برای دانشمندان مدرن، سیاهچاله یکی از مرموزترین پدیده های جهان ماست. مطالعه چنین اشیایی دشوار است، نمی توان آنها را "با تجربه" امتحان کرد. جرم، چگالی ماده یک سیاهچاله، فرآیندهای تشکیل این جسم، ابعاد - همه اینها باعث علاقه متخصصان و گاهی اوقات - گیجی می شود. بیایید موضوع را با جزئیات بیشتری در نظر بگیریم. ابتدا، بیایید تحلیل کنیم که چنین شی چیست.
اطلاعات عمومی
یک ویژگی شگفت انگیز یک جرم کیهانی ترکیب شعاع کوچک، چگالی زیاد ماده سیاهچاله و جرم فوق العاده بزرگ است. تمام خواص فیزیکی شناخته شده کنونی چنین جسمی برای دانشمندان عجیب به نظر می رسد و اغلب غیرقابل توضیح است. حتی با تجربه ترین اخترفیزیکدانان هنوز از ویژگی های چنین پدیده هایی شگفت زده می شوند. ویژگی اصلی که به دانشمندان اجازه می دهد سیاهچاله را شناسایی کنند، افق رویداد است، یعنی مرزی که به دلیل آنهیچ چیز باز نمی گردد، از جمله نور. اگر یک منطقه به طور دائم از هم جدا شود، مرز جدایی به عنوان افق رویداد تعیین می شود. با جدایی موقت، وجود یک افق قابل مشاهده ثابت می شود. گاهی اوقات زمانی مفهومی بسیار سست است، یعنی ممکن است منطقه برای مدتی بیش از سن کنونی جهان از هم جدا شود. اگر افق قابل مشاهده ای وجود داشته باشد که برای مدت طولانی وجود داشته باشد، تشخیص آن از افق رویداد دشوار است.
از بسیاری جهات، خواص یک سیاهچاله، چگالی ماده ای که آن را تشکیل می دهد، به دلیل سایر کیفیت های فیزیکی است که در قوانین جهانی ما عمل می کنند. افق رویداد یک سیاهچاله کروی متقارن کره ای است که قطر آن با جرم آن تعیین می شود. هر چه جرم بیشتر به داخل کشیده شود، سوراخ بزرگتر است. و با این حال به طرز شگفت انگیزی در برابر پس زمینه ستارگان کوچک می ماند، زیرا فشار گرانشی همه چیز را در داخل فشرده می کند. اگر سوراخی را تصور کنیم که جرم آن با سیاره ما مطابقت دارد، شعاع چنین جسمی از چند میلی متر بیشتر نخواهد شد، یعنی ده میلیارد کمتر از زمین خواهد بود. این شعاع به افتخار شوارتزشیلد، دانشمندی که اولین بار سیاهچاله ها را به عنوان راه حلی برای نظریه نسبیت عام انیشتین استنباط کرد، نامگذاری شد.
و داخل؟
با وارد شدن به چنین جسمی، بعید است که شخص متوجه چگالی بزرگی در خود شود. خواص سیاهچاله به خوبی درک نشده است تا مطمئن شویم که چه اتفاقی خواهد افتاد، اما دانشمندان معتقدند که نمی توان چیز خاصی را هنگام عبور از افق آشکار کرد. این با معادل انیشتینی توضیح داده شده استاصلی که توضیح می دهد چرا میدانی که انحنای افق را تشکیل می دهد و شتاب ذاتی در صفحه برای ناظر تفاوتی ندارد. هنگام ردیابی روند عبور از فاصله، می توانید ببینید که جسم در نزدیکی افق شروع به کاهش سرعت می کند، گویی زمان در این مکان به کندی می گذرد. پس از مدتی، جسم از افق عبور می کند، به شعاع شوارتزشیلد می افتد.
چگالی ماده در سیاهچاله، جرم یک جسم، ابعاد و نیروهای جزر و مدی آن، و میدان گرانشی ارتباط نزدیکی با هم دارند. هرچه شعاع بزرگتر باشد، چگالی کمتر است. شعاع با وزن افزایش می یابد. نیروهای جزر و مدی با مجذور وزن نسبت معکوس دارند، یعنی با افزایش ابعاد و کاهش چگالی، نیروهای جزر و مد جسم کاهش می یابد. اگر جرم جسم بسیار بزرگ باشد، قبل از توجه به این واقعیت، می توان بر افق غلبه کرد. در اوایل نسبیت عام، اعتقاد بر این بود که یک تکینگی در افق وجود دارد، اما معلوم شد که اینطور نیست.
