سياهچالها:

(طبق نسبيت عام انيشتن:ثقل معلول،انحناست)

     در محدوده منظومه شمسي،آثار نسبيت عام انيشتن كوچكند.ما فقط ميتوانيم تفاوت هاي بين نظريه ي نيوتن و نظريه انيشتن را به كمك ابزارهاي ظريف و بسيار دقيق كشف كنيم.براي يافتن انحرافهاي بسيار بزرگ بايد به دنبال مكانهايي در فضا بگرديم،كه در آنها ميدان هاي ثقلي بسيار قويتر از هر نقطه منظومه شمسي باشد.چشمگيرترين آثار نسبيتي در سياهچالها نمايان مي شوند.

     سياهچالها بقاياي نامرئي ستارگاني هستند كه تحت تاثير ثقل خودشان فرو ريخته اند.و به دليل فشرده شدن موادشان به حالت تكينه به چگالي بيهايت رسيده اند.(من خودم نمي فهمم چگالي بينهايت يعني چي؟شايد يعني جرم زياد و حجم كم.m/v=∞  =  m/0=ρ)بعد از فرو ريختگي ديگر چيزي از ستاره جز يك ميدان ثقلي قوي (بسيار قوي)باقي نمي ماند.قرائن خوبي وجود دارد كه چند تا از اينگونه ستارگان فرو ريخته بر گرد ستارگان معمولي كهكشان ما در گردشند.يك سياهچال سياه است زيرا نه نور و نه چيز ديگري مي تواند از جاذبه بسيار شديد ميدان ثقلي آن فرار كند.

ذرات مي توانند وارد سياهچال شوند ولي هيچ ذره اي نمي تواندالكترونها، پروتونها، اتم ها،سفينه هاي فضايي،فضانوردان يا هرچيز ديگري كه داخل يك سياهچال بشود بايد اميد فرار را براي هميشه از دست بدهد .آنها وقتي به داخل سياهچاله راه يابند،به دام مي افتند و بي امان به عمق آن به طرغف مركز كشيده ميشوند.ثقل در يك سياهچال آنقدر قوي است كه حتي نور را كه سريعتر از هرچيز ديگري حركت ميكند،به درون ميكشد.

      به كمك سرعت گريز ميتوان تا اندازه اي فهميدكه چگونه ثقل ذرات را به دام سياهچال مياندازد.به خاطر بياوريد كه در سطح زمين سرعت گريز برابر 11km/sاست .پرتابه اي كه با اين سرعت يا بيشتر از آن رها شود،از جاذبه ثقلي زمين رهايي ميابد.و به طور مدام از آن دور ميشود.پرتابه اي كه با سرعتي كمتر از سرعت گريز رها شود،به تدريج توسط جاذبه جاذبه ثقلی به حال سکون میرسد.و سپس به زمین باز میگردد.برای یک جسم کروی ستاره مانند به جرم Mو شعاع R سرعت گریز برابر است با (1)V=√2GM/R.اگر جرم جسم آنقدر بزرگ باشد که،یا شعاع آن آنقدر کوچک باشد،این سرعت از تندی نور تجاوز کند،در این صورت نور نمیتواند از چنگ آن فرار کند.(هیچ چیز دیگری نیز نمیتواند فرار کند زیرا هیچ چیز تند تر از نور حرکت نمی کند.)در این حالت جسم به نظر سیاه می آید.این مطلب را 200سال پیش لاپلاس استنتاج کرده بود.یک ستاره درخشان که چگالیش برابر چگالی زمین و قطرش 250 برابر قطر خورشید باشد،به علت جاذبه اش اجازه نخواهد داد که هیچ یک از پرتوهایش به ما برسد.

     به این ترتیب ممکن است بزرگترین اشیا درخشان جهان نامریی باشند .آنچه لاپلاس نمی دانست چیزی است که ما از نظریه نسبیت آموخته ایم.اگر نور نمیتواند فرار کند،هیچ چیز دیگری نیز نمیتواند فرار کند.زیرا هیچ چیز نمیتواند تند تر از نور حرکت کند.بنا بر این لاپلاس کشف کرد که جاذبه ثقلی قوی ممکن است بعضی ستارگان را سیاه سازد.اما پی نبرد که چنین ستارگانی میتوانند چال هایی باشند.اگر در معادله(1) V را C اختیار کنیم،میبینیم که شعاعی که باید جرم M در آن قرار گیرد،تا فرار از چنگش میسر نباشد برابر است با:R=2GM/C² (2).این شعاع بحرانی را شعاع شوارتزشیلد مینامند.برای جسمی که جرمش برابر جرم خورشید است،مقدار این شعاع بحرانی برابر است با:

R=2*6/67*10^-11N/M².Kg²*2*10¹⁰Kg/ (3*10⁸m/s²)²=3/0Km (3)

     اگر شعاع جسم کمتر از این باشد،هر ذره ای که از 3Kmبه آن نزدیک شود،به دام خواهد افتاد.

