بررسی ویژگی سیاهچاله ها – بخش دوم

بیگ بنگ: در بخش نخست، انواع سیاهچاله ها را بررسی کردیم. در این بخش به مشخصات و ویژگی های سیاهچاله ها از جمله تکینگی، افق رویداد،حلقه تجمعی و … برای هر دو گروه سیاهچاله های چرخشی و غیر چرخشی پرداخته می شود. همانطور که گفتیم به علت دور از ذهن بودن وجود سیاهچاله های باردار، دو نوع سیاهچاله باردار را نمی آوریم.

1سیاهچاله های غیر چرخشی:

– حلقه تجمعی (Accretion Disk)

در هر سانتیمتر مکعب از فضای بین ستاره ای تعدادی اتم هیدروژن وجود دارد. میدان گرانشی قدرتمند سیاهچاله این اتم ها را به سمت خود می کشد و گاز های اطراف سیاهچاله حلقه ای را به نام “حلقه تجمعی” تشکیل می دهند، میدان گرانشی سیاهچاله این گازها را تا حد زیاد چگال و فشرده می کند و اصطکاک، فشار و دیگر مکانیسم ها باعث داغ شدن و تولید مقادیر چشمگیری انرژی از حلقه تجمعی می شوند. در واقع این مکانیسم ها موثر تر از فرایند های همجوشی هسته ای ماده را به انرژی تبدیل می کنند و باعث درخشندگی و فروزانی حلقه تجمعی می شوند. البته این مقادیر گاز بیشتر پرتو ایکس(X) ساتع می کنند تا نور مرئی؛ چرا که انرژی پرتو های ایکس از نور مرئی بیشتر است.

– افق رویداد(Event Horizon)

افق رویداد محدوده ای از سیاهچاله است که هیچ چیز حتی نور نیز نمی تواند از آن بگریزد؛ به همین دلیل است که افق رویداد سیاه است. افق رویداد نباید به شکل یک سطح جامد یا مادی تصور شود، افق رویداد تنها مرزی را مشخص می کند که از آنجا به بعد نور نیز نمی تواند از میدان گرانشی سیاهچاله فرار کند، افق رویداد هر آنچه که درونش اتفاق می افتد را از دید دیگران پنهان نگه می دارد. میدان گرانشی سیاهچاله بیرون از افق رویداد، مشابه میدان گرانشی هر جسم کروی و متقارن دیگری است، فقط بسیار شدید تر از آن. این بدان معناست که تصور عامه از سیاهچاله به عنوان یک جسم مکنده نادرست است و ماده می تواند مدار گردشی خود به دور سیاهچاله را حفظ کند؛ البته به شرطی که خارج از فوتون کره باشد.

– فوتون کره(Photon Sphere)

2

فوتون کره، یک سیاهچاله غیر چرخشی با محدوده ای کروی و با ضخامت صفر است که فوتون هایی که در طول مسیر مماس بر این کره حرکت می کنند را در مداری به دور سیاهچاله به دام می اندازد. این بدان معناست که فوتون ها با حرکت مماس بر این کره می توانند به دور سیاهچاله بچرخند و از افتادن به آن امتناع بورزند. شعاع فوتون کره در یک سیاهچاله غیر چرخشی ۱٫۵ برابر شعاع افق رویداد (شعاع شوارتسشیلد) سیاهچاله است.

البته فوتون ها به دو دلیل به مدت طولانی نمی توانند در این مدار حرکت کنند: ۱- به احتمال زیاد فوتون ها با دیگر موادی که در حلقه تجمعی قرار دارد برخورد می کنند که یا جذب می شوند یا پراکنده. ۲- این مدار از لحاظ دینامیکی ناپایدار است و کوچکترین انحرافات از این مسیر دایره ای می تواند خیلی سریع به انحرافات بزرگ تر منجر شود که به سقوط یا گریز فوتون ها می انجامد.

