منشا سیاهچاله سیاه چاله. آن چیست؟ کوچکترین سیاهچاله

سیاهچاله ناحیه ای از فضا-زمان است که جاذبه گرانشی آن به حدی قوی است که حتی اجسامی که با سرعت نور حرکت می کنند، از جمله کوانتوم های خود نور، نمی توانند از آن خارج شوند. مرز این ناحیه را افق رویداد و اندازه مشخصه آن را شعاع گرانشی می نامند.

ایده "سیاه چاله" برای اولین بار در سال 1916، زمانی که فیزیکدان شوارتزشیلد در حال حل معادلات اینشتین بود، ظاهر شد. ریاضیات به این نتیجه عجیب رسیده است که اجسام فشرده ای وجود دارند که در اطراف آنها افق رویدادی با ویژگی های جالب ظاهر می شود. اما اصطلاح "سیاه چاله" هنوز وجود نداشت. افق رویداد منطقه ای از فضای اطراف یک سیاهچاله است که یک بار در آن ماده هرگز نمی تواند این منطقه را ترک کند و به درون سیاهچاله بیفتد. نور هنوز می تواند بر نیروی عظیم گرانش غلبه کند، آخرین جریان ها را از ماده در حال ناپدید شدن بفرستد، اما فقط برای مدت کوتاهی، تا زمانی که ماده در حال سقوط به منطقه به اصطلاح تکینگی سقوط کند، که دیگر کارل شوارتزشیلد برای آن نیست. یک ستاره شناس آلمانی، یکی از بنیانگذاران اخترفیزیک نظری

در دهه 1930 چادویک نوترون را کشف کرد. به زودی، فرضیه ای در مورد وجود ستارگان نوترینو مطرح شد، که در جرم های بزرگ، ناپایدار هستند و به حالت فروپاشی فشرده می شوند. اصطلاح "سیاه چاله" هنوز وجود نداشت. تنها در اواخر دهه 1960 بود که جان ویلر آمریکایی گفت "سیاه چاله". این نقطه ای از فضا است که در آن ماده و انرژی تحت تأثیر نیروهای گرانشی ناپدید می شوند. در این مکان، نیروهای گرانشی آنقدر قوی هستند که هر چیزی که در نزدیکی است به معنای واقعی کلمه به داخل مکیده می شود. حتی پرتوهای نور نیز نمی توانند از آنجا فرار کنند، بنابراین سیاهچاله کاملاً نامرئی است. جان ویلر، فیزیکدان آمریکایی.

یک "سیاهچاله" را می توان با تابش اشعه ایکس خاص که هنگام مکیدن ماده تولید می شود، تشخیص داد. در دهه 1970، ماهواره آمریکایی "اوهورو" (به یکی از گویش های آفریقایی - "آزادی") تابش اشعه ایکس خاص را ثبت کرد. از آن زمان، "سیاه چاله" نه تنها در محاسبات وجود داشته است. به خاطر همین مطالعات بود که ریکاردو جیاکونی جایزه نوبل 2002 را دریافت کرد. ریکاردو جیاکونی، فیزیکدان آمریکایی ایتالیایی الاصل، برنده جایزه نوبل فیزیک در سال 2002 "برای ایجاد ستاره شناسی پرتو ایکس و اختراع تلسکوپ پرتو ایکس"

در حال حاضر، دانشمندان حدود هزار جرم را در کیهان کشف کرده اند که به عنوان سیاهچاله طبقه بندی می شوند. در مجموع، دانشمندان پیشنهاد می کنند، ده ها میلیون نفر از این اشیاء وجود دارد. در حال حاضر، تنها راه قابل اعتماد برای تشخیص یک سیاهچاله از یک جسم از نوع دیگر، اندازه گیری جرم و اندازه جسم و مقایسه شعاع آن با شعاع گرانشی است که با فرمول =، که در آن G ثابت گرانشی است. ، M جرم جسم است، c سرعت نور سیاهچاله های کلان جرم است. سیاهچاله های بسیار بزرگ که بیش از حد رشد کرده اند، هسته اکثر کهکشان ها را تشکیل می دهند. اینها شامل سیاهچاله عظیم در هسته کهکشان ما - Sagittarius A* است که نزدیکترین سیاهچاله ابرپرجرم به خورشید است. در حال حاضر، وجود سیاهچاله هایی در مقیاس های ستاره ای و کهکشانی توسط اکثر دانشمندان به طور قابل اعتماد توسط مشاهدات نجومی اثبات شده است. ستاره‌شناسان آمریکایی دریافته‌اند که توده‌های سیاه‌چاله‌های کلان پرجرم ممکن است به طور قابل توجهی دست کم گرفته شوند. محققان دریافته اند که برای حرکت ستارگان به روشی که اکنون در کهکشان M87 مشاهده می شود (که در فاصله 50 میلیون سال نوری از زمین قرار دارد)، جرم سیاهچاله مرکزی باید به اندازه رادیو کهکشان Picos A باشد. جت پرتو ایکس قابل مشاهده (آبی) 300 هزار سال نوری طول دارد که از آن سرچشمه می گیرد

ردیابی سیاهچاله های کلان پرجرم معتبرترین شواهد وجود سیاهچاله های کلان جرم در نواحی مرکزی کهکشان ها را می توان مطمئن ترین شواهد دانست. امروزه قدرت تفکیک تلسکوپ ها برای تشخیص مناطقی از فضا با اندازه شعاع گرانشی یک سیاهچاله کافی نیست. راه‌های زیادی برای تعیین جرم و ابعاد تقریبی یک جرم پرجرم وجود دارد، اما بیشتر آنها بر اساس اندازه‌گیری ویژگی‌های مدار اجرام در حال چرخش (ستاره‌ها، منابع رادیویی، دیسک‌های گاز) هستند. در ساده‌ترین و نسبتاً رایج‌ترین حالت، چرخش در امتداد مدارهای کپلری رخ می‌دهد، همانطور که تناسب سرعت چرخش ماهواره با جذر محور نیمه اصلی مدار نشان می‌دهد: . در این حالت، جرم جسم مرکزی طبق فرمول شناخته شده پیدا می شود.

بین فرانسوی ها و انگلیسی ها گاهی بحث نیمه شوخی و گاهی جدی وجود دارد: چه کسی را باید کاشف احتمال وجود ستاره های نامرئی دانست؟ فرانسوی پی لاپلاس یا انگلیسی جی میشل? در سال 1973، فیزیکدانان نظری مشهور انگلیسی، اس. هاوکینگ و جی. الیس، در کتابی که به مسائل ریاضی خاص مدرن در مورد ساختار فضا و زمان اختصاص داده شده است، به کار P. Laplace فرانسوی با اثبات امکان وجود استناد کردند. ستاره های سیاه؛ در آن زمان هنوز کار جی میشل شناخته نشده بود. در پاییز 1984، اخترفیزیکدان مشهور انگلیسی، ام رایس، در کنفرانسی در تولوز، گفت که اگرچه گفتن در قلمرو فرانسه چندان راحت نیست، اما باید تأکید کند که جی میشل انگلیسی اولین کسی بود که ستاره‌های نامرئی را پیش‌بینی کرد و تصویری از صفحه اول مربوط به کار خود را نشان داد. این سخنان تاریخی با تشویق و لبخند حاضران مواجه شد.

