع در طبیعت رخ می دهد و با تشکیل نوترون، تابش نوترینو رخ می دهد. با این حال، اینها فقط فرضیات هستند.

اگر در سیاهچاله بیفتید چه اتفاقی می افتد؟

افتادن در یک سیاهچاله اخترفیزیکی باعث کشیدگی بدن می شود. یک فضانورد فرضی انتحاری را در نظر بگیرید که تنها با لباس فضایی، ابتدا پاها به داخل سیاهچاله می رود. با عبور از افق رویداد، فضانورد با وجود اینکه دیگر فرصتی برای بازگشت ندارد، متوجه هیچ تغییری نخواهد شد. 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 غیریکنواخت است و با شیب نیرویی که به سمت مرکز افزایش می‌یابد نشان داده می‌شود، پاهای فضانورد تحت تأثیر گرانشی به‌طور قابل توجهی بیشتر از مثلاً سر قرار می‌گیرند. سپس، به دلیل گرانش یا نیروهای جزر و مدی، پاها سریعتر "سقوط" می کنند. بنابراین، بدن به تدریج شروع به افزایش 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. فقط می توان حدس زد که در این شرایط چه احساسی در فرد خواهد داشت. شایان ذکر است که اثر کشش جسم با جرم سیاهچاله نسبت معکوس دارد. به این معنا که اگر سیاهچاله ای با جرم سه خورشید فوراً بدن را کشیده یا پاره کند، 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 بمب گذار انتحاری بسیار کندتر از زمینیان جریان دارد. در این صورت، شاید او نه تنها از دوستان خود، بلکه خود زمین نیز زنده بماند. برای تعیین اینکه چقدر زمان برای یک فضانورد کاهش می یابد، محاسبات مورد نیاز است، اما با توجه به موارد فوق می توان فرض کرد که فضانورد بسیار آهسته وارد سیاهچاله می شود و شاید به سادگی نمی تواند لحظه ای را ببیند که بدن شروع به تغییر شکل می کند.

قابل توجه است که برای یک ناظر از بیرون، تمام اجسامی که تا افق رویداد پرواز می کنند تا زمانی که تصویر آنها ناپدید شود، در لبه این افق باقی می مانند. دلیل این پدیده انتقال گرانشی به سرخ 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 زمان آن، فرکانس خود را تغییر می دهد. زیرا زمان در حال اجرا استآهسته تر، 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 رخ خواهد داد، زیرا فضانورد انتحاری بیشتر و بیشتر از ناظر دور می شود، هرچند تقریباً نامحسوس، و زمان او بیشتر و آهسته تر می گذرد. بنابراین، نور منعکس شده توسط بدن او به زودی از طیف مرئی فراتر می رود (تصویر ناپدید می شود) و در آینده بدن فضانورد را می توان فقط در ناحیه تابش مادون قرمز، بعداً در فرکانس رادیویی و در نتیجه تشعشع کاملاً گریزان خواهد بود.

علی‌رغم موارد فوق، فرض بر این است که در سیاه‌چاله‌های بسیار بزرگ، نیروهای جزر و مد با فاصله زیاد تغییر نمی‌کنند و تقریباً به طور یکنواخت روی جسم در حال سقوط عمل می‌کنند. در این صورت سقوط سفینه فضاییساختار 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 کرم چاله ها و سیاهچاله ها را به هم مرتبط کردند.

در سال 1935، آلبرت انیشتین و ناتان روزن فرضیه ای در مورد وجود به اصطلاح کرمچاله ها ارائه کردند که دو نقطه فضا-زمان را از طریق مکان های انحنای قابل توجه دومی - پل یا کرم چاله انیشتین-روزن به هم متصل می کنند. برای چنین انحنای قدرتمندی از فضا، اجسامی با جرم غول پیکر مورد نیاز است که نقش آنها را سیاهچاله ها کاملاً ایفا می کنند.

پل انیشتین روزن - کرم چاله ای صعب العبور در نظر گرفته می شود زیرا دارای آن است اندازه های کوچکو ناپایدار است.

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 فرضی باقی مانده و کشف نشده است. مدل دیگری از کرم چاله توسط دانشمندان آمریکایی کیپ تورن و دانشجوی فارغ التحصیلش مایک موریس پیشنهاد شد که قابل عبور است. با این حال، هم در مورد کرم چاله موریس-تورن و هم در مورد سیاهچاله ها، امکان سفر مستلزم وجود ماده به اصطلاح عجیب و غریب است که انرژی منفی دارد و همچنین فرضی باقی می ماند.

سیاهچاله ها در کیهان

وجود سیاهچاله ها نسبتاً اخیراً تأیید شد (سپتامبر 2015)، اما قبل از آن زمان، مطالب نظری زیادی در مورد ماهیت سیاهچاله ها و همچنین بسیاری از اجرام کاندید برای نقش سیاهچاله وجود داشت. اول از همه، شما باید اندازه سیاهچاله را در نظر بگیرید، زیرا ماهیت این پدیده به آنها بستگی دارد:

  • سیاهچاله جرم ستاره ای. چنین اجسامی 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. یک نوع میانی مشروط از سیاهچاله که به دلیل جذب اجرام نزدیک، مانند یک خوشه گاز، یک ستاره همسایه (در سیستم های دو ستاره) و دیگر اجرام کیهانی رشد کرده است.
  • سیاهچاله فوق العاده. اجرام فشرده با جرم 10 5 -10 10 خورشیدی. ویژگی های متمایز چنین سیاهچاله هایی چگالی متناقض کم آنها و همچنین نیروهای جزر و مدی ضعیف است که قبلاً ذکر شد. این دقیقا همان سیاهچاله ی عظیم در مرکز کهکشان راه شیری ما (Sagittarius A*, Sgr A*) و همچنین اکثر کهکشان های دیگر است.

کاندیداهای ChD

نزدیکترین سیاهچاله یا بهتر بگوییم کاندیدای نقش سیاهچاله، یک جرم (V616 Monoceros) 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 3-5 جرم خورشید است. اگر معلوم شود که این جرم یک سیاهچاله کوچک با جرم ستاره ای است، به درستی به نزدیک ترین سیاهچاله تبدیل می شود.

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

بر اساس برخی منابع، یکی دیگر از نزدیکترین نامزدها برای نقش سیاهچاله ممکن است جسمی در منظومه ستاره ای V4641 Sagittarii (V4641 Sgr) باشد که بر اساس برآوردهای سال 1999، در فاصله 1600 سال نوری قرار داشت. البته مطالعات بعدی این فاصله را حداقل 15 برابر افزایش داده است.

چند سیاهچاله در کهکشان ما وجود دارد؟

هیچ پاسخ دقیقی برای این سوال وجود ندارد، زیرا مشاهده آنها بسیار دشوار است و در کل دوره مطالعه آسمان، دانشمندان موفق به کشف حدود دوازده سیاهچاله در داخل شدند. راه شیری. بدون افراط در محاسبات، متوجه می‌شویم که حدود 100 تا 400 میلیارد ستاره در کهکشان ما 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 تشخیص سیاهچاله‌هایی با اندازه عظیم آسان‌تر است، منطقی است که فرض کنیم به احتمال زیاد اکثر سیاه‌چاله‌های کهکشان ما فوق‌جرم نیستند. شایان ذکر است که تحقیقات ناسا در سال 2005 حاکی از وجود یک دسته کامل از سیاهچاله ها (10-20 هزار) است که در اطراف مرکز کهکشان می چرخند. علاوه بر این، در سال 2016، اخترفیزیکدانان ژاپنی یک ماهواره عظیم را در نزدیکی جسم * کشف کردند - یک سیاهچاله، هسته راه شیری. با توجه به شعاع کوچک (0.15 سال نوری) این جسم و همچنین جرم عظیم آن (100000 جرم خورشید)، دانشمندان تصور می کنند که این جرم نیز یک سیاهچاله بسیار پرجرم است.

هسته کهکشان ما، سیاهچاله راه شیری (Sagittarius A*، Sgr A* یا Sagittarius A*) بسیار پرجرم است و دارای جرم 4.31 10 6 خورشیدی و شعاع 0.00071 سال نوری (6.25 ساعت نوری) است. یا 6.75 میلیارد کیلومتر). دمای Sagittarius A* به همراه 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 مشاهدات اولیه با استفاده از رصدخانه فضایی سوئیفت، جرم سیاهچاله 40 میلیارد (40·10 9) جرم خورشید بود و شعاع شوارتزشیلد چنین چاله ای 118.35 میلیارد کیلومتر (0.013 سال نوری) بود. علاوه بر این، طبق محاسبات، 12.1 میلیارد سال پیش (1.6 میلیارد سال پس از انفجار بزرگ) به وجود آمد. اگر این سیاهچاله غول پیکر مواد اطراف خود را جذب نکند، تا عصر سیاهچاله ها زندگی می کند - یکی از دوران توسعه کیهان، که طی آن سیاهچاله ها در آن تسلط خواهند داشت. اگر هسته کهکشان S5 0014+81 به رشد خود ادامه دهد، به یکی از آخرین سیاهچاله هایی تبدیل 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 وجود آنها را به طور تجربی تأیید کردند و همچنین نتایج مهمی برای مطالعه گرانش ارائه کردند. ما در مورد رویداد GW150914 صحبت می کنیم که برخورد دو سیاهچاله به یک سیاهچاله است. این رویداد امکان ثبت نام را فراهم کرد.

تشخیص سیاهچاله ها

قبل از بررسی روش های تشخیص سیاهچاله ها، باید به این سوال پاسخ دهیم که چرا سیاهچاله سیاه است؟ - پاسخ به این نیاز به دانش عمیق اخترفیزیک و کیهان شناسی ندارد. واقعیت این است که یک سیاهچاله تمام تشعشعات تابیده شده بر روی خود را جذب می کند و به هیچ وجه از خود ساطع نمی کند، البته اگر تابش فرضی را در نظر نگیرید. 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 شود در داخل سیاهچاله ها اتفاق نمی افتد. سپس، اگر سیاهچاله ای ساطع کند، این کار را در طیف هاوکینگ انجام می دهد (که منطبق با طیف یک جسم گرم شده و کاملا سیاه است). با این حال، همانطور که قبلا ذکر شد، این تابش شناسایی نشد، که نشان می دهد دمای سیاهچاله ها کاملاً پایین 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 هنوز هم فوتون های نور را از طریق اعوجاج 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 از آن نخواهد بود. یعنی، به طور کلی، نور شروع به "افتادن" به "حفره" می کند که حتی "پایین" ندارد.

علاوه بر این، اگر تأثیر انتقال 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 امواج بلند فرکانس پایین منتقل شود تا زمانی که به طور کلی انرژی خود را از دست بدهد.

