بررسی سیاه چاله

 ماده تاریک

ماده تاریک چیزی است که بخش بسیار زیاد و به عبارتی تقریبا کل جهان را تشکیل داده است، ولی فعلا مطلقا نمی‌ دانیم که چیست یعنی هنوز به درک درستی از آن نرسیده ایم . در واقع، قلمرو تاریکی از ماده سیاه می‌ تواند همین حالا درست جلوی بینی ما وجود داشته باشد. ماده تاریک ایجاد شده است تا پدیده‌ ها و رخداد هایی را توضیح دهد که به نظر می‌ رسد ناشی از وجود میزان مخصوصی از جرم باشند که از جرم موجود مشاهده شده در جهان بیشتر است. نظریه ماده تاریک برای توضیح بسیاری از مشاهدات عجیب و گیج‌ کننده نجومی مطرح شده است. به عنوان مثال، بر اساس یکی از این مشاهدات ستاره‌ ها در فضای خارجی کهکشان‌ های مارپیچی به عنوان مثال کهکشان ما، به سرعت در حال چرخش‌ است. دقیقا مانند بچه‌ ای که سوار بر چرخ‌ و فلکی به شدت پر سرعت است، این ستارگان باید به فضای ظاهرا خالی بین ستاره‌ ای پرت شوند؛ اما به هیچ عنوان چنین اتفاقی رخ نمی‌ دهد. اخترشناسان استدلال می‌ کنند که برای این مساله عجیب، باید از اثرات گرانشی ماده بسیار بسیار عظیمی که هیچ نور مرئی و قابل تشخیصی از خود ساطع نمی‌ کند، متشکر باشیم.

دومین و عجیب توین مشاهده‌ ای که ما از ماده تاریک برای توضیح آن استفاده می‌ کنیم، این واقعیت است که همین الانشما در حال خواندن این جملات هستید. مشاهدات دقیق «تابش زمینه کیهانی» (CMB) به وضوح نشان می‌ دهد در آغاز خلقت جهان شناخته شده، ماده به شکل خیلی یکنواختی در سراسر فضا پخش شده است. با این وجود، بسیار مناطقی هستند که چگالی‌ آنها از حد متوسط اندکی زیاد بوده است. این نواحی که جاذبه به مراتب قوی‌ تری نسبت به مناطق اطراف خود داشتند، سریع‌ تر از سایرین ماده را می تواند به درون خود بکشد و حتی می توان گفت که چگال‌ تر هم شوند. اما این فرایند بسیار بسیار کند‌ تر و آرام تر از آن است که بتواند کهکشانی به بزرگی و عظمت کهکشان راه شیری را در عمر 8/13 میلیارد ساله کیهان بسازد. برای آنکه به راحتی بتوانیم وجود امروز خود را توضیح دهیم، نیازمند فرض مقدار خیلی زیادی از ماده تاریک هستیم که جاذبه فوق‌العاده زیادش، شکل‌گیری کهکشان‌ ها را به شدت تسریع کند و همچنین شتاب دهد.

تشکیل سیاه چاله

آغاز هر ستاره‌، ابری متشکل از گاز و گرد و غبار به طول چند سال نوری است. هیدروژن و هلیوم، تنها عنصرهای تشکیل‌دهنده ابر در مراحل اولیه تشکیل ستاره بودند. ابر متشکل از گرد و غبار و گاز به دلیل نیروی جاذبه تشکیل و مواد را جذب کرده است. هر چه ابر منقبض‌تر شود، با نیروی بزرگ‌تری به سمت داخل کشیده خواهد شد. انقباض تا جایی ادامه می‌یابد که دمای مواد تشکیل‌دهنده ابر بسیار زیاد شود. این فرایند ممکن است میلیون‌ها سال به طول انجامد. در این مرحله، همجوشی هسته‌ای آغاز خواهد شد. پس از آغاز همجوشی هسته‌ای، تعادل برقرار و ستاره‌ای قرمز یا زردرنگ ایجاد می‌شود. ستاره تشکیل شده با تمام انرژی آزاد شده ناشی از برخورد هسته‌ها در مرکز آن، می‌درخشد. همجوشی هسته‌ای با ترکیب دو پروتون با یکدیگر آغاز می‌شود. از ترکیب دو پروتون، واپاشی بتا رخ می‌دهد و یکی از پروتون‌ها به نوترون تبدیل می‌شود. به پروتون و نوترون در کنار یکدیگر، دوترون (هسته هیدروژن سنگین) می‌گوییم. سپس، دوترون با انجام یک سری واکنش به هلیوم تبدیل می‌شود. هلیوم از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است.

به این ترتیب، ستاره با انجام این واکنش‌ها تا میلیاردها سال به زندگی خود ادامه می‌دهد و آهسته تمام هیدرو‌ژن‌های موجود در هسته خود را به هلیوم تبدیل می‌کند. در طی این مدت، اندازه، دما و درخشش ستاره به طور تقریبی ثابت می‌ماند. همه چیز تا سوختن کامل هیدروژن خوب پیش می‌رود، اما پس از اتمام هیدروژن در مرکز ستاره، اوضاع تغییر خواهد کرد. در این زمان، مرکز ستاره کوچک‌تر و داغ‌تر می‌شود و هیدروژن‌های باقی‌مانده، سریع‌تر مصرف و به هلیوم تبدیل می‌شوند. انرژی ایجاد شده به بیرون از ستاره تشعشع خواهد کرد و لایه‌های خارجی را از مرکز دور می‌کند. با انبساط لایه‌های بیرونی، دمای آن‌ها کاهش می‌یابد و قرمزتر می‌شوند. در این مرحله، ستاره غول‌پیکر قرمز تشکیل خواهد شد. عمر ستاره در این حالت کمی طولانی‌تر و در حدود میلیاردها سال است. هسته ستاره پس از اتمام کامل هیدروژن، داغ‌تر و کوچک‌تر می‌شود.

درخشش هلیم

مرحله بعد درخشش هلیوم نام دارد. در این مرحله، دما به اندازه‌ای بالا است که هسته‌ های هلیوم با یکدیگر ترکیب می‌ شوند و هسته‌ های بزرگ‌ تری مانند کربن و اکسیژن تولید می‌  شوند. سپس، ستاره شروع به تپیدن می‌کند و وارد مرحله‌ ای به نام شاخه افقی می‌ شود. در این مرحله، ستاره با تبدیل بیشتر هلیوم به هسته‌ های بزرگ‌تر، کوچک‌تر، داغ‌تر و آبی‌تر می‌ شود. اکنون به مرحله‌ای می‌رسیم که بیشتر مرکز هسته ستاره از کربن و اکسیژن تشکیل شده است و لایه‌ نازکی از هلیوم به دور آن و لایه نازک‌تری از هیدروژن به دور هلیوم قرار گرفته است. در این حالت، ماده بسیار کمی برای مصرف و سوختن باقی مانده است. بنابراین، هسته فرو می‌پاشد و ستاره وارد مرحله دیگری به نام شاخه مجانبی غول‌ستاره می‌ شود. در این مرحله، ستاره به سرعت رشد می‌کند و دوباره به ستاره‌ای غول‌پیکر تبدیل می‌ شود. این مرحله تا زمانی ادامه می‌ یابد که آخرین انفجار های انرژی از لایه بیرونی خارج شوند و این لایه از مرکز دور شود. در ادامه، هسته‌ ای بسیار داغ و کوچک به اندازه زمین، باقی می‌ ماند.

هسته باقی‌مانده به تدریج سرد می‌شود، زیرا ماده‌ ای برای سوختن در آن وجود ندارد. همچنین، دمای آن به اندازه‌ ای بالا نیست که از کربن یا اکسیژن به عنوان سوخت استفاده کند. بنابراین، هسته منقبض و به کوتوله سفید تبدیل می‌ شود. به لایه خارج شده، سحابی سیاره‌ای گفته می‌ شود. مواد داخل این سحابی به ذرات گاز بیشتری می‌ پیوندند و ستاره دیگری را تشکیل می‌ دهند. تاکنون در مورد ستاره‌ ای با جرم کم یا متوسط صحبت کردیم، اما رفتار ستاره‌ های بسیار سنگین‌ تر از خورشید، متفاوت است.

سیاه چاله ها

سیاهچاله‌ ها از عجیب‌ ترین و جذاب‌ ترین اجرام در فضا هستند. آن‌ ها بسیار متراکم هستند و چنان جاذبه گرانشی عجیب قدرتمندی دارند که حتی نور هم نمی‌ تواند از چنگ آن‌ ها فرار کند. سیاهچاله‌ ها را می‌ توان به یک چاله در فضا-زمان تشبیه کرد. فضا-زمان در حقیقت تاروپود عالم ماست. ما در نظریه نسبیت عام، زمان را به عنوان بعد چهارم در نظر می‌ گیریم و زمان و مکان را به هم مرتبط می‌ کنیم. گرانش در این نظریه یک نیرو نیست، بلکه انحنای فضا-زمان است که توسط جرم ایجاد می‌ شود. فضا-زمان را همانند بافت نرم و لاستیکی یک ترامپولین در نظر بگیرید. در این صورت سیاهچاله همانند یک توپ بولینگ است که روی سطح آن قرار می‌گیرد. توپ باعث ایجاد یک گودی در سطح بافت لاستیکی می‌شود و اجرام کوچکتر را به داخل این گودی جذب می‌کند.

استفان هاوکینگ در مطالعات خود بر روی این اجرام مرموز کیهانی نشان داد سیاهچاله‌ ها برای همیشه زنده نمی‌ مانند و درنهایت به شکلی بسیار کند و آهسته تبخیر می‌شوند. او نشان داد تابش هاوکینگ سبب کاهش جرم سیاهچاله در بلند مدت می‌شود و سیاهچاله‌هایی که به طور فعال در حال جذب گاز و غبار موجود در اطراف خود نیستند، به آرامی کوچک شده و درنهایت ناپدید می‌ شوند. اما در نظر داشته باشید که بازه زمانی مورد نیاز برای این تبخیر بسیار زیاد است. برای مثال، تبخیر کامل سیاهچاله‌ ای در حدود جرم خورشید بیشتر از هزار سال طول می‌کشد. سیاهچاله‌ های اولیه تنها کسری از ثانیه پس از انفجار بزرگ جهانی یعنی همان بیگ بنگ متولد شده‌اند. آن‌ ها میلیارد ها سال پیش از تولد اولین ستاره‌ ها و کهکشان‌ ها – یا حتی سیاهچاله‌ هایی که در بالا بررسی کردیم – در عالم شکل گرفته‌ اند. کیهانشناسان عقیده دارند سیاهچاله‌ های اولیه در اثر وجود ناهمگنی‌ ها و ناهمسانگردی‌ های موجود در عالم اولیه پدید آمده‌اند – هرچند که هنوز سیاهچاله‌ های اولیه در آسمان رصد نشده‌اند.

اطراف سیاه چاله و ماده تاریک

ویژگی های سیاه چاله

• دارای حجم اسرار آمیز

• دارای جاذبه فوق العاده قوی

• احتمال تشکیل با مرگ ستاره ها

• تشکیل با هم جوشی هسته ای