چگونه می توان بحث بین فرانسوی ها و انگلیسی ها را در مورد اینکه چه کسی موقعیت سیاره نپتون را از اختلالات حرکت اورانوس پیش بینی کرد، به خاطر نیاورد: W. Le Verrier فرانسوی یا J. Adams انگلیسی؟ همانطور که مشخص است، هر دو دانشمند به طور مستقل موقعیت را به درستی نشان دادند سیاره جدید. سپس W. Le Verrier فرانسوی خوش شانس تر بود. این سرنوشت بسیاری از اکتشافات است. آنها اغلب تقریباً به طور همزمان و مستقل انجام می شوند مردم مختلفمعمولاً اولویت با کسانی است که عمیق‌تر در اصل مشکل نفوذ کرده‌اند، اما گاهی اوقات این فقط از هوس‌های بخت است.

اما پیش‌بینی پی لاپلاس و جی میشل هنوز یک پیش‌بینی واقعی از یک سیاه‌چاله نبود. چرا؟

واقعیت این است که در زمان پی لاپلاس هنوز مشخص نبود که هیچ چیز در طبیعت نمی تواند سریعتر از نور حرکت کند. پیشی گرفتن از نور در پوچی غیرممکن است! این را انیشتین در نظریه نسبیت خاص در قرن ما تثبیت کرد. بنابراین، برای پی لاپلاس، ستاره مورد نظر او فقط سیاه (غیر نورانی) بود و او نمی توانست بداند که چنین ستاره ای توانایی "ارتباط" با دنیای خارج را از دست می دهد و هر چیزی را "گزارش" می کند. به دنیاهای دور درباره وقایعی که روی آن اتفاق می افتد . به عبارت دیگر، او هنوز نمی دانست که این نه تنها یک "سیاه" است، بلکه یک "سوراخ" است که می توانید در آن بیفتید، اما خارج شدن از آن غیرممکن است. اکنون می دانیم که اگر نور نتواند از ناحیه ای از فضا خارج شود، به این معنی است که اصلاً هیچ چیز نمی تواند بیرون بیاید و ما چنین جسمی را سیاهچاله می نامیم.

دلیل دیگری که چرا نمی‌توان استدلال لاپلاس را دقیق تلقی کرد این است که او میدان‌های گارویتیشن با قدرت بسیار زیاد را در نظر گرفت که در آن اجسام در حال سقوط به سرعت نور شتاب می‌گیرند و خود نور در حال ظهور می‌تواند به تأخیر بیفتد، و قانون گرانش نیوتن را اعمال کرد.

الف. انیشتین نشان داد که نظریه گرانش نیوتن برای چنین میدان هایی قابل اجرا نیست و نظریه جدیدی ایجاد کرد که برای میدان های فوق قوی و همچنین برای میدان های با سرعت در حال تغییر (که نظریه نیوتن نیز برای آن ها قابل اجرا نیست!) و غیره معتبر است. آن را نظریه نسبیت عام نامید. برای اثبات امکان وجود سیاهچاله ها و بررسی خواص آنها باید از نتایج این نظریه استفاده کرد.

نسبیت عام یک نظریه شگفت انگیز است. او به قدری عمیق و باریک است که احساس لذت زیبایی شناختی را در هر کسی که او را می شناسد برمی انگیزد. فیزیکدانان شوروی ال. لاندو و ای. لیفشیتز در کتاب درسی خود "نظریه میدان" آن را "زیباترین تئوری های فیزیکی موجود" نامیدند. ماکس بورن، فیزیکدان آلمانی، درباره کشف نظریه نسبیت گفت: «من آن را به عنوان یک اثر هنری تحسین می کنم. و فیزیکدان شوروی، وی. گینزبورگ، نوشت که این حس "...احساس... شبیه حسی است که در نگاه کردن به برجسته ترین شاهکارهای نقاشی، مجسمه سازی یا معماری تجربه می شود."

البته تلاش‌های متعدد برای ارائه عمومی نظریه انیشتین می‌تواند تصوری کلی از آن ایجاد کند. اما، صادقانه بگوییم، به همان اندازه که آشنایی با بازتولید «مدونا سیستین» با تجربه‌ای که هنگام مشاهده نسخه اصلی خلق شده توسط نابغه رافائل به دست می‌آید، شباهت کمی به لذت دانستن خود نظریه دارد.

و با این حال، وقتی فرصتی برای تحسین نسخه اصلی وجود ندارد، می توانید (و باید!) با نسخه های موجود، ترجیحاً خوب (و همه نوع وجود دارد) آشنا شوید.

Novikov I.D.

تاریخچه سیاهچاله ها

الکسی لوین

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 نمونه تاریخ آخرین فیزیک- عدم علاقه طولانی مدت به سیاهچاله ها، حالت های شدید میدان گرانشی که تقریباً 90 سال پیش پیش بینی شده بود. برای مدت طولانی آنها یک انتزاع صرفاً نظری در نظر گرفته می شدند و تنها در دهه 1960-1970 مردم به واقعیت آنها اعتقاد داشتند. با این حال، معادله اصلی برای نظریه سیاهچاله ها 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 می کند که سرعت اولیه آن از سرعتی که اکنون سرعت فرار دوم نامیده می شود بیشتر شود. 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 آمریکایی بمب اتمیرابرت اوپنهایمر ثابت کرد که چنین حدی 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 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 رویدادهایی است که می تواند برای ستاره شناسان زمینی (و هر دیگری) شناخته شود، و رویدادهایی که اطلاعاتی در مورد 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.

تشعشع 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 یک زمینه کوانتومی، قطر آن با طول پلانک-ویلر، تقریبا برابر با 10 تا 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 تابش 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 ویژه، ثابت کرد که افق یک سیاهچاله فوتون‌ها را دقیقاً به همان شکلی که یک جسم کاملاً سیاه 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 بمب هیدروژنی ده مگاتنی را آزاد می کند. 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 مقدار محدود کننده را به عنوان بعد جرم در نظر بگیریم، 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، شما نیاز دارید. برای ضرب h و C 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 10-33 سانتی متر به دست می آید) و با بعد زمان (10-43 ثانیه) ساخت.
مارکوف در استدلال خود فراتر رفت. طبق فرضیه های 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 سیاهچاله هایی با جرم دلخواه می توانند بلافاصله پس از آن متولد شوند مهبانگ، که باعث پیدایش جهان ما شد. 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 آتش‌بازی‌های کیهانی به راه بیندازند. شراره های قدرتمندتابش گاما با این حال، چنین انفجارهایی تا کنون مشاهده نشده است.

کارخانه سیاه چاله

آیا می توان ذرات موجود در یک شتاب دهنده را به چنین انرژی بالایی شتاب داد تا 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 زنده می ماند. 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 نخواهد بود. 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.

سوپر فلایویل های فضایی

سیاهچاله های خنثی الکتریسیته ساکن که در مورد آنها صحبت کردیم کاملاً غیر معمولی از دنیای واقعی هستند. ستاره های فروپاشیده معمولاً می چرخند و ممکن است بار الکتریکی نیز داشته باشند.

قضیه طاسی

حفره های غول پیکر در هسته های کهکشانی به احتمال زیاد از مراکز اولیه تراکم گرانشی تشکیل شده اند - یک حفره "پس از ستاره" یا چندین سوراخ که در نتیجه برخورد با هم ادغام شده اند. چنین سوراخ های بذری ستارگان نزدیک و گاز بین ستاره ای را می بلعند و در نتیجه جرم آنها را چندین برابر می کنند. ماده ای که دوباره به زیر افق می افتد هم بار الکتریکی دارد (ذرات گاز و غبار کیهانی به راحتی یونیزه می شوند) و هم یک لحظه چرخشی (سقوط با یک پیچ و تاب و به صورت مارپیچ رخ می دهد). در هر فرآیند فیزیکیممان اینرسی و بار حفظ می شوند و بنابراین طبیعی است که فرض کنیم تشکیل سیاهچاله ها نیز از این قاعده مستثنی نیست.

اما یک گزاره حتی قوی تر نیز صادق است که مورد خاصی از آن در قسمت اول مقاله بیان شد (به A. Levin, The Amazing History of Black holes, Popular Mechanics شماره 11, 2005 مراجعه کنید). اجداد یک سیاهچاله ماکروسکوپی هر چه که باشد، فقط جرم، گشتاور و بار الکتریکی از آنها دریافت می کند. به گفته جان ویلر، "سیاهچاله مو ندارد." درست تر است که بگوییم بیش از سه "مو" از افق هر سوراخ آویزان نیست، که با تلاش های ترکیبی چندین فیزیکدان نظری در دهه 1970 ثابت شد. درست است، یک بار مغناطیسی نیز باید در سوراخ حفظ شود، حامل های فرضی آن، تک قطبی های مغناطیسی، توسط پل دیراک در سال 1931 پیش بینی شد. با این حال، این ذرات هنوز کشف نشده اند، و صحبت در مورد چهارمین "مو" خیلی زود است. در اصل، ممکن است "موهای" اضافی مرتبط با میدان های کوانتومی وجود داشته باشد، اما در یک سوراخ ماکروسکوپی آنها کاملا نامرئی هستند.

و با این حال می چرخند

اگر ستاره ایستا دوباره شارژ شود، متریک فضا-زمان تغییر می کند، اما افق رویداد همچنان کروی باقی می ماند. با این حال، به دلایلی، سیاهچاله های ستاره ای و کهکشانی نمی توانند بار زیادی حمل کنند، بنابراین از نظر اخترفیزیک این مورد چندان جالب نیست. اما چرخش سوراخ عواقب جدی تری دارد. ابتدا شکل افق تغییر می کند. نیروهای گریز از مرکز آن را در امتداد محور چرخش فشرده می کنند و در صفحه استوایی می کشند، به طوری که کره به چیزی شبیه به یک بیضی تبدیل می شود. در اصل، همان چیزی که با هر جسم در حال چرخش، به ویژه در سیاره ما، در افق اتفاق می افتد - از این گذشته، شعاع استوایی زمین 21.5 کیلومتر بیشتر از قطبی است. ثانیاً چرخش ابعاد خطی افق را کاهش می دهد. به یاد بیاورید که افق رابط بین رویدادهایی است که ممکن است سیگنال هایی را به جهان های دور ارسال کنند یا ندهند. اگر گرانش سوراخ کوانتوم های نور را جذب کند، برعکس، نیروهای گریز از مرکز به فرار آنها به فضای بیرونی کمک می کنند. بنابراین، افق یک سوراخ دوار باید نزدیکتر به مرکز آن قرار گیرد تا افق یک ستاره ساکن با همان جرم.

اما این همه ماجرا نیست. سوراخ در چرخش آن فضای اطراف را با خود می برد. در مجاورت سوراخ، حباب کامل است؛ در حاشیه به تدریج ضعیف می شود. بنابراین، افق سوراخ در منطقه خاصی از فضا - ارگوسفر - غوطه ور می شود. مرز ارگوسفر افق را در قطب ها لمس می کند و در صفحه استوایی از آن دورتر می شود. در این سطح، سرعت جذب فضا برابر با سرعت نور است. در داخل آن بیشتر از سرعت نور است و در خارج از آن کمتر است. بنابراین هر بدن مادیچه یک مولکول گاز باشد، چه ذره ای از غبار کیهانی یا یک کاوشگر شناسایی، وقتی وارد ارگوسفر می شود، مطمئناً شروع به چرخش در اطراف سوراخ و در همان جهت خود می کند.

ژنراتورهای ستاره ای

وجود یک ارگوسفر، در اصل، اجازه می دهد تا از سوراخ به عنوان منبع انرژی و. اجازه دهید مقداری جسم به داخل ارگوسفر نفوذ کند و در آنجا به دو قطعه تقسیم شود. ممکن است معلوم شود که یکی از آنها زیر افق می افتد و دیگری ارگوسفر را ترک می کند و انرژی جنبشی آن از انرژی اولیه کل بدن فراتر می رود! ارگوسفر همچنین توانایی تقویت تشعشعات الکترومغناطیسی را دارد که بر روی آن می ریزد و دوباره در فضا پراکنده می شود (به این پدیده ابرتابش می گویند).

با این حال، قانون بقای انرژی تزلزل ناپذیر است - ماشین های حرکت دائمی وجود ندارند. هنگامی که یک سوراخ انرژی را به ذرات یا تشعشع می دهد، انرژی دورانی خودش کاهش می یابد. سوپر فلایویل کیهانی به تدریج کند می شود و در نهایت ممکن است حتی متوقف شود. محاسبه می شود که از این طریق می توان تا 29 درصد از جرم سوراخ را به انرژی تبدیل کرد. تنها فرآیند مؤثرتر از این، نابودی ماده و پادماده است، زیرا در این حالت جرم به طور کامل به تشعشع تبدیل می شود. اما سوخت گرما هسته ای خورشیدی با راندمان بسیار پایین تر می سوزد - حدود 0.6٪.

در نتیجه، یک سیاهچاله به سرعت در حال چرخش تقریباً یک مولد انرژی ایده آل برای ابرتمدن های کیهانی است (البته اگر چنین باشد). در هر صورت طبیعت از زمان های بسیار قدیم از این منبع استفاده می کرده است. کوازارها، قدرتمندترین «ایستگاه‌های رادیویی» فضایی (منابع امواج الکترومغناطیسی)، از انرژی حفره‌های چرخان غول‌پیکر واقع در هسته کهکشان‌ها تغذیه می‌شوند. این فرضیه توسط ادوین سالپیتر و یاکوف زلدوویچ در سال 1964 مطرح شد و از آن زمان به طور کلی پذیرفته شده است. ماده ای که به سوراخ نزدیک می شود ساختار حلقه ای شکلی را تشکیل می دهد که به اصطلاح دیسک برافزایشی نامیده می شود. از آنجایی که فضای نزدیک سوراخ به شدت در اثر چرخش آن پیچ خورده است، منطقه داخلی دیسک در صفحه استوایی نگه داشته می شود و به آرامی به سمت افق رویداد می نشیند. گاز موجود در این ناحیه در اثر اصطکاک داخلی به شدت گرم می شود و تابش مادون قرمز، نور، فرابنفش و اشعه ایکس و گاهی اوقات پرتوهای گاما تولید می کند. کوازارها همچنین گسیل رادیویی غیر حرارتی را منتشر می کنند که عمدتاً به دلیل اثر سنکروترون است.

آنتروپی بسیار کم عمق

قضیه سوراخ طاس دام بسیار موذیانه ای را پنهان می کند. یک ستاره در حال فروپاشی توده ای از گاز فوق داغ است که توسط نیروهای گرانشی فشرده شده است. هر چه چگالی و دمای پلاسمای ستاره ای بیشتر باشد، نظم کمتر و آشفتگی بیشتری در آن وجود دارد. درجه هرج و مرج با یک کمیت فیزیکی بسیار خاص - آنتروپی بیان می شود. با گذشت زمان، آنتروپی هر جسم جدا شده افزایش می یابد - این ماهیت قانون دوم ترمودینامیک است. آنتروپی ستاره قبل از شروع فروپاشی بسیار زیاد است و به نظر می رسد آنتروپی حفره بسیار کوچک است، زیرا تنها سه پارامتر برای توصیف بدون ابهام سوراخ مورد نیاز است. آیا قانون دوم ترمودینامیک در هنگام فروپاشی گرانشی نقض می شود؟

آیا می توان فرض کرد که وقتی یک ستاره به یک ابرنواختر تبدیل می شود، آنتروپی آن همراه با پوسته پرتاب شده از بین می رود؟ متاسفانه نه. اولا، جرم پوسته را نمی توان با جرم ستاره مقایسه کرد، بنابراین از دست دادن آنتروپی کم خواهد بود. ثانیاً، دستیابی به یک "رد ذهنی" قانع کننده تر از قانون دوم ترمودینامیک دشوار نیست. اجازه دهید جسمی با دمای غیر صفر، که دارای نوعی آنتروپی است، در منطقه جذب یک سوراخ آماده قرار گیرد. با قرار گرفتن در افق رویداد، همراه با ذخایر آنتروپی خود ناپدید می شود و آنتروپی حفره ظاهراً به هیچ وجه افزایش نخواهد یافت. این وسوسه انگیز است که بگوییم آنتروپی بیگانه ناپدید نمی شود، بلکه به داخل سوراخ منتقل می شود، اما این فقط یک ترفند کلامی است. قوانین فیزیک در دنیایی که برای ما و ابزارهای ما قابل دسترسی است برآورده می شود، و منطقه زیر افق رویداد برای هر ناظر خارجی، ناشناس است.

این پارادوکس توسط جاکوب بکنشتاین، دانشجوی فارغ التحصیل ویلر حل شد. ترمودینامیک منبع فکری بسیار قدرتمندی دارد - مطالعه نظری موتورهای حرارتی ایده آل. بکنشتاین با استفاده از یک سیاهچاله به عنوان گرمکن، وسیله ای ذهنی ابداع کرد که گرما را به کار مفید تبدیل می کند. او با استفاده از این مدل آنتروپی یک سیاهچاله را محاسبه کرد. که مشخص شد متناسب با مساحت افق رویداد است. این مساحت با مربع شعاع سوراخ متناسب است که به یاد بیاورید با جرم آن متناسب است. هنگام گرفتن هر جسم خارجی، جرم سوراخ افزایش می یابد، شعاع طولانی می شود، مساحت افق افزایش می یابد و بر این اساس، آنتروپی افزایش می یابد. محاسبات نشان داده است که آنتروپی سوراخی که یک جسم بیگانه را بلعیده است از کل آنتروپی این جسم و حفره قبل از برخورد آنها بیشتر است. به طور مشابه، آنتروپی یک ستاره در حال فروپاشی چندین مرتبه کمتر از آنتروپی حفره جانشین است. در واقع، از استدلال بکنشتاین چنین برمی‌آید که سطح سوراخ دمایی غیر صفر دارد و بنابراین به سادگی مجبور به انتشار فوتون‌های حرارتی (و اگر به اندازه کافی گرم شود، ذرات دیگر) را دارد. با این حال، بکنشتاین جرات نکرد تا این حد پیش برود (استیون هاوکینگ این قدم را برداشت).

به چی رسیدیم؟ تفکر در مورد سیاهچاله ها نه تنها قانون دوم ترمودینامیک را دست نخورده باقی می گذارد، بلکه به ما امکان می دهد مفهوم آنتروپی را غنی کنیم. آنتروپی یک جسم فیزیکی معمولی کم و بیش متناسب با حجم آن است و آنتروپی یک سوراخ متناسب با سطح افق است. می توان به شدت ثابت کرد که از آنتروپی هر جسم مادی با ابعاد خطی یکسان بیشتر است. این به آن معنا است بیشترینآنتروپی یک منطقه بسته از فضا تنها با مساحت مرز بیرونی آن تعیین می شود! همانطور که می بینیم، تجزیه و تحلیل نظری از خواص سیاهچاله ها به ما امکان می دهد تا نتایج بسیار عمیقی از ماهیت فیزیکی کلی بگیریم.

نگاه کردن به اعماق کیهان

جستجوی سیاهچاله ها در اعماق فضا چگونه انجام می شود؟ مکانیک محبوب این سوال را از رامش نارایان اخترفیزیکدان معروف و استاد دانشگاه هاروارد پرسید.

کشف سیاهچاله ها را باید یکی از بزرگترین دستاوردهای نجوم و اخترفیزیک مدرن دانست. در دهه های اخیر، هزاران منبع در فضا شناسایی شده است تابش اشعه ایکسکه هر کدام از یک ستاره معمولی و یک جسم بسیار کوچک غیر نورانی تشکیل شده است که توسط یک قرص برافزایش احاطه شده است. اجسام تاریک با جرم های یک و نیم تا سه خورشیدی به احتمال زیاد ستاره های نوترونی هستند. با این حال، در میان این اجرام نامرئی حداقل دوجین تقریباً صد در صد نامزد برای نقش یک سیاهچاله وجود دارد. علاوه بر این، دانشمندان به اجماع رسیده اند که حداقل دو سیاهچاله غول پیکر در هسته های کهکشانی پنهان شده اند. یکی از آنها در مرکز کهکشان ما قرار دارد. طبق انتشار سال گذشته اخترشناسان از ایالات متحده و آلمان، جرم آن 3.7 میلیون جرم خورشیدی (M s) است. چندین سال پیش، همکاران من در مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونیان، جیمز موران و لینکلن گرین‌هیل، سهم عمده‌ای در وزن کردن حفره مرکز کهکشان سیفرت NGC 4258 کردند که با سرعت 35 میلیون متر ثانیه به داخل کشیده شد. به احتمال زیاد، در هسته بسیاری از کهکشان ها حفره هایی با جرم از یک میلیون تا چند میلیارد Ms وجود دارد.

هنوز نمی توان از روی زمین نشانه واقعا منحصر به فرد یک سیاهچاله را تشخیص داد - وجود یک افق رویداد. با این حال، ما قبلاً می دانیم که چگونه عدم وجود آن را تأیید کنیم. شعاع یک ستاره نوترونی 10 کیلومتر است. همان ترتیب قدر شعاع حفره هایی است که در نتیجه فروپاشی ستاره به وجود آمده اند. با این حال، یک ستاره نوترونی دارای یک سطح جامد است، در حالی که یک سوراخ اینطور نیست. سقوط ماده بر روی سطح یک ستاره نوترونی مستلزم انفجارهای گرما هسته ای است که انفجارهای پرتو ایکس دوره ای به مدت یک ثانیه را ایجاد می کند. و هنگامی که گاز به افق سیاهچاله می رسد، به زیر آن می رود و به صورت هیچ تشعشعی خود را نشان نمی دهد. بنابراین، عدم وجود فلاش های کوتاه اشعه ایکس، تاییدی قوی بر ماهیت سوراخ جسم است. هر دوجین سیستم دوتایی که ظاهراً حاوی سیاهچاله‌ها هستند، چنین شعله‌هایی را ساطع نمی‌کنند.

باید اعتراف کرد که اکنون مجبوریم به شواهد منفی از وجود سیاهچاله ها بسنده کنیم. اشیایی که ما آنها را سوراخ می‌دانیم، از دیدگاه مدل‌های نظری پذیرفته‌شده عمومی نمی‌توانند چیز دیگری باشند. به بیان دیگر، ما آنها را سوراخ در نظر می گیریم تنها به این دلیل که نمی توانیم به طور منطقی آنها را چیز دیگری در نظر بگیریم. من امیدوارم که نسل های بعدی ستاره شناسان کمی شانس بیشتری داشته باشند.»

به گفته‌های پروفسور نارایان، می‌توان اضافه کرد که ستاره‌شناسان مدت‌هاست که به واقعیت وجود سیاه‌چاله‌ها اعتقاد داشته‌اند. از نظر تاریخی، اولین نامزد قابل اعتماد برای این موقعیت، ماهواره تیره ابرغول آبی بسیار درخشان HDE 226868، در فاصله 6500 سال نوری از ما بود. در اوایل دهه 1970 در Cygnus X-1 باینری اشعه ایکس کشف شد. طبق آخرین داده ها، جرم آن حدود 20 Ms است. شایان ذکر است که در 20 سپتامبر سال جاری، داده هایی منتشر شد که تقریباً به طور کامل تردیدها را در مورد واقعیت یک حفره دیگر با ابعاد کهکشانی که اخترشناسان برای اولین بار 17 سال پیش به وجود آن مشکوک بودند، از بین برد. این کهکشان در مرکز کهکشان M31 قرار دارد که به سحابی آندرومدا معروف است. گلکسی M31 بسیار قدیمی و تقریباً 12 میلیارد سال است. این سوراخ نیز بسیار بزرگ است - 140 میلیون جرم خورشید. در پاییز سال 2005، ستاره شناسان و اخترفیزیکدانان سرانجام به وجود سه سیاهچاله کلان پرجرم و ده ها تن دیگر از همراهان ساده ترشان متقاعد شدند.

حکم نظریه پردازان

Popular Mechanics همچنین موفق شد با دو تن از معتبرترین متخصصان نظریه گرانش که دهه ها را به تحقیق در زمینه سیاهچاله ها اختصاص داده اند، صحبت کند. از آنها خواستیم مهمترین دستاوردهای این حوزه را فهرست کنند. در اینجا چیزی است که کیپ تورن، استاد فیزیک نظری کلتک به ما گفت:

"اگر ما در مورد سیاهچاله های ماکروسکوپی صحبت کنیم که به خوبی توسط معادلات نسبیت عام توصیف شده اند، نتایج اصلی در زمینه نظریه آنها در دهه 60-80 قرن بیستم به دست آمد. در مورد کارهای اخیر، جالب ترین آنها درک بهتر فرآیندهایی را که در داخل سیاهچاله با افزایش سن رخ می دهند، ممکن ساخت. که در سال های گذشتهتوجه قابل توجهی به مدل های سیاهچاله ها در فضاهای چند بعدی می شود که به طور طبیعی در نظریه ریسمان ظاهر می شوند. اما این مطالعات دیگر مربوط به مطالعات کلاسیک نیست، بلکه مربوط به حفره های کوانتومی است که هنوز کشف نشده اند. نتیجه اصلی سال‌های اخیر تأیید اخترفیزیکی بسیار قانع‌کننده واقعیت وجود حفره‌هایی با جرم چندین جرم خورشیدی و همچنین حفره‌های بسیار پرجرم در مراکز کهکشان‌ها است. امروز دیگر هیچ شکی وجود ندارد که این حفره ها واقعا وجود دارند و ما به خوبی فرآیند شکل گیری آنها را درک می کنیم.

والری فرولوف، دانشجوی آکادمیک مارکوف و استاد دانشگاه استان آلبرتای کانادا، به همین سوال پاسخ داد:

اول از همه، من کشف یک سیاهچاله در مرکز کهکشان ما را نام می برم. مطالعات نظری حفره‌ها در فضاهایی با ابعاد اضافی نیز بسیار جالب است، که از آن‌ها امکان تولد مینی‌چاله‌ها در آزمایش‌های شتاب‌دهنده‌های برخورددهنده و در فرآیندهای برهم‌کنش پرتوهای کیهانی با ماده‌ی زمینی به دست می‌آید. استیون هاوکینگ اخیراً پیش چاپ مقاله ای را ارسال کرده است که نشان می دهد تابش حرارتی یک سیاهچاله به طور کامل به آن باز می گردد. دنیای خارجیاطلاعاتی در مورد وضعیت اجسامی که در زیر افق آن قرار گرفته اند. او قبلاً معتقد بود که این اطلاعات به طور غیرقابل برگشتی از بین می رود، اما اکنون به نتیجه معکوس رسیده است. با این حال، باید تاکید کرد که این مشکل در نهایت تنها بر اساس نظریه کوانتومی گرانش که هنوز ساخته نشده است، قابل حل است.

کار هاوکینگ سزاوار یک نظر جداگانه است. از اصول کلی مکانیک کوانتومی چنین استنباط می شود که هیچ اطلاعاتی بدون ردیابی ناپدید نمی شود، بلکه فقط به شکلی کمتر «خوانا» تبدیل می شود. با این حال، سیاه‌چاله‌ها به‌طور برگشت‌ناپذیر ماده را از بین می‌برند و ظاهراً با اطلاعات به همان شدت برخورد می‌کنند. در سال 1976، هاوکینگ مقاله ای منتشر کرد که در آن این نتیجه گیری توسط دستگاه های ریاضی تایید شد. برخی از نظریه پردازان با او موافق بودند، برخی نه. به ویژه، نظریه پردازان ریسمان معتقد بودند که اطلاعات غیرقابل تخریب است. تابستان گذشته، در کنفرانسی در دوبلین، هاوکینگ گفت که اطلاعات هنوز حفظ شده و همراه با تشعشعات حرارتی از سطح سوراخ تبخیر خارج می شود. در این جلسه، هاوکینگ تنها نموداری از محاسبات جدید خود ارائه کرد و قول داد که آنها را به طور کامل در طول زمان منتشر کند. و اکنون همانطور که والری فرولوف گفت این اثر به صورت پیش چاپ در دسترس قرار گرفته است.

در نهایت از پروفسور فرولوف خواستیم توضیح دهد که چرا سیاهچاله ها را یکی از خارق العاده ترین اختراعات هوش بشر می داند.

اخترشناسان مدت‌هاست که اجسامی را کشف کرده‌اند که برای درک آنها نیازی به ایده‌های فیزیکی جدید نیست. این نه تنها در مورد سیارات، ستاره ها و کهکشان ها، بلکه در مورد اجرام عجیب و غریب مانند کوتوله های سفید و ستاره های نوترونی نیز صدق می کند. اما یک سیاهچاله چیزی کاملاً متفاوت است، این یک پیشرفت به سوی ناشناخته است. یکی گفت که درونش بهترین مکان برای قرار دادن عالم اموات است. مطالعه حفره‌ها، به‌ویژه تکینگی‌ها، صرفاً استفاده از مفاهیم و مدل‌های غیراستانداردی را مجبور می‌کند که تا همین اواخر عملاً در فیزیک مورد بحث قرار نمی‌گرفتند - برای مثال، گرانش کوانتومی و نظریه ریسمان. بسیاری از مشکلات در اینجا به وجود می آیند که برای فیزیک غیرعادی هستند، حتی دردناک، اما، همانطور که اکنون مشخص است، کاملا واقعی هستند. بنابراین، مطالعه حفره ها دائماً نیازمند رویکردهای نظری اساساً جدید است، از جمله رویکردهایی که در لبه دانش ما از جهان فیزیکی قرار دارند.

بر اساس بیانیه اخیر ستاره شناسان دانشگاه اوهایو، هسته دوگانه غیرمعمول در کهکشان آندرومدا توسط خوشه ای از ستارگان که در مدارهای بیضی شکل به دور یک جرم عظیم در حال چرخش هستند توضیح داده می شود، به احتمال زیاد یک سیاهچاله. این نتایج بر اساس داده های به دست آمده با استفاده از تلسکوپ فضایی هابل انجام شد. هسته دوتایی آندرومدا برای اولین بار در دهه 70 کشف شد، اما تا اواسط دهه 90 بود که نظریه سیاهچاله ها مطرح شد.

این ایده که سیاهچاله ها در هسته کهکشان ها وجود دارند، جدید نیست.

حتی دلایل زیادی وجود دارد که باور کنیم کهکشان راه شیری - کهکشانی که زمین به آن تعلق دارد - یک سیاهچاله بزرگ در هسته خود دارد که جرم آن 3 میلیون بار بیشتر از جرم خورشید است. با این حال، کاوش در هسته کهکشان آندرومدا، که در فاصله 2 میلیون سال نوری قرار دارد، آسان تر از هسته کهکشان ما است، که نور تنها 30 هزار سال به آن سفر می کند - شما نمی توانید جنگل را برای درختان ببینید.

دانشمندان برخورد سیاهچاله ها را شبیه سازی می کنند

کاربرد شبیه سازی عددی بر روی ابررایانه ها برای روشن شدن ماهیت و رفتار سیاهچاله ها، مطالعه امواج گرانشی.

برای اولین بار، دانشمندان مؤسسه فیزیک گرانشی (Max-Planck-Institut fur Gravitationsphysik)، که با نام مؤسسه آلبرت انیشتین نیز شناخته می شود و در گلم، حومه پوتسدام (آلمان) واقع شده است، ادغام دو سیاهچاله را شبیه سازی کردند. تشخیص برنامه ریزی شده امواج گرانشی ساطع شده از دو سیاهچاله در حال ادغام نیاز به شبیه سازی سه بعدی کامل در ابررایانه ها دارد.

سیاهچاله ها آنقدر متراکم هستند که هیچ نوری را بازتاب نمی کنند یا ساطع نمی کنند - به همین دلیل است که تشخیص آنها بسیار دشوار است. با این حال، در چند سال آینده، دانشمندان امیدوار به تغییر قابل توجهی در این زمینه هستند.

امواج گرانشی، که به معنای واقعی کلمه فضای بیرون را پر می کنند، ممکن است با استفاده از ابزارهای جدید در آغاز قرن آینده شناسایی شوند.

دانشمندان به رهبری پروفسور اد سیدل (دکتر اد سیدل) در حال آماده سازی شبیه سازی های عددی برای چنین مطالعاتی هستند که روشی قابل اعتماد برای تشخیص امواج تولید شده توسط سیاهچاله ها در اختیار ناظران قرار می دهد. پروفسور سیدل که در سال های اخیر تحقیقات موفقی را در شبیه سازی امواج گرانشی که هنگام فروپاشی سیاهچاله ها در برخوردهای مستقیم ظاهر می شوند، انجام داده است، گفت: "برخورد سیاهچاله ها یکی از منابع اصلی امواج گرانشی است."

با این حال، برهم کنش دو سیاهچاله مارپیچی و ادغام آنها بیشتر از برخورد مستقیم است و در نجوم اهمیت بیشتری دارد. چنین برخوردهای مماسی اولین بار توسط برند بروگمن که در موسسه آلبرت انیشتین کار می کرد محاسبه شد.

با این حال، به دلیل کمبود قدرت محاسباتی در آن زمان، او قادر به محاسبه جزئیات مهم مانند ردیابی دقیق امواج گرانشی ساطع شده، که حاوی اطلاعات مهمی در مورد رفتار سیاهچاله ها در هنگام برخورد است، نبود. بروگمن آخرین نتایج را در مجله بین المللی فیزیک مدرن منتشر کرد.

بروگمن در اولین محاسبات خود از سرور موسسه Origin 2000 استفاده کرد که شامل 32 پردازنده مجزا است که به طور موازی با حداکثر عملکرد 3 میلیارد عملیات در ثانیه کار می کنند. و در ژوئن سال جاری، یک تیم بین‌المللی متشکل از بروگمن، سیدل و دانشمندان دیگر در حال کار با یک ابررایانه 256 پردازنده بسیار قوی‌تر Origin 2000 در مرکز ملی کاربردهای ابررایانه (NCSA) بودند. این گروه همچنین شامل دانشمندانی از

دانشگاه سنت لوئیس (ایالات متحده آمریکا) و از مرکز تحقیقاتی Konrad-Zuse-Zentrum در برلین. این ابررایانه اولین شبیه سازی دقیق از برخورد مماسی سیاهچاله های با جرم نابرابر و همچنین چرخش آنها را که بروگمن قبلاً مطالعه کرده بود، ارائه کرد. ورنر بنگر از Konrad-Zuse-Zentrum حتی موفق شد تصویری خیره کننده از روند برخورد را بازتولید کند. نشان داده شد که چگونه "هیولاهای سیاه" با جرم های مختلف از یک تا چند صد میلیون خورشید با هم ادغام می شوند و موج های گرانشی را ایجاد می کنند که به زودی با وسایل ویژه قابل شناسایی هستند.

یکی از مهم ترین نتایج این است کار تحقیقاتیکشف انرژی عظیمی بود که در هنگام برخورد سیاهچاله ها به شکل امواج گرانشی ساطع می شد. اگر دو جسم با جرمی معادل جرم 10 و 15 خورشیدی در فاصله 30 مایلی از یکدیگر قرار گیرند و با هم برخورد کنند، مقدار انرژی گرانشی معادل 1٪ جرم آنها است. "این هزار برابر بیشتر از تمام انرژی آزاد شده توسط خورشید ما در طول پنج میلیارد سال گذشته است." - بروگمن اشاره کرد. از آنجایی که بیشتر برخوردهای بزرگ در جهان بسیار دور از زمین اتفاق می‌افتد، سیگنال‌ها باید در لحظه رسیدن به زمین بسیار ضعیف شوند.

ساخت چندین آشکارساز با دقت بالا در سراسر جهان آغاز شده است.

یکی از آنها که توسط موسسه ماکس پلانک به عنوان بخشی از پروژه آلمانی-بریتانیایی Geo 600 ساخته شده است، یک تداخل سنج لیزری به طول 0.7 مایل است. دانشمندان امیدوارند اغتشاشات گرانشی کوتاهی را که در طول برخوردهای سیاهچاله رخ می دهد اندازه گیری کنند، اما آنها انتظار دارند تنها یک چنین برخورد در سال و در فاصله حدود 600 میلیون سال نوری باشد. مدل های کامپیوتری برای ارائه اطلاعات قابل اعتماد در مورد تشخیص امواج تولید شده توسط سیاهچاله ها مورد نیاز است. به لطف پیشرفت در قابلیت‌های شبیه‌سازی ابر رایانه، دانشمندان در آستانه نوع جدیدی از فیزیک تجربی هستند.

ستاره شناسان می گویند که مکان هزاران سیاهچاله را می دانند، اما ما قادر به انجام هیچ آزمایشی با آنها روی زمین نیستیم. پروفسور برنارد شوتز، مدیر مؤسسه آلبرت انیشتین، توضیح داد: «فقط در یک مورد می‌توانیم جزئیات را مطالعه کرده و یک مدل عددی از آنها در رایانه‌های خود بسازیم و آن را مشاهده کنیم». من معتقدم که مطالعه سیاهچاله ها یک موضوع تحقیقاتی کلیدی برای ستاره شناسان در دهه اول قرن آینده خواهد بود.

ستاره همراه به شما امکان می دهد غبار ابرنواختر را ببینید.

سیاهچاله ها را نمی توان مستقیماً مشاهده کرد، اما ستاره شناسان می توانند شواهدی از وجود آنها را هنگامی که گازها به سمت یک ستاره همراه پرتاب می کنند، مشاهده کنند.

اگر دینامیت منفجر شود، قطعات ریز ماده منفجره عمیقاً در اجسام مجاور فرو می‌رود و در نتیجه شواهد دائمی از انفجار باقی می‌ماند.

اخترشناسان اثر مشابهی بر روی ستاره‌ای که به دور یک سیاه‌چاله می‌چرخد، پیدا کرده‌اند، بدون اینکه بی‌دلیل باور کنند که سیاه‌چاله - ستاره‌ای سابق که به شدت فرو ریخته بود که حتی نور هم نمی‌تواند بر کشش گرانشی آن غلبه کند - توسط یک انفجار ابرنواختری ایجاد شده است.

نور در تاریکی.

در این زمان، اخترشناسان انفجارهای ابرنواختری را مشاهده کرده و اجرام خالدار را در محل آنها کشف کرده بودند که به نظر آنها سیاهچاله بودند. کشف جدید اولین شواهد واقعی از ارتباط بین یک رویداد و رویداد دیگر است. (سیاهچاله ها را نمی توان مستقیماً مشاهده کرد، اما وجود آنها را گاهی می توان از تأثیر میدان گرانشی آنها بر روی اجرام مجاور استنباط کرد.

منظومه ستاره و سیاهچاله با نام GRO J1655-40 در فاصله 10000 سال نوری در کهکشان ما قرار دارد. راه شیری. در سال 1994 کشف شد و با شراره های قوی خود توجه ستاره شناسان را به خود جلب کرد. اشعه ایکسو رگباری از امواج رادیویی در حالی که سیاهچاله گازها را به سمت ستاره همراه خود در فاصله 7.4 میلیون مایلی هل داد.

محققانی از اسپانیا و آمریکا شروع به بررسی دقیق‌تر ستاره همراه کردند و بر این باور بودند که می‌تواند ردپایی را حفظ کند که نشان‌دهنده روند تشکیل یک سیاه‌چاله است.

تصور می‌شود که سیاه‌چاله‌های به‌اندازه ستاره، بدنه‌ای از ستارگان بزرگ هستند که پس از مصرف تمام سوخت هیدروژنی خود به آن اندازه کوچک می‌شوند. اما به دلایلی که هنوز مشخص نیست، ستاره در حال مرگ قبل از انفجار به یک ابرنواختر تبدیل می شود.

مشاهدات GRO J1655-40 در آگوست و سپتامبر 1994 نشان داد که گاز پرتاب شده با سرعتی تا 92 درصد سرعت نور جریان دارد و شواهدی جزئی از وجود یک سیاهچاله ارائه می دهد.

گرد و غبار ستاره.

اگر دانشمندان اشتباه نکنند، برخی از ستارگان در حال انفجار، که احتمالاً 25 تا 40 برابر بزرگتر از خورشید ما بودند، به ماهواره های زنده تبدیل شدند.

این دقیقاً همان داده‌هایی است که اخترشناسان کشف کردند.

اتمسفر ستاره همراه حاوی غلظت‌های بالاتر از حد معمول اکسیژن، منیزیم، سیلیکون و گوگرد بود – عناصر سنگینی که تنها در دمای چند میلیارد درجه‌ای که در یک انفجار ابرنواختری به دست می‌آیند، در مقادیر زیاد ایجاد می‌شوند. این اولین شواهدی بود که واقعاً این نظریه را تأیید می کرد که برخی از سیاهچاله ها برای اولین بار به عنوان ابرنواختر ظاهر شدند، زیرا آنچه دیده می شد نمی توانست از ستاره ای که اخترشناسان مشاهده کردند متولد شود.

مفهوم سیاهچاله برای همه شناخته شده است - از دانش آموزان مدرسه گرفته تا افراد مسن؛ از آن در علم و دانش استفاده می شود. ادبیات خارق العاده، در رسانه های تبلوید و در کنفرانس های علمی. اما دقیقاً چنین سوراخ هایی برای همه مشخص نیست.

از تاریخچه سیاهچاله ها

1783اولین فرضیه وجود چنین پدیده ای به عنوان سیاهچاله در سال 1783 توسط دانشمند انگلیسی جان میشل مطرح شد. او در تئوری خود، دو آفرینش نیوتن - اپتیک و مکانیک را با هم ترکیب کرد. ایده میشل این بود: اگر نور جریانی از ذرات ریز است، آنگاه مانند همه اجسام دیگر، ذرات باید جاذبه میدان گرانشی را تجربه کنند. به نظر می رسد که هر چه جرم ستاره بیشتر باشد، مقاومت نور در برابر جاذبه اش دشوارتر است. 13 سال پس از میشل، لاپلاس اخترشناس و ریاضیدان فرانسوی (به احتمال زیاد مستقل از همکار انگلیسی خود) نظریه مشابهی را مطرح کرد.

1915با این حال، تمام آثار آنها تا آغاز قرن بیستم بی ادعا باقی ماندند. در سال 1915، آلبرت اینشتین نظریه نسبیت عام را منتشر کرد و نشان داد که گرانش انحنای فضازمان ناشی از ماده است و چند ماه بعد، اخترشناس و فیزیکدان نظری آلمانی کارل شوارتزشیلد از آن برای حل یک مشکل نجومی خاص استفاده کرد. او ساختار فضا-زمان منحنی اطراف خورشید را کاوش کرد و پدیده سیاهچاله ها را دوباره کشف کرد.

(جان ویلر اصطلاح "سیاه چاله ها" را ابداع کرد)

1967جان ویلر، فیزیکدان آمریکایی، فضایی را ترسیم کرد که می‌توان آن را مانند یک تکه کاغذ در یک نقطه بینهایت کوچک مچاله کرد و آن را با عبارت «سیاه چاله» نامید.

1974فیزیکدان بریتانیایی استیون هاوکینگ ثابت کرد که سیاهچاله ها، گرچه مواد را بدون بازگشت جذب می کنند، می توانند تشعشع ساطع کنند و در نهایت تبخیر شوند. این پدیده "تابش هاوکینگ" نامیده می شود.

2013آخرین تحقیقات در مورد تپ اخترها و اختروش ها و همچنین کشف تابش پس زمینه مایکروویو کیهانی، سرانجام توصیف مفهوم سیاهچاله ها را ممکن ساخته است. در سال 2013، ابر گازی G2 بسیار به سیاهچاله نزدیک شد و به احتمال زیاد توسط آن جذب خواهد شد، مشاهده یک فرآیند منحصر به فرد فرصت های عظیمی را برای اکتشافات جدید از ویژگی های سیاهچاله ها فراهم می کند.

(جرم پرجرم Sagittarius A*، 4 میلیون بار بزرگتر از خورشید است که به معنای خوشه ای از ستاره ها و تشکیل یک سیاهچاله است.)

2017. گروهی از دانشمندان تلسکوپ افق رویداد که هشت تلسکوپ را از نقاط مختلف قاره‌های زمین به هم متصل می‌کند، سیاهچاله‌ای را رصد کردند که یک جرم کلان جرم است که در کهکشان M87، صورت فلکی سنبله قرار دارد. جرم این جرم 6.5 میلیارد (!) خورشید است، برای مقایسه، با قطری کمی کمتر از فاصله خورشید تا پلوتون، بار غول پیکر بزرگتر از جرم پرجرم Sagittarius A*.

مشاهدات در چند مرحله، از بهار 2017 و در طول دوره های 2018 انجام شد. حجم اطلاعات به پتابایت می رسید که پس از آن باید رمزگشایی می شد و تصویری واقعی از یک شی بسیار دور بدست می آمد. بنابراین، دو سال کامل دیگر طول کشید تا همه داده ها به طور کامل پردازش شوند و آنها در یک کل ترکیب شوند.

2019داده ها با موفقیت رمزگشایی و نمایش داده شدند و اولین تصویر از یک سیاهچاله را تولید کردند.

(اولین تصویر از یک سیاهچاله در کهکشان M87 در صورت فلکی سنبله)

وضوح تصویر به شما امکان می دهد سایه نقطه بدون بازگشت را در مرکز جسم ببینید. این تصویر در نتیجه مشاهدات تداخل سنجی پایه بسیار طولانی به دست آمد. اینها به اصطلاح مشاهدات همزمان یک جسم از چندین تلسکوپ رادیویی هستند که توسط یک شبکه به هم متصل شده اند و در بخش های مختلف کره زمین، در یک جهت هدایت می شود.

سیاهچاله ها واقعا چه هستند

توضیح لاکونیک این پدیده به این صورت است.

سیاهچاله یک منطقه فضا-زمان است که جاذبه گرانشی آن چنان قوی است که هیچ جسمی، از جمله کوانتوم های نوری، نمی تواند از آن خارج شود.

سیاهچاله زمانی یک ستاره پرجرم بود. تا زمانی که واکنش های گرما هسته ای فشار بالایی را در اعماق خود حفظ کنند، همه چیز عادی می ماند. اما با گذشت زمان، منبع انرژی تمام می شود و بدن آسمانی، تحت تأثیر گرانش خود، شروع به فشرده شدن می کند. مرحله نهایی این فرآیند، فروپاشی هسته ستاره و تشکیل سیاهچاله است.

• 1. سیاهچاله یک جت را با سرعت زیاد به بیرون پرتاب می کند


• 2. یک قرص از ماده به سیاهچاله تبدیل می شود


• 3. سیاه چاله


• 4. نمودار دقیق منطقه سیاهچاله


• 5. اندازه مشاهدات جدید یافت شده

رایج ترین نظریه این است که پدیده های مشابه در هر کهکشانی از جمله مرکز راه شیری ما وجود دارد. نیروی گرانشی عظیم این سوراخ قادر است چندین کهکشان را در اطراف خود نگه دارد و از دور شدن آنها از یکدیگر جلوگیری کند. "منطقه پوشش" می تواند متفاوت باشد، همه اینها به جرم ستاره ای که به سیاهچاله تبدیل شده بستگی دارد و می تواند هزاران سال نوری باشد.

شعاع شوارتزشیلد

خاصیت اصلی سیاهچاله این است که هر ماده ای که در آن بیفتد هرگز نمی تواند برگردد. همین امر در مورد نور نیز صدق می کند. در هسته خود، حفره ها اجسامی هستند که به طور کامل تمام نوری را که به آنها می افتد جذب می کنند و هیچ نوری از خود ساطع نمی کنند. چنین اشیایی ممکن است از نظر بصری به صورت لخته هایی از تاریکی مطلق ظاهر شوند.

• 1. حرکت مواد با نصف سرعت نور


• 2. حلقه فوتون


• 3. حلقه فوتون داخلی


• 4. افق رویداد در سیاهچاله

شروع از نظریه عمومیبر اساس نسبیت اینشتین، اگر جسمی به فاصله بحرانی به مرکز سوراخ نزدیک شود، دیگر قادر به بازگشت نخواهد بود. این فاصله را شعاع شوارتزشیلد می نامند. اینکه دقیقاً در داخل این شعاع چه اتفاقی می افتد به طور قطعی مشخص نیست، اما رایج ترین نظریه وجود دارد. اعتقاد بر این است که تمام ماده یک سیاهچاله در یک نقطه بینهایت کوچک متمرکز شده است و در مرکز آن جسمی با چگالی بی نهایت وجود دارد که دانشمندان آن را اغتشاش منفرد می نامند.

سقوط در سیاهچاله چگونه اتفاق می افتد؟

(در تصویر، سیاهچاله Sagittarius A* مانند یک خوشه نور بسیار درخشان به نظر می رسد)

چندی پیش، در سال 2011، دانشمندان یک ابر گازی را کشف کردند که نام ساده G2 را به آن دادند که نور غیرعادی از خود ساطع می کند. این درخشش ممکن است به دلیل اصطکاک در گاز و غبار ناشی از سیاهچاله Sagittarius A* باشد که به عنوان یک قرص برافزایشی به دور آن می چرخد. بنابراین، ما ناظر پدیده شگفت انگیز جذب یک ابر گازی توسط یک سیاهچاله بسیار پرجرم هستیم.

بر اساس مطالعات اخیر، نزدیکترین رویکرد به سیاهچاله در مارس 2014 رخ خواهد داد. ما می توانیم تصویری از چگونگی این نمایش هیجان انگیز را بازسازی کنیم.

• 1. هنگامی که برای اولین بار در داده ها ظاهر می شود، یک ابر گازی شبیه یک توپ بزرگ از گاز و غبار است.


• 2. اکنون، تا ژوئن 2013، این ابر ده ها میلیارد کیلومتر از سیاهچاله فاصله دارد. با سرعت 2500 کیلومتر بر ثانیه داخل آن می افتد.


• 3. انتظار می رود ابر از کنار سیاهچاله عبور کند، اما نیروهای جزر و مدی ناشی از اختلاف گرانش که بر لبه های جلویی و انتهایی ابر اعمال می شود، باعث می شود که شکل فزاینده ای دراز به خود بگیرد.


• 4. پس از پاره شدن ابر، به احتمال زیاد بیشتر آن به دیسک برافزایشی اطراف Sagittarius A* سرازیر می شود و امواج ضربه ای در آن ایجاد می کند. دمای هوا به چند میلیون درجه خواهد رسید.


• 5. بخشی از ابر مستقیماً در سیاهچاله می افتد. هیچ‌کس دقیقاً نمی‌داند که در آینده چه اتفاقی برای این ماده خواهد افتاد، اما انتظار می‌رود که با سقوط جریان‌های قدرتمندی از اشعه ایکس از خود ساطع کند و دیگر هرگز دیده نشود.

ویدئو: سیاهچاله یک ابر گازی را می بلعد

(شبیه سازی کامپیوتری از این که چه مقدار از ابر گازی G2 توسط سیاهچاله Sagittarius A* نابود و مصرف می شود)

آنچه درون یک سیاهچاله است

نظریه ای وجود دارد که بیان می کند که یک سیاهچاله عملاً در داخل خالی است و تمام جرم آن در یک نقطه فوق العاده کوچک در مرکز آن متمرکز شده است - تکینگی.

بر اساس نظریه دیگری که نیم قرن است وجود دارد، هر چیزی که در سیاهچاله می افتد به جهان دیگری که در خود سیاهچاله قرار دارد می گذرد. حالا این نظریه اصلی نیست.

و سومین نظریه مدرن و محکمی وجود دارد که بر اساس آن هر چیزی که در سیاهچاله می افتد در ارتعاشات رشته های سطح آن حل می شود که به عنوان افق رویداد تعیین شده است.

بنابراین افق رویداد چیست؟ نگاه کردن به داخل سیاهچاله حتی با یک تلسکوپ فوق قدرتمند غیرممکن است، زیرا حتی نوری که وارد قیف کیهانی غول پیکر می شود، هیچ شانسی برای بازگشت ندارد. هر چیزی که حداقل می تواند به نوعی در نظر گرفته شود در مجاورت آن قرار دارد.

افق رویداد یک خط سطحی متعارف است که هیچ چیزی (نه گاز، نه غبار، نه ستاره و نه نور) نمی تواند از زیر آن فرار کند. و این همان نقطه اسرارآمیز بدون بازگشت در سیاهچاله های جهان است.