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

روش های تشخیص

بیایید به روش هایی که اخترشناسان برای تشخیص سیاهچاله استفاده می کنند نگاه کنیم:


علاوه بر روش های ذکر شده در بالا، دانشمندان اغلب اجسامی مانند سیاهچاله ها و. کوازارها خوشه های خاصی از اجسام و گازهای کیهانی هستند که از درخشان ترین اجرام نجومی در جهان هستند. از آنجایی که آنها در اندازه های نسبتا کوچک دارای شدت درخشندگی بالایی هستند، دلیلی وجود دارد که فرض کنیم مرکز این اجرام یک سیاهچاله بسیار پرجرم است که ماده اطراف را به خود جذب می کند. به دلیل چنین جاذبه گرانشی قدرتمندی، ماده جذب شده چنان گرم می شود که به شدت تابش می کند. کشف چنین اجسامی معمولاً با کشف یک سیاهچاله مقایسه می شود. گاهی اوقات اختروش ها می توانند جت های پلاسمای گرم شده را در دو جهت ساطع کنند - جت های نسبیتی. دلایل ظهور چنین جت هایی کاملاً مشخص نیست، اما احتمالاً ناشی از برهم کنش میدان های مغناطیسی سیاهچاله و قرص برافزایش هستند و توسط سیاهچاله مستقیم ساطع نمی شوند.

جت در کهکشان M87 که از مرکز سیاهچاله عکسبرداری می کند

برای خلاصه کردن موارد فوق، می توان از نزدیک تصور کرد: این یک جسم سیاه کروی است که ماده بسیار داغ به دور آن می چرخد ​​و یک صفحه برافزایش نورانی را تشکیل می دهد.

ادغام و برخورد سیاهچاله ها

یکی از جالب ترین پدیده های اخترفیزیک، برخورد سیاهچاله هاست که امکان تشخیص چنین اجرام نجومی عظیمی را نیز ممکن می سازد. چنین فرآیندهایی نه تنها مورد توجه اخترفیزیکدانان هستند، زیرا منجر به پدیده هایی می شوند که توسط فیزیکدانان مطالعه ضعیفی دارند. واضح ترین مثالرویدادی است که قبلاً ذکر شد به نام GW150914، زمانی که دو سیاه‌چاله آنقدر به هم نزدیک شدند که در نتیجه جاذبه گرانشی متقابلشان، در یکی ادغام شدند. یک پیامد مهماین برخورد باعث ایجاد امواج گرانشی شد.

طبق تعریف، امواج گرانشی تغییراتی در میدان گرانشی هستند که به صورت موج مانند از اجسام متحرک عظیم منتشر می شوند. هنگامی که دو جسم از این قبیل نزدیکتر می شوند، شروع به چرخش در اطراف یک مرکز ثقل مشترک می کنند. با نزدیکتر شدن، چرخش آنها حول محور خود افزایش می یابد. چنین نوسانات متناوب میدان گرانشی در لحظه ای می تواند یک موج گرانشی قدرتمند را تشکیل دهد که می تواند میلیون ها سال نوری در فضا پخش شود. بنابراین، در فاصله 1.3 میلیارد سال نوری، دو سیاهچاله با هم برخورد کردند و یک موج گرانشی قدرتمند ایجاد کردند 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 آن خارج شود. مشخص است که امکان گسیل ذرات از یک سیاهچاله برای اولین بار توسط فیزیکدان نظری شوروی ولادیمیر گریبوف در بحث خود با دانشمند دیگر شوروی یاکوف زلدوویچ ذکر شد. او از این منظر استدلال کرد مکانیک کوانتومییک سیاهچاله می تواند ذرات را از طریق اثر تونل زنی ساطع کند. بعدها، استیون هاوکینگ، فیزیکدان نظری انگلیسی، با استفاده از مکانیک کوانتومی، نظریه خود را ساخت که کمی متفاوت بود. 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 یکدیگر را نابود می کنند، بدون اینکه با دنیای خارج تعامل داشته باشند. اما اگر چنین جفت هایی در افق رویداد سیاهچاله ظاهر شوند، گرانش قوی به طور فرضی قادر است آنها را از هم جدا کند، به طوری که یک ذره در سیاهچاله می افتد و دیگری از سیاهچاله دور می شود. و از آنجایی که می توان ذره ای را که از یک سوراخ دور می شود مشاهده کرد و بنابراین دارای انرژی مثبت است، پس ذره ای که در یک سوراخ می افتد باید انرژی منفی داشته باشد. بنابراین سیاهچاله انرژی خود را از دست می دهد و اثری رخ می دهد که به آن تبخیر سیاهچاله می گویند.

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 سیاهچاله، زمانی که ممکن است به اندازه یک سیاهچاله کوانتومی کوچک شود، مقدار زیادی انرژی به شکل تابش آزاد می کند که می تواند معادل هزاران یا حتی میلیون ها اتم باشد. بمب ها این رویداد تا حدودی یادآور انفجار یک سیاهچاله مانند همان بمب است. طبق محاسبات، سیاهچاله های اولیه می توانستند در نتیجه انفجار بزرگ متولد شوند و سیاهچاله هایی از آنها با جرم حدود 10 12 کیلوگرم در زمان ما تبخیر و منفجر شده بودند. 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 جسم خاصی را جذب کند و سپس جرم حاصل از جذب این جسم را از دست بدهد، بدون در نظر گرفتن 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 حاصل ("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 هرگز پیدا نشده است. راه حل های شناخته شده برای پارادوکس:

  • بی اعتباری 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.
  • ورشکستگی نظریه عمومی پذیرفته شدهمکانیک کوانتومی.

مشکل حل نشده فیزیک سیاهچاله

با قضاوت بر اساس هر آنچه قبلاً توضیح داده شد، سیاهچاله ها، اگرچه برای مدت نسبتا طولانی مورد مطالعه قرار گرفته اند، هنوز دارای ویژگی های بسیاری هستند که مکانیسم های آنها هنوز برای دانشمندان ناشناخته است.

  • در سال 1970، یک دانشمند انگلیسی به اصطلاح فرموله کرد. "اصل سانسور کیهانی" - "طبیعت از تکینگی برهنه متنفر است." این بدان معنی است که تکینگی ها فقط در مکان های پنهان مانند مرکز یک سیاهچاله شکل می گیرند. با این حال، این اصل هنوز ثابت نشده است. همچنین محاسبات نظری وجود دارد که بر اساس آن یک تکینگی "برهنه" می تواند ایجاد شود.
  • «قضیه بدون مو» که بر اساس آن سیاهچاله ها فقط سه پارامتر دارند، نیز ثابت نشده است.
  • نظریه کاملی درباره مگنتوسفر سیاهچاله ایجاد نشده است.
  • ماهیت و فیزیک تکینگی گرانشی مورد مطالعه قرار نگرفته است.
  • 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، می توانیم چندین ویژگی جالب و غیرعادی ماهیت سیاهچاله ها را برجسته کنیم:

  • 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 بیان می کند «قضیه بدون مو» نامیده می شود. همچنین عبارت "سیاهچاله بدون مو" از اینجا آمده است، به این معنی که دو سیاهچاله کاملاً یکسان هستند، سه پارامتر ذکر شده آنها یکسان است.
  • چگالی سیاهچاله می تواند کمتر از چگالی هوا باشد و دمای آن نزدیک به صفر مطلق است. از این رو می توان فرض کرد که تشکیل سیاهچاله به دلیل فشردگی ماده رخ نمی دهد، بلکه در نتیجه انباشته شدن مقدار زیادی ماده در حجم معینی اتفاق می افتد.
  • زمان برای اجسامی که توسط یک سیاهچاله جذب می شوند بسیار کندتر از یک ناظر خارجی می گذرد. علاوه بر این، اجسام جذب شده به میزان قابل توجهی در داخل سیاهچاله کشیده می شوند که دانشمندان آن را اسپاگت کردن می نامند.
  • 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 عصر سیاهچاله ها می رسد، زمانی که سیاهچاله ها به اجسام غالب در جهان تبدیل می شوند.

سیاهچاله ها شاید مرموزترین و مرموزترین اجرام نجومی در جهان ما باشند؛ از زمان کشف آنها توجه دانشمندان را به خود جلب کرده و تخیل نویسندگان علمی تخیلی را برانگیخته اند. سیاهچاله ها چیست و چه چیزی را نشان می دهند؟ سیاهچاله ها به دلیل وجود ستاره های منقرض شده هستند ویژگی های فیزیکی، 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 یک D. Michel (کشیش انگلیسی از یورکشایر، که در اوقات فراغت خود به نجوم علاقه مند است) در سال 1783 پیشنهاد شد. طبق محاسبات او، اگر مال خود را بگیریم و آن را به شعاع 3 کیلومتر فشرده کنیم (به زبان کامپیوتری مدرن، بایگانی کنید)، چنان نیروی گرانشی بزرگی (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 رخ می دهد.

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

به هر حال، دی. میشل، آلبرت انیشتین 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 اولین بار در تلسکوپ مشاهده شد.

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) مقدار کمی سوخت دارند. و اگرچه عمر یک ستاره می تواند میلیاردها سال نوری طول بکشد، دیر یا زود این عرضه مشروط سوخت به پایان می رسد و ستاره "خاموش می شود". فرآیند "محو شدن" یک ستاره با واکنش های شدید 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 اندازه های فوق العاده چشمگیر، معمولاً به یک سیاهچاله تبدیل می شوند - به دلیل فشرده سازی این اندازه های باورنکردنی، افزایش چند برابری در جرم و نیروی گرانشی سیاهچاله تازه تشکیل شده وجود دارد که به یک سیاهچاله تبدیل می شود. نوعی جاروبرقی کهکشانی - همه چیز و همه افراد اطراف خود را جذب می کند.

سیاهچاله یک ستاره را می بلعد.

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

اما بیایید با شما صادق باشیم - امروزه دانشمندان هنوز تمام پیچیدگی های تشکیل یک سیاهچاله را نمی دانند؛ بدون شک، این یک فرآیند اخترفیزیکی بسیار پیچیده است که به خودی خود می تواند میلیون ها سال نوری طول بکشد. اگرچه امکان پیشروی در این مسیر وجود دارد، می‌توان به کشف و مطالعه بعدی سیاه‌چاله‌های به اصطلاح میانی، یعنی ستارگان در حال انقراض، که فرآیند فعال تشکیل سیاه‌چاله در آن‌ها در حال انجام است، اشاره کرد. به هر حال، ستاره مشابهی توسط ستاره شناسان در سال 2014 در بازوی یک کهکشان مارپیچی کشف شد.

