به همین دلیل است که سیاه چاله‌ها با سرعت نور می‌چرخند

دلیل چرخش سیاه چاله‌ها با سرعت نور چیست؟ در بیرون از جهان ما اوضاع چگونه است؟ چرا سیاه چاله‌ها سیاه هستند؟ چگونگی شکل‌گیری ستاره‌ها؟ و حجم و موقعیت خورشید تا چه اندازه بر سرعت چرخش سیاه چاله‌ها تاثیر می‌گذارد؟ مجله فوربز در نوشتاری به قلم اتان سیگل به تمامی این سوال‌ها با زبانی ساده پاسخ داده است. اتان سیگل اخترفیزیکدان و نویسنده علمی نظری آمریکایی است که به مطالعه نظریه بیگ بنگ می‌پردازد. او در گذشته استاد دانشکده لوئیس و کلارک بوده است و نویسنده بخش شروع با یک بنگ در مجله ساینس بلاگز و فوربز است. در ادامه با آراد مگ همراه باشید.

سیاه چاله‌ها

تصویری از سیاه چاله‌ای فعال، که ماده‌ای به هم پیوسته را تشکیل می‌دهد و بخشی از آن را به بیرون و در دو جریان سریع عمودی سرعت می‌بخشد. ماده معمولی تحت یک شتاب قرار می‌گیرد همچون این که توصیف می‌کند اختروش‌ها چگونه بسیار خوب کار می‌کنند. همه سیاه چاله‌هایی که به خوبی شناخته و اندازه‌گیری شده‌اند، دارای چرخش بسیار بالایی هستند و قوانین فیزیک همه آن‌ها را تضمین می‌کند که این کار اجباری است. مارک اِی. گارلیک، تصویرگر مستقل، نویسنده و انیماتور رایانه و هنرمند در زمینه علوم زمین، فناوری، نجوم، فضا و علم.

نگاهی به بیرون از جهان بیاندازید، و در حالی که ستاره‌ها ممکن است منتشر کننده نوری باشند که نخستین بار متوجه آن شدید، نگاهی عمیق‌تر نشان می‌دهد که چیزهای بیشتری در آنجا وجود دارد. روشن‌ترین و درخشان‌ترین ستاره، به وسیله طبیعت خود، کوتاه‌ترین طول عمر را دارد، چرا که آن‌ها به سرعت سوخت خود را به مراتب سریع‌تر از همتایان خود که جرم کم‌تری دارند، می‌سوزانند. زمانی که به وسعت خود می‌رسند و می‌توانند عناصر را با هم ترکیب کنند، به پایان زندگی خود می‌رسند و به اجساد ستاره‌ای تبدیل می‌شوند.

اما این اجساد ستاره‌ای چندین نوع دارند: ستاره‌های نسبتا کم نور سفید برای ستاره‌هایی با جرم کم‌تر (مثلا، خورشید مانندها)، ستاره‌های نوترونی برای ردیف بعدی و سیاه چاله‌های که عظیم‌ترین ستاره‌ها به شمار می‌روند. در حالی که بیشتر ستارگان خود ممکن است نسبتا آهسته بچرخند، اما سیاه چاله‌های تقریبا به سرعت نور می‌چرخند. این ممکن است متناقض به نظر برسد، اما تحت قوانین فیزیک، نمی‌تواند راه دیگری داشته باشد. در اینجا دلیلش را خواهید فهمید.

