سیاهچاله چیست؟ همه چیز درباره تاریک‌ترین جرم کیهان

سیاهچاله از عجیب‌ترین و جذاب‌ترین اجرام در کیهان است. سیاهچاله‌ها بسیار بسیار چگال هستند و نیروهای گرانشی آن‌ها به اندازه‌ای قوی است که پس از گذر از مرز معروف به افق رویداد، هیچ چیز، حتی نور، نمی‌تواند از آن‌ها فرار کند و بدین ترتیب تاریک‌ترین اجرام کیهان لقب می‌گیرند.

گفته می‌شود کهکشان راه شیری می‌تواند بیش از 100 میلیون سیاهچاله را در خود جای دهد، اگرچه شناسایی این موجودات عظیم و پرخور بسیار دشوار است. در قلب کهکشان راه شیری اما یک سیاهچاله‌ی کلان‌جرم به نام «کمان ای*» (*Sagittarius A) جای گرفته است که به گفته‌ی ناسا حدود 4 میلیون برابر خورشید جرم دارد و فاصله‌ی آن از زمین تقریبا 26 هزار سال نوری است.

نخستین تصویر از یک سیاهچاله در سال 2019 و توسط تلسکوپ افق رویداد (EHT) ثبت شد. عکسی خیره‌کننده که سیاهچاله‌ی مرکز کهکشان M87 در فاصله‌ی 55 میلیون سال نوری از زمین را نشان می‌داد و نه تنها دانشمندان، بلکه بسیاری از مردم سراسر جهان را به وجد آورد. اما این جرم پر رمز و راز فضایی چرا تا این اندازه مورد توجه است و ما چه اطلاعاتی از این سیاه‌ترین نقاط جهان داریم؟

تلسکوپ سلسترون مدل PowerSeeker کد 60

12,500,000

تومان

تلسکوپ زیتازی مدل F70076 NEW

7,900,000

تومان

خرید تلسکوپ از دیجی‌کالا

مشاهده همه

نخستین سیاهچاله کشف شده

برای نخستین بار، «آلبرت اینشتین» (Albert Einstein) در سال 1916 و با نظریه‌ی «نسبیت عام» خود، وجود سیاهچاله‌ها را پیش‌بینی کرد. اصطلاح «سیاه‌چاله» (Black Hole) سال‌ها بعد در 1967 میلادی توسط ستاره‌شناس آمریکایی «جان ویلر» (John Wheeler) ابداع شد؛ آن هم پس از چندین دهه که سیاهچاله‌ها تنها به عنوان اجرام نظری شناخته می‌شدند.

اما اولین سیاهچاله‌ای که کشف شد، «ماکیان ایکس-1» (Cygnus X-1) بود که در کهکشان راه شیری در صورت فلکی «ماکیان» (قو) قرار داشت. این صورت فلکی از درخشان‌ترین و مهم‌ترین صورت‌های فلکی آسمان تابستان است که در دیگر فصل‌های سال هم امکان دیدن آن وجود دارد. بر اساس گزارش ناسا، ستاره‌شناسان نخستین نشانه‌های سیاهچاله را در سال 1964 و زمانی مشاهده کردند که یک موشک پژوهشی، منابع آسمانی پرتو ایکس را شناسایی کرد. در سال 1971 میلادی منجمان تشخیص دادند که پرتوهای ایکس از یک ستاره‌ی آبی درخشان که به دور یک جرم تاریک عجیب می‌چرخد، به زمین می‌رسند. بدین ترتیب پیشنهاد شد که این پرتوهای ایکس، در نتیجه‌ی دور شدن مواد ستاره‌ای از ستاره‌ی درخشان و بلعیده شدن توسط جرمی تاریک، یک سیاهچاله تولید می‌شوند.

طراحی گرافیکی از سیاهچاله ماکیان ایکس 1
Credit: NASA/CXC/M.Weiss

یافتن سیاهچاله‌ها

سیاهچاله‌ها از خود نور گسیل نمی‌کنند و نوری هم بازتاب نمی‌دهند، بنابراین به طور کامل برای تلسکوپ‌ها نامرئی می‌شوند. دانشمندان اساسا آن‌ها را بر پایه‌ی اثری که بر محیط اطراف خود می‌گذارند، شناسایی و مطالعه می‌کنند. سیاهچاله‌ها می‌توانند با حلقه‌هایی از گاز و غبار به نام دیسک‌های برافزایشی احاطه شوند که در طول موج‌های بسیاری از جمله پرتو ایکس نور ساطع می‌کنند.