چند سیاهچاله در کیهان وجود دارد؟

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

نظریه سیاهچاله

علیرغم جرم عظیم (که صدها هزار بار بیشتر از جرم خورشید ماست) و قدرت باورنکردنی گرانش، دیدن سیاهچاله ها از طریق تلسکوپ آسان نبود، زیرا آنها اصلا نور ساطع نمی کنند. دانشمندان فقط در لحظه "غذا" سیاهچاله را متوجه شدند - جذب ستاره دیگری، در این لحظه تابش مشخصه 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 سیاهچاله چندین برابر کندتر از حد معمول می گذرد، و اگر آنجا بودید، پس از بازگشت (البته اگر اینقدر خوش شانس بودید)، از اینکه قرن ها گذشته است متعجب می شدید. روی زمین، و شما حتی پیر نشده اید، به موقع آن را ساخته اید. اگر چه بیایید صادق باشیم، اگر شما در داخل سیاهچاله بودید، به سختی زنده می ماندید، زیرا نیروی گرانش در آنجا به حدی است که هر جسم مادی به سادگی از هم جدا می شد، حتی تکه تکه نمی شد و به اتم تبدیل می شد.

اما اگر حتی به یک سیاه‌چاله نزدیک بودید، تحت تأثیر میدان گرانشی آن، کار سختی هم خواهید داشت، زیرا هرچه بیشتر در برابر جاذبه آن مقاومت کنید و سعی کنید دور شوید، سریع‌تر در آن می‌افتید. دلیل این به ظاهر پارادوکس میدان گرداب گرانشی است که همه سیاهچاله ها دارند.

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 که تبخیر 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 نظریه سیاهچاله، تقریباً در مرکز همه کهکشان ها سیاهچاله های عظیمی با جرم های چند میلیون تا چند میلیارد خورشیدی وجود دارد. و نسبتاً اخیراً، دانشمندان دو بزرگ‌ترین سیاه‌چاله‌های شناخته‌شده تا به امروز را کشف کردند؛ آنها در دو کهکشان مجاور واقع شده‌اند: NGC 3842 و NGC 4849.

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

NGC 4849، کهکشانی در خوشه کما، در فاصله 335 میلیون سال نوری از ما، سیاهچاله ای به همان اندازه چشمگیر دارد.

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

کوچکترین سیاهچاله

اما در خانواده بزرگ سیاهچاله ها نمایندگان بسیار کوچکی نیز وجود دارد. بنابراین، کوتوله ترین سیاهچاله ای که دانشمندان تا به امروز کشف کرده اند، تنها 3 برابر جرم خورشید ماست. در واقع، این حداقل تئوری مورد نیاز برای تشکیل یک سیاهچاله است؛ اگر آن ستاره کمی کوچکتر بود، چاله شکل نمی گرفت.

سیاهچاله ها آدمخوار هستند

بله، چنین پدیده‌ای وجود دارد، همانطور که در بالا نوشتیم، سیاه‌چاله‌ها نوعی «جاروبرقی کهکشانی» هستند که همه چیز اطراف خود را جذب می‌کنند، از جمله... دیگر سیاه‌چاله‌ها. اخیراً ستاره شناسان کشف کردند که سیاهچاله ای از یک کهکشان توسط یک شکم سیاه حتی بزرگتر از کهکشان دیگر خورده شده است.

  • بر اساس فرضیه‌های برخی دانشمندان، سیاه‌چاله‌ها نه تنها جاروبرقی‌های کهکشانی هستند که همه چیز را به درون خود می‌مکند، بلکه در شرایط خاصی می‌توانند جهان‌های جدیدی را به وجود آورند.
  • 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 بسیار طولانی، زمانی که چیزی برای جذب در اطراف باقی نماند، سیاهچاله شروع به تبخیر بیشتر خواهد کرد، تا زمانی که به مرور زمان تمام جرم خود را به فضای اطراف برساند. اگرچه این تنها یک فرضیه، یک فرضیه است.
  • سیاهچاله ها زمان را کاهش می دهند و فضا را خم می کنند. قبلاً در مورد اتساع زمان نوشته‌ایم، اما فضا در شرایط سیاه‌چاله نیز 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 مشخص است ستاره های جدیدی از آنها متولد می شوند.

سیاهچاله ها در کانال دیسکاوری، ویدئو

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

24 ژانویه 2013

از میان تمام اجرام فرضی در کیهان که توسط تئوری های علمی پیش بینی شده اند، سیاهچاله ها وهم انگیزترین تصور را ایجاد می کنند. و اگرچه پیشنهاداتی در مورد وجود آنها تقریباً یک قرن و نیم قبل از انتشار نظریه نسبیت عام توسط اینشتین آغاز شد، شواهد قانع کننده ای از واقعیت وجود آنها به تازگی به دست آمده است.

بیایید با این شروع کنیم که نسبیت عام چگونه به مسئله ماهیت گرانش می پردازد. قانون گرانش جهانی نیوتن بیان می کند که نیروی جاذبه متقابل بین هر دو جرم عظیم در جهان عمل می کند. به دلیل این جاذبه گرانشی، زمین به دور خورشید می چرخد. نسبیت عام ما را مجبور می کند که به منظومه خورشید و زمین به گونه ای متفاوت نگاه کنیم. بر اساس این نظریه، در حضور جرم آسمانی عظیمی مانند خورشید، به نظر می رسد فضا-زمان زیر وزن آن فرو می ریزد و یکنواختی بافت آن مختل می شود. یک ترامپولین الاستیک با یک توپ سنگین (مانند توپ بولینگ) روی آن تصور کنید. پارچه کشیده زیر وزن خود خم می شود و در اطراف آن خلاء ایجاد می کند. به همین ترتیب، خورشید فضا-زمان را به اطراف خود می راند.



طبق این تصویر، زمین به سادگی به دور قیف حاصل می‌چرخد (با این تفاوت که توپ کوچکی که روی یک ترامپولین به دور یک توپ سنگین می‌غلتد، به ناچار سرعت خود را از دست می‌دهد و به قیف بزرگ نزدیک‌تر می‌شود). و آنچه که ما معمولاً به عنوان نیروی گرانش در زندگی روزمره خود درک می کنیم نیز چیزی نیست جز تغییر در هندسه فضا-زمان، و نه نیرویی در درک نیوتنی. امروزه توضیح موفق تری از ماهیت گرانش نسبت به نظریه نسبیت عام ارائه نشده است.

حال تصور کنید اگر در چارچوب تصویر پیشنهادی، جرم یک توپ سنگین را بدون افزایش ابعاد فیزیکی آن افزایش و افزایش دهیم، چه اتفاقی خواهد افتاد؟ از آنجایی که قیف کاملاً الاستیک است، تا زمانی که لبه های بالایی آن در جایی بالاتر از توپ کاملاً سنگین همگرا شوند، عمیق تر می شود و پس از مشاهده از سطح، به سادگی وجود خود را از دست می دهد. در کیهان واقعی، با انباشته شدن جرم و چگالی کافی ماده، جسمی به دام فضا-زمان دور خود می کوبد، تار و پود فضا-زمان بسته می شود و ارتباطش با بقیه جهان از دست می رود و برای آن نامرئی می شود. اینگونه است که یک سیاهچاله ظاهر می شود.

شوارتزشیلد و معاصرانش معتقد بودند که چنین اجرام فضایی عجیبی در طبیعت وجود ندارند. خود اینشتین نه تنها به این دیدگاه پایبند بود، بلکه به اشتباه معتقد بود که در اثبات ریاضی نظر خود موفق بوده است.

در دهه 1930، چاندراسخار اخترفیزیکدان جوان هندی ثابت کرد که سوخت هسته ایستاره پوسته خود را می ریزد و به آرامی به سرد شدن تبدیل می شود کوتوله سفیدفقط در صورتی که جرم آن کمتر از 1.4 جرم خورشید باشد. به زودی فریتز زویکی آمریکایی متوجه شد که انفجارهای ابرنواختر اجسام بسیار متراکمی از ماده نوترونی تولید می کنند. بعداً لو لاندو نیز به همین نتیجه رسید. پس از کار چاندراسخار، بدیهی بود که تنها ستارگانی با جرم بیشتر از 1.4 جرم خورشیدی می توانند چنین تکاملی را تجربه کنند. بنابراین یک سوال طبیعی مطرح شد: آیا حد بالایی برای جرم ابرنواخترهایی که ستاره های نوترونی پشت سر می گذارند وجود دارد؟

در پایان دهه 30، پدر آینده بمب اتمی آمریکا، رابرت اوپنهایمر، ثابت کرد که چنین محدودیتی در واقع وجود دارد و از چندین جرم خورشیدی تجاوز نمی کند. در آن زمان ارزیابی دقیق تری امکان پذیر نبود. اکنون مشخص شده است که جرم ستارگان نوترونی باید در محدوده 1.5-3 Ms باشد. اما حتی از محاسبات تقریبی اوپنهایمر و دانشجوی فارغ التحصیلش جورج ولکو، این نتیجه حاصل شد که بزرگ‌ترین فرزندان ابرنواخترها به ستاره‌های نوترونی تبدیل نمی‌شوند، بلکه به حالت دیگری تبدیل می‌شوند. در سال 1939، اوپنهایمر و هارتلند اسنایدر از یک مدل ایده آل استفاده کردند تا ثابت کنند که یک ستاره عظیم در حال فروپاشی به شعاع گرانشی خود منقبض شده است. از فرمول های آنها در واقع نتیجه می شود که ستاره در اینجا متوقف نمی شود، اما نویسندگان همکار از چنین نتیجه گیری رادیکالی خودداری کردند.


09.07.1911 - 13.04.2008

پاسخ نهایی در نیمه دوم قرن بیستم با تلاش کل کهکشان فیزیکدانان نظری درخشان، از جمله شوروی، پیدا شد. معلوم شد که چنین فروپاشی همیشه ستاره را "تمام راه" فشرده می کند و ماده آن را کاملاً از بین می برد. در نتیجه، یک تکینگی پدید می آید، یک "ابر متمرکز" میدان گرانشی، که در حجمی بینهایت کوچک بسته شده است. برای یک سوراخ ثابت این یک نقطه است، برای یک سوراخ در حال چرخش یک حلقه است. انحنای فضا-زمان و بنابراین نیروی گرانش نزدیک تکینگی به سمت بی نهایت میل می کند. در پایان سال 1967، جان آرچیبالد ویلر، فیزیکدان آمریکایی، اولین کسی بود که چنین فروپاشی نهایی ستاره ای را سیاهچاله نامید. اصطلاح جدید مورد علاقه فیزیکدانان و روزنامه نگاران قرار گرفت و آنها آن را در سراسر جهان گسترش دادند (اگرچه فرانسوی ها در ابتدا آن را دوست نداشتند، زیرا عبارت trou noir تداعی های مشکوک را پیشنهاد می کرد).

مهمترین خاصیت سیاهچاله این است که هرچه در آن بیفتد دیگر برنمی گردد. این حتی در مورد نور نیز صدق می‌کند، به همین دلیل است که سیاهچاله‌ها نام خود را گرفته‌اند: جسمی که تمام نوری را که به آن می‌تابد جذب می‌کند و از خود ساطع نمی‌کند، کاملاً سیاه به نظر می‌رسد. بر اساس نسبیت عام، اگر جسمی در فاصله بحرانی به مرکز سیاهچاله نزدیک شود - این فاصله شعاع شوارتزشیلد نامیده می شود - هرگز نمی تواند برگردد. (اخترشناس آلمانی کارل شوارتزشیلد، 1873-1916) در سال های گذشتهاو با استفاده از معادلات نظریه نسبیت عام انیشتین، میدان گرانشی را حول جرمی با حجم صفر محاسبه کرد.) برای جرم خورشید، شعاع شوارتزشیلد 3 کیلومتر است، یعنی خورشید ما را به یک سیاه تبدیل می کند. سوراخ، شما باید کل جرم آن را به اندازه یک شهر کوچک متراکم کنید!