سیاه چاله‌ها - سرعت نور

نور خورشید به دلیل ترکیب هسته‌ای که دارد در درجه اول هیدروژن را به هلیوم تبدیل می‌کند. وقتی میزان چرخش خورشید را اندازه‌گیری می‌کنیم، متوجه می‌شویم که این یکی از کندترین چرخشگرها در کل منظومه شمسی است و از ۲۵ تا ۳۳ روز طول می‌کشد تا یک چرخش ۳۶۰ درجه داشته باشد که وابسته به عرض جغرافیایی است. ناسا – رصدخانه مکانیک حرکتی خورشیدی

نزدیک‌ترین شباهت به یکی از آن اجرام فوق‌العاده در منظومه شمسی ما خورشید است. حدود ۷ میلیارد سال دیگر، پس از تبدیل شدن به غولی قرمز و سوزاننده از طریق هلیوم در هسته خود، با دمیدن لایه‌های خارجی خود به پایان می‌رسد در حالی که هسته آن به صرفا ستاره‌ای باقیمانده از خورشید نزول می‌کند.

(برای مطالعه بیشتر در مورد سیاه چاله‌ها، کلیک کنید.)

لایه‌های خارجی به عنوان یک سحابی سیاره‌ای شناخته می‌شوند، که برای ده‌ها هزار سال، پیش از بازگشت آن ماده به محیط میان ستاره‌ای شکل می‌گیرد، جایی که آن‌ها نسل‌های آینده ستاره را در آن شکل خواهند داد. اما هسته مرکزی، که عمدتا از کربن و اکسیژن تشکیل ‌یافته است، تا جایی که امکان دارد، منقبض خواهد شد. در پایان، فروپاشی گرانشی توسط ذرات – اتم‌ها، یون‌ها و الکترون‌ها متوقف خواهد شد –  که در واقع باقی مانده خورشید از آن ها ساخته شده‌اند.

زمانی که خورشید ما از همه سوخت خود استفاده کند، تبدیل به غولی قرمز می‌شود که به دنبال آن یک سحابی سیاره‌ای با یک ستاره نسبتا کم نور سفید در مرکز آن قرار داده می‌شود. سحابی چشم گربه‌ای نمونه‌ای بسیار تماشایی از این سرنوشت بالقوه است، البته با شکلی پیچیده، لایه‌ای و نامتقارن است که این مورد بخصوص نشان دهنده یک همراه دودویی است. در مرکز، یک ستاره نسبتا کم نور سفید جوان در این انقباض گرم می‌شود و به دمای ده‌ها هزار کلوین داغ‌تر از غول سرخ می‌رسد که آن را تولید می‌کند. ناسا، آزانس فضایی اروپا، HEIC، و تیم میراث هابل (موسسه علوم تلسکوپ فضایی -STSCI  و AURA)؛ با تشکر از آر. کورادی (گروه تلسکوپ‌های آیزاک نیوتن، اسپانیا) و زلاتان تسوِناتوف (ناسا)

تا زمانی که از آستانه جرمی بحرانی عبور نکنید، آن ذرات برای نگه داشتن باقیمانده ستاره‌ای در برابر فروپاشی گرانشی کافی خواهند بود و حالتی انحطاطی را به وجود می‌آوردند که به عنوان ستاره کم نور سفید شناخته می‌شود. ستاره کم نور سفید بخش قابل ‌توجهی از جرم ستاره اصلی خود را دارد، اما در بخش کوچکی از حجم خود را جمع می‌کند: تقریبا به اندازه زمین.

ستاره شناسان در حال حاضر به اندازه کافی در مورد ستارگان و تکامل ستاره‌ای آگاهی دارند تا آنچه در طول این فرآیند اتفاق می‌افتد را توصیف کنند. برای ستاره‌ای مانند خورشید، تقریبا ۶۰ درصد از جرم آن در لایه‌های خارجی پرتاب خواهند شد در حالی که ۴۰ درصد باقیمانده در هسته باقی می‌ماند. برای ستاره‌های بسیار بزرگ‌تر، تا حدود ۷ تا ۸ برابر جرم خورشید، کسر جرمی باقی مانده در هسته کمی کم‌تر است و در حدود ۱۸ % پایین‌تر از جرم است که این خود بسیار زیاد است. سیریوس که درخشان‌ترین ستاره در آسمان کره زمین است، یک همراه ستاره کم نور سفید دارد که در تصویر هابل در زیر قابل ‌مشاهده است.

سیریوس A و B، یک ستاره معمولی (همچون خورشید) و یک ستاره کم نور سفید هستند، دقیقا همان طور که توسط تلسکوپ فضایی هابل کشف شدند. با این که ستاره کم نور سفید جرم بسیار پایین‌تری دارد، اما اندازه کوچک آن که تا حدی هم شبیه به زمین است و همین رویه تضمین می‌کند که سرعت فرار آن چندین برابر بزرگ‌تر باشد. علاوه بر این، سرعت چرخشی آن بسیار بزرگ‌تر از سرعت دورانی است زیرا در زمان اوج خود یعنی زمانی که یک ستاره تمام‌ عیار بود، سرعت چرخشی کم‌تری داشت. ناسا، ESA، موسسه علوم تلسکوپ فضایی، و ام. بارستو از دانشگاه  لستر.

سیریوس A کمی روشن‌تر و بسیار عظیم‌تر از خورشید ما است و معتقدیم که سیریوس B هم یک‌بار داستان مشابهی را همچون سیریوس A رقم زده باشد، اما این داستان به خیلی وقت پیش برمی‌گردد یعنی زمانی که سوخت کاملا از بین رفته بود. امروزه سیریوس A بر این سیستم تسلط دارد و حدود دو برابر جرم خورشید ما را تشکیل می‌دهد در حالی که سیریوس B تنها تقریبا هم برابر جرم خورشید است.

با این حال، براساس مشاهدات ستاره‌های کم نور سفید که در اثر پالس اتفاق می‌افتند، در این میان درسی ارزشمند را یاد گرفته‌ایم. به جای گرفتن چند روز یا حتی (مانند خورشید) تقریبا یک ماه برای کامل کردن چرخش کامل، مثل ستاره‌های معمولی که تمایل به انجام آن دارند، ستاره‌های کم نور سفید یک چرخش ۳۶۰ درجه را به مدت یک ساعت کامل می‌کنند. این ممکن است عجیب به نظر برسد، اما اگر تا به حال چرخش روتین یک اسکیت باز نمایشی را دیده باشید، همین اصل کار یک اسکیت باز در حال چرخش را توضیح می‌دهد که بازوهای خود را در توضیح سرعت دورانی ستاره‌های کم نور سفید می‌کشد تا بتواند بچرخد: در واقع اجرای قانون حفاظت از تکانه زاویه‌ای است.

زمانی که اسکیت بازی همچون یوکو کاواگوتی با پاها و دست‌های دور از بدنش می‌چرخد، سرعت دورانی (همان طور که با سرعت زاویه‌ای یا تعداد چرخش‌ها در هر دقیقه اندازه‌گیری می‌شود) کم‌تر از زمانی است که جرم خود را به محور چرخش خود نزدیک کند. حفاظت از تکانه زاویه‌ای تضمین می‌کند زمانی که جرم خود را به محور مرکزی چرخش نزدیک‌تر کنیم سرعت زاویه‌ای ما برای جبران، سرعت بیشتری به خود می‌گیرد.

پس چه اتفاقی می‌افتد اگر بخواهید ستاره‌ای مانند خورشید را با همان حجم، جرم و سرعت چرخش خورشید داشته باشید و آن را به اندازه حجم زمین فشرده کنید؟

باور کنید یا نه،  بهتر است فرض کنید که تکانه زاویه‌ای حفظ می‌شود، و هم خورشید و هم نسخه فشرده خورشیدی که تصور کرده‌ایم، کروی هستند، این مسئله‌ای کاملا قابل‌ حل است که فقط یک پاسخ محتمل دارد. اگر محافظه ‌کار باشیم و فرض کنیم که کل خورشید هر ۳۳ روز یک‌بار می‌چرخد (طولانی‌ترین مدت زمانی که هر بخشی از خورشید زمان می‌برد تا نور کره خورشید در یک چرخش ۳۶۰ درجه کامل شود) و اینکه فقط ۴۰ درصد نور کره داخلی خورشید به ستاره کم نور سفید تبدیل می‌شود، حال، پاسخ قابل ‌توجهی به دست می‌آوریم: خورشید، به عنوان یک ستاره کم نور سفید، یک چرخش را در عرض ۲۵ دقیقه کامل خواهد کرد.