درباره تراکم
همانطور که مطالعات نشان داده است، چگالی یک سیاهچاله، بسته به جرم، می تواند بیشتر یا کمتر باشد. برای اشیاء مختلف، این شاخص متفاوت است، اما همیشه با افزایش شعاع کاهش می یابد. ممکن است حفره های بزرگی ظاهر شوند که به دلیل تجمع مواد به شکل گسترده ای ایجاد می شوند. به طور متوسط، چگالی چنین اجسامی که جرم آنها با جرم کل چندین میلیارد نور در منظومه ما مطابقت دارد، کمتر از چگالی آب است. گاهی اوقات با سطح چگالی گاز قابل مقایسه است. نیروی جزر و مدی این جسم از قبل پس از عبور ناظر از افق فعال می شودمناسبت ها. کاوشگر فرضی با نزدیک شدن به افق آسیبی نمی بیند و اگر محافظتی در برابر پلاسمای دیسک پیدا می کرد، هزاران کیلومتر سقوط می کرد. اگر ناظر به عقب نگاه نکند متوجه عبور از افق نمی شود و اگر سر خود را بچرخاند احتمالاً پرتوهای نوری را که در افق منجمد شده اند می بیند. زمان برای ناظر بسیار آهسته خواهد بود، او قادر خواهد بود رویدادهای نزدیک سوراخ را تا لحظه مرگ ردیابی کند - چه او یا جهان.
برای تعیین چگالی یک سیاهچاله کلان جرم، باید جرم آن را بدانید. مقدار این کمیت و حجم شوارتزشیلد ذاتی جسم فضایی را بیابید. به گفته اخترفیزیکدانان، به طور متوسط، چنین شاخصی بسیار کوچک است. در درصد قابل توجهی از موارد، کمتر از سطح چگالی هوا است. پدیده به شرح زیر توضیح داده شده است. شعاع شوارتزشیلد مستقیماً با وزن مرتبط است، در حالی که چگالی با حجم و از این رو شعاع شوارتزشیلد رابطه معکوس دارد. حجم ارتباط مستقیمی با شعاع مکعبی دارد. جرم به صورت خطی افزایش می یابد. بر این اساس، حجم سریعتر از وزن رشد می کند، و چگالی متوسط کوچکتر می شود، شعاع جسم مورد مطالعه بزرگتر می شود.
کنجکاو برای دانستن
نیروی جزر و مدی که در یک سوراخ وجود دارد، شیب نیروی گرانش است که در افق بسیار زیاد است، بنابراین حتی فوتون ها نیز نمی توانند از اینجا فرار کنند. در عین حال، افزایش پارامتر کاملاً هموار اتفاق می افتد، که این امکان را برای ناظر فراهم می کند که بدون خطر برای خود بر افق غلبه کند.
مطالعات چگالی یک سیاهچاله درمرکز جسم هنوز نسبتاً محدود است. اخترفیزیکدانان ثابت کرده اند که هر چه تکینگی مرکزی نزدیکتر باشد، سطح چگالی بالاتر است. مکانیسم محاسباتی که قبلاً ذکر شد به شما امکان می دهد ایده بسیار متوسطی از آنچه در حال وقوع است بدست آورید.
دانشمندان ایده های بسیار محدودی در مورد آنچه در سوراخ اتفاق می افتد، ساختار آن دارند. به گفته اخترفیزیکدانان، توزیع چگالی در یک حفره برای یک ناظر خارجی، حداقل در سطح فعلی، چندان قابل توجه نیست. مشخصات بسیار آموزنده گرانش، وزن. هر چه جرم بزرگتر باشد، مرکز، افق از یکدیگر جدا می شوند. چنین فرضیاتی نیز وجود دارد: درست فراتر از افق، ماده در اصل وجود ندارد، فقط در اعماق جسم قابل تشخیص است.
آیا اعدادی شناخته شده اند؟
دانشمندان برای مدت طولانی به چگالی یک سیاهچاله فکر می کردند. مطالعات خاصی انجام شد، سعی شد محاسبه شود. این یکی از آنهاست.
