سیاهچاله‌های نشرح شده: چگونه تشکیل می‌شوند، چه شکلی دارند، و شواهدی برای وجود آن‌ها

سیاهچاله‌ها منطقه‌هایی در فضا هستند که جاذبه در آن‌ها قدری قوی است که حتی نور نمی‌تواند بعد از یک نقطه معین فرار کند. این مرز را افق رویداد می‌نامند، و ناسا آن را نقطه‌ای توصیف می‌کند که سرعت لازم برای فرار از سرعت نور بیشتر است.

چگونه سیاهچاله‌ها تشکیل می‌شوند

شایع‌ترین راه مرگ یک ستاره بزرگ است. بر اساس ناسا، یک ستاره با بیش از 20 جرم خورشید که سوخت هسته‌ای در هسته خود را تمام می‌کند، تحت وزن خود فروپاشی می‌شود. زمانی‌که هسته فروپاشی تقریباً سه جرم خورشید را فراتر رود، هیچ نیروی شناخته‌شده‌ای نمی‌تواند فروپاشی را متوقف کند، و یک سیاهچاله حاصل می‌شود.

سیاهچاله‌های ابرجرم، که در مراکز کهکشان‌های بزرگ قرار دارند و بین 100000 تا میلیارد جرم خورشید وزن دارند، تنها از طریق فروپاشی ستاره‌ای توضیح داده نمی‌شوند. ناسا بیان می‌دارد که منشأ سیاهچاله‌های ابرجرم ضعیف درک شده است، اگرچه می‌دانیم آن‌ها از روزهای نخستین عمر کهکشان وجود داشته‌اند.

سیاهچاله‌ها نیز پس از تشکیل خود با کشش گاز و غبار اطراف از طریق فرایندی به‌نام برافزایش، و با ادغام با سیاهچاله‌های دیگر، رشد می‌کنند.

ساختار سیاهچاله

توصیف ناسا از تشریح سیاهچاله شامل چندین بخش متمایز است. تکینگی نقطه نظری در مرکز است که بر اساس نسبیت عام، ماده تا چگالی بی‌نهایت فشرده شده است. اطراف آن افق رویداد قرار دارد، نقطه بازگشت.

دورتر، گاز و غبار درحال سقوط یک دیسک برافزایش تشکیل می‌دهند، ساختاری چرخشی که هنگام حرکت به درون گرم می‌شود، که این یکی از راه‌های اصلی است که ستاره‌شناسان سیاهچاله‌ها را تشخیص می‌دهند. نزدیک سیاهچاله، نور می‌تواند چندین بار بچرخد پیش از اینکه فرار کند، و حلقه نازک و مشوهی را تولید می‌کند که به‌نام کره فوتونی شناخته می‌شود. برخی سیاهچاله‌ها همچنین یک تاج یک میلیارد درجه‌ای از ذرات بالای دیسک، و جفت جت‌هایی تولید می‌کنند که ماده را با سرعتی نزدیک به سرعت نور به بیرون پرتاب می‌کنند، جت‌های سیاهچاله‌های ابرجرم صد‌ها هزار سال نوری امتداد داشته، بر اساس ناسا.

انواع سیاهچاله‌ها

ستاره‌شناسان سیاهچاله‌ها را بر اساس جرم طبقه‌بندی می‌کنند. سیاهچاله‌های ستاره‌ای از حدود سه تا دستیاه جرم خورشید امتداد دارند و در سراسر کهکشان‌هایی مانند راه شیری پراکنده هستند. سیاهچاله‌های ابرجرم مراکز کهکشان‌های بزرگ را تثبیت می‌کنند و از 100000 تا میلیارد جرم خورشید وزن دارند؛ سیاهچاله در قلب کهکشان مسیه 87 بیش از 6 میلیارد جرم خورشید دارد، بر اساس ناسا. سیاهچاله‌های بین‌جرم در محدوده 100 تا بیش از 10000 جرم خورشید، مثال‌های تأیید شده کمی دارند؛ ناسا رویداد ادغام 2019 GW190521 را، که سیاهچاله‌ای با 142 جرم خورشید تولید کرد، قانع‌کننده‌ترین مثال این دسته تا کنون می‌خواند.

چگونه دانشمندان اثبات کردند سیاهچاله‌ها واقعی هستند

تصاویر مستقیم سیاهچاله به معنای معمول غیرممکن است، زیرا هیچ نوری از درون افق رویداد فرار نمی‌کند. در عوض، محققان به دنبال اثرات غیرمستقیم هستند، و دو نتیجه اصلی در دهه گذشته سیاهچاله‌ها را از پیش‌بینی نظری به واقعیت مشاهده‌شده تبدیل کردند.

اولی در 14 سپتامبر 2015 آمد، هنگامی‌که آشکار‌کننده‌های LIGO پیشرفته دوگانه در ایالات متحده، سیگنال موج گرانشی را ثبت کردند، بعداً GW150914 نام‌گذاری شد، بر اساس گزارش Physics World درباره کشف. سیگنال از دو سیاهچاله با جرم 36 و 29 برابر خورشید آمد، که در یک سیاهچاله چرخنده واحد با 62 جرم خورشید تقریباً 1.3 میلیارد سال نوری فاصله ادغام شدند. تفاوت، معادل 3 جرم خورشید، به‌عنوان موج‌های گرانشی تابش شد. کشف با اهمیت آماری بالاتر از 5.1 سیگما اندازه‌گیری شد و تأیید کرد، از جمله موارد دیگر، که موج‌های گرانشی با سرعت نور حرکت می‌کنند، همان‌طور که نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی می‌کرد.

دومی در 10 آوریل 2019 آمد، هنگامی‌که تعاون تلسکوپ افق رویداد اولین تصویر سایه سیاهچاله را، آن‌طور که توسط اخبار MIT گزارش شد، منتشر کرد. هدف سیاهچاله ابرجرم در مرکز M87 بود، 55 میلیون سال نوری از زمین فاصله، با جرم 6.5 میلیارد خورشید و افق رویداد تقریباً 40 میلیارد کیلومتر. هشت تلسکوپ رادیویی زمینی، از هاوایی و آریزونا تا مکزیک، اسپانیا، شیلی و قطب جنوب، به‌عنوان یک ابزار مجازی واحد برای ثبت تصویر کار کردند، که حلقه روشنی از گاز درخشان را در اطراف یک "سایه" مرکزی تاریک نشان می‌دهد.

بیش از 200 محقق از 13 مؤسسه شریک به نتیجه 2019 کمک کردند، بر اساس اخبار MIT، و سایه مشاهده‌شده با پیش‌بینی‌های نسبیت عام مطابقت داشت.

اثرات گرانشی بر فضای اطراف

نزدیک سیاهچاله، ماده درحال سقوط به دیسک برافزایش می‌ریزد، که ناسا آن را "دیسک داغ، روشن و سریع‌چرخش" توصیف می‌کند — یکی از راه‌های اصلی که ستاره‌شناسان سیاهچاله‌ها را تشخیص می‌دهند اگرچه خود سیاهچاله هیچ نوری ساطع نمی‌کند. همین اثرات گرانشی مسیر نور در نزدیکی را خم می‌کنند، که این چیزی است که حلقه درخشان دیده‌شده در تصاویر EHT را به جای دایره تاریک سادگی تولید می‌کند.

سؤالات متکرر