فضا · مقاله
سیاهچالهها توضیح داده شدند: چگونه تشکیل مییابند، چگونه کار می‌کنند و سرانجام عکس‌برداری شدند
انتشار:
به‌طور خلاصه
سیاهچاله ناحیهای از فضا است که جاذبه‌اش به قدری قوی است که هیچ چیز، حتی نور، نمیتواند پس از عبور از مرز موسوم به افق رویداد فرار کند. اکثر آن‌ها زمانی تشکیل مییابند که یک ستاره با بیش از حدود ۲۰ جرم خورشیدی سوخت خود را تمام کند و هسته‌اش فروریزد؛ نسخه‌های فوقالضخامه در مراکز کهکشانها قرار دارند، از جمله Sagittarius A* در کهکشان راهشیری. از سال ۲۰۱۵، آشکارسازهای موج گرانشی و تصویربرداری مستقیم سیاهچالهها را از پیش‌بینی‌های نظری به اشیایی مشاهده‌شده مستقیم تبدیل کرده‌اند.
این نسخه ترجمهٔ ماشینی متن اصلی (English) است. خواندن متن اصلی
ناسا سیاهچاله را به عنوان جرم فلکی با جاذبهای تعریف میکند که بسیار قوی است به گونه‌ای که هیچ چیز، از جمله نور، نمیتواند از آن فرار کند. نقطه‌ی بازگشتناپذیری در اطراف سیاهچاله افق رویداد نام‌دارد: در داخل این مرز، سرعت مورد نیاز برای فرار از سرعت نور بیشتر است، بنابراین هیچ چیزی که این مرز را عبور کند نمیتواند بیرون برگردد.
چگونه یک سیاهچاله تشکیل مییابد
راهی که بهتر درک شده است فروریزش ستارهای است. طبق ناسا، یک ستاره با بیش از حدود ۲۰ برابر جرم خورشید در نهایت سوخت هسته‌اش را تمام میکند و تحت جاذبه‌ی خود فروریزد. این فروریزش منجر به انفجار ابرنواختری می‌شود که لایه‌های بیرونی ستاره را پرتاب میکند. اگر باقیماندهی هسته‌ی فشرده‌شده بیش از حدود سه جرم خورشیدی باشد، ناسا بیان میکند که هیچ نیروی شناخته‌شده‌ای نمیتواند فروریزش را متوقف کند تا به یک سیاهچاله برسد.
پس از تشکیل، یک سیاهچاله می‌تواند با جذب گاز اطراف، یا با جدا کردن مادی از ستاره‌ی همراه، یا با ادغام با سیاهچالهی دیگر رشد کند، همانطور که ناسا در صفحه‌ی نظرة‌ی کلی خود درباره‌ی سیاهچاله توضیح میدهد.
سیاهچالههای فوقالضخامه، که در مراکز کهکشانها یافت می‌شوند و از حدود ۱۰۰٬۰۰۰ تا میلیاردها جرم خورشیدی متغیر‌اند طبق ناسا، کمتر فهمیده شده‌اند. ناسا یادآوری میکند که منشاء آن‌ها هنوز سؤال باز است، چراکه به نظر می‌رسد از اولین مراحل تشکیل کهکشان وجود داشته باشند.
افق رویداد، تکینگی، و بخش‌های سیاهچاله
توضیح ناسا از 'ساختار داخلی' سیاهچاله چندین منطقه‌ی متمایز را فهرست میکند. در مرکز تکینگی قرار دارد، نقطه‌ای که ناسا آنرا چگالی نامتناهی توصیف میکند؛ دانشمندان مطمئن نیستند که آیا این یک ساختار فیزیکی است یا نتیجهی ریاضی معادلات. در اطراف آن افق رویداد، مرز فرار‌ناپذیری است. بیشتر آن‌جا، نور از مادی‌ای که سقوط میکند می‌تواند چندین بار به دور سیاهچاله بچرخد قبل از اینکه فرار کند، و حلقه‌های نازکی ایجاد میکند که در تصاویر مستقیم حول 'سایهی' سیاه سیاهچاله قابل‌مشاهده هستند - منطقه‌ای که ناسا آن را کره‌ی فوتون می‌نامد.
مادی‌ای که به سیاهچاله می‌افتد معمولاً دیسک برافزایش داغ و درخشانی را تشکیل میدهد پیش از عبور از افق رویداد. در بسیاری از سیستم‌ها، بخشی از این مادی