     مرز ناحیه ای که سیه چاله را از تمام جوانب چون پرده آهنین شبح مانندی احاطه کرده است و اجازه ورود میدهد،اما از خروج جلوگیری میکند،به غشای یک طرفه یا افق رویداد موسوم است.این غشا که لیه سیاه چاله را مشخص میکند،از چیزی ساخته نشده است:جسم نیست،فقط مکان است.مکانی که بازگشت از آن میسر نیست.(میتوانید تصور کنید؟)

     مطابق معادله (3) سیاه چالی که جرمش برابر جرم خورشید باشد،شعاع افق رویداد آن 3Km است.اگر چه حبت از سرعت گریز مهم است ولی تا حدی هم گمراه کننده است.طبق نظریه نیوتن جسمی که از نقطه ای در داخل سیاهچال به طرف بالا پرتاب شود،ابتدا تا مسافتی بالا میرود سپس متوقف میشود.و سقوط میکند.آنچه که عملا در داخل یک سیاهچال روی میدهد،امری کاملا متفاوت است.جسم شروع به حرکت صعودی هم نمیکند.در سیاهچال،تمام حرکت ها به طرف مرکز است.تنها نظریه نسبیت عام میتواند تصویری کافی از چگونگی حرکت در داخل سیاهچال به دست بدهد.از حسن تصادف محاسبه دقیق شعاع فرار ممنوع،بر مبنای نظریه نسبیت همان فرمول (3) را به دست میدهد.که از محاسبه تقریبی ما بر مبنای نظریه نیوتن حاصل میشود.(از این حسن تصادف چه میتوان فهمید؟حرف نیوتن درست بوده یا حرف انیشتین ...؟)

     طبق نسبیت عام فضا و زمان در نزدیکی یک جسم ثقیل منحنی هستند.در نزدیکی و داخل یک سیاهچال انحنا به منتها درجه است.ــــفضا و زمان تا حد زیادی خمیده شده اندـــبر حسب تمثیل دو بعدی یک جسم ثقیل در اطراف خود،یک فرو رفتگی ایجاد میکند.شکل α.اگر به جای خورشید یک سیاهچاله قرار دهیم،فرو رفتگی خیلی عمیق میشود.شکل β.در داخل این فرورفتگی یک مرز بی بازگشت وجود دارد (دایره یک طرفه)که از آن به بعد فرار غیر ممکن است.سطح مزبور در مرکز این دایره،یک تغییر سیب ناگهانی دارد (اعوجاجی بینهایت بزرگ)این تغییر سیب ناگهانی حاکی از وجود یک نقطه تکینه است.یعنی جاییکه انحنا و نیروی ثقل بینهایت است.

     اگرچه شکلهای αوβ اشاراتی در بر دارند اما کل داستان را بازگو نمیکنند.در داخل یک سیاهچال فضا و زمان به یک اعتبار جایشان را با هم عوض میکنند.از غشای یک طرفه تا نقطه تکینه فاصله مکانی نیست،بلکه زمانی است.یعنی نقطه تکینه یک نقطه فضایی نیست.یک نقطه زمانی است.همین طور در داخل یک سیاهچال میدان های ثقلی ایستا نیستند.بلکه تابع زمانند و تحول میبابند.آنها قویتر و قویتر میشوند تا اینکه در همه جای سیهچال بینهایت میشوند.این تحول قهر آمیز خیلی سریع صورت میگیرد.در سیاه چالی که جرمی برابر خورشید دارد،تمام این تحول ^5-10 ثانیه طول میکشد.در مقابل وقتی که سیاه چال از خارج ملاحظه میشود به نظر نمیرسد که اصلا تحولی داشته باشد.آن همیشه همانی است،که هست.حل این معما بر یکی از غریب ترین ویژگی های سیاه چال یعنی اتساع زمان ثقلی،مبتنی است.

     چنانچه در اتساع زمان ثقلی نوشتیم،ساعتی که نزدیک به یک جسم ثقیل قرار داشته باشد،کند کار میکند.این یکی از وجوه خمیدگی فضا وزمان در نزدیکی یک جسم ثقیل است.در نزدیکی زمین این خمیدگی اندک و اتساع زمان کوچک است.اما در نزدیکی یک سیاهچال خمیدگی و اتساع زمان خیلی بزرگند.در محل غشای یک طرفه(افق رویداد)اتساع زمان بینهایت میشود.ساعتی که در نزدیکی غشای یک طرفه باشد،آنقدر کند کار میکند که گویی متوقف است.اگر فضانوردی در یک کپسول فضایی باشد که درست در لبه سیاهچال مستقر است،تمام فعالیت های حیاتی بدن او (شامل نبض،ضربان قلب،انقباض های ارادی و غیر ارادی عضلات و...)تقریبا به حال توقف در میآیند.ـــاز دید ناظری که در محل ماموریت در سفینه مادر و در فاصله دوری درحال مشاهده فضانورد باشد،کاملا متوقف و بیحرکت به نظر میرسدــــخود فضا نورد احساسی ندارد.فقط فکر میکند که جهان اطرافش اندکی شتاب گرفته.