در داخل شعاع شوارتزشیلد، این نظریه حتی پدیده‌های عجیب‌تری را پیش‌بینی می‌کند: تمام مواد موجود در سیاه‌چاله در یک نقطه بینهایت کوچک با چگالی بی‌نهایت در مرکز آن جمع می‌شوند - ریاضیدانان چنین جسمی را آشفتگی منفرد می‌نامند. در چگالی نامحدود، هر جرم محدودی از ماده، از نظر ریاضی، حجم فضایی صفر را اشغال می کند. طبیعتاً نمی‌توانیم به‌طور تجربی تأیید کنیم که آیا این پدیده واقعاً در داخل یک سیاه‌چاله رخ می‌دهد، زیرا هر چیزی که در داخل شعاع شوارتزشیلد قرار می‌گیرد به عقب باز نمی‌گردد.

بنابراین، بدون اینکه بتوانیم به یک سیاهچاله به معنای سنتی کلمه «نگاه» «نگاه کنیم»، با وجود این، می‌توانیم حضور آن را با نشانه‌های غیرمستقیم تأثیر میدان گرانشی فوق‌قدرتمند و کاملاً غیرمعمول آن بر روی ماده اطراف تشخیص دهیم. آی تی.

سیاهچاله های کلان پرجرم

در مرکز کهکشان راه شیری ما و دیگر کهکشان‌ها سیاهچاله‌ای بسیار عظیم قرار دارد که میلیون‌ها بار سنگین‌تر از خورشید است. این سیاه‌چاله‌های کلان پرجرم (همانطور که نامشان گفته شد) از مشاهدات مربوط به ماهیت حرکت گاز بین ستاره‌ای در نزدیکی مراکز کهکشان‌ها کشف شدند. گازها، با قضاوت بر اساس مشاهدات، در فاصله ای نزدیک از جسم پرجرم می چرخند، و محاسبات ساده با استفاده از قوانین مکانیک نیوتن نشان می دهد که جسم جذب کننده آنها، با قطری ناچیز، دارای جرم هیولایی است. فقط یک سیاهچاله می تواند گاز بین ستاره ای را در مرکز یک کهکشان به این شکل بچرخاند. در واقع، اخترفیزیکدانان تاکنون ده‌ها سیاهچاله از این قبیل را در مرکز کهکشان‌های همسایه ما پیدا کرده‌اند، و به شدت مشکوک هستند که مرکز هر کهکشانی یک سیاه‌چاله است.


سیاهچاله هایی با جرم ستاره ای

با توجه به درک فعلی ما از تکامل ستاره، وقتی ستاره ای با جرم بیش از 30 جرم خورشیدی در انفجار ابرنواختری می میرد، پوسته بیرونی آن پراکنده می شود و لایه های داخلی به سرعت به سمت مرکز فرو می ریزند و سیاهچاله ای را در محل ستاره تشکیل می دهند. ستاره ای که ذخایر سوخت خود را مصرف کرده است. کشف سیاهچاله ای با این منشا که در فضای بین ستاره ای جدا شده است تقریباً غیرممکن است، زیرا در خلاء کمیاب قرار دارد و به هیچ وجه از نظر فعل و انفعالات گرانشی خود را نشان نمی دهد. با این حال، اگر چنین حفره‌ای بخشی از یک سیستم ستاره‌ای دوتایی بود (دو ستاره داغ که به دور مرکز جرم خود می‌چرخند)، سیاه‌چاله همچنان تأثیر گرانشی روی جفت ستاره‌اش اعمال می‌کرد. ستاره شناسان امروزه بیش از ده ها نامزد برای نقش منظومه های ستاره ای از این نوع دارند، اگرچه شواهد دقیقی برای هیچ یک از آنها به دست نیامده است.

در یک سیستم دوتایی با یک سیاهچاله در ترکیب آن، ماده ستاره "زنده" به ناچار در جهت سیاهچاله جریان می یابد. و ماده مکیده شده توسط سیاهچاله هنگام سقوط به داخل سیاهچاله به صورت مارپیچی می چرخد ​​و هنگام عبور از شعاع شوارتزشیلد ناپدید می شود. با این حال، هنگام نزدیک شدن به مرز کشنده، ماده مکیده شده به داخل قیف سیاهچاله به دلیل افزایش فرکانس برخورد بین ذرات جذب شده توسط چاله، ناگزیر متراکم تر و گرم می شود، تا زمانی که به انرژی انتشار امواج در حفره گرم شود. محدوده اشعه ایکس طیف تابش الکترومغناطیسی. ستاره شناسان می توانند تناوب تغییرات در شدت تابش پرتو ایکس از این نوع را اندازه گیری کنند و با مقایسه آن با سایر داده های موجود، جرم تقریبی جسمی را که ماده را به سمت خود "کشش" می کند، محاسبه کنند. اگر جرم یک جسم از حد چاندراسخار (1.4 جرم خورشیدی) تجاوز کند، این جرم نمی تواند یک کوتوله سفید باشد که قرار است ستاره ما در آن منحط شود. در بیشتر مشاهدات شناسایی شده از چنین ستارگان دوتایی پرتو ایکس، این جرم عظیم یک ستاره نوترونی است. با این حال، تاکنون بیش از دوازده مورد وجود داشته است که تنها توضیح معقول وجود یک سیاهچاله در یک منظومه ستاره ای دوتایی است.

همه انواع دیگر سیاهچاله ها بسیار بیشتر حدس و گمان هستند و صرفا بر اساس تحقیقات نظری هستند - تایید تجربیوجود آنها اصلا وجود ندارد. اول، این سیاهچاله های کوچک با جرم قابل مقایسه با جرم یک کوه و فشرده به شعاع یک پروتون هستند. ایده منشأ آنها در مرحله اولیه شکل گیری جهان بلافاصله پس از انفجار بزرگ توسط کیهان شناس انگلیسی استیون هاوکینگ بیان شد (به اصل پنهان برگشت ناپذیری زمان مراجعه کنید). هاوکینگ پیشنهاد کرد که انفجارهای کوچک می تواند پدیده مرموز انفجار پرتو گاما را در کیهان توضیح دهد. ثانیاً برخی از نظریات ذرات بنیادی وجود یک غربال واقعی از سیاهچاله‌ها را در کیهان - در سطح خرد - پیش‌بینی می‌کنند که نوعی کف از زباله‌های کیهان هستند. قطر چنین ریز سوراخ هایی ظاهراً حدود 10-33 سانتی متر است - آنها میلیاردها بار کوچکتر از یک پروتون هستند. در حال حاضر، ما هیچ امیدی به تأیید تجربی حتی واقعیت وجود چنین ذرات سیاه چاله ای نداریم، نه اینکه به نوعی خواص آنها را بررسی کنیم.


و اگر ناظر ناگهان خود را در آن سوی شعاع گرانشی بیابد که در غیر این صورت افق رویداد نامیده می شود، چه اتفاقی برای ناظر خواهد افتاد. اینجاست که شگفت انگیزترین ویژگی سیاهچاله ها شروع می شود. بیخود نیست که وقتی در مورد سیاهچاله ها صحبت می کنیم، همیشه زمان یا به طور دقیق تر فضا-زمان را ذکر می کنیم. طبق نظریه نسبیت انیشتین، هرچه جسم سریعتر حرکت کند، جرم آن بیشتر می شود، اما زمان کندتر شروع می شود! در سرعت های پایین در شرایط عادی این اثر قابل توجه نیست، اما اگر جسمی (سفینه فضایی) با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کند، جرم آن افزایش می یابد و زمان کند می شود! وقتی سرعت جسم برابر با سرعت نور باشد جرم به سمت بی نهایت می رود و زمان می ایستد! فرمول های دقیق ریاضی در این مورد صحبت می کنند. بیایید به سیاهچاله برگردیم. بیایید یک موقعیت خارق العاده را تصور کنیم که یک سفینه فضایی با فضانوردان به شعاع گرانشی یا افق رویداد نزدیک شود. واضح است که افق رویداد به این دلیل نامگذاری شده است که ما می توانیم هر رویدادی را مشاهده کنیم (کلاً هر چیزی را مشاهده کنیم) فقط تا این مرز. که ما قادر به رصد آن سوی این مرز نیستیم. با این حال، با قرار گرفتن در یک کشتی در حال نزدیک شدن به یک سیاهچاله، فضانوردان همان احساس قبلی را خواهند داشت، زیرا ... به گفته ساعت آنها، زمان "به طور معمول" اجرا می شود. فضاپیما با آرامش از افق رویداد عبور کرده و به پیش خواهد رفت. اما از آنجایی که سرعت آن نزدیک به سرعت نور خواهد بود، فضاپیما به معنای واقعی کلمه در یک لحظه به مرکز سیاهچاله خواهد رسید.

و برای یک ناظر خارجی، فضاپیما به سادگی در افق رویداد متوقف می شود و تقریبا برای همیشه در آنجا باقی می ماند! این پارادوکس گرانش عظیم سیاهچاله هاست. سوال طبیعی این است که آیا فضانوردانی که طبق ساعت یک ناظر خارجی به سمت بی نهایت می روند زنده خواهند ماند؟ خیر و نکته اصلاً در گرانش عظیم نیست، بلکه در نیروهای جزر و مدی است که برای چنین جسم کوچک و عظیمی در فواصل کوتاه بسیار تغییر می کند. با قد یک فضانورد 1 متر و 70 سانتی متر، نیروی جزر و مد در سر او بسیار کمتر از پاهایش خواهد بود و او به سادگی در افق رویداد از هم جدا می شود. پس ما وارد هستیم طرح کلیمتوجه شدیم که سیاهچاله ها چیست، اما تا اینجا ما در مورد سیاهچاله هایی با جرم ستاره ای صحبت می کردیم. در حال حاضر، اخترشناسان سیاهچاله های کلان پرجرم را کشف کرده اند که جرم آنها ممکن است یک میلیارد خورشید باشد! سیاهچاله های پرجرم هیچ تفاوتی با همتایان کوچکتر خود ندارند. آنها فقط بسیار پرجرم تر هستند و به عنوان یک قاعده در مراکز کهکشان ها - جزایر ستاره ای جهان قرار دارند. در مرکز کهکشان ما (کهکشان راه شیری) یک سیاهچاله بسیار پرجرم نیز وجود دارد. جرم عظیم چنین سیاهچاله هایی امکان جستجوی آنها را نه تنها در کهکشان ما، بلکه در مراکز کهکشان های دوردست که در فاصله میلیون ها و میلیاردها سال نوری از زمین و خورشید قرار دارند، می دهد. دانشمندان اروپایی و آمریکایی جستجوی جهانی برای سیاهچاله های کلان جرمی انجام دادند که طبق محاسبات نظری مدرن باید در مرکز هر کهکشانی قرار داشته باشند.

فناوری‌های مدرن تشخیص حضور این فروپاش‌ها را در کهکشان‌های همسایه ممکن می‌سازد، اما تعداد بسیار کمی از آنها کشف شده‌اند. این بدان معنی است که یا سیاهچاله ها به سادگی در ابرهای متراکم گاز و غبار در بخش مرکزی کهکشان ها پنهان شده اند یا در گوشه های دورتر کیهان قرار دارند. بنابراین، سیاه‌چاله‌ها را می‌توان با تشعشعات پرتو ایکس ساطع شده در طول تجمع ماده روی آن‌ها شناسایی کرد و برای سرشماری چنین منابعی، ماهواره‌هایی با تلسکوپ‌های پرتو ایکس روی آن به فضای کیهانی نزدیک زمین پرتاب شدند. رصدخانه های فضایی چاندرا و روسی هنگام جستجوی منابع پرتو ایکس متوجه شدند که آسمان پر از تابش پس زمینه اشعه ایکس است که میلیون ها بار روشن تر از تابش مرئی است. بیشتر این انتشار پرتو ایکس پس زمینه از آسمان باید از سیاهچاله ها باشد. معمولاً در نجوم سه نوع سیاهچاله وجود دارد. اولی سیاهچاله هایی با جرم ستاره ای (حدود 10 جرم خورشیدی) است. زمانی که سوخت گرما هسته ای آنها تمام می شود از ستاره های پرجرم تشکیل می شوند. دومی سیاهچاله های بسیار پرجرم در مراکز کهکشان ها (میلیون ها تا میلیاردها جرم خورشید) است. و سرانجام، سیاهچاله های اولیه در ابتدای حیات کیهان شکل گرفتند که جرم آنها کوچک است (به ترتیب جرم). سیارک بزرگ). بنابراین، طیف وسیعی از توده های احتمالی سیاهچاله پر نشده باقی می مانند. اما این سوراخ ها کجا هستند؟ با پر کردن فضا با اشعه ایکس، آنها نمی خواهند "چهره" واقعی خود را نشان دهند. اما برای ایجاد یک نظریه واضح از ارتباط بین تابش اشعه ایکس پس زمینه و سیاهچاله ها، باید تعداد آنها را دانست. در حال حاضر، تلسکوپ‌های فضایی فقط قادر به شناسایی هستند تعداد زیادی ازسیاهچاله های کلان پرجرم که وجود آنها را می توان اثبات شده دانست. علائم غیرمستقیم امکان افزایش تعداد سیاهچاله های مشاهده شده مسئول تشعشعات پس زمینه را تا 15 درصد فراهم می کند. باید فرض کنیم که سیاه‌چاله‌های کلان جرم باقی‌مانده به سادگی در پشت لایه‌ای ضخیم از ابرهای غباری پنهان شده‌اند که فقط پرتوهای ایکس پرانرژی را منتقل می‌کنند یا خیلی دور هستند که با روش‌های رصد مدرن قابل شناسایی نیستند.


سیاهچاله کلان پرجرم (اطراف) در مرکز کهکشان M87 (تصویر اشعه ایکس). پرتاب (جت) از افق رویداد قابل مشاهده است. تصویر از www.college.ru/astronomy

یافتن سیاهچاله های پنهان یکی از وظایف اصلی نجوم پرتو ایکس مدرن است. پیشرفت‌های اخیر در این زمینه، مرتبط با تحقیقات با استفاده از تلسکوپ‌های چاندرا و روسی، با این وجود، تنها محدوده کم انرژی تابش اشعه ایکس - تقریباً 2000-20000 الکترون ولت (برای مقایسه، انرژی تابش نوری حدود 2 الکترون است) را پوشش می‌دهد. ولت). اصلاحات قابل توجهی در این مطالعات می تواند توسط تلسکوپ فضایی اروپایی انتگرال انجام شود، که قادر است به منطقه تابش اشعه ایکس که هنوز به اندازه کافی مطالعه نشده است با انرژی 20000-300000 الکترون ولت نفوذ کند. اهمیت مطالعه این نوع پرتوهای ایکس در این است که اگرچه پس‌زمینه پرتو ایکس آسمان دارای انرژی کم است، اما پیک‌های (نقاط) متعدد تابش با انرژی حدود 30000 الکترون ولت در این زمینه ظاهر می‌شوند. دانشمندان هنوز در حال برداشتن درپوش چیزی هستند که این قله ها را تولید می کند، و Integral اولین تلسکوپی است که به اندازه کافی حساس است که چنین منابع پرتو ایکس را تشخیص می دهد. به گفته اخترشناسان، پرتوهای پرانرژی، اجرام به ضخامت کامپتون، یعنی سیاهچاله های بسیار پرجرم پوشیده شده در یک پوسته غبار را تولید می کنند. این اجسام Compton هستند که مسئول پیک های پرتو ایکس 30000 الکترون ولت در میدان تابش پس زمینه هستند.

اما در ادامه تحقیقات خود، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که اجرام کامپتون تنها 10 درصد از تعداد سیاهچاله هایی را تشکیل می دهند که باید قله های پرانرژی ایجاد کنند. این یک مانع جدی برای توسعه بیشتر نظریه است. بنابراین، اشعه ایکس از دست رفته توسط سیاهچاله‌های ضخیم کامپتون تامین نمی‌شود، بلکه توسط سیاهچاله‌های کلان جرم معمولی تامین می‌شود؟ پس در مورد پرده های گرد و غبار برای اشعه ایکس کم انرژی چطور؟ به نظر می رسد پاسخ در این واقعیت نهفته است که بسیاری از سیاهچاله ها (اجرای کامپتون) زمان کافی برای جذب تمام گاز و غباری که آنها را فرا گرفته بود داشتند، اما قبل از آن این فرصت را داشتند که خود را با پرتوهای ایکس پرانرژی معرفی کنند. پس از مصرف همه مواد، چنین سیاهچاله هایی دیگر قادر به تولید پرتوهای ایکس در افق رویداد نبودند. روشن می شود که چرا این سیاهچاله ها قابل شناسایی نیستند، و می توان منابع گمشده تابش پس زمینه را به آنها نسبت داد، زیرا اگرچه سیاهچاله دیگر ساطع نمی کند، تابشی که قبلا ایجاد کرده بود همچنان در جهان حرکت می کند. با این حال، ممکن است سیاه‌چاله‌های گمشده بیشتر از آنچه که ستاره‌شناسان تصور می‌کنند، پنهان باشند، به این معنی که صرفاً به این دلیل که ما آنها را نمی‌بینیم، به این معنی نیست که در آنجا نیستند. ما هنوز قدرت رصدی کافی برای دیدن آنها نداریم. در همین حال، دانشمندان ناسا قصد دارند جستجوی سیاهچاله های پنهان را حتی بیشتر در کیهان گسترش دهند. به اعتقاد آنها قسمت زیر آب کوه یخ در اینجا قرار دارد. در طی چند ماه، تحقیقات به عنوان بخشی از ماموریت سوئیفت انجام خواهد شد. نفوذ به اعماق کیهان، سیاهچاله های پنهان را آشکار می کند، حلقه گمشده تابش پس زمینه را پیدا می کند و فعالیت آنها را در دوران اولیه کیهان روشن می کند.

برخی از سیاهچاله ها فعال تر از همسایگان ساکت خود هستند. سیاه‌چاله‌های فعال مواد اطراف را جذب می‌کنند، و اگر ستاره‌ای «بی‌احتیاطی» که در حال پرواز است در پرواز گرانش گرفتار شود، مطمئناً به وحشیانه‌ترین شکل (تکه تکه) «خورده» خواهد شد. ماده جذب شده که در یک سیاهچاله می افتد، تا دماهای بسیار زیاد گرم می شود و در محدوده گاما، اشعه ایکس و فرابنفش شعله ور می شود. همچنین یک سیاهچاله بسیار پرجرم در مرکز کهکشان راه شیری وجود دارد، اما مطالعه آن دشوارتر از حفره های کهکشان های همسایه یا حتی دوردست است. این به دلیل دیوار متراکم گاز و غبار است که در راه مرکز کهکشان ما قرار دارد، زیرا منظومه شمسی تقریباً در لبه قرص کهکشانی قرار دارد. بنابراین، مشاهدات فعالیت سیاهچاله‌ها در آن کهکشان‌هایی که هسته‌های آنها به وضوح قابل مشاهده است بسیار مؤثرتر است. ستاره شناسان در حین رصد یکی از کهکشان های دوردست که در صورت فلکی بوتس در فاصله 4 میلیارد سال نوری قرار دارد، برای اولین بار توانستند فرآیند جذب یک ستاره توسط یک سیاهچاله بسیار پرجرم را از ابتدا تا انتها ردیابی کنند. . برای هزاران سال، این فروپاشی غول پیکر بی سر و صدا و آرام در مرکز یک کهکشان بیضوی بی نام قرار داشت تا اینکه یکی از ستارگان جرات کرد به اندازه کافی به آن نزدیک شود.

گرانش قدرتمند سیاهچاله ستاره را از هم جدا کرد. لخته های ماده شروع به ریختن روی سیاهچاله کردند و پس از رسیدن به افق رویداد، به شدت در محدوده فرابنفش شعله ور شدند. این شعله‌ها توسط تلسکوپ فضایی جدید Galaxy Evolution Explorer ناسا که آسمان را در نور فرابنفش مطالعه می‌کند، ثبت شده است. تلسکوپ امروزه به مشاهده رفتار جسم متمایز ادامه می دهد، زیرا غذای سیاه چاله هنوز به پایان نرسیده است و بقایای ستاره همچنان به ورطه زمان و مکان سقوط می کند. مشاهدات چنین فرآیندهایی در نهایت به درک بهتر چگونگی تکامل سیاهچاله ها همراه با کهکشان های میزبانشان کمک می کند (یا برعکس، کهکشان ها با یک سیاهچاله مادر تکامل می یابند). مشاهدات قبلی نشان می دهد که چنین افراط و تفریط در جهان غیر معمول نیست. دانشمندان محاسبه کرده اند که به طور متوسط، یک ستاره هر 10000 سال یک بار توسط یک سیاهچاله بسیار پرجرم در یک کهکشان مصرف می شود، اما از آنجایی که تعداد زیادی کهکشان وجود دارد، جذب ستاره را می توان بسیار بیشتر مشاهده کرد.