– تکینگی (Singulaity)

در قلب سیاهچاله تکینگی قرار دارد، ویژگی های عجیب و غیر قابل باور سیاهچاله همگی از وجود تکینگی است. ستاره ای که در حال فروپاشی است و به سیاهچاله تبدیل می شود را در نظر بگیرید؛ براساس نسبیت عام این ستاره بطور کامل در ناحیه ای به حجم صفر فشرده می شود و تشکیل سیاهچاله ای با چگالی بینهایت و خمش بی انتها فضا – زمان می دهد. در این نقطه بیشتر معادلات فیزیکی، از جمله معادلات نسبیت کارایی خود را از دست می دهند و به همین دلیل است که این نقطه بینهایت چگال با حجم صفر را تکینگی می نامند.

اما در این مورد تردید هایی وجود دارد، براساس کوانتوم – که به دنیای های کوچک می پردازد – هیچ جسمی نمی تواند اندازه صفری پیدا کند. بنابراین براساس کوانتوم در قلب یک سیاهچاله تکینگی نیست، بلکه ناحیه ای است که در آن مقادیر زیادی ماده تا کوچکترین حجم ممکن فشرده شده اند. در حال حاظر نظریه بنیادین قدرتمندی که با ادغام نسبیت عام و کوانتوم نیروها بنیادین را از جمله گرانش بصورت یگانه توضیح دهد وجود ندارد؛ امیدوار کننده ترین نظریه ریسمان (لینک شود به صفحه جست و جوی “ریسمان” بیگ بنگ) است که مطابق آن نیز یک جسم نمی تواند حجم صفر داشته باشد.

– فوران ها و جت های پر انرژی

سیاهچاله مواد را به درون خود می بلعد، اما برخی از این مواد بجای آن که بلعیده شوند به بیرون از سیاهچاله پرتاب می شوند. سیاهچاله ممکن است مواد را قبل از ورود با سرعتی نزدیک به سرعت نور به بیرون از خود و حلقه تجمعی پرتاب کند. فرایندهای پشت این فوران های پر انرژی هنوز بطور کامل شناخته نشده است ولی احتمال می رود این مکانیسم ها با میدان مغناطیسی سیاهچاله در ارتباط باشند؛ وجود میدان مغناطیسی باعث بی ثباتی در حلقه تجمعی می شود و به مواد فرصت پرتاب شدن می دهد. این فوران ها بسیار با شکوهند و در مرکز کهکشان های نزدیک به ما (مثل M87) و یا در اختروش های کوچک رویت شده اند.

سیاهچاله های چرخشی

سیاهچاله های چرخشی در بسیاری از ویژگی ها، از جمله ناتوانی نور در گریز از افق رویداد، حلقه تجمعی و … با سیاهچاله های غیرچرخشی مشترک اند ولی نسبیت عام پیش بینی می کند که چرخش سریع یک جرم بزرگ مانند سیاهچاله، باعث ایجاد انحنا هایی در فضا – زمان می شود. این انحناها سیاهچاله چرخشی را بسیار متمایز تر از سیاهچاله غیرچرخشی می کند.

در سیاهچاله های کر (چرخشی) دو سطح مهم وجود دارد: ۱- کره داخلی که حد ایستای سیاهچاله است (افق رویداد)؛ که این کره خود در محدوده ای به نام ارگوسفر (کره کار – سپهکار) قرار دارد. ۲- سطح بیضی شکلی که در قطب ها با افق رویداد در تماس است و محدوده بیرونی ارگوسفر را تشکیل می دهد. ذرات در ارگوسفر ناچارند پیوسته در حرکت باشند. سیاهچاله های چرخان دو افق رویداد و به طبع دو فوتون کره دارند. پرتو نوری که بر خلاف جهت چرخش سیاهچاله به دور سیاهچاله حرکت می کند، به دور فوتون کره خارجی می گردد و فوتونِ در حال حرکت هم سو با جهت چرخش سیاهچاله به دور فوتون کره داخلی.

