تاریخچه كشف سیاه چاله ها از نظریه تا اثبات

تاریخچه كشف سیاه چاله ها از نظریه تا اثبات

گردو دانلود: سیاه چاله ها همیشه موضوع جالب و رازآلودی برای ستاره شناسان و دیگر دانشمندان بوده اند. ناسا 12 تا 16 آوریل (23 تا 27 فروردین)را هفته ی سیاه چاله نامگذاری کرده است و به این مناسبت نگاهی به تاریخچه ی کشف این اجرام می اندازیم.


به گزارش گردو دانلود به نقل از ایسنا، اساس و پایه ی آن چه که در مورد سیاه چاله ها می دانیم به جنگ جهانی برمی گردد. در دسامبر سال ۱۹۱۵، اروپا و سایر مردم جهان، دوران تاریک جنگ جهانی اول را می گذراندند. جایی در جبهه ی شرقی یک ستوان آلمانی در توپخانه در کُت خود فرو رفته بود و اهتمام می کرد درون سنگر، گرم و خشک بماند. او آخرین بسته ای که از خانه برایش رسیده بود را باز کرد و یک بسته توجهش را به خود جلب کرد. در آن شب او خطر روشن کردن نور را به جان خرید و آغاز به خواندن گزارشی طولانی و با جزییات کرد. گزارشی که نمی دانست تبدیل به مهم ترین اثر قرن بیستم خواهد شد.
نویسنده ی آن گزارش یک فیزیکدان نظری به نام آلبرت اینشتین بود و کسی که این گزارش را دریافت کرد همکارش، کارل شوارتزشیلد(Karl Schwarzschild)، مدیر رصدخانه ای در پوستدام(Potsdam)، نظریه پرداز و ریاضی دان برجسته ای بود که برخلاف شغل مربوط به نجومش در دهه ی پنجم زندگیش به جنگ رفته بود.
تنها چند هفته قبل تر، اینشتین ۱۰ سال کار خودرا با موفقیت به انتها رسانده بود و نظریه ی نسبیتش را گسترش داده بود تا شامل نیروی جاذبه، الکتریسته و مغناطیس شود.


اینشتین با انتشار چهار مقاله ی برجسته در فرهنگستان علوم "پروس" اساس ریاضیات و نظریه ی کلی نسبیت را بنیان نهاد که هنوز یکی از زیباترین و ظریف ترین نظریات علمی کل تاریخ است.
استدلال دایره وار معادلات اینشتین، حل کردن آنها را در عین زیبایی، دشوار می کند. ریشه این دشواری در معادله ی مشهور E=mc۲ اوست که بیان می کند انرژی و ماده قابل جابه جایی با یکدیگر هستند. از آن جایی که جاذبه نوعی انرژی است می تواند مانند ماده نیز رفتار کند و موجب گرانش بیشتر شود. از نظر ریاضیاتی، نسبیت عام یک دستگاه(تابع) غیرخطی است و حل کردن اینگونه دستگاهها دشوار است.
هنگامی که شوارتزشیلد تنها چند روز بعد پاسخی به اینشتین نوشت و نخستین چاره را برای معادله ی اینشتین ارائه داد، او را بسیار شوکه کرد. او برای اینشتین نوشت: همانطور که می بینی جنگ با من به اندازه ی کافی مهربان بوده که به رغم شلیک گلوله ها، مدتی از همه چیز دور شوم و در دنیای ایده های خودم قدم بزنم.
اینشتین نیز پاسخ داد: من مقاله ی تو را با نهایت علاقه خواندم و توقع نداشتم یک نفر بتواند چاره دقیق این مسئله را با روشی به این سادگی به دست آورد. من از ریاضیاتی که استفاده کردی بسیار خوشم آمد.
به طرز غم انگیزی در کمتر از یک سال شوارتزشیلد تسلیم یک بیماری پوستی شد و جانش را از دست داد و به میلیون ها جان باخته ی جنگ جهانی اول در اثر این بیماری پیوست. او از خود چاره ای به جا گذاشت که بطور کامل توضیح می دهد چگونه "فضازمان" اجسام کروی مثل سیارات و ستاره ها را در بر گرفته است. "فضازمان" یک مدل ریاضی است که در آن سه بُعد فضا و یک بعُد زمان جهان در یکدیگر ادغام شده و یک محیط چهار بعدی به وجود می آورد. با ترکیب فضا و زمان فیزیکدانان توانستند نظریه های فیزیکی را ساده سازی کنند. یکی از خاصیت های بیان شده در این چاره ریاضیاتی این است که در ستاره های فشرده با چگالی زیاد، فرار از گرانش دشوارتر می شود تا جایی که هر ذره ای، حتی نور در دام گرانش آنها می افتد. به این نقطه که هیچ فراری از گرانش امکان پذیر نیست افق رویداد گفته می شود و هر جسمی که به افق رویداد نزدیک شود زمان برایش کند شده و سپس متوقف می شود.



کارل شوارتزشیلد
به همین علت نخستین فیزیکدانانی که این اجرام عجیب را مطالعه می کردند آنها را "ستاره های یخ زده" نامیدند. امروزه ما آنها را با اسمی می شناسیم که نخستین بار ویلر(Wheeler) در سال ۱۹۶۷ به آنها اطلاق کرد: سیاه چاله
بااینکه افق رویداد نقشی اساسی در چاره شوارتزشیلد داشت اما سال ها طول کشید تا سیاه چاله ها بعنوان چیزی بیش از یک کنجکاوی ریاضیاتی شناخته شوند. بیشتر متخصصان برجسته جهان در زمینه ی نسبیت عام در نیمه ی اول قرن بیستم باور داشتند که سیاه چاله ها هیچ گاه نمی توانند در واقعیت شکل بگیرند.
آرتور ادینگتون(Arthur Eddington) اصرار داشت که حتما قانونی در طبیعت برای جلوگیری از چنین اتفاقی وجود دارد. توسعه ی همزمان مکانیک کوانتومی نیز موجب پیچیده شدن این مسئله می شد. یک رشته ی جدید که بر طبق مواردی از رفتارهای نامعمول در طبیعت به وجود آمده بود.
فیزیکدانانی که در دو رشته ی مکانیک کوانتومی و نسبیت عام کار می کردند دریافتند که هر دوی این زمینه ها برای درک ستاره های بزرگ و متراکم اهمیت زیادی دارند. اما ماهیت عجیب این شاخه های جدید فیزیک حتی با استعدادترین افراد را تحت فشار قرار می داد بنا بر این تا ۵۰ سال پس از مقاله ی شواتزشیلد دانشمندان هیچ اتفاق نظری بر روی وجود سیاه چاله ها نداشتند.
یافتن غیرقابل مشاهده ها
یک موضوع واضح بود، اگر سیاه چاله ها وجود داشته باشند به احتمال زیاد در اثر فروپاشی ستاره های عظیم شکل گرفته اند. ستاره هایی که بعد از اتمام سوخت هسته ای شان نتوانستند حتی وزن خودشان را تحمل کنند. سوالی که بیشتر ستاره شناسان روی آن تمرکز داشتند این بود که چگونه آنها را پیدا کنیم؟ برای اینکه سیاه چاله ها هیچ نوری منتشر نمی کردند برای ستاره شناسی نور احتیاج است و برای داشتن نور باید ماده وجود داشته باشد. هرچه داغ تر و پرنورتر بهتر.
خوشبختانه اواخر دهه ی ۱۹۶۰ شروع ستاره شناسی با اشعه ی ایکس بود که با ارسال چندین موشک ژرفاسنج و ماهواره که می توانستند بالای جو زمین قرار بگیرند همراه بود.
در طول پرواز کوتاه یک موشک در سال ۱۹۶۴، ستاره شناسان یکی از بزرگترین منابع اشعه ی ایکس در آسمان را یافتند که در صورت فلکی ماکیان(Cygnus) قرار داشت و آنرا "Cygnus X-۱" نامیدند.
با این وجود از آن جا که هیچ منبع نوری بصری و رادیویی نداشت منبع فیزیکی آن یک راز باقی ماند. هنگامی که ماهواره ی "Uhuru X-ray Explorer" ناسا در سال ۱۹۷۰ پرتاب شد، مشاهدات دقیق تری با جزییات بیشتر امکان پذیر شد.
یکی از نخستین کشف های قابل توجه، کشف تغییرات سریع سیاه چاله ی Cyg X-۱ در بازه های زمانی کمتر از یک ثانیه بود. این مساله نشان می داد که اندازه ی فیزیکی منطقه ای که اشعه ی ایکس منتشر می کرد بسیار فشرده و کوچک تر از یک ستاره ی معمولی است. چه چیزی چنین انرژی زیادی را در چنین فضای کمی نگه می دارد؟
در طول یک سال یک همتا برای Cyg X-۱ پیدا شد که به ستاره شناسان این امکان را داد تا آنرا یک دستگاه باینری که در آن اعداد با ارقام ۰ و ۱ نشان داده می شوند تشخیص دهند و جرم آنرا تخمین بزنند. اندازه ی آن ۱۵ برابر بزرگ تر از خورشید بود یعنی بیش از هر اندازه ای که برای کوتوله های سفید و ستاره های نوترونی در نظر گرفته شده بود. در مجموع تغییرات سریع، تابش بزرگ اشعه ی ایکس و جرم زیاد تخمین زده شده موجب شد که Cyg X-۱ تبدیل به گزینه ی مناسبی برای نخستین سیاه چاله باشد.
با ارسال تلسکوپ هایی با حساسیت بیشتر به اشعه ی ایکس در سالهای بعد، این موارد قوت گرفت. ما حالا تغییراتی در اشعه ی ایکس انتشار یافته از Cyg X-۱ در بازه ی زمانی یک میلی ثانیه مشاهده می نماییم و محدوده ی انتشار آنرا به چند صد کیلومتر محدود کرده ایم. تنها چند برابر بیشتر از اندازه ی افق رویداد. با مشاهده ی اشعه ی ایکس انتشار یافته از سیاه چاله ها می توانیم مستقیما خاصیت های فضازمان را که توسط نسبیت عام پیش بینی شده بود بررسی نماییم.
خیره به افق رویداد
در صورتیکه سیاه چاله های ناشی از جرم ستاره ای یکی از بزرگ ترین منابع اشعه ایکس در آسمان هستند، بی ثبات نیز هستند. در بیش از ۴۰ سال بعد از کشف Cyg X-۱، تنها چند ۱۰ سیاه چاله ی دیگر کشف شده است. بیشتر آنها طی افنجارهای کوچک، غیرقابل پیش بینی قابل رویت شدند و به مدت چند ماه یا بیشتر باقی مانده و سپس باردیگر برای دهه ها ناپدید شدند.
ستاره شناسان این سیاه چاله ها را به سه دسته تقسیم کردند: سخت، نرم و متوسط
این نام ها خصوصیات قابل مشاهده ی طیف های اشعه ی ایکس در هر مرحله را توصیف می کنند. ما هنوز دقیق نمی دانیم که چه مکانسیم های فیزیکی موجب ایجاد این رفتارها می شود اما بنظر می رسد به دو چیز مربوط باشد میزان گاز انتشار یافته از سیاه چاله ها و میزان میدان مغناطیسی موجود درون گازها
در اصطلاح ستاره شناسی، طیف "سخت" به مفهوم میزان وجود اشعه های ایکس پر انرژی تر است و نوع "نرم" برعکس آنست.
البته "کم انرژی" یک اصطلاح نسبی است و فوتون هایی که از یک قرص برافزایشی(یک ساختار دیسک مانند از ماده است که به شکل حلقوی به دور یک جسم خاص می چرخد)می آیند، میلیون ها درجه دما دارند.