گرانش شدید یک سیاهچاله‌ی بسیار پرجرم می‌تواند باعث شود که ستاره‌ها به روشی خاص به دور آن بچرخند. برای نمونه اخترشناسان مدار چندین ستاره را در نزدیکی مرکز کهکشان راه شیری ردیابی کردند تا ثابت کنند که سیاهچاله‌ای عظیم در آن قرار دارد و کاشفان این موضوع در سال 2020 جایزه‌ی نوبل را به خود اختصاص دادند. از سویی اجرام عظیم مانند سیاهچاله‌ها می‌توانند نور اجرام دورتر را خم و منحرف کنند. این اثر که «عدسی گرانشی» نام دارد، می‌تواند برای یافتن سیاهچاله‌های مجزایی که بدون این راهکار نامرئی هستند، استفاده شود.

لنز گرانشی ایجاد شده توسط یک سیاهچاله
Credit: Alain Riazuelo, CNRS/IAP

علاوه بر این، هنگامی که اجرام بسیار عظیم در فضا شتاب می‌گیرند، موج‌هایی در بافت فضا-زمان ایجاد می‌کنند که امواج گرانشی نامیده می‌شود. دانشمندان می‌توانند برخی از این موارد را با اثر امواج بر روی آشکارسازها تشخیص دهند. از سوی دیگر شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای هم برای تخمین جرم سیاهچاله‌ها کاربردی است و دانشمندان با استفاده از مدل‌های نظری و شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای، به منظور بررسی رفتار سیاهچاله‌ها و اجرام اطراف آن‌ها استفاده می‌کنند. به ویژه اینکه با مقایسه‌ی نتایج شبیه‌سازی‌ها با رصدهای واقعی، اطلاعات مناسبی درباره‌ی جرم سیاهچاله‌ها به دست می‌آید.

تعداد سیاهچاله‌ها

به گفته‌ی مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی (STScI) تقریبا از هر هزار ستاره، یک ستاره به اندازه‌ی کافی جرم دارد که به سیاهچاله تبدیل شود. بنابراین از آنجا که کهکشان راه شیری بیش از 100 میلیارد ستاره دارد، باید حدود 100 میلیون سیاهچاله را در خود جای داده باشد. هرچند کشف سیاهچاله‌ها کار دشواری است و برآوردهای ناسا نشان می‌دهد که حتی ممکن است بین 10 میلیون تا یک میلیارد سیاهچاله‌ی ستاره‌ای در کهکشان راه شیری وجود داشته باشد.

در حالی که کیهان امروزی ممکن است مملو از اجرام نورانی، یعنی ستاره‌ها باشد، سیاهچاله‌های زیادی هم در کنار آن‌ها حضور دارند. در حال حاضر، برآورد می‌شود که 40 کوینتیلیون (10 به توان 18) سیاهچاله در کیهان قابل مشاهده وجود داشته باشد، اما با گذشت زمان و مرگ ستاره‌های بیشتری، کل جرم سیاهچاله‌ها افزایش می‌یابد.

تعداد سیاهچاله‌ها در جهان رو به افزایش است.
Credit: ESA/Hubble, N. Bartmann

نزدیک‌ترین سیاهچاله به زمین Gaia-BH1 نام دارد که فاصله‌ی آن تنها 1 هزار و 560 سال نوری از زمین است. در همین حال دورترین سیاهچاله‌ی شناخته شده، در مرکز کهکشان QSO J0313-1806 قرار دارد که حدود 13 میلیارد سال دورتر است.

تلسکوپ مدل TWB50600

2 %

4,680,000

4,586,000 تومان

مشاهده و خرید

عکس سیاهچاله

در سال 2019 میلادی، تیم تلسکوپ افق رویداد (EHT) نخستین تصویر ثبت شده از یک سیاهچاله را ارائه داد. EHT در حالی که به گذشته‌ای نگاه می‌کرد که حتی نور از آن راه گریزی ندارد، سیاهچاله را در مرکز کهکشان M87 رصد کرد. این تصویر از دست دادن ناگهانی فوتون‌ها (ذرات نور) را ترسیم می‌کند و اکنون که اخترشناسان می‌دانند سیاهچاله چگونه به نظر می‌رسد، زمینه‌های تحقیقاتی تازه‌ای برای مطالعه‌ی سیاهچاله‌ها شکل گرفته است.

در سال 2021، ستاره‌شناسان نمایی جدید از سیاهچاله‌ی غول پیکر مرکز M87 را منتشر کردند که نشان می‌دهد ساختار عظیم در نور قطبی شده چگونه به نظر می‌رسد. با توجه به اینکه که امواج نور قطبیده دارای جهت‌گیری و روشنایی متفاوت نسبت به نور غیرقطبی هستند، این تصویر جدید سیاهچاله را با جزئیات بیشتری نشان می‌دهد. قطبش، نشانه‌ی وجود میدان‌های مغناطیسی است و این تصویر به وضوح نشان می‌دهد که حلقه‌ی سیاهچاله، مغناطیسی شده است.

تصویر سیاهچاله‌ی مرکز کهکشان M87 در نور قطبیده
Credit:EHT Collaboration

با وجود ثبت عکس سیاهچاله‌ی کهکشان M87، نگاه ستاره‌شناسان به مرکز راه شیری هم ادامه داشت. سرانجام در ماه می 2022، دانشمندان اولین تصویر تاریخی از سیاهچاله‌ی کلان‌جرم مرکز کهکشان ما، یعنی «کمان ای*» (*Sagitarrius A) را منتشر کردند.

دیدنی‌ها

جزئیات شگفت‌انگیز ثبت تصویر اَبَرسیاهچاله را در این ویدیو ببینید

ساختار و شکل سیاهچاله

سیاهچاله‌ها دارای سه لایه هستند: «افق رویداد بیرونی»، «افق رویداد درونی» و «تکینگی».

افق رویداد سیاهچاله چیست؟

«افق رویداد» (Event Horizon) یک سیاهچاله، مرزی در اطراف دهانه‌ی سیاهچاله است که نور نمی‌تواند از آن بگریزد. هنگامی که یک ذره از افق رویداد عبور کند، دیگر نمی‌تواند آن را ترک کند. گرانش، در سراسر افق رویداد ثابت است. اگر جسمی از افق رویداد سیاهچاله بگذرد، دیگر بازگشتی در کار نخواهد بود.

در این ناحیه، پدیده‌ای عجیب به نام «اسپاگتی شدن» (Spaghettification) رخ می‌دهد که طی آن، نیروی گرانش در نقاط مختلف جسم به اندازه‌ای متفاوت خواهد بود که باعث کشیده شدن شدید آن در راستای طولی و فشرده شدن در راستای عرضی می‌شود. این پدیده به ویژه برای اجسامی که پا به درون سیاهچاله‌های کوچک‌تر می‌گذارند، بسیار محسوس است. برای نمونه تفاوت در نیروی گرانشی بین سر و پای یک انسان می‌تواند آن‌قدر شدید باشد که بدنش مانند رشته‌ی اسپاگتی کشیده شود و از هم بپاشد.

تکینگی سیاهچاله چیست؟

ناحیه‌ی داخلی سیاهچاله، یعنی جایی که جرم جسم در آن قرار دارد، به عنوان «تکینگی» (Singularity) شناخته می‌شود. این نقطه، نقطه‌ی واحدی در فضا-زمان به شمار می‌رود که جرم سیاهچاله در آن متمرکز شده است.

بخش‌های مختلف سیاهچاله
Credit: ESA

دانشمندان نمی‌توانند سیاهچاله‌ها را مانند دیگر ستاره‌ها و اجرام فضایی ببینند، بلکه باید به تشخیص و سنجش پرتوهایی تکیه کنند که سیاهچاله‌ها در اثر کشیده شدن غبار و گاز به درون خود ساطع می‌کنند. اما سیاهچاله‌های کلان‌جرم که در مرکز کهکشان‌ها قرار دارند، ممکن است توسط غبار و گاز غلیظ اطراف خود به گونه‌ای پوشیده شوند، که حتی امکان دیدن گازهای ساطع شده نباشد.

گاهی اوقات، هنگامی که ماده به سمت سیاهچاله کشیده می‌شود، به جای اینکه به درون آن فرو بریزد، از افق رویداد کمانه می‌کند و به بیرون پرتاب می‌شود. بدین ترتیب جت‌های درخشانی از مواد که با سرعت‌های نزدیک به سرعت‌های نسبیتی حرکت می‌کنند، ایجاد می‌شوند و اگرچه سیاهچاله دیده نمی‌شود، اما می‌توان این جت‌های قدرتمند را فاصله‌های دور مشاهده کرد.

طرحی گرافیکی از رفتار یک سیاهچاله
Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman

تصویر تلسکوپ افق رویداد از یک سیاهچاله‌ی M87 تلاش فوق‌العاده‌ای بود و حتی پس از گرفتن عکس‌ها، پژوهش روی آن‌ها دست کم به دو سال تحقیق نیاز داشت. به این دلیل که همکاری تلسکوپ‌ها، که گروهی از رصدخانه‌های گسترده شده در سراسر جهان را شامل می‌شود حجم عظیمی از داده‌ها را تولید می‌کند که برای انتقال بر بستر اینترنت بسیار زیاد است. با این وجود، پژوهشگران انتظار دارند با گذشت زمان از دیگر سیاهچاله‌ها هم تصویربرداری کنند و مجموعه‌ای از شکل ظاهری این اجرام بسازند.

انواع سیاهچاله

ستاره‌شناسان تاکنون سه نوع سیاهچاله را شناسایی کرده‌اند: سیاهچاله‌های ستاره‌ای، سیاهچاله‌های کلان‌جرم و سیاهچاله‌های میانی.

سیاهچاله‌های ستاره‌ای؛ کوچک اما کشنده

هنگامی که یک ستاره آخرین ذخایر سوخت خود را مصرف می‌کند، ممکن است از هم بپاشد یا به درون خود سقوط کند. برای ستارگان کوچک‌تر که جرم آن‌ها تقریبا سه برابر جرم خورشید است، هسته‌ی جدید به یک ستاره‌ی نوترونی یا یک کوتوله‌ی سفید تبدیل خواهد شد. اما وقتی یک ستاره‌ی بزرگ‌تر فرو می‌ریزد، به فشرده شدن ادامه می‌دهد و یک سیاهچاله‌ی ستاره‌ای ایجاد می‌کند.

طرحی گرافیکی از یک سیاهچاله‌ی ستاره‌ای
Credit: ESO

سیاهچاله‌هایی که از فروپاشی ستارگان یکتا به وجود آمده‌اند، نسبتا کوچک اما به طرز باورنکردنی چگال هستند. یکی از این اجرام با داشتن بیش از سه برابر جرم خورشید، قطری به اندازه‌ی یک شهر دارد. این مشخصات منجر به داشتن نیروی گرانشی دیوانه‌واری می‌شود که اجرام اطراف آن را به سوی خود می‌کشد. این سیاهچاله‌های ستاره‌ای سپس غبار و گاز کهکشان‌های اطراف خود را مصرف می‌کنند که باعث رشد اندازه‌ی آن‌ها می‌شود.

سیاهچاله‌های کلان‌جرم؛ تولد غول‌ها

سیاهچاله‌های کوچک جهان را پر کرده‌اند اما پسرعموهای آن‌ها، یعنی سیاهچاله‌های کلان‌جرم، دست برتر را در اختیار دارند. این سیاهچاله‌های عظیم، جرمی میلیون‌ها یا حتی میلیاردها برابر خورشید دارند، اما قطرشان تقریبا برابر خورشید است. تصور می‌شود که چنین سیاهچاله‌هایی تقریبا در مرکز هر کهکشان از جمله کهکشان راه شیری حضور داشته باشند.

دانشمندان مطمئن نیستند که چنین سیاهچاله‌های بزرگی چگونه شکل می‌گیرند اما پس از تشکیل، این غول‌ها جرم‌هایی از گرد و غبار و گاز اطراف خود را جمع‌آوری می‌کنند، که به آن‌ها امکان می‌دهد تا به اندازه‌های بسیار بزرگ‌تری رشد کنند. چنین موادی در مرکز کهکشان‌ها به وفور وجود دارد.

طرحی گرافیکی از یک سیاهچاله اَبَر پرجرم
Credit: NASA/JPL-Caltech

سیاهچاله‌های کلان جرم ممکن است نتیجه‌ی ادغام صدها یا هزاران سیاهچاله‌ی کوچک باشند. ابرهای گازی بزرگ هم ممکن است در این روند مسؤول باشند، به گونه‌ای که با هم فرو می‌ریزند و به سرعت توده‌ای برافزایشی را شکل می‌دهند. راهکار سوم برای تشکیل این سیاهچاله‌ها فروپاشی یک خوشه‌ی ستاره‌ای است؛ بدین ترتیب که گروهی از ستاره‌ها همه با هم دچار واپاشی می‌شوند. احتمال چهارم این است که سیاهچاله‌های بسیار پرجرم می‌توانند از خوشه‌های بزرگ ماده‌ی تاریک ایجاد شوند. ماده‌ای که توسط اثر گرانشی آن بر اجسام دیگر درک می‌شود. با این حال، نمی‌دانیم که ماده‌ی تاریک از چه چیزی تشکیل شده است، چون نور ساطع نمی‌کند و نمی‌توان آن را مستقیما مشاهده کرد.

سیاهچاله‌های میان‌جرم؛ اجرام ممنوعه

دانشمندان تا مدت‌ها تصور می‌کردند که سیاهچاله‌ها فقط در اندازه‌های کوچک و بزرگ وجود دارند، اما تحقیقات بیشتر، احتمال وجود سیاهچاله‌های میانی یا متوسط ​​(IMBHs) را هم آشکار کرده است. چنین اجرامی می‌توانند هنگامی تشکیل شوند که ستاره‌های یک خوشه‌ی ستاره‌ای در یک واکنش زنجیره‌ای با هم برخورد کنند. بدین ترتیب چندین مورد از این سیاهچاله‌های میانی که در همان منطقه شکل می‌گیرند، در نهایت می‌توانند در مرکز یک کهکشان با هم ادغام شوند و یک سیاهچاله‌ی بسیار پرجرم ایجاد کنند.

طرحی گرافیکی از یک سیاهچاله میان‌جرم
Credit: NASA, ESA, and D. Player (STScI)

در سال 2014 اخترشناسان چیزی را یافتند که به نظر می‌رسید سیاهچاله‌ای با جرم متوسط ​​در بازوی یک کهکشان مارپیچی باشد و در سال 2021 دانشمندان از یک انفجار پرتو گامای قدیمی برای شناسایی آن استفاده کردند. «تیم رابرتز» (Tim Roberts) یکی از نویسندگان این مطالعه، از دانشگاه دورهام بریتانیا درباره‌ی این کشف گفته است: «ستاره‌شناسان به شدت به دنبال این سیاهچاله‌های با اندازه‌ی متوسط ​​بوده‌اند. نشانه‌هایی مبنی بر وجود آن‌ها هست اما سیاهچاله‌های میانی مانند یک خویشاوند گمشده عمل می‌کنند که علاقه‌ای به پیدا شدن ندارند.

تحقیقات انجام شده در سال 2018 نیز نشان داد که این سیاهچاله‌های میانی ممکن است در قلب کهکشان‌های کوتوله (یا کهکشان های بسیار کوچک) وجود داشته باشند. مشاهدات 10 کهکشان از این قبیل، فعالیت پرتو ایکس را که در سیاهچاله‌ها رایج است، نشان داد و این موضوع وجود سیاهچاله‌هایی با جرم 36 هزار تا 316 هزار خورشیدی را نشان می‌دهد. این اطلاعات از «بررسی دیجیتالی آسمان اسلون» (Sloan Digital Sky Survey) به دست آمده است که حدود 1 میلیون کهکشان را بررسی می‌کند و می‌تواند نوع نور سیاهچاله‌های فعال و جاذب بقایای اطراف خود تشخیص دهد.

سیاهچاله‌های دوتایی

در سال 2015 ستاره‌شناسان با استفاده از «تداخل‌سنج لیزری رصدخانه امواج گرانشی» یا «لایگو» (LIGO) امواج گرانشی را از ادغام سیاهچاله‌های ستاره‌ای شناسایی کردند. به گفته‌ی «دیوید شومیکر» (David Shoemaker) سخنگوی همکاری علمی لایگو (LSC) اکنون درباره‌ی وجود سیاهچاله‌هایی با جرم ستاره‌ای با جرم 20 برابر خورشید، تأیید بیشتری هم داریم. این‌ها اجرامی هستند که پیش از شناسایی توسط لایگو اطلاعی از وجود آن‌ها نداشتیم. مشاهدات این همکاری همچنین بینش‌هایی را درباره‌ی جهت چرخش سیاهچاله ارائه می‌دهد. دو سیاهچاله در حالی که به دور یکدیگر می‌گردند، می‌توانند در یک جهت یا خلاف جهت به دور خود بچرخند.

طرحی گرافیکی از سیاهچاله دوتایی
Credit: SXS (Simulating eXtreme Spacetimes) project

در مورد چگونگی تشکیل سیاهچاله‌های دوتایی، دو نظریه وجود دارد. اولین نظریه نشان می‌دهد که دو سیاهچاله تقریبا در یک زمان به شکل دوتایی وجود دارند، یعنی از دو ستاره که با هم متولد شده و تقریبا در یک زمان به صورت انفجاری مرده‌اند، شکل گرفته‌اند. ستارگان همدم باید جهت چرخش یکسانی با یکدیگر داشته باشند، بنابراین دو سیاهچاله‌ی بر جای مانده هم همین‌طور خواهند بود.

در مدل دوم، سیاهچاله‌های یک خوشه‌ی ستاره‌ای به مرکز خوشه فرو می‌ریزند و با هم جفت می‌شوند. بر اساس داده‌های همکاری علمی LIGO این همراهان نسبت به یکدیگر دارای جهت‌گیری‌های چرخشی تصادفی خواهند بود. مشاهدات لایگو از سیاهچاله‌های همراه که نسبت به یکدیگر جهت‌گیری‌های چرخشی متفاوتی دارند هم شواهد قوی‌تری برای این نظریه‌ی شکل‌گیری ارائه می‌دهد.

بزرگ‌ترین سیاهچاله

بزرگ‌ترین و به عبارتی پرجرم‌ترین سیاهچاله‌ی مشاهده شده، TON 618 با جرمی 66 میلیارد برابر جرم خورشید و ابعادی 40 برابر بیشتر از فاصله‌ی میان نپتون و خورشید است. این یکی از بزرگ‌ترین نامزدهایی است که تا کنون کشف شده و در وسط یک اختروش با فاصله‌ی 18.2 میلیارد سال نوری قرار دارد. از نظر موقعیت این سیاهچاله در محدوده‌ی نزدیک به مرز صورت‌های فلکی «تازی‌ها» (Canes Venatici) و «گیسوی برنیکه» (Coma Berenices) جای گرفته است. علاوه بر این سیاهچاله‌ی مرکز کهکشان خوشه‌ای Holm 15A هم حدود 44 میلیارد بار سنگین‌تر از خورشید و با ابعاد 30 برابر فاصله‌ی نپتون و خورشید تخمین زده شده است.

طرحی گرافیکی از سیاهچاله کلان‌جرم تون 618 و مقایسه‌ی آن با ابعاد کهکشان راه شیری
Credit: Universe Science

پیوسته کاوش‌های متفاوتی برای تعیین بزرگ‌ترین سیاهچاله انجام می‌شود اما از مهم‌ترین چالش‌ها در این زمینه می‌توان به مشکلات رصدی اشاره کرد. چون مشاهده‌ی مستقیم سیاهچاله‌ها بسیار دشوار است و شناسایی آن‌ها به روش‌های غیرمستقیم مانند مطالعه‌ی اثر گرانشی بر مواد اطراف یا مشاهده‌ی امواج گرانشی نیاز دارد.

باید در نظر داشت که TON 618 قطعا بزرگ‌ترین سیاهچاله در جهان نیست، بلکه ممکن است سیاهچاله‌های بسیار بزرگ‌تری هم وجود داشته باشند که هنوز کشف نشده‌اند. از جمله سیاهچاله‌ی IC 1101 در مرکز یک کهکشان بیضوی غول‌پیکر، سیاهچاله‌ی «فونیکس ای» (Phoenix A) که در مرکز یک کهکشان بسیار درخشان و SDSS J123132.37+013814.1 به عنوان یکی از دورترین سیاهچاله‌هایی که تاکنون کشف شده است.

از سویی سبک‌ترین سیاهچاله‌ی شناخته شده هم تنها 3.8 برابر خورشید جرم دارد که با یک ستاره هم جفت شده است. سیاهچاله‌های مینیاتوری هم ممکن است بلافاصله پس از مه‌بانگ (Big Bang) شکل گرفته باشند چون فضایی که به سرعت در حال گسترش است، می‌تواند برخی از مناطق را به سیاهچاله‌های ریز و متراکم فشرده کرده باشد که جرمی کمتر از خورشید دارند.

برخورد دو سیاهچاله

برخورد دو سیاهچاله یکی از خشن‌ترین و پر انرژی‌ترین رویدادهای کیهانی است. هنگامی که دو سیاهچاله‌ی عظیم به سمت یکدیگر به صورت مارپیچ حرکت می‌کنند و در نهایت با هم برخورد می‌کنند، مقدار زیادی انرژی به شکل امواج گرانشی در بافت فضا-زمان آزاد می‌شود. نتیجه‌ی این برخورد، یک سیاهچاله‌ی منفرد و پرجرم‌تر است. امواج گرانشی برای نخستین بار توسط آلبرت اینشتین در سال 1916 پیش‌بینی و یک قرن بعد مستقیما توسط رصدخانه‌ی امواج گرانشی تداخل‌سنج لیزری (لایگو) شناسایی شدند.

فرآیند برخورد زمانی آغاز می‌شود که دو سیاهچاله به دور یکدیگر می‌چرخند و با انتشار امواج گرانشی و از دست دادن انرژی، به تدریج به هم نزدیک‌تر می‌شوند. با نزدیک شدن به لحظه‌ی برخورد، سرعت مداری آن‌ها به طور چشمگیری افزایش می‌یابد و در نهایت به ادغام می‌انجامد که امواج گرانشی قدرتمندی را به سراسر کیهان می‌فرستند. مرحله‌ی نهایی، شامل این است که سیاهجاله‌ی تازه تشکیل شده، در حالت پایدار قرار می‌گیرد و امواج گرانشی منتشر می‌کند که اطلاعاتی را درباره‌ی ویژگی‌های خود به همراه دارد.

برخورد دو سیاهچاله باعث ایجاد امواج گرانشی در فضا-زمان می‌شود.
Credit: Mark Garlick, Alamy

در حالی که خود سیاهچاله‌ها نور ساطع نمی‌کنند، شرایط خاصی می‌تواند منجر به سیگنال‌های الکترومغناطیسی در طول فرآیند ادغام آن‌ها شود. برای مثال، اگر سیاهچاله‌ها توسط گاز یا غبار احاطه شده باشند، برخورد می‌تواند این ماده را گرم و نوری تولید کند که تلسکوپ‌ها امکان تشخیص آن را داشته باشند. یک مثال قابل توجه، رویداد GW190521 است که در آن یک فلاش نور بالقوه در کنار امواج گرانشی مشاهده شد که نشان می‌دهد ادغام دو سیاهچاله در یک محیط غنی از گاز رخ داده است.

این برخوردها، نه تنها رویدادهای کیهانی جذابی هستند، بلکه بینش ارزشمندی هم از ساختار و روند تکامل کیهان ارائه می‌دهند. با مطالعه‌ی امواج گرانشی ساطع شده در طول ادغام سیاهچاله‌ها، دانشمندان می‌توانند محدودیت‌های نسبیت عام اینشتین را آزمایش کنند و درک عمیق‌تری از شکل‌گیری و رفتار سیاهچاله به دست آورند. با بهبود روش‌های تشخیص فرآیند ادغام سیاهچاله‌ها، می‌توان انتظار داشت که اطلاعات بیشتری درباره‌ی این پدیده‌های مرموز و نقش آن‌ها در شکل‌دهی کیهان کشف شود.