وقتی ستارگان با جرم کم‌تر – مانند ستاره‌های به شکل خورشید از سوخت خود خالی می‌شوند، لایه‌های بیرونی خود را در سحابی سیاره‌ای جدا می‌کنند، اما مرکز انقباض رو به پایین قرار می‌گیرد تا یک ستاره کم نور سفید تشکیل دهد، که زمان بسیار طولانی سپری می‌شود تا در تاریکی محو شود. سحابی سیاره‌ای که خورشید تولید می‌کند، باید به طور کامل محو شود، فقط ستاره کم نور سفید و سیاره‌های باقیمانده ما، پس از حدود ۹.۵ میلیارد سال، باقی خواهند ماند. گاهی اوقات اجرام مرتبا از هم جدا می‌شوند و حلقه‌های گرد و غبارآلودی را به آنچه از منظومه شمسی ما باقی می‌ماند اضافه می‌کنند، اما این حلقه‌ها گذرا هستند. ستاره کم نور سفید بسیار بسیار سریع‌تر از خورشیدی که در حال حاضر در حال چرخش است می‌چرخد. مارک گارلیک از دانشگاه واریک

با آوردن تمام این جرم به دور محور باقی مانده چرخش، اطمینان حاصل می‌کنیم که سرعت دورانی آن باید افزایش یابد. به طور کلی اگر شما شعاع جسمی را در حین چرخش به نصف کاهش دهید سرعت دورانی آن با فاکتور چهار برابر افزایش پیدا می‌کند. اگر فکر کنید که حدود ۱۰۹ برابر زمین طول می‌کشد تا از قطر خورشید عبور کنید، می‌توانید به همین پاسخ دست پیدا کنید.

جای تعجب نیست که ممکن است شروع به سوال در مورد ستاره‌های نوترونی یا سیاه چاله‌ها کنید: حتی اجرامی در دورترین نقطه. یک ستاره نوترونی معمولا محصول یک ستاره بسیار بزرگ است که به زندگی خود در یک ابر نو اختر پایان می‌دهد که در آن ذرات در هسته به قدری فشرده می‌شوند که همانند یک هسته اتمی غول‌پیکر خواهند بود که تقریبا به طور انحصاری (۹۰ % یا بیشتر) از نوترون‌ها تشکیل شده ‌اند. ستاره نوترونی معمولا دو برابر جرم خورشید ما است، اما فقط در حدود ۲۰ تا ۴۰ کیلومتر طول دارد. آن‌ها خیلی سریع‌تر از هر ستاره معروف یا ستاره کم نور سفیدی می‌چرخند.

ستاره نوترونی یکی از متراکم‌ترین مجموعه‌های ماده در جهان است اما حد بالایی برای جرم آن‌ها وجود دارد. این ستاره نوترونی از این فراتر رفته و برای تشکیل یک سیاه‌ چاله دچار فروپاشی خواهد شد. سریع‌ترین ستاره نوترونی چرخان که ما تا به حال کشف کرده‌ایم یک تپ اختر است که ۷۶۶ بار در ثانیه می‌چرخد و حتی سریع‌تر از خورشید خواهد چرخید اگر آن را به اندازه یک ستاره نوترونی از بین ببریم.

اگر به جای آن تجربه، فکر فشرده کردن کل خورشید را در حجمی که ۴۰ کیلومتر قطر داشته باشد انجام دهیم، سرعت چرخش بسیار بسیار بیشتری نسبت به ستاره کم نور سفید خواهیم داشت: حدود ۱۰ میلی ‌ثانیه. همان اصلی که برای فرم اسکیت باز بکار بردیم، در مورد حفاظت از تکانه زاویه‌ای، ما را به این نتیجه می‌رساند که ستاره‌های نوترونی می‌توانند بیش از ۱۰۰ دور کامل در یک ثانیه بچرخند.

در واقع، کاملا با مشاهدات واقعی ما همخوانی دارند. برخی از ستاره‌های نوترونی در امتداد خط مستقیم زمین پالس‌های رادیویی منتشر می‌کنند: تپ اخترها. ما می‌توانیم دوره‌های پالس این اجرام را اندازه‌گیری کنیم، و در حالی که باید برای برخی از آن‌ها تقریبا یک ثانیه کامل را برای تکمیل چرخشی کامل در نظر گرفت، برخی از آن‌ها در حدود ۱.۳ میلی‌ ثانیه، تا حداکثر ۷۶۶ چرخش در ثانیه می‌چرخند.

سیاه چاله‌ها - سرعت نور

ستاره نوترونی در درخشندگی کلی کوچک و آهسته است اما خیلی گرم است و زمان زیادی می‌برد تا خنک شود. اگر چشم شما به اندازه کافی می‌توانست خوب ببیند، می‌توانستید درخشندگی آن را برای میلیون‌ها بار در عصر کنونی این جهان ببینید. ستاره‌های نوترونی نور را از اشعه‌های ایکس به بخش طیف رادیویی منتشر می‌کنند و برخی از آن‌ها با هر چرخش از دیدگاه ما می‌تپند و ما را قادر می‌سازند دوره‌های دورانی و چرخشی آن‌ها را اندازه‌گیری کنیم.

این پالس‌های میلی ثاینه‌ای به سرعت حرکت می‌کنند. در سطوح آن‌ها، این سرعت چرخش با سرعت نسبیت برابر است: بیش از ۵۰ % سرعت نور برای اجرامی است که در دورترین نقطه قرار دارند. اما ستاره‌های نوترونی متراکم‌ترین اجرام در جهان نیستند؛ این افتخار به سیاه چاله‌ها می‌رسد که تمام آن جرم را اشغال کرده و آن را در منطقه‌ای از فضا فشرده می‌کند که حتی شیء که با سرعت نور حرکت می‌کند نمی‌تواند از آن فرار کند.

اگر خورشید را فقط ۳ کیلومتر پایین‌تر از شعاع خود قرار دهید، آن را مجبور می‌کنید تا یک سیاه‌چاله را شکل دهد. و با این حال، حفاظت از تکانه زاویه‌ای به این معنی است که بیشتر آن منطقه داخلی کشش چارچوب را آنقدر شدید تجربه می‌کند به طوری که خود فضا با سرعتی نزدیک به سرعت نور، حتی بیرون از شعاع شوارتزشیلد حفره سیاه کشیده می‌شود. هرچه بیشتر این توده را فشار دهید، سبک بافت خود فضا سریع‌تر و بیشتر کشیده می‌شود.

 

زمانی که یک ستاره ی به اندازه کافی بزرگ به پایان عمر خود می‌رسد، یا دو بقایای ستاره‌ای به اندازه کافی درخشان با هم ادغام می‌شوند، یک سیاه چاله می‌تواند شکل بگیرد و افق رویداد متناسب با جرم آن و یکپارچگی گرده‌ای که ماده اطراف آن را به سبب ریزش به درون جذب کرده است اتفاق می‌افتد. وقتی که سیاه چاله می‌چرخد، فضا در خارج و داخل افق رویدادی نیز می‌چرخد: این اثر کشش چارچوب است، که می‌تواند برای سیاه چاله‌های بسیار بزرگ باشد.

واقع گرایانه نگاه کنیم، ما نمی‌توانیم کشش چارچوب فضا را اندازه بگیریم. اما می‌توانیم اثرات کشش چارچوب را روی ماده که در درون آن فضا وجود دارند و همچنین برای سیاه چاله‌ها است، اندازه‌گیری کنیم که به معنی نگاه کردن به یکپارچگی گرده‌ای و یکپارچگی جریان‌هایی است که در اطراف این سیاه چاله وجود دارد. شاید به طور متناقض، کوچک‌ترین سیاه چاله‌ها، که دارای کوچک‌ترین افق رویداد هستند، در واقع بیش‌ترین مقدار خمیدگی فضا را در نزدیکی افق خود دارند.

سیاه چاله‌ها - سرعت نور

بنابراین ممکن است فکر کنید که آن‌ها بهترین آزمایشگاه‌ها را برای آزمایش اثرات این کشش چارچوب فراهم می‌کنند. اما طبیعت ما را در این جبهه غافلگیر کرده‌ است: یک سیاه چاله فوق‌العاده عظیم یا ابر سیاه چاله در مرکز کهکشان NGC 1365 از خارج از حجم بیرونی خود نور را منتشر کرده است و این خارج از حجم بیرونی کشف و اندازه‌گیری می‌شود و سرعت آن را آشکار می‌کند. حتی در این فواصل طولانی، مواد در ۸۴ % سرعت نور می‌چرخد. اگر اصرار داشته باشید که تکانه زاویه‌ای حفظ شود، به هیچ روش دیگری نمی‌توانست به نتیجه مطلوبی برسد.

در حالی که مفهوم چگونگی جریان بعد چهارم فضا در بیرون و درون افق رویداد (بیرونی) برای یک سیاه ‌چاله چرخان شبیه به یک سیاه‌چاله است که نمی‌چرخد اما برخی تفاوت‌های اساسی در این میان وجود دارند که منجر به جزییات بسیار متفاوتی می‌شوند، وقتی که تصور کنید چه کسی در افق قرار می‌گیرد و جهان بیرونی (و درونی) را نظاره می‌کند همه چیز متفاوت خواهد شد. شبیه‌سازی‌ها هنگامی که با افق رویداد بیرونی روبرو شوید خراب می‌شوند. اندرو همیلتون از دانشگاه کلورادو

درک این موضوع بیش از حد تصور دشوار است: این تصور که سیاه چاله‌ها باید با سرعت نور بچرخند، بسیار دشوار است. بعد از همه اینها، ستاره‌هایی که در نتیجه آن‌ها سیاه چاله‌ها از چرخشی بسیار آهسته، حتی با استانداردهای چرخش زمین در هر ۲۴ ساعت ساخته می‌شوند. با این حال اگر به یاد داشته باشید که اغلب ستاره‌های جهان ما حجم عظیمی دارند، درک خواهید کرد که آن‌ها دارای مقدار زیادی تکانه زاویه‌ای هستند.

اگر آن حجم را به پایین فشار دهید تا خیلی کوچک شود، در این صورت آن اجرام انتخابی ندارند. اگر تکانه زاویه‌ای حفظ شود، تنها کاری که می‌توان انجام داد این است که سرعت دورانی خود را آنقدر بچرخانند تا به سرعت نور برسند. در این نقطه، امواج گرانشی وارد عمل خواهند شد و برخی از این انرژی (و تکانه زاویه‌ای) در نتیجه این عمل ساطع خواهد شد. اگر به خاطر این فرآیند نباشد، سیاه چاله‌ها ممکن است سیاه نباشند و به جای آن سیاه چاله‌ها را در مراکز خود به شکل تکین‌های عاری آشکار کنند. در این عالم، سیاه‌ چاله‌ها هیچ انتخابی جز چرخش در سرعت‌های خارق‌العاده ندارند. شاید روزی بتوانیم آن‌ها را به طور مستقیم اندازه‌گیری کنیم.

شهین غمگسار
مترجم هستم. با واژه‌ها سروکار دارم. و گاهی می نویسم.