جرم خورشید 210^30 کیلوگرم است. یک سوراخ می تواند در محل جسمی که چندین برابر بزرگتر از خورشید است ایجاد شود. چگالی سبک ترین سوراخ به طور متوسط 10^18 کیلوگرم بر متر برآورد شده است3. این مرتبه بزرگتر از چگالی هسته یک اتم است. تفاوت تقریباً یکسانی با مشخصه سطح چگالی متوسط یک ستاره نوترونی.
وجود حفره های فوق سبک امکان پذیر است که ابعاد آنها با ذرات زیر هسته ای مطابقت دارد. برای چنین اجسامی، شاخص چگالی بسیار بزرگ خواهد بود.
اگر سیاره ما تبدیل به حفره شود، چگالی آن تقریباً 210^30 کیلوگرم بر متر است3. با این حال، دانشمندان نتوانسته اندفرآیندهایی را نشان می دهد که در نتیجه خانه فضایی ما می تواند به سیاهچاله تبدیل شود.
درباره اعداد با جزئیات بیشتر
چگالی سیاهچاله در مرکز کهکشان راه شیری 1.1 میلیون کیلوگرم بر متر تخمین زده شده است3. جرم این جسم برابر با 4 میلیون جرم خورشیدی است. شعاع این حفره 12 میلیون کیلومتر تخمین زده شده است. چگالی مشخص شده سیاهچاله در مرکز کهکشان راه شیری ایده ای از پارامترهای فیزیکی چاله های کلان پرجرم به دست می دهد.
اگر وزن جسمی 10^38 کیلوگرم باشد، یعنی تقریباً 100 میلیون خورشید تخمین زده شود، آنگاه چگالی یک جرم نجومی با سطح چگالی گرانیت موجود در سیاره ما مطابقت دارد.
در میان تمام حفره های شناخته شده برای اخترفیزیکدانان مدرن، یکی از سنگین ترین سوراخ ها در اختروش OJ 287 یافت شد که وزن آن معادل 18 میلیارد نور منظومه ماست. چگالی یک سیاهچاله چقدر است، دانشمندان بدون مشکل زیادی محاسبه کرده اند. معلوم شد که ارزش بسیار ناچیز است. فقط 60 گرم در متر 3 است. برای مقایسه: هوای جوی سیاره ما دارای چگالی 1.29 میلی گرم بر متر است3.
سوراخ ها از کجا می آیند؟
دانشمندان نه تنها برای تعیین چگالی یک سیاهچاله در مقایسه با ستاره منظومه ما یا سایر اجرام کیهانی تحقیقاتی انجام دادند، بلکه سعی کردند تعیین کنند که سوراخ ها از کجا می آیند، مکانیسم های تشکیل چنین چاله ای چیست. اشیاء مرموز اکنون یک ایده از چهار راه برای ظاهر سوراخ ها وجود دارد. قابل درک ترین گزینه سقوط یک ستاره است. وقتی بزرگ شد، سنتز در هسته کامل می شود،فشار ناپدید می شود، ماده به مرکز ثقل می افتد، بنابراین یک سوراخ ظاهر می شود. با نزدیک شدن به مرکز، چگالی افزایش می یابد. دیر یا زود، این نشانگر آنقدر مهم می شود که اجسام خارجی قادر به غلبه بر اثرات گرانش نیستند. از این نقطه به بعد، یک سوراخ جدید ظاهر می شود. این نوع از انواع دیگر رایج‌تر است و به آن سوراخ‌های جرم خورشیدی می‌گویند.
یکی دیگر از انواع نسبتاً رایج سوراخ ها، سوراخ های بسیار پرجرم هستند. اینها بیشتر در مراکز کهکشانی مشاهده می شوند. جرم جسم در مقایسه با سوراخ جرمی خورشیدی که در بالا توضیح داده شد میلیاردها برابر بیشتر است. دانشمندان هنوز فرآیندهای تجلی چنین اشیایی را تعیین نکرده اند. فرض بر این است که ابتدا یک حفره طبق مکانیسمی که در بالا توضیح داده شد تشکیل می شود، سپس ستاره های مجاور جذب می شوند که منجر به رشد می شود. این در صورتی امکان پذیر است که منطقه کهکشان پرجمعیت باشد. جذب ماده سریعتر از آنچه طرح فوق می تواند توضیح دهد اتفاق می افتد، و دانشمندان هنوز نمی توانند حدس بزنند که جذب چگونه انجام می شود.
