سیاهچاله

فرض کنید جرم ستاره ای درحدود ۲۰ برابر جرم خورشید باشد بعد از طی مراحل تکامل وانفجار بصورت ابرنواختری, اگر جرم ستاره باقی مانده به سه برابر خورشید برسد از آنجاییکه این جرم برای تبدیل به ستاره نوترونی شدن زیاداست ستاره بطور کامل متراکم شده و به یک سیاهچاله تبدیل خواهد شد.برطبق قوانین فیزیک واستنتاج منطقی عاقبت کار یکتایی (Singularity) خواهد بود.یکتایی نقطه ای که شعاع آن صفر وچگالی آن بینهایت خواهد بود.هر چه به این جرم نزدیکتر شویم سرعت فرار از آن بیشتر خواهد شد و در فاصله ای که بانام شعاع شوارزشیلد شناخته میشود سرعت فرار از چنین جرمی با سرعت نور برابر می شود.اندازه این شعاع ویژه به جرم ستاره بستگی مستقیم دارد برای ستاره ای با جرم خورشید مقدار آن ۳ کیلومتر است این بدان معناست برای اینکه خورشید به یک سیاه چاله تبدیل شود باید قطر آن به ۳ کیلومتر کاهش بیابد.اگر کره ای با شعاع شوارزشیلد حول نقطه مرکزی رسم کنیم (نام این کره افق رویداد(Event horizon )می باشد)درون این کره سرعت فرار از سرعت نور بیشتر خواهد بود و از آنجاییکه هیچ جسمی توانایی حرکت باسرعت بیشتر از سرعت نور را ندارد ، هیچ جسمی توانایی گریز از این منطقه را ندارد.برطبق روابط فیزیکی معمول هیچ خبری از درون این کره در دسترس نمی باشد و نیروهای شدید کشندی درون این محیط موجب انفجار و از هم گسیختگی هر جسمی که به آن نزدیک شود می گردد.

برطبق نسبیت عام فضای اطراف افق رویداد به شدت تاب برمی دارد.مقدار تاب برداشتن به جرم سیاهچاله بستگی دارد وهر جرم بیشتر باشد مقدار آن بیشتر خواهد بود.از آنجاییکه سیاه چاله هیچ نوری از خود بیرون نمی دهد تنها براساس همین تغییر فضای اطراف آن است که ما می توانیم وجود آنرا بطور غیرمستقیم ردیابی کنیم.درواقع مابا مشاهده اثر آن بر مواد بیرون از افق رویداد میتوانیم تاحدودی آنرا تشخیص دهیم.سیاهچاله مواداطراف خود را به شدت جذب می کند واین مواد جذبی قبل از برخورد با آن به دلیل سرعت سقوط فوق العاده زیاد پرتوهای ایکس گاما و امواج رادیویی گسیل می کنند.

سیاهچاله هایی که در یک دستگاه دوتایی قرار دارند از گازهای ستاره همدم خود گازدریافت می کنند واین گاز با نزدیک شدن به افق رویداد دراثر نیروهای شدید گرانشی گرم شده وشروع به تابش اشعه ایکس می کنند پس یک راه برای تشخیص سیاهچاله ها جستجوبرای یافتن ستاره های دوتایی است که منبع قوی امواج اشعه ایکس باشند.موادی که از ستاره همدم می آیند بطور مستقیم برسطح سیاهچاله سقوط نمی کنند بلکه ابتداتشکیل یک قرص برافزایشی می دهند مواد درون این قرص با حرکت سریع ومارپیچی به سیاهچاله نزدیک شده وبه مرور زمان میسوزند.عکسهای گرفته شده توسط تلسکوپ فضایی هابل در مواردبسیار زیادی نشاندهنده این قرص می باشد.

این گمان وجود دارد که در مرکز کهکشانها سیاهچاله های ابر سنگین وجود داشته باشد.از جمله در کهکشان خودمان.نحوه حرکت ابرهای گازی وشدت پرتوهای ارسالی از مرکز کهکشان خودمان از دلایل وجود چنین سیاهچاله ای می باشد. بررسی سرعت ستاره‌های نزدیک به مرکز کهکشان راه شیری که امروزه توسط تلسکوپ‌هابل قابل انجام است، بیانگر این واقعیت است که جرم هسته کهکشان بسیار بزرگ بوده که در یک ناحیه کوچک قرار دارد این نمونه می‌تواند وجود سیاهچاله در مرکز کهکشان‌ها را مورد تایید قرار دهد. همچنین مشاهده اشعه گاما متغییر را می‌توان به عنوان شاهدی دال بر قبول سیاهچاله ابرجرم‌دار در مرکز کهکشان‌ها دانست. اخیرا” وجود سیاهچاله در مرکز کهشکان M87 نیز مورد قبول منجمین قرار گرفته است.

چگالی متوسط یک سیاهچاله متناسب با عکس مربع جرم آن است. برای یک سیاهچاله در حد جرم خورشید چگالی ده میلیون تن در سانتی مترمکعب بدست می‌آید که چهل برابر چگال‌تر از مواد هسته‌ای است . در صورتی که برای یک سیاهچاله با جرم صد میلیون برابر جرم خورشید چگالی یک گرم در سانتی مترمکعب محاسبه می‌شود که برابر چگالی آب است. بنابراین شرایطی که می‌تواند یک سیاهچاله کوچک ایجاد گردد بسیار سخت تر از شرایطی است که یک سیاهچاله بزرگ می‌تواند تولید شود.

بطورکلی سیاهچاله ها به سه گروه تقسیم می شوند:

سیاهچاله‌های ستاره‌ای (Stellar Black Holes )
این دسته از سیاهچاله‌ها معمولا” از رمبش ستارگان بوجود آمده و جرم آنها بین ۳ تا ۱۰۰ برابر جرم خورشید است. بهترین کاندید برای مشاهده این دسته از سیاهچاله‌ها، سیستم‌های دوتایی منبع اشعه X است که یکی از دو شی مشاهده نمی‌شود. این دسته از سیستم‌های نجومی ‌از خود اشعه X تشعشع می‌کنند که از اوایل دهه ۱۹۷۰ مورد توجه قرار گرفتند.

اولین دوتایی کاندید از این گروه، Cygnus X-1 است که ستاره اپتیکی دوتایی یک ابرغول آبی است که جرم آن حدود ۲۰ برابر جرم خورشید است و دور زوج نامرئی خود که جرم آن در حدود ۴۰ برابر جرم خورشید است با پریود ۶/۵ روز می‌چرخد. فاصله آن از ما در حدود ۲/۲ کیلو پارسک است . در این سیستم دوتایی، جرم از ستاره قابل رویت دوتایی به درون سیاهچاله وارد می‌شود ولی به دلیل سرعت زاویه‌ای، این جرم به صورت شعاعی وارد سیاهچاله نشده بلکه گازها تشکیل یک دیسک داده که آنرا قرص برافزایشی (accretion disk) گویند.

دو دسته اشعه در طیف تابش این سیستم دوتایی که از قرص برافزایشی تابش می‌گردد دیده می‌شود که یکی از این دو، تابش جسم سیاه با دمای ۳۱۰۰۰K بوده و دسته دوم اشعه X سخت تا انرژی ۱۵۰K است . در واقع طیف این دسته دوم اشعه که تا انرژی ۱۵۰Kev را هم داراست شاهدی بر وجود سیاهچاله بعنوان زوج نامرئی این دوتایی است. البته اگر این زوج ستاره نوترونی هم باشد اشعه X تولید می‌شود ولی نشان داده شده است که در این صورت اشعه X دارای انرژی حدود۱۰۰K نخواهد بود . اخیرا” اشعه گاما پرانرژی هم برای این دوتایی مشاهده شده است که بر سیاهچاله بودن شی غیرقابل رویت این دوتایی تاکید می‌کند. تا کنون تعداد زیادی از این سیستم‌های دوتایی که می‌تواند شاهد وجود سیاهچاله باشد کشف شده است و امروزه یکی از زمینه‌های مشاهده‌ای کشف و بررسی این گونه دوتایی‌هاست.

۲-سیاهچاله‌های ابرجرم دار (Supermassive Black Holes )

جرم اینگونه سیاهچاله بین یک میلیون تا ده هزار میلیون برابر جرم خورشید است. اینگونه سیاهچاله‌ها در مرکز کهکشان‌ها از جمله کهکشان راه شیری قرار دارند. شدت تابش از مرکز کهکشان‌های فعال که می‌تواند به خاطر ورود جرم به مرکز کهکشان باشد و کوچک بودن اندازه هسته این کهکشان‌ها بیانگر وجود سیاهچاله ابرجرم دار در مرکز آنهاست.

۳- سیاهچاله‌ها با جرم متوسط
شکاف بین جرم سیاهچاله‌های معمولی (۳ تا ۱۰۰ برابر جرم خورشید) و سیاهچاله‌های ابرجرم‌دار (با جرم یک میلیون تا ده هزار میلیون برابر جرم خورشید) منجمین را بر آن داشت که به دنبال سیاهچاله‌هایی با جرم(با جرم ۱۰۰ تا ۱۰۰هزار برابر جرم خورشید) هم باشند. این گونه سیاهچاله‌ها می‌توانند در مرکز خوشه‌های ستاره‌ای در نزدیکی مرکز کهکشان‌ها وجود داشته باشند. به دو روش می‌توان به دنبال شواهد تجربی برای این دسته از سیاهچاله‌ها بود. یکی از روش‌های مشاهده‌ای این گونه سیاهچاله‌ها یافتن منابع اشعه با شدت زیاد است. اخیرا” منابعی از اشعه X با این محدوده شدت با طیف انرژی چند ده الکترون ولت در مرکز خوشه‌های ستاره‌ای مشاهده شده است. این دسته از منابع اشعه به منبع فوق درخشان پرتو ایکس یا Ultraluminous X-ray source (ULXs)مشهور هستند.

کلمه سیاهچاله از اینجا گرفته شده که هیچ پرتوی الکترومغناطیسی نمی تواند از آن ساطع شود درنتیجه سیاه دیده میشود.