چرخش اصلی
با توجه به این که حل معادله ی اینشتین توسط شواتزشیلد کمتر از یک هفته به طول انجامید، به نظر می رسید یافتن چاره بعدی که حدودا نیم قرن زمان برد، یک عمر طول کشیده است. این چاره در سال ۱۹۶۳ توسط روی کر(Roy Kerr) کشف شد. کِر راه حلش را هنگامی که در دانشگاه تگزاس در آستن بود به دست آورد.
برخلاف سیاه چاله های شوارتزشیلد، سیاه چاله های کِر می چرخند. آنها زاویه ی چرخش ستاره هایی که از آن به وجود آمده اند را حفظ می کنند. از نظر ستاره شناسی این مساله بسیار مهمست برای اینکه از آن جایی که می دانیم تمام اجرام آسمانی در چرخش هستند از ماه گرفته تا سیارات تا کهکشان ها. بدین سبب طبیعی است که توقع داشته باشیم سیاه چاله ها نیز بچرخند. شواهد این چرخش نشان میدهد که چگونه سیاه چاله ها همه چیز را مانند یک گرداب به درون خود می کشند. و این مساله به گازها این امکان را می دهد تا سریع تر حرکت کنند. طی چند سال اخیر بعد از پرتاب تلسکوپ "NuSTAR" ناسا ما توانسته ایم از طیف های انتشار یافته برای اندازه گیری چرخش سیاه چاله ها با دقتی بی سابقه استفاده نمائیم.
اندازه گیری چرخش سیاه چاله ها نه فقط به ما چیزهایی در مورد نسبیت عام می آموزد بلکه بینشی مهم در نحوه ی تشکیل ستاره های بزرگ و انفجار آنها و ابرنواخترها فراهم می آورد. از آن جا که این دستگاه های باینری جدید هستند(Cyg X-۱ تنها چندین میلیون سال قدمت دارد) بدین سبب هر چرخشی که اندازه گیری می نماییم مشابه زمان شروع تشکیل سیاه چاله است. از این منظر می توان گفت آنها واقعا "ستاره های یخ زده" هستند.
میراثی متحیر کننده
نظریه ی نسبیت عام یکی از معدود حوزه ها در فیزیک مدرن است که برای حدود یک قرن آزمایشاتش ادامه داشته است. اینشتین استعداد منحصر به فردی نه فقط در بیان نظریات فوق العاده داشت بلکه آزمایشاتی را پیشنهاد می کرد که می توانستند آن نظریات را اثبات کنند. شاید معروف ترین پیش بینی او این بود که چگونه گرانش خورشید نور سایر ستاره ها را منحرف می کند. این اثر در سال ۱۹۱۹ طی یک خورشید گرفتگی اثبات شد و اینشتین را به شهرت جهانی رساند.
به قول کیپ تورن(Kip Thorne)، فیزیکدان نظری، شاید حیرت آورترین پیش بینی او امواج گرانشی بودند که یک قرن قبل از آنها سخن گفت و در سال ۲۰۱۹ توسط رصدخانه موج گرانشی تداخل سنج لیزری(LIGO) به اثبات رسید.
در سال ۱۹۷۳، ایگور نوویکو(Igor Novikov) و کیپ تورن از پایه ترین قوانین پایستگی انرژی و حرکت زاویه دار، توضیحی برای نحوه ی گردش گاز درون سیاه چاله و انتشار انرژی گرانشی بصورت گرما و اشعه با دمای میلیون ها سانتی گراد به دست آوردند.
این مدل دو مشکل داشت: از نظر فرضیه ای و همین طور از نظر علمی درست نبود. مشکل آن از نظر فرضیه ای این بود که توضیح نمی داد چگونه گازها زاویه شان را از دست می دهند و از نظر علمی با مشاهدات اشعه ایکس پر انرژی مطابقت نداشت.
گازهای یونیزه شده هیچ اصطکاکی تجربه نمی کنند بدین سبب می توانند تا ابد در مدار بمانند و هیچ گاه به افق رویداد نزدیک نشوند.
نوویکو و تورن مشکل راه حلشان را ارزیابی کردند و یک فاکتور را وارد نظریه شان کردند. در نهایت ۲۰ سال زمان برد تا پاسخ را بیابند و در سال ۱۹۹۱ استیو بالبوس(Steve Balbus) و جان هاولی (John Hawley) یک بی ثباتی قدرتمند کشف کردند که ناشی از چرخش و کشش خطوط میدان مغناطیسی درون یک قرص برافزایشی بود. گازهای یونیزه شده رساناهای خوبی هستند و می توانند میدان های قدرتمند مغناطیسی ایجاد کنند و موجب حرکت گازها به درون سیاه چاله شوند.
تا سال ۲۰۰۱، ابررایانه ها به اندازه ی کافی قدرتمند شدند تا بی ثباتی بالبوس-هاولی را شبیه سازی کنند و پیش بینی های آنها را اثبات کنند. یک دهه دیگر طول کشید تا شبیه سازی ها شامل تاثیرات تابش ها شود. و سرانجام بشر به جایی رسید که توانست از بنیادی ترین قوانین طبیعت برای توضیح نحوه ی تشکیل اشعه ی پرانرژی ایکس در اطراف سیاه چاله ها استفاده نماید.
دقیقا ۱۰۰ سال قبل، سیاه چاله ها از یک کنجکاوی ریاضیاتی به موضوع نظریات فیزیکی تبدیل شدند و سپس تبدیل به تحقیقات اصلی ستاره شناسی شدند. طی سال های آتی ما انتظار داریم بیشتر در مورد تولد، زندگی و مرگ این اجرام منحصر به فرد بیاموزیم.




منبع:

1400/01/28
09:28:30
5.0 / 5
260
تگهای خبر: دانشگاه , عكس , متخصص , مطالعه
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)

تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب
لطفا شما هم نظر دهید
= ۲ بعلاوه ۴