فرض و ایده
یک موضوع بسیار دشوار برای اخترفیزیکدانان، حفره های اولیه است. چنین احتمالاً از هر توده ای ظاهر می شود. آنها می توانند در نوسانات بزرگ تشکیل شوند. احتمالاً ظهور چنین سوراخ هایی در اوایل کیهان اتفاق افتاده است. تاکنون، مطالعات اختصاص داده شده به کیفیت، ویژگی ها (از جمله چگالی) سیاهچاله ها، فرآیندهای ظاهر آنها به ما اجازه نمی دهد مدلی را تعیین کنیم که به طور دقیق فرآیند ظاهر یک چاله اولیه را بازتولید کند. مدل‌هایی که در حال حاضر شناخته شده‌اند عمدتاً به گونه‌ای هستند که اگر در واقعیت پیاده‌سازی شوند،سوراخ های زیادی وجود خواهد داشت.
فرض کنید که برخورد دهنده بزرگ هادرونی می تواند به منبع تشکیل حفره ای تبدیل شود که جرم آن با بوزون هیگز مطابقت دارد. بر این اساس، چگالی سیاهچاله بسیار زیاد خواهد بود. اگر چنین نظریه ای تایید شود، می توان آن را شواهد غیرمستقیم برای وجود ابعاد اضافی در نظر گرفت. در حال حاضر، این نتیجه گمانه‌زنی هنوز تایید نشده است.
تابش از یک سوراخ
انتشار یک سوراخ با تأثیرات کوانتومی ماده توضیح داده می شود. فضا پویا است، بنابراین ذرات اینجا کاملاً با آنچه ما به آن عادت کرده ایم متفاوت هستند. در نزدیکی سوراخ، نه تنها زمان تحریف می شود. درک یک ذره تا حد زیادی به مشاهده کننده آن بستگی دارد. اگر کسی در یک سوراخ بیفتد، به نظر او در حال فرو رفتن در خلاء است و برای یک ناظر دور، مانند منطقه ای پر از ذرات به نظر می رسد. این اثر با کشش زمان و مکان توضیح داده می شود. تشعشعات حاصل از این سوراخ اولین بار توسط هاوکینگ شناسایی شد که نام او را به این پدیده داده اند. تابش دمایی دارد که با جرم رابطه معکوس دارد. هر چه وزن یک جسم نجومی کمتر باشد، دما (و همچنین چگالی یک سیاهچاله) بیشتر می شود. اگر سوراخ فوق العاده باشد یا جرمی قابل مقایسه با یک ستاره داشته باشد، دمای ذاتی تابش آن کمتر از پس زمینه مایکروویو خواهد بود. به همین دلیل، مشاهده او ممکن نیست.
این تابش از دست دادن داده را توضیح می دهد. این نام یک پدیده حرارتی است که دارای یک کیفیت متمایز است - دما. هیچ اطلاعاتی در مورد فرآیندهای تشکیل حفره از طریق مطالعه وجود ندارد، اما جسمی که چنین تابشی را به طور همزمان از خود ساطع می کند جرم خود را از دست می دهد (و بنابراین رشد می کند.چگالی سیاهچاله) کاهش می یابد. این فرآیند توسط ماده ای که سوراخ از آن تشکیل شده است تعیین نمی شود، به چیزی که بعداً به آن مکیده شده است بستگی ندارد. دانشمندان نمی توانند بگویند که پایه این سوراخ چیست. علاوه بر این، مطالعات نشان داده اند که تابش یک فرآیند برگشت ناپذیر است، یعنی فرآیندی که به سادگی نمی تواند در مکانیک کوانتومی وجود داشته باشد. این بدان معنی است که تابش را نمی توان با نظریه کوانتومی تطبیق داد و ناسازگاری نیاز به کار بیشتر در این جهت دارد. در حالی که دانشمندان بر این باورند که تشعشعات هاوکینگ باید حاوی اطلاعات باشد، ما هنوز ابزار و توانایی تشخیص آن را نداریم.
کنجکاو: در مورد ستاره های نوترونی
اگر ابرغول وجود دارد به این معنا نیست که چنین جسم نجومی ابدی است. با گذشت زمان، تغییر می کند، لایه های بیرونی را دور می اندازد. کوتوله های سفید ممکن است از بقایای آن بیرون بیایند. گزینه دوم ستاره های نوترونی است. فرآیندهای خاص توسط جرم هسته ای جسم اولیه تعیین می شود. اگر در محدوده 1.4-3 خورشیدی تخمین زده شود، تخریب ابرغول با فشار بسیار بالایی همراه است، که به دلیل آن، الکترون ها، همانطور که بود، به پروتون ها فشرده می شوند. این منجر به تشکیل نوترون ها، انتشار نوترینوها می شود. در فیزیک به این گاز منحط نوترونی می گویند. فشار آن به حدی است که ستاره نمی تواند بیشتر از این منقبض شود.