منبع

تفکر علمی گاهی اوقات اشیایی با چنین ویژگی های متناقضی می سازد که حتی بصیرترین دانشمندان در ابتدا از تشخیص آنها امتناع می ورزند. بارزترین مثال در تاریخ فیزیک مدرن عدم علاقه طولانی مدت به سیاهچاله ها است، حالت های شدید میدان گرانشی که تقریباً 90 سال پیش پیش بینی شده بود. برای مدت طولانیآنها یک انتزاع صرفاً نظری در نظر گرفته می شدند و تنها در دهه های 1960 و 70 مردم به واقعیت آنها اعتقاد داشتند. با این حال، معادله اصلی نظریه سیاهچاله بیش از دویست سال پیش به دست آمد.

بینش جان میشل

نام جان میشل، فیزیکدان، ستاره شناس و زمین شناس، استاد دانشگاه کمبریج و کشیش کلیسای انگلیکن، به طور کامل در میان ستارگان علم انگلیسی قرن هجدهم گم شد. میشل پایه‌های لرزه‌شناسی - علم زلزله‌ها را بنا نهاد، تحقیقات بسیار خوبی در مورد مغناطیس انجام داد و مدت‌ها قبل از کولن، تعادل پیچشی را اختراع کرد که از آن برای اندازه‌گیری‌های گرانشی استفاده کرد. در سال 1783، او سعی کرد دو خلاقیت بزرگ نیوتن - مکانیک و اپتیک را با هم ترکیب کند. نیوتن نور را جریانی از ذرات ریز می دانست. میشل پیشنهاد کرد که اجسام نور مانند ماده معمولی از قوانین مکانیک پیروی می کنند. نتیجه این فرضیه بسیار غیر ضروری است - اجرام آسمانی می توانند به تله هایی برای نور تبدیل شوند.

میشل چگونه استدلال می کرد؟ گلوله توپی که از سطح یک سیاره شلیک می شود، تنها در صورتی بر گرانش آن غلبه خواهد کرد سرعت شروعاز مقداری که اکنون سرعت فرار و سرعت فرار دوم نامیده می شود تجاوز خواهد کرد. اگر گرانش سیاره به قدری قوی باشد که سرعت فرار از سرعت نور بیشتر شود، ذرات نوری آزاد شده در نقطه اوج نمی توانند به بی نهایت بروند. همین امر در مورد نور منعکس شده نیز اتفاق خواهد افتاد. در نتیجه، سیاره برای یک ناظر بسیار دور نامرئی خواهد بود. میشل مقدار بحرانی شعاع چنین سیاره‌ای Rcr را بسته به جرم M آن که به جرم خورشید ما Ms کاهش می‌یابد محاسبه کرد: Rcr = 3 km x M/M s.

جان میشل به فرمول های خود اعتقاد داشت و فرض می کرد که اعماق فضا ستاره های زیادی را پنهان می کند که با هیچ تلسکوپی از زمین قابل مشاهده نیستند. بعدها، پیر سیمون لاپلاس، ریاضیدان، ستاره شناس و فیزیکدان بزرگ فرانسوی به همین نتیجه رسید که آن را در هر دو نسخه اول (1796) و دوم (1799) "نمایش سیستم جهانی" خود گنجاند. اما نسخه سوم در سال 1808 منتشر شد، زمانی که اکثر فیزیکدانان قبلاً نور را ارتعاشات اتر می دانستند. وجود ستارگان «نامرئی» با نظریه موجی نور در تضاد بود و لاپلاس بهتر است به سادگی به آنها اشاره نکند. در زمان‌های بعدی، این ایده یک کنجکاوی تلقی می‌شد که تنها در آثار تاریخ فیزیک شایسته ارائه بود.

مدل شوارتزشیلد

در نوامبر 1915، آلبرت اینشتین نظریه گرانش را منتشر کرد که آن را نظریه نسبیت عام (GR) نامید. این اثر بلافاصله در شخص همکارش در آکادمی علوم برلین، کارل شوارتزشیلد، خواننده ای سپاسگزار پیدا کرد. این شوارتزشیلد بود که اولین کسی در جهان بود که از نسبیت عام برای حل یک مسئله اخترفیزیکی خاص استفاده کرد و متریک فضا-زمان را در خارج و داخل یک جسم کروی غیر چرخنده محاسبه کرد (برای ویژگی، آن را ستاره می نامیم).

از محاسبات شوارتزشیلد چنین برمی‌آید که گرانش یک ستاره ساختار نیوتنی فضا و زمان را بیش از حد تحریف نمی‌کند، تنها در صورتی که شعاع آن بسیار بزرگتر از مقداری باشد که جان میشل محاسبه کرده است! این پارامتر ابتدا شعاع شوارتزشیلد نامیده می شد و اکنون شعاع گرانشی نامیده می شود. بر اساس نسبیت عام، گرانش بر سرعت نور تأثیر نمی گذارد، اما فرکانس ارتعاشات نور را به همان نسبت کاهش می دهد که زمان را کاهش می دهد. اگر شعاع یک ستاره 4 برابر بیشتر از شعاع گرانشی باشد، جریان زمان روی سطح آن 15 درصد کاهش می یابد و فضا انحنای قابل توجهی پیدا می کند. هنگامی که از دو برابر بیشتر شود، با شدت بیشتری خم می شود و زمان تا 41 درصد کاهش می یابد. با رسیدن به شعاع گرانشی، زمان روی سطح ستاره کاملاً متوقف می‌شود (همه فرکانس‌ها به صفر می‌رسند، تابش منجمد می‌شود و ستاره خاموش می‌شود)، اما انحنای فضا هنوز محدود است. دور از ستاره، هندسه هنوز اقلیدسی باقی می ماند و زمان سرعت آن را تغییر نمی دهد.

علیرغم این واقعیت که مقادیر شعاع گرانشی میشل و شوارتزشیلد منطبق هستند، خود مدل ها هیچ وجه اشتراکی ندارند. از نظر میشل، فضا و زمان تغییر نمی کنند، اما سرعت نور کاهش می یابد. ستاره ای که ابعاد آن کوچکتر از شعاع گرانشی آن است همچنان به درخشش خود ادامه می دهد، اما فقط برای یک ناظر نه چندان دور قابل مشاهده است. برای شوارتزشیلد، سرعت نور مطلق است، اما ساختار فضا و زمان به گرانش بستگی دارد. ستاره ای که زیر شعاع گرانشی افتاده است، برای هر ناظری، بدون توجه به جایی که او باشد، ناپدید می شود (به طور دقیق تر، می توان آن را با اثرات گرانشی تشخیص داد، اما نه با تابش).

از کفر تا تصدیق

شوارتزشیلد و معاصرانش معتقد بودند که چنین اجرام فضایی عجیبی در طبیعت وجود ندارند. خود اینشتین نه تنها به این دیدگاه پایبند بود، بلکه به اشتباه معتقد بود که در اثبات ریاضی نظر خود موفق بوده است.

در دهه 1930، چاندراسخار اخترفیزیکدان جوان هندی ثابت کرد که ستاره ای که سوخت هسته ای خود را مصرف کرده است تنها در صورتی که جرم آن کمتر از 1.4 جرم خورشید باشد، پوسته خود را می ریزد و به یک کوتوله سفید به آرامی در حال خنک شدن تبدیل می شود. به زودی فریتز زویکی آمریکایی متوجه شد که انفجارهای ابرنواختر اجسام بسیار متراکمی از ماده نوترونی تولید می کنند. بعداً لو لاندو نیز به همین نتیجه رسید. پس از کار چاندراسخار، بدیهی بود که تنها ستارگانی با جرم بیشتر از 1.4 جرم خورشیدی می توانند چنین تکاملی را تجربه کنند. بنابراین یک سوال طبیعی مطرح شد: آیا حد بالایی برای جرم ابرنواخترهایی که ستاره های نوترونی پشت سر می گذارند وجود دارد؟

در پایان دهه 30، پدر آینده بمب اتمی آمریکا، رابرت اوپنهایمر، ثابت کرد که چنین محدودیتی در واقع وجود دارد و از چندین جرم خورشیدی تجاوز نمی کند. در آن زمان ارزیابی دقیق تری امکان پذیر نبود. اکنون مشخص شده است که جرم ستارگان نوترونی باید در محدوده 1.5-3 Ms باشد. اما حتی از محاسبات تقریبی اوپنهایمر و دانشجوی فارغ التحصیلش جورج ولکو، این نتیجه حاصل شد که بزرگ‌ترین فرزندان ابرنواخترها به ستاره‌های نوترونی تبدیل نمی‌شوند، بلکه به حالت دیگری تبدیل می‌شوند. در سال 1939، اوپنهایمر و هارتلند اسنایدر از یک مدل ایده آل استفاده کردند تا ثابت کنند که یک ستاره عظیم در حال فروپاشی به شعاع گرانشی خود منقبض شده است. از فرمول های آنها در واقع نتیجه می شود که ستاره در اینجا متوقف نمی شود، اما نویسندگان همکار از چنین نتیجه گیری رادیکالی خودداری کردند.

پاسخ نهایی در نیمه دوم قرن بیستم با تلاش کل کهکشان فیزیکدانان نظری درخشان، از جمله شوروی، پیدا شد. معلوم شد که چنین سقوط همیشهستاره را تا آخر فشرده می کند و ماده آن را کاملاً از بین می برد. در نتیجه، یک تکینگی پدید می آید، یک "ابر متمرکز" میدان گرانشی، که در حجمی بینهایت کوچک بسته شده است. برای یک سوراخ ثابت این یک نقطه است، برای یک سوراخ در حال چرخش یک حلقه است. انحنای فضا-زمان و بنابراین نیروی گرانش نزدیک تکینگی به سمت بی نهایت میل می کند. در پایان سال 1967، جان آرچیبالد ویلر، فیزیکدان آمریکایی، اولین کسی بود که چنین فروپاشی نهایی ستاره ای را سیاهچاله نامید. اصطلاح جدید مورد علاقه فیزیکدانان و روزنامه نگاران قرار گرفت و آنها آن را در سراسر جهان گسترش دادند (اگرچه فرانسوی ها در ابتدا آن را دوست نداشتند، زیرا عبارت trou noir تداعی های مشکوک را پیشنهاد می کرد).

آنجا، فراتر از افق

سیاهچاله نه ماده است و نه تشعشع. با کمی تجسم، می‌توان گفت که این یک میدان گرانشی خودپایه است که در ناحیه بسیار خمیده فضا-زمان متمرکز شده است. مرز بیرونی آن با یک سطح بسته یعنی افق رویداد مشخص می شود. اگر ستاره قبل از فروپاشی نمی چرخید، این سطح یک کره منظم است که شعاع آن با شعاع شوارتزشیلد منطبق است.

معنای فیزیکی افق بسیار واضح است. یک سیگنال نوری که از مجاورت بیرونی آن ارسال می شود می تواند مسافت بی نهایت طولانی را طی کند. اما سیگنال‌هایی که از ناحیه داخلی ارسال می‌شوند نه تنها از افق عبور نمی‌کنند، بلکه ناگزیر به درون تکینگی می‌افتند. افق مرز فضایی بین وقایعی است که می تواند برای ستاره شناسان زمینی (و سایرین) شناخته شود و رویدادهایی که اطلاعاتی درباره آنها تحت هیچ شرایطی منتشر نخواهد شد.