     این معما که چگونه داخل یک سیه چال میتواند تغییر کند در حالیکه خارج از آن چنین نیست به وسیله اتساع زمان ثقلی حل میشود.وقتی از خارج نگاه میکنیم هر تغییری در داخل غشای یک طرفه بینهایت زمان طول میکشد.بنابر این از دید ناظر خارجی تغییری رخ نداده و همه چیز ایستا به نظر میرسد.(از این قسمت خوشم اومد،چون فهمیدم)

     چندین شئ در آسمان یافت میشوند که به گمان اختر شناسان،سیاه چاله هستند.معروفترین آنها دجاجه x-1 است.که منبعی قوی از پرتوهای ایکس میباشد.و د صورت فلکی دجاجه قرار دارد.ظاهرا دجاجه x-1 منظومه ای دوتایی است.که از دو جز تشکیل شده است.یکی از آنها ستاره ای معمولی است با جرمی 30 برابر خورشید.این ستاره منبع نور معمولی است.جرم دیگر،جسم بسیار متراکمی است که جرمی 10 برابر جرم خورشید دارد.این جزء منبع پرتوهای ایکس است.این دو جزء با دوره تناوب 6/5 روز دور یکدیگر می چرخند فاصله بین این دو جزء نسبتا کم است.

     جسم متراکم احتمالا یک سیاهچال است.این جسم از طریق مکانیسم جمع آوری مواد،پرتوهای ایکس تولید میکند.سیاهچال آنقدر به سطح ستاره ی دیگر نزدیک است که بر امدگی جزری و مدی بزرگی در آن ایجاد میکند.و یک جریان پایدار ماده از ان سطح جدا میکند و به سمت خود میکشد.موادی که حول سیاه چال به حرکت مارپیچی می پردازند،قرصی موسوم به قرص جمع آوری را پدید می آورند.شکل γ.این مواد حرکت مارپیچیشان را ادامه میدهند و به طرف سیه چال سقوط میکنند.آنها در اثر میدان ثقلی شتاب میگیرند و در اثر متراکم شدن داغ میشوند.و دمایشان به10⁹*1 درجه سانتی گراد میرسد.در چنین دمایی برخوردهای گرمایی شدید بین ذرات موجد یک شار جدید از پرتوهای ایکس میشود.کلید مکانیسم توليد اين پرتوهاي ايكس،اندازه بسيار كوچك به بيان ديگر چگالي بسيار زياد سياهچاله است.وقتي جرمي معادل10 خورشيد در يك فضاي كوچك محصور باشند ميدان ثقلي در مجاورت ان خيلي شديد خواهد بود.التهاب بي اندازه اين مواد تنها از طريق عمل ميدان هاي ثقلي قوي ميسر است.

اختر فيزيك دانان از روي شار پرتوهاي ايكس مشاهده شده استنتاج كردند كه قطر جرم متراكم كمتر از300كيلومتر است.(تا آنجا كه ما اطلاع داريم،به هيچ طريقي نميتوان جرمي معادل 10 خورشيد را در ناحيه اي به قطر300كيلومتر جا داد به طوريكه پايدار و متعادل بماند!)
در چنين چگاليهايي ثقل بر جميع نيروهاي ديگر غلبه دارد و به فوريت فروريختگي كامل جرم را به بار خواهد اورد.جرم متراكم دجاجهx-1 احتمالا در گذشته اي بسيار دور فرو ريخته و اكنون سياهچاله شده است.چندين شئ ديگر هم در اسمان وجود دارند كه شبيه دجاجهx-1 هستند.همه اينها چشمه هاي نيرومند پرتوهاي ايكس هستند .و اختر فيزيكدانان بر اين باورند كه آنها از يك ساره عادي و يك سيهچاله تشكيل يافته اند.كه حول هم ميگردند.سياهچال مدام موادي را از ستاره جدا ميكند،انرا ميبلعد و پرتوهاي ايكس گسيل ميكند.توجه كنيد كه اين پرتوهاي ايكس از داخل سياهچال نمي ايند بلكه منشا انها قرصي موسوم به قرص جمع آوري است كه بلافاصله در در خارج سياهچال قرار دارد.بعد از اينكهمواد در حال سقوط از غشاي يك طرفه گذشتند هر پرتوي ايكسي هم كه گسيل كنند محصور خواهد ماند.يك سياهچال ساه است اما مواد بيرون ان با پرتوي ايكس ميدرخشند.       

بعضي از اخترشناسان حدس ميزنند كه تعداد زيادي سياهچال در كهكشان ما و كهكشان هاي اطراف وجود داشته باشد .حتي ممكن است بخش عمده اي از جرم كهكشان ها به شكل سياهچاله باشد.اما تنها سياه چاله هايي كه قادريم با ابزار هاي كنوني زميني خود  كشف كنيم،آنهايي هستند كه گاز يا غباري از محيطشان ميبلعند و پرتوي ايكس يا تابشهاي ديگر گسيل ميكنند.يك سياهچال منزوي كاملا در زمينه سياه فضاي بيروني پوشيده است.سياهچال هاي منزوي جزاير پنهان فضاي بيروني هستند.انها نامريند و وجودشان را فقط از طريق جاذبه ثقليشان ميتوان كشف كرد.

نوشته شده در 87/07/02ساعت 0 توسط مهرگان