با این حال، همانطور که مطالعات نشان داده است، احتمالاً همه ستارگان نوترونی به این شکل ظاهر نشده اند. برخی از آنها بقایای بزرگ‌هایی هستند که مانند ابرنواختر دوم منفجر شدند.
شعاع بدن تامکمتر از جرم بیشتر برای بیشتر، بین 10-100 کیلومتر متغیر است. مطالعاتی برای تعیین چگالی سیاهچاله ها، ستاره های نوترونی انجام شد. برای دوم، همانطور که آزمایش ها نشان داده اند، پارامتر نسبتا نزدیک به پارامتر اتمی است. ارقام خاص تعیین شده توسط اخترفیزیکدانان: 10^10 گرم در سانتی متر3.
کنجکاو برای دانستن: نظریه و عمل
ستارگان نوترونی به صورت تئوری در دهه های ۶۰ و ۷۰ قرن گذشته پیش بینی شده بودند. تپ اخترها اولین کسانی بودند که کشف شدند. اینها ستارگان کوچکی هستند که سرعت چرخش آنها بسیار زیاد است و میدان مغناطیسی واقعاً بزرگ است. فرض بر این است که تپ اختر این پارامترها را از ستاره اصلی به ارث می برد. دوره چرخش از میلی ثانیه تا چند ثانیه متغیر است. اولین تپ اخترهای شناخته شده تابش رادیویی دوره ای ساطع کردند. امروزه تپ اخترهایی با تابش طیف اشعه ایکس و تابش گاما شناخته شده اند.
فرایند تشریح شده تشکیل ستاره نوترونی می تواند ادامه یابد - هیچ چیز نمی تواند آن را متوقف کند. اگر جرم هسته ای بیش از سه جرم خورشید باشد، جسم نقطه ای بسیار فشرده است، به آن سوراخ می گویند. تعیین خصوصیات سیاهچاله با جرم بیشتر از جرم بحرانی ممکن نخواهد بود. اگر بخشی از جرم در اثر تابش هاوکینگ از بین برود، شعاع به طور همزمان کاهش می یابد، بنابراین مقدار وزن دوباره کمتر از مقدار بحرانی برای این جسم خواهد بود.
آیا یک سوراخ می تواند بمیرد؟
دانشمندان مفروضاتی را در مورد وجود فرآیندهایی به دلیل مشارکت ذرات و ضد ذرات مطرح کردند. نوسانات عناصر می تواند باعث مشخص شدن فضای خالی شودسطح انرژی صفر، که (اینجا یک پارادوکس است!) برابر با صفر نخواهد بود. در عین حال، افق رویداد ذاتی بدن، طیف کم انرژی ذاتی جسم سیاه مطلق را دریافت خواهد کرد. چنین تشعشعی باعث از دست دادن جرم می شود. افق کمی کوچک می شود. فرض کنید دو جفت یک ذره و آنتاگونیست آن وجود دارد. نابودی یک ذره از یک جفت و آنتاگونیست آن از جفت دیگر وجود دارد. در نتیجه فوتون هایی وجود دارند که از سوراخ خارج می شوند. جفت دوم ذرات پیشنهادی به داخل سوراخ می افتند و همزمان مقداری جرم و انرژی را جذب می کنند. به تدریج، این منجر به مرگ سیاهچاله می شود.
به عنوان نتیجه
به گفته برخی، سیاهچاله نوعی جاروبرقی کیهانی است. یک سوراخ می تواند یک ستاره را ببلعد، حتی می تواند یک کهکشان را "بخورد". از بسیاری جهات، توضیح کیفیات یک سوراخ و همچنین ویژگی های تشکیل آن را می توان در نظریه نسبیت یافت. از آن معلوم می شود که زمان و همچنین مکان پیوسته است. این توضیح می دهد که چرا فرآیندهای فشرده سازی نمی توانند متوقف شوند، آنها نامحدود و نامحدود هستند.
اینها این سیاهچاله‌های مرموز هستند که اخترفیزیکدانان بیش از یک دهه است که مغزشان را درگیر کرده‌اند.
