ATHENA
12-18-2009, 06:12 PM
به طور كلي، سياهچاله ناحيه اي از فضا است كه تجمع جرم در آن آنقدر زياد است كه اشياء نزديك آن هيچ راهي براي فرار از كشش گرانشي آن ندارند. ازآنجاكه در حال حاضر بهترين نظريه در مورد گرانش نظريه نسبيت عام اينشتين است، مجبوريم براي درك بهتر جزئيات سياهچاله‌ها از برخي نتايج اين نظريه استفاده كنيم. اما اجازه دهيد ابتدا با بررسي گرانش در شرايط نسبتا ساده شروع كنيم.
تصور كنيد روي سطح يك سياره ايستاده‌ايد و سنگي را مستقيما به سمت بالا پرتاب مي‌كنيد. فرض كنيد كه سنگ را با قدرت زيادي پرتاب نكرده باشيد. سنگ براي مدتي بالا خواهد رفت اما در نهايت به خاطر گرانش سياره پايين خواهد افتاد. اگر سنگ را به اندازه كافي محكم پرتاب كنيد، سنگ ممكن است بتواند از گرانش سياره بگريزد. در اين حالت سنگ براي هميشه به بالا رفتن ادامه خواهد داد. سرعتي كه نياز است تا با آن طوري سنگ را پرتاب كنيد كه از گرانش سياره بگريزد، "سرعت گريز" ناميده مي شود. سرعت گريز به جرم سياره بستگي دارد. اگر سياره جرم بسيار زيادي داشته باشدگرانش آن بسيار قوي خواهد بود و در نتيجه سرعت گريز هم بالا مي‌باشد. يك سياره سبكتر، سرعت گريز كمتري هم دارد. علاوه بر اين سرعت گريز به فاصله ما از مركز سياره نيز بستگي دارد. هر چه به مركز سياره نزديكتر باشيم سرعت گريز بالاتر است. سرعت گريز از گرانش زمين 2/11 كيلومتر بر ثانيه است در حاليكه سرعت گريز از ماه 4/2 كيلومتر بر ثانيه است..
اكنون جسمي را در نظر بگيريد كه در آن مقدار عظيمي ماده در شعاع كوچكي جمع شده است، بطوريكه سرعت گريز آن از سرعت نور بيشتر است. از آنجاكه هيچ جسمي نمي تواند از نور سريعتر حركت كند، لذا هيچ چيزی هم نمي‌تواند از ميدان گرانشي اين جسم فرار كند. حتي يك پرتوي نور هم بوسيله گرانش اين جسم به عقب كشيده مي‌شود و نمي‌تواند بگريزد. اينچنين جسمي را سياهچاله مي ناميم.
در نسبيت عام، گرانش نشانه انحناي فضا-زمان است. اجسام پرجرم فضا و زمان را خميده مي كنند، آنچنانكه قوانين هندسه ديگر كارايي خود را از دست مي دهند. در نزديكي يك سياهچاله اين انحناي فضا بينهايت شديد است و سبب مي‌شود سياهچاله‌ها ويژگيهاي عجيبي داشته باشند. يك سياهچاله داراي خصوصيتي بنام «افق رويداد» است. افق رويداد يك سطح كروي است كه محدوده ی سياهچاله را مشخص مي‌سازد. شما مي‌توانيد وارد افق رويداد شويد اما ديگر نمي‌توانيد از آن خارج شويد. در حقيقت زمانيكه وارد افق رويداد مي شويد، هر لحظه به تكينگي مركز سياهچاله نزديك و نزديكتر مي شويد.
افق رويداد را مي‌توان به عنوان ناحيه‌اي در نظر گرفت كه سرعت گريز در آنجا برابر سرعت نور است. خارج از افق رويداد سرعت گريز كمتر از سرعت نور است، بنابراين اگر موشك خود را با توان كافي روشن كنيد، مي توانيد براي خود انرژي كافي براي فرار از سياهچاله فراهم كنيد. اما اگر درون افق رويداد قرار داشته باشيد، ديگر فرقي نمي كند كه موشك شما چقدر قدرت داشته باشد، ديگر راه گريزي نيست! چرا که نمي توان از نور سريعتر حركت كرد..
سياهچاله ها در كيهان
در حال حاضر گمان بر اين است كه تقريبا در مراكز تمام كهكشانها سياهچاله هاي بسيار بزرگي وجود دارند كه جرمي ميليون ها و يا حتي ميليارد ها برابر جرم خورشيد دارند .برخي از اين اجرام جزو خشن ترين و فعالترين اجرام در كيهان هستند. از اين دست مي توان هسته هاي فعال كهكشاني و كوازار ها را نام برد. اين اجرام در حاليكه گازهاي اطراف را به سمت داخل مي كشند، فورانهايي به سمت بيرون ايجاد مي كنند.
همچنين گمان مي رود كه نمونه هاي بسياري از سياهچاله هاي كوچك در كهكشانها وجود دارند كه جرمي تنها چندين مرتبه بزرگتر از جرم خورشيد دارند. تعداد اندكي از اين سياهچاله ها در كهكشان ما نيز شناسايي شده اند. از آنجا كه تعدادي از اين سياهچاله هاي كوچك فوران هاي كوتاهي شبيه آنچه انواع بزرگترشان مي سازند را موجب مي شوند، ميكروكوازار لقب گرفته اند.
شكل گيري سياهچاله ها
گمان بر اين است كه سياهچاله هاي معمولي از ستاره هاي پرجرم تشكيل مي شوند (شايد آنهاييكه با جرمهايي 20 يا 25 برابر جرم خورشيد فعاليت مي كنند). زمانيكه اين ستارگان به زندگي خود به شکل يك انفجار ابرنواختر پايان مي دهند، هسته آنها فرو مي‌پاشد و گرانش بر هر نيروي ديگري كه ممكن است بتواند ستاره را نگه دارد، غلبه مي كند.
در نهايت ستاره آنقدر فرو مي پاشد تا در شعاع شوارتزشيلد يا افق رويداد خود محصور مي گردد. در اين حالت، سياهچاله بي نهايت كوچك است، يك سياهچاله با جرم خورشيد در يك شهر كوچك جاي مي گيرد، در حاليكه سياهچاله اي با جرم زمين در كف دست شما هم جاي مي گيرد!
ماده موجود در شعاع شواتزشيلد به طور نامحدودي به فروپاشي ادامه مي دهد تا به نقطه اي مي رسد كه در آنجا قوانين فيزيك ديگر کارايي خود را از دست مي دهد. در اين ضمن، سياهچاله هاي ابر توده به شكل ديگري ايجاد مي شوند- شايد از ادغام تعداد زيادي سياهچاله كوچكتر در آغاز تاريخ جهان- و در طي ساليان دراز با بلعيدن گازهاي اطرافشان رشد مي‌كنند.
شكل گيري اين اجرام و رابطه آنها با كهكشاني كه آنها را در بر مي گيرد، نكته اي است كه هنوز در دست مطالعه و بررسي قرار دارد.
مشاهده ي سياهچاله ها
دنيايي از نور
سياهچاله ها را نمي توان مستقيماّ مشاهده كرد، اما مي توان اثر آنها بر مواد پيرامونشان را مورد بررسی قرار داد (گاز و غباري كه پيش از اينكه به درون سياهچاله كشيده شود و يا اينكه به شكل يك فوران به بيرون پرتاب شود، ثانيه های پايانی عمر خود را مي گذراند).
در حقيقت سياهچاله ها در تبديل انرژي مواد ورودي به نور و انتشار آن، بازدهي بسيار بالايي دارند. گازي كه به درون سياهچاله كشيده مي شود، به همان دليلي كه زمين به درون خورشيد سقوط نمي كند، مستقيماّ فرو برده نمي شود. درعوض، گاز تلاش مي كند تا در مداري گرد سياهچاله حركت كند، وآنچه كه ما به عنوان حلقه تجمعي مي شناسيم را تشكيل دهد.
در حلقه تجمعي، ماده ضمن اينكه به دليل اصطكاك انرژي از دست مي دهد به آرامي به طرف داخل سياهچاله نوسان مي كند- كشش هاي عظيم گرانشي نزديك سياهچاله در شكافتن اين مواد و بالا بردن دماي آنها به مقادير بسيار بالا، به بهترين نحو عمل مي‌كنند. دماي حلقه هاي داخلي سياهچاله هاي ابر توده به هزارارن درجه كلوين مي رسد (مشابه دمای سطح يك ستاره داغ)، اين درحاليست كه دماي حلقه‌هاي سياهچاله هاي كوچكتر مي تواند تا ميليونها درجه بالا رود، تا جاييكه باعث انتشار پرتوهاي ايكس از آنها گردد.
بنابراين سياهچاله ها جزو نوراني ترين اجرام پيرامون ما هستند.
تغييرات سريع
از آنجاييكه سياهچاله ها كوچك هستند روشنايي آنها مي تواند به سرعت تغيير كند. فرايندهاي پيچيده اي كه در بخشهاي دروني حلقه تجمعي رخ مي دهند، غالباّ بسيار متغيرند و منجر به تغييرات سريع در نور ساطع شده مي گردند.
كوچكترين و در عين حال فعالترين سياهچاله ها، يعني ميكرو كوازارها، مي توانند نورشان را در طول تنها چند ثانيه دو برابر كنند و گاهی اوقات، شواهدي نيز براي تغييرات در مقياس هاي زماني كوتاهتر از خود نشان مي دهند، يعني در برخي موارد صدها برابر در هر ثانيه نوسان مي كنند.
فوران هاي پرانرژي
سياهچاله ها مواد را به خود جذب مي كنند، اما برخي از اين مواد بجاي اينكه بلعيده شوند، به بيرون پرتاب مي شوند. بسياري از سياهچاله ها، فوران هايي را تقريبا با سرعت نور پرتاب مي كنند كه از حلقه تجمعي دور مي شوند. اين فوران ها نه تنها بطور باشكوهي در مراكز كهكشانهاي نزديك (براي مثال m87) مشاهده شده اند، بلكه در ميكروكوازارها هم به صورت فورانها و پرتاب هاي سريع و بسيار پرانرژي پديدار مي گردند، درست مثل اينكه شخصي تصويري ويدئويي از يك كوازار گرفته و دكمه حركت سريع به جلو را فشرده باشد.
فرايندهايي كه بوسيله آنها اين فوران ها شكل مي گيرند، به خوبي شناخته نشده اند، ولي به نظر مي رسد كه وابسته به ميدان هاي مغناطيسي باشند كه حضورشان باعث بي ثباتي هايي در حلقه تجمعي مي گردد و به مواد اجازه مي‌دهد به بيرون پرتاب شوند
تصور كنيد روي سطح يك سياره ايستاده‌ايد و سنگي را مستقيما به سمت بالا پرتاب مي‌كنيد. فرض كنيد كه سنگ را با قدرت زيادي پرتاب نكرده باشيد. سنگ براي مدتي بالا خواهد رفت اما در نهايت به خاطر گرانش سياره پايين خواهد افتاد. اگر سنگ را به اندازه كافي محكم پرتاب كنيد، سنگ ممكن است بتواند از گرانش سياره بگريزد. در اين حالت سنگ براي هميشه به بالا رفتن ادامه خواهد داد. سرعتي كه نياز است تا با آن طوري سنگ را پرتاب كنيد كه از گرانش سياره بگريزد، "سرعت گريز" ناميده مي شود. سرعت گريز به جرم سياره بستگي دارد. اگر سياره جرم بسيار زيادي داشته باشدگرانش آن بسيار قوي خواهد بود و در نتيجه سرعت گريز هم بالا مي‌باشد. يك سياره سبكتر، سرعت گريز كمتري هم دارد. علاوه بر اين سرعت گريز به فاصله ما از مركز سياره نيز بستگي دارد. هر چه به مركز سياره نزديكتر باشيم سرعت گريز بالاتر است. سرعت گريز از گرانش زمين 2/11 كيلومتر بر ثانيه است در حاليكه سرعت گريز از ماه 4/2 كيلومتر بر ثانيه است..
اكنون جسمي را در نظر بگيريد كه در آن مقدار عظيمي ماده در شعاع كوچكي جمع شده است، بطوريكه سرعت گريز آن از سرعت نور بيشتر است. از آنجاكه هيچ جسمي نمي تواند از نور سريعتر حركت كند، لذا هيچ چيزی هم نمي‌تواند از ميدان گرانشي اين جسم فرار كند. حتي يك پرتوي نور هم بوسيله گرانش اين جسم به عقب كشيده مي‌شود و نمي‌تواند بگريزد. اينچنين جسمي را سياهچاله مي ناميم.
در نسبيت عام، گرانش نشانه انحناي فضا-زمان است. اجسام پرجرم فضا و زمان را خميده مي كنند، آنچنانكه قوانين هندسه ديگر كارايي خود را از دست مي دهند. در نزديكي يك سياهچاله اين انحناي فضا بينهايت شديد است و سبب مي‌شود سياهچاله‌ها ويژگيهاي عجيبي داشته باشند. يك سياهچاله داراي خصوصيتي بنام «افق رويداد» است. افق رويداد يك سطح كروي است كه محدوده ی سياهچاله را مشخص مي‌سازد. شما مي‌توانيد وارد افق رويداد شويد اما ديگر نمي‌توانيد از آن خارج شويد. در حقيقت زمانيكه وارد افق رويداد مي شويد، هر لحظه به تكينگي مركز سياهچاله نزديك و نزديكتر مي شويد.
افق رويداد را مي‌توان به عنوان ناحيه‌اي در نظر گرفت كه سرعت گريز در آنجا برابر سرعت نور است. خارج از افق رويداد سرعت گريز كمتر از سرعت نور است، بنابراين اگر موشك خود را با توان كافي روشن كنيد، مي توانيد براي خود انرژي كافي براي فرار از سياهچاله فراهم كنيد. اما اگر درون افق رويداد قرار داشته باشيد، ديگر فرقي نمي كند كه موشك شما چقدر قدرت داشته باشد، ديگر راه گريزي نيست! چرا که نمي توان از نور سريعتر حركت كرد..
سياهچاله ها در كيهان
در حال حاضر گمان بر اين است كه تقريبا در مراكز تمام كهكشانها سياهچاله هاي بسيار بزرگي وجود دارند كه جرمي ميليون ها و يا حتي ميليارد ها برابر جرم خورشيد دارند .برخي از اين اجرام جزو خشن ترين و فعالترين اجرام در كيهان هستند. از اين دست مي توان هسته هاي فعال كهكشاني و كوازار ها را نام برد. اين اجرام در حاليكه گازهاي اطراف را به سمت داخل مي كشند، فورانهايي به سمت بيرون ايجاد مي كنند.
همچنين گمان مي رود كه نمونه هاي بسياري از سياهچاله هاي كوچك در كهكشانها وجود دارند كه جرمي تنها چندين مرتبه بزرگتر از جرم خورشيد دارند. تعداد اندكي از اين سياهچاله ها در كهكشان ما نيز شناسايي شده اند. از آنجا كه تعدادي از اين سياهچاله هاي كوچك فوران هاي كوتاهي شبيه آنچه انواع بزرگترشان مي سازند را موجب مي شوند، ميكروكوازار لقب گرفته اند.
شكل گيري سياهچاله ها
گمان بر اين است كه سياهچاله هاي معمولي از ستاره هاي پرجرم تشكيل مي شوند (شايد آنهاييكه با جرمهايي 20 يا 25 برابر جرم خورشيد فعاليت مي كنند). زمانيكه اين ستارگان به زندگي خود به شکل يك انفجار ابرنواختر پايان مي دهند، هسته آنها فرو مي‌پاشد و گرانش بر هر نيروي ديگري كه ممكن است بتواند ستاره را نگه دارد، غلبه مي كند.
در نهايت ستاره آنقدر فرو مي پاشد تا در شعاع شوارتزشيلد يا افق رويداد خود محصور مي گردد. در اين حالت، سياهچاله بي نهايت كوچك است، يك سياهچاله با جرم خورشيد در يك شهر كوچك جاي مي گيرد، در حاليكه سياهچاله اي با جرم زمين در كف دست شما هم جاي مي گيرد!
ماده موجود در شعاع شواتزشيلد به طور نامحدودي به فروپاشي ادامه مي دهد تا به نقطه اي مي رسد كه در آنجا قوانين فيزيك ديگر کارايي خود را از دست مي دهد. در اين ضمن، سياهچاله هاي ابر توده به شكل ديگري ايجاد مي شوند- شايد از ادغام تعداد زيادي سياهچاله كوچكتر در آغاز تاريخ جهان- و در طي ساليان دراز با بلعيدن گازهاي اطرافشان رشد مي‌كنند.
شكل گيري اين اجرام و رابطه آنها با كهكشاني كه آنها را در بر مي گيرد، نكته اي است كه هنوز در دست مطالعه و بررسي قرار دارد.
مشاهده ي سياهچاله ها
دنيايي از نور
سياهچاله ها را نمي توان مستقيماّ مشاهده كرد، اما مي توان اثر آنها بر مواد پيرامونشان را مورد بررسی قرار داد (گاز و غباري كه پيش از اينكه به درون سياهچاله كشيده شود و يا اينكه به شكل يك فوران به بيرون پرتاب شود، ثانيه های پايانی عمر خود را مي گذراند).
در حقيقت سياهچاله ها در تبديل انرژي مواد ورودي به نور و انتشار آن، بازدهي بسيار بالايي دارند. گازي كه به درون سياهچاله كشيده مي شود، به همان دليلي كه زمين به درون خورشيد سقوط نمي كند، مستقيماّ فرو برده نمي شود. درعوض، گاز تلاش مي كند تا در مداري گرد سياهچاله حركت كند، وآنچه كه ما به عنوان حلقه تجمعي مي شناسيم را تشكيل دهد.
در حلقه تجمعي، ماده ضمن اينكه به دليل اصطكاك انرژي از دست مي دهد به آرامي به طرف داخل سياهچاله نوسان مي كند- كشش هاي عظيم گرانشي نزديك سياهچاله در شكافتن اين مواد و بالا بردن دماي آنها به مقادير بسيار بالا، به بهترين نحو عمل مي‌كنند. دماي حلقه هاي داخلي سياهچاله هاي ابر توده به هزارارن درجه كلوين مي رسد (مشابه دمای سطح يك ستاره داغ)، اين درحاليست كه دماي حلقه‌هاي سياهچاله هاي كوچكتر مي تواند تا ميليونها درجه بالا رود، تا جاييكه باعث انتشار پرتوهاي ايكس از آنها گردد.
بنابراين سياهچاله ها جزو نوراني ترين اجرام پيرامون ما هستند.
تغييرات سريع
از آنجاييكه سياهچاله ها كوچك هستند روشنايي آنها مي تواند به سرعت تغيير كند. فرايندهاي پيچيده اي كه در بخشهاي دروني حلقه تجمعي رخ مي دهند، غالباّ بسيار متغيرند و منجر به تغييرات سريع در نور ساطع شده مي گردند.
كوچكترين و در عين حال فعالترين سياهچاله ها، يعني ميكرو كوازارها، مي توانند نورشان را در طول تنها چند ثانيه دو برابر كنند و گاهی اوقات، شواهدي نيز براي تغييرات در مقياس هاي زماني كوتاهتر از خود نشان مي دهند، يعني در برخي موارد صدها برابر در هر ثانيه نوسان مي كنند.
فوران هاي پرانرژي
سياهچاله ها مواد را به خود جذب مي كنند، اما برخي از اين مواد بجاي اينكه بلعيده شوند، به بيرون پرتاب مي شوند. بسياري از سياهچاله ها، فوران هايي را تقريبا با سرعت نور پرتاب مي كنند كه از حلقه تجمعي دور مي شوند. اين فوران ها نه تنها بطور باشكوهي در مراكز كهكشانهاي نزديك (براي مثال m87) مشاهده شده اند، بلكه در ميكروكوازارها هم به صورت فورانها و پرتاب هاي سريع و بسيار پرانرژي پديدار مي گردند، درست مثل اينكه شخصي تصويري ويدئويي از يك كوازار گرفته و دكمه حركت سريع به جلو را فشرده باشد.
فرايندهايي كه بوسيله آنها اين فوران ها شكل مي گيرند، به خوبي شناخته نشده اند، ولي به نظر مي رسد كه وابسته به ميدان هاي مغناطيسي باشند كه حضورشان باعث بي ثباتي هايي در حلقه تجمعي مي گردد و به مواد اجازه مي‌دهد به بيرون پرتاب شوند