تفاوت کرم‌چاله و سیاهچاله

سیاهچاله‌ها و کرم‌چاله‌ها هر دو پیش‌بینی‌های جذاب از نسبیت عام اینشتین هستند، اما پدیده‌های اساسا متفاوتی به شمار می‌روند. یک سیاهچاله زمانی تشکیل می‌شود که یک ستاره‌ی عظیم تحت گرانش خود فرو می‌ریزد و ماده را در یک نقطه‌ی بی‌نهایت متراکم به نام تکینگی فشرده می‌کند. اطراف این تکینگی، افق رویداد است. مرزی که هیچ چیز، حتی نور، نمی‌تواند از آن بگریزد.

اما کرم‌چاله‌ها یا پل‌های اینشتین-روزن، ساختارهای تئوری هستند که می‌توانند دو نقطه‌ی مجزا در فضا-زمان را به هم پیوند دهند و میانبری را در کیهان ایجاد کنند. برخلاف سیاهچاله‌ها، کرمچاله‌ها از ستارگان فروپاشیده تشکیل نشده‌اند و کاملا فرضی باقی می‌مانند. برای اینکه یک کرم‌چاله، قابل عبور باشد، به ماده‌ی عجیب با چگالی انرژی منفی نیاز است تا آن را باز و پایدار نگه دارد. ماده‌ای که هنوز در واقعیت مشاهده نشده است.

طرحی گرافیکی از کرم‌چاله
Credit: Interior Design/Shutterstock

سیاهچاله‌ها با روش‌های مختلف نجومی به طور گسترده مشاهده و بررسی شده‌اند اما کرم‌چاله‌ها در حد حدس و گمان باقی می‌مانند و هیچ مدرک تجربی وجود آن‌ها را تایید نمی‌کند. از سویی هیچ چیزی پس از افق رویداد سیاهچاله نمی‌تواند از آن بگریز اما کرم‌چاله‌ها اگر وجود داشته باشند، از نظر تئوری می‌توانند امکان جابه‌جایی ماده میان نقاط دوردست در فضا-زمان را فراهم کنند. همچنین سیاهچاله‌ها ساختارهای پایداری در کیهان هستند اما کرم‌چاله‌های قابل عبور به شرایطی مانند ماده با چگالی انرژی منفی نیاز دارند که امکان‌پذیر نیست و پایداری آن‌ها را زیر سوال می‌برد.

تلسکوپ اسکای واچر مدل 127 MC

مشاهده کالا

جمع‌بندی

سیاهچاله‌ها هنوز هم از اسرارآمیزترین و در عین حال مهم‌ترین اجرام کیهانی هستند که دانشمندان فیزیک و کیهان‌شناسی در لبه‌ی علم به مطالعه‌ی آن‌ها می‌پردازند. از فروپاشی ستارگان پرجرم گرفته تا تأثیرات شگرف آن‌ها بر فضا-زمان و ماده، این اجرام مرموز چالش‌های بزرگی برای درک ما از قوانین طبیعت ایجاد کرده‌اند. بنابراین مطالعه‌ی سیاهچاله‌ها نه تنها به ما کمک می‌کند تا ساختار و تکامل کیهان را بهتر بشناسیم، بلکه درک ما را از مفاهیم بنیادی مانند گرانش، نسبیت و حتی ماهیت فضا-زمان عمق می‌بخشد.

حالا هرچند با پیشرفت فناوری‌هایی مانند تلسکوپ‌های رادیویی و پروژه‌هایی نظیر تلسکوپ افق رویداد، بشر در مسیر کشف رازهای پنهان سیاهچاله‌ها گام‌های بلندی برداشته است اما هنوز پرسش‌های بی‌پاسخ زیادی وجود دارد که نیاز به کاوش بیشتر دارد. درک سیاهچاله‌ها تنها کنجکاوی علمی نیست؛ شناخت این ساختارهای شگفت‌انگیز می‌تواند مسیر علم را تغییر دهد و حتی دیدگاه ما را نسبت به جایگاه انسان در کیهان دگرگون سازد.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از یک سیاهچاله
Credit: Nicholas Forder/Future Publishing/ Getty

منابع: Space, NASA, University of Chicago, NSF, Big Think