همانطور که انتظار می رود "طبق شوارتزشیلد"، در دور از افق، جاذبه یک سوراخ با مجذور فاصله نسبت معکوس دارد، بنابراین برای یک ناظر دور خود را به عنوان یک جسم سنگین معمولی نشان می دهد. سوراخ علاوه بر جرم، لحظه اینرسی ستاره فروپاشیده و بار الکتریکی آن را به ارث می برد. و تمام خصوصیات دیگر ستاره سلف (ساختار، ترکیب، کلاس طیفی و غیره) به فراموشی سپرده می شود.

بیایید یک کاوشگر را با یک ایستگاه رادیویی به سوراخ بفرستیم که هر ثانیه یک سیگنال را مطابق با زمان سواری ارسال می کند. برای یک ناظر از راه دور، با نزدیک شدن کاوشگر به افق، فواصل زمانی بین سیگنال ها افزایش می یابد - در اصل، به طور نامحدود. به محض اینکه کشتی از افق نامرئی عبور کند، برای دنیای "بیرون از سوراخ" کاملاً ساکت می شود. با این حال، این ناپدید شدن بدون ردیابی نخواهد بود، زیرا کاوشگر جرم، بار و گشتاور خود را به سوراخ واگذار می کند.

تابش سیاهچاله

تمام مدل های قبلی منحصراً بر اساس نسبیت عام ساخته شده بودند. با این حال، جهان ما توسط قوانین مکانیک کوانتومی اداره می شود که سیاهچاله ها را نادیده نمی گیرند. این قوانین به ما اجازه نمی دهند که تکینگی مرکزی را به عنوان یک نقطه ریاضی در نظر بگیریم. در زمینه کوانتومی، قطر آن با طول پلانک-ویلر، تقریبا برابر با 10-33 سانتی متر است. در این منطقه، فضای معمولی وجود ندارد. به طور کلی پذیرفته شده است که مرکز سوراخ با ساختارهای توپولوژیکی مختلفی پر شده است که مطابق با قوانین احتمالات کوانتومی ظاهر می شوند و می میرند. خواص چنین شبه فضای حبابی، که ویلر آن را فوم کوانتومی نامید، هنوز به خوبی درک نشده است.

وجود یک تکینگی کوانتومی ارتباط مستقیمی با سرنوشت اجسام مادی دارد که در اعماق یک سیاه‌چاله سقوط می‌کنند. هنگامی که به مرکز سوراخ نزدیک می شوید، هر جسمی که از مواد شناخته شده در حال حاضر ساخته شده باشد توسط نیروهای جزر و مدی خرد شده و از هم جدا می شود. با این حال، حتی اگر مهندسان و فن‌آوران آینده، آلیاژها و کامپوزیت‌های فوق‌العاده قوی با خواص بی‌سابقه‌ای بسازند، باز هم همه آنها محکوم به ناپدید شدن هستند: بالاخره در منطقه تکینگی نه زمان معمول وجود دارد و نه فضای معمول.

حالا بیایید از طریق یک لنز مکانیکی کوانتومی به افق سوراخ نگاه کنیم. فضای خالی - خلاء فیزیکی - در واقع اصلا خالی نیست. به دلیل نوسانات کوانتومی میدان های مختلف در خلاء، بسیاری از ذرات مجازی به طور مداوم متولد می شوند و می میرند. از آنجایی که گرانش نزدیک افق بسیار قوی است، نوسانات آن انفجارهای گرانشی بسیار قوی ایجاد می کند. هنگامی که در چنین زمینه‌هایی شتاب می‌گیرد، «مجازی‌های» تازه متولد شده انرژی بیشتری به دست می‌آورند و گاهی اوقات به ذرات عادی با عمر طولانی تبدیل می‌شوند.

ذرات مجازی همیشه به صورت جفتی متولد می شوند که در جهت مخالف حرکت می کنند (این امر توسط قانون بقای تکانه لازم است). اگر یک نوسان گرانشی یک جفت ذره را از خلاء خارج کند، ممکن است اتفاق بیفتد که یکی از آنها در خارج از افق و دومی (ضد ذره اول) در داخل ظاهر شود. ذره "داخلی" در سوراخ می افتد، اما ذره "خارجی" می تواند تحت شرایط مساعد فرار کند. در نتیجه، سوراخ تبدیل به منبع تشعشع می شود و در نتیجه انرژی و در نتیجه جرم خود را از دست می دهد. بنابراین، سیاهچاله ها در اصل پایدار نیستند.

این پدیده به نام فیزیکدان نظری برجسته انگلیسی که در اواسط دهه 1970 آن را کشف کرد، اثر هاوکینگ نامیده می شود. استیون هاوکینگ به طور خاص ثابت کرد که افق سیاهچاله فوتون‌ها را به همان روشی که جسم کاملاً سیاهی که تا دمای T = 0.5 x 10 -7 x Ms / M گرم می‌شود، ساطع می‌کند. نتیجه این است که با نازک شدن سوراخ، دمای آن افزایش می یابد و "تبخیر" به طور طبیعی تشدید می شود. این فرآیند بسیار کند است و طول عمر یک سوراخ با جرم M حدود 10 65 x (M/M s) 3 سال است. هنگامی که اندازه آن برابر با طول پلانک-ویلر می شود، حفره پایداری خود را از دست می دهد و منفجر می شود و انرژی مشابه انفجار همزمان یک میلیون ده مگاتون را آزاد می کند. بمب های هیدروژنی. جالب اینجاست که جرم حفره در لحظه ناپدید شدن هنوز بسیار بزرگ است، 22 میکروگرم. طبق برخی مدل ها، سوراخ بدون هیچ ردی ناپدید نمی شود، بلکه یک اثر ثابت از همان جرم، به اصطلاح ماکسیمون، از خود بر جای می گذارد.

ماکسیمون 40 سال پیش متولد شد - به عنوان یک اصطلاح و به عنوان یک ایده فیزیکی. در سال 1965، آکادمیسین M.A. Markov پیشنهاد کرد که حد بالایی برای جرم ذرات بنیادی وجود دارد. او پیشنهاد کرد که این موضوع را در نظر بگیرد مقدار محدودمقدار بعد جرم، که می تواند از سه ثابت فیزیکی اصلی ترکیب شود - ثابت پلانک h، سرعت نور C و ثابت گرانشی G (برای کسانی که جزئیات را دوست دارند: برای انجام این کار، باید h و C را ضرب کنید. ، حاصل را بر G تقسیم کرده و استخراج کنید ریشه دوم). این همان 22 میکروگرم است که در مقاله ذکر شده است؛ این مقدار جرم پلانک نامیده می شود. از همان ثابت ها می توان کمیتی با بعد طول (طول پلانک-ویلر 33-10 سانتی متر است) و با بعد زمان (43-10 ثانیه) ساخت.
مارکوف در استدلال خود فراتر رفت. طبق فرضیه وی، تبخیر یک سیاهچاله منجر به تشکیل یک "بقایای خشک" - یک ماکسیمون می شود. مارکوف چنین ساختارهایی را سیاهچاله های ابتدایی نامید. اینکه این نظریه تا چه حد با واقعیت مطابقت دارد هنوز یک سوال باز است. در هر صورت، مشابه‌های ماکسیمون‌های مارکوف در برخی از مدل‌های سیاهچاله‌ها بر اساس نظریه ابر ریسمان احیا شده‌اند.

اعماق فضا

سیاهچاله ها توسط قوانین فیزیک منع نشده اند، اما آیا در طبیعت وجود دارند؟ هنوز شواهد کاملاً دقیقی از وجود حداقل یکی از این شیء در فضا پیدا نشده است. با این حال، این احتمال بسیار زیاد است که در برخی از سیستم های دوتایی، منابع انتشار اشعه ایکس سیاهچاله هایی با منشاء ستاره ای باشند. این تابش باید در نتیجه مکیده شدن جو یک ستاره معمولی توسط میدان گرانشی یک سوراخ همسایه ایجاد شود. همانطور که گاز به سمت افق رویداد حرکت می کند، بسیار داغ می شود و کوانتای اشعه ایکس ساطع می کند. حداقل دوجین منبع اشعه ایکس اکنون کاندیدای مناسبی برای نقش سیاهچاله ها در نظر گرفته می شوند. علاوه بر این، آمارهای ستاره ای نشان می دهد که تنها در کهکشان ما حدود ده میلیون سوراخ با منشا ستاره ای وجود دارد.

سیاهچاله ها همچنین می توانند در طول تراکم گرانشی ماده در هسته های کهکشانی ایجاد شوند. اینگونه است که حفره های غول پیکر با جرم میلیون ها و میلیاردها جرم خورشید به وجود می آیند که به احتمال زیاد در بسیاری از کهکشان ها وجود دارند. ظاهراً در مرکز کهکشان راه شیری که توسط ابرهای غباری پنهان شده است، حفره ای با جرم 3-4 میلیون خورشید وجود دارد.

استیون هاوکینگ به این نتیجه رسید که سیاهچاله‌هایی با جرم دلخواه می‌توانستند بلافاصله پس از انفجار بزرگ، که باعث پیدایش جهان ما شد، متولد شوند. حفره‌های اولیه با وزن بیش از یک میلیارد تن قبلاً تبخیر شده‌اند، اما سوراخ‌های سنگین‌تر هنوز می‌توانند در اعماق فضا پنهان شوند و در زمان مناسب، آتش بازی‌های کیهانی را به شکل انفجارهای قدرتمند تشعشع گاما به راه بیندازند. با این حال، چنین انفجارهایی تا کنون مشاهده نشده است.

کارخانه سیاه چاله

آیا می توان ذرات موجود در یک شتاب دهنده را تا انرژی بالایی شتاب داد که برخورد آنها باعث ایجاد سیاهچاله شود؟ در نگاه اول، این ایده به سادگی دیوانه کننده است - انفجار یک سوراخ تمام زندگی روی زمین را از بین می برد. علاوه بر این، از نظر فنی غیرممکن است. اگر حداقل جرم یک سوراخ واقعاً 22 میکروگرم باشد، در واحدهای انرژی 10 28 الکترون ولت است. این آستانه 15 مرتبه بزرگتر از توانایی های قدرتمندترین شتاب دهنده جهان، برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) است که در سال 2007 در سرن به فضا پرتاب خواهد شد.

با این حال، ممکن است تخمین استاندارد حداقل جرم سوراخ به طور قابل توجهی بیش از حد تخمین زده شود. در هر صورت، این همان چیزی است که فیزیکدانان می گویند و نظریه ابر ریسمان ها را توسعه می دهند، که شامل نظریه کوانتومی گرانش است (هرچند هنوز کامل نیست). بر اساس این نظریه، فضا دارای سه بعد نیست، بلکه حداقل دارای 9 بعد است. ما متوجه ابعاد اضافی نمی شویم زیرا آنها در مقیاس کوچکی حلقه شده اند که سازهای ما آنها را درک نمی کنند. با این حال، گرانش همه جا حاضر است، در ابعاد پنهان نفوذ می کند. در فضای سه بعدی نیروی گرانش با مجذور فاصله نسبت معکوس و در فضای 9 بعدی با توان هشتم متناسب است. بنابراین، در دنیای چند بعدی، شدت میدان گرانشی با کاهش فاصله بسیار سریعتر از دنیای سه بعدی افزایش می یابد. در این حالت طول پلانک چندین برابر افزایش می یابد و حداقل جرم سوراخ به شدت کاهش می یابد.

نظریه ریسمان پیش‌بینی می‌کند که سیاهچاله‌ای با جرم تنها 10 تا 20 گرم می‌تواند در فضای 9 بعدی متولد شود. طبق خوش بینانه ترین سناریو، می تواند در هر ثانیه یک سوراخ ایجاد کند که حدود 10 تا 26 ثانیه عمر می کند. در فرآیند تبخیر آن، انواع ذرات بنیادی متولد خواهند شد که ثبت آنها دشوار نخواهد بود. ناپدید شدن سوراخ منجر به آزاد شدن انرژی می شود که حتی برای گرم کردن یک میکروگرم آب به اندازه یک هزارم درجه کافی نیست. بنابراین، این امید وجود دارد که LHC به کارخانه سیاهچاله های بی ضرر تبدیل شود. اگر این مدل‌ها درست باشند، نسل جدید آشکارسازهای پرتو کیهانی مداری قادر به تشخیص چنین حفره‌هایی خواهند بود.

تمام موارد فوق در مورد سیاهچاله های ساکن صدق می کند. در این میان، سوراخ های چرخشی نیز وجود دارد که دارای یکسری خواص جالب است. نتایج تجزیه و تحلیل نظری تشعشعات سیاهچاله نیز منجر به بازنگری جدی در مفهوم آنتروپی شد که این نیز شایسته بحث جداگانه است. بیشتر در این مورد در شماره بعدی.

آیا تا به حال دیده اید که یک کف را جاروبرقی بکشند؟ اگر چنین است، آیا متوجه شده اید که چگونه جاروبرقی گرد و غبار و زباله های کوچک را مانند تکه های کاغذ می مکد؟ البته متوجه شدند. سیاهچاله ها تقریباً همان کار جاروبرقی را انجام می دهند، اما به جای غبار، آنها ترجیح می دهند اجسام بزرگتر را بمکند: ستارگان و سیارات. با این حال، آنها غبار کیهانی را نیز نادیده نخواهند گرفت.

سیاهچاله ها چگونه ظاهر می شوند؟

برای درک اینکه سیاهچاله ها از کجا می آیند، خوب است بدانیم فشار نور چیست. معلوم می شود که نوری که بر روی اجسام می افتد، آنها را تحت فشار قرار می دهد. به عنوان مثال، اگر یک لامپ را در یک اتاق تاریک روشن کنیم، یک نیروی فشار نور اضافی بر روی تمام اشیاء روشن شروع به اعمال می کند. این نیرو بسیار ناچیز است و در زندگی روزمره ما، البته، هرگز نمی توانیم آن را احساس کنیم. دلیل آن این است که لامپ منبع نور بسیار ضعیفی است. (در شرایط آزمایشگاهی، فشار نور یک لامپ هنوز قابل اندازه گیری است؛ فیزیکدان روسی P. N. Lebedev اولین کسی بود که این کار را انجام داد.) در مورد ستاره ها، وضعیت متفاوت است. در حالی که ستاره جوان است و می درخشد، سه نیرو در درون آن می جنگند. از یک طرف، نیروی گرانش، که تمایل دارد ستاره را به یک نقطه فشرده کند، لایه های بیرونی را به سمت داخل به سمت هسته می کشد. از سوی دیگر، نیروی فشار نور و نیروی فشار گاز داغ وجود دارد که تمایل به باد کردن ستاره دارد. نور تولید شده در هسته ستاره به قدری شدید است که لایه‌های بیرونی ستاره را از بین می‌برد و نیروی گرانشی را که آنها را به سمت مرکز می‌کشد متعادل می‌کند. با افزایش سن یک ستاره، هسته آن کمتر و کمتر نور تولید می کند. این اتفاق می افتد زیرا در طول زندگی یک ستاره، تمام ذخایر هیدروژن آن می سوزد، ما قبلاً در این مورد نوشته ایم. اگر ستاره بسیار بزرگ، ۲۰ برابر سنگین‌تر از خورشید باشد، پوسته‌های بیرونی آن از نظر جرم بسیار بزرگ هستند. بنابراین، در یک ستاره سنگین، لایه‌های بیرونی شروع به نزدیک‌تر شدن و نزدیک‌تر شدن به هسته می‌کنند و کل ستاره شروع به انقباض می‌کند. در همان زمان، نیروی گرانشی روی سطح ستاره در حال انقباض افزایش می یابد. هر چه یک ستاره بیشتر منقبض شود، با شدت بیشتری شروع به جذب ماده اطراف می کند. در نهایت، گرانش ستاره چنان قوی می شود که حتی نوری که از آن ساطع می شود نیز نمی تواند فرار کند. در این لحظه ستاره می شود سیاه چاله. دیگر چیزی از خود ساطع نمی کند، بلکه فقط هر چیزی را که در نزدیکی است، از جمله نور، جذب می کند. حتی یک پرتو نور از آن نمی‌آید، بنابراین هیچ‌کس نمی‌تواند آن را ببیند، و به همین دلیل است که به آن سیاه‌چاله می‌گویند: همه چیز به درون مکیده می‌شود و دیگر برنمی‌گردد.

سیاهچاله چه شکلی است؟

اگر من و شما در کنار یک سیاهچاله بودیم، یک صفحه درخشان نسبتاً بزرگ را می دیدیم که در اطراف یک منطقه کوچک و کاملا سیاه از فضا می چرخد. این منطقه سیاه یک سیاهچاله است. و قرص نورانی اطراف آن ماده ای است که در سیاهچاله می افتد. به چنین دیسکی دیسک برافزایشی می گویند. گرانش یک سیاهچاله بسیار قوی است، بنابراین ماده مکیده شده در داخل با شتاب بسیار بالایی حرکت می کند و به همین دلیل شروع به تابش می کند. با مطالعه نوری که از چنین دیسکی می آید، ستاره شناسان می توانند چیزهای زیادی در مورد خود سیاهچاله بیاموزند. یکی دیگر از نشانه های غیرمستقیم وجود سیاهچاله، حرکت غیرمعمول ستارگان در اطراف منطقه خاصی از فضا است. گرانش حفره ستارگان مجاور را وادار می کند تا در مدارهای بیضی شکل حرکت کنند. چنین حرکاتی از ستارگان توسط ستاره شناسان نیز ثبت شده است.
اکنون توجه دانشمندان بر سیاهچاله واقع در مرکز کهکشان ما متمرکز شده است. واقعیت این است که ابری از هیدروژن با جرمی حدود 3 برابر زمین در حال نزدیک شدن به سیاهچاله است. این ابر در حال حاضر به دلیل گرانش سیاهچاله شروع به تغییر شکل خود کرده است، در سال های آینده بیشتر کشیده می شود و به داخل سیاهچاله کشیده می شود.

ما هرگز قادر نخواهیم بود که فرآیندهای رخ داده در داخل سیاهچاله را ببینیم، بنابراین فقط می‌توانیم به مشاهده دیسک اطراف سیاه‌چاله بسنده کنیم. اما چیزهای جالب زیادی در اینجا نیز در انتظار ما است. شاید جالب ترین پدیده، تشکیل جت های فوق سریع ماده باشد که از مرکز این دیسک فرار می کنند. مکانیسم این پدیده باید مشخص شود و کاملاً ممکن است که یکی از شما نظریه ای برای تشکیل چنین جت هایی ایجاد کند. در حال حاضر، ما فقط می‌توانیم فلاش‌های اشعه ایکس را که همراه با چنین «عکس‌هایی» هستند ثبت کنیم.

این ویدئو نشان می دهد که چگونه یک سیاهچاله به تدریج مواد یک ستاره مجاور را جذب می کند. در این حالت، یک قرص برافزایشی در اطراف سیاه‌چاله تشکیل می‌شود و بخشی از ماده آن با سرعت‌های بسیار زیاد به فضا پرتاب می‌شود. این مقدار زیادی تابش اشعه ایکس تولید می کند که توسط ماهواره ای که در اطراف زمین در حال حرکت است گرفته می شود.

سیاهچاله چگونه کار می کند؟

یک سیاهچاله را می توان به سه قسمت اصلی تقسیم کرد. قسمت بیرونی، جایی که اگر با خیلی حرکت کنید، همچنان می توانید از افتادن در سیاهچاله جلوگیری کنید سرعت بالا. عمیق تر از قسمت بیرونی یک افق رویداد وجود دارد - این یک مرز خیالی است که پس از عبور از آن، بدن تمام امید خود را برای بازگشت از سیاهچاله از دست می دهد. هر چیزی که فراتر از افق رویداد باشد، از بیرون دیده نمی شود، زیرا به دلیل گرانش قوی، حتی نوری که از درون حرکت می کند، قادر به پرواز فراتر از آن نخواهد بود. اعتقاد بر این است که در مرکز یک سیاهچاله یک تکینگی وجود دارد - منطقه ای از فضای یک حجم کوچک که در آن جرم عظیمی متمرکز شده است - قلب سیاهچاله.

آیا می توان تا یک سیاهچاله پرواز کرد؟

در فاصله دور، جاذبه یک سیاهچاله دقیقاً مشابه جاذبه یک ستاره معمولی با جرمی برابر با سیاهچاله است. با نزدیک شدن به افق رویداد، جاذبه قوی تر و قوی تر می شود. بنابراین، می توانید تا یک سیاهچاله پرواز کنید، اما بهتر است از آن دوری کنید تا بتوانید به عقب برگردید. ستاره شناسان باید تماشا می کردند که چگونه یک سیاهچاله یک ستاره نزدیک را به داخل می مکید. در این ویدیو می توانید ببینید که چگونه به نظر می رسد:

آیا خورشید ما به سیاهچاله تبدیل می شود؟

نه، نمی چرخد. جرم خورشید برای این خیلی کم است. محاسبات نشان می دهد که یک ستاره برای تبدیل شدن به سیاهچاله باید حداقل 4 برابر جرم خورشید داشته باشد. در عوض، خورشید به یک غول قرمز تبدیل می شود و قبل از اینکه پوسته بیرونی خود را از بین ببرد و به یک کوتوله سفید تبدیل شود، تقریباً به اندازه مدار زمین باد می کند. ما قطعاً در مورد تکامل خورشید بیشتر به شما خواهیم گفت.