– ارگوسفر (Ergosphere)

هر جسم فوق چگال و بزرگ در حال چرخش اثری معروف به “کشش چارچوب” ایجاد می کند که باعث می شود فضا – زمان اطراف آن جسم در راستای چرخش آن کشیده شود. ارگوسفر از درون با افق رویداد درونی سیاهچاله هم مرز است. در ارگوسفر فضا – زمان با سرعتی بیشتر از سرعت نور کشیده می شوند. ذرات نمی توانند با سرعت بیشتر از نور حرکت کنند اما ممکن است مناطقی از فضا – زمان نسبت به مناطق دیگری سریع تر از سرعت نور حرکت کنند، اجسام و تابش هایی که در ارگوسفر قرار دارند (از جمله نور)، می توانند بدون اینکه به مرکز سیاهچاله سقوط کنند در مداری پیرامون ارگوسفر به چرخش خود ادامه دهند.

البته برخلاف آنچه که به نظر بیننده خارجی می آید، ذرات و اجسام امکان شناور ماندن در ارگوسفر را ندارند؛ چرا که برای شناور ماندن در ارگوسفر باید با سرعتی بیشتر از نور رو به عقب حرکت کنند (پیش تر گفتیم در ارگوسفر فضا – زمان با سرعت بیشتر از نور کشیده می شود). اجسام و تابش های واقع در ارگوسفر حتی می توانند از این ناحیه بگریزند. براساس نظریه راجر پنروز، اجسام و تابش ها می توانند با گرفتن مقداری از انرژی چرخشی سیاهچاله خود را از ارگوسفر به بیرون پرتاب کنند. چنانچه مجموع جرم خارج شده از این طریق زیاد باشد، سرعت چرخش سیاهچاله کمتر می شود و حتی ممکن است از حرکت بایستد و به سیاهچاله شوارتسشیلد تبدیل شود.

blackhole– تکینگی حلقوی

نسبیت عام تکینگی یک سیاهچاله چرخشی را به شکل یک حلقه پیش بینی می کند، این تکینگی حلقوی دارای ضخامت و عرض صفر است. گفتیم که کوانتوم صفر بودن هیچ یک از بعد های جسمی را مجاز نمی شمارد. فعلا نسبیت عام نظریه بهتری است که در این رابطه وجود دارد، البته تا زمانیکه نظریه واحدی برای نیروها و ذرات بنیادی طبیعت (نظریه همه چیز) ارائه شود.

تکینگی برهنه چیست؟

تکینگی ها همواره توسط افق رویداد پنهان اند.اما بعضی محاسبات نظری و عددی و همچنین گرانش کوانتومی حلقه نوع خاصی از تکینگی را پیش بینی می کند که توسط افق رویدادی پنهان نیست! به بیان دیگر تکینگی گرانشی ولی بدون افق رویداد است. وجود تکینگی برهنه سبب بروز مشکلاتی برای نسبیت عام می شود؛ زیرا نسبیت قادر به پیش گویی تکامل فضا – زمان در نزدیکی تکینگی نیست.

در سیاهچاله های عمومی این مساله نیست چرا که هیچ ناظری نمی تواند فضا – زمان درون افق رویداد را ببیند. راجر پنروز در سال ۱۴۶۹ فرضیه ضعیف سانسور کیهانی را برای حل این مشکل پیشنهاد داد؛ این فرضیه بیان می کند که هیچ تکینگی برهنه ای به جز بیگ بنگ در طول زمان و در جهان وجود ندارد و تکینگی ها باید از ناظر در بینهایت و توسط افق رویداد یک سیاهچاله پوشیده باشند. تاکنون هیچ تکینگی برهنه و البته هیچ افق رویدادی مشاهده نشده است.

پـایـان

نویسنده: پویا فرخی / سایت علمی بیگ بنگ

 منابع و مراجع برای مطالعه بیشتر: Naked singularity

کتاب اسرار سیاهچاله ها / ترجمه و تالیف امیرحسین فرجاد نسب و محمد حسین پورعباس

image_pdfimage_print
(17 نفر , میانگین : 4٫76 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=34680

شما ممکن است این را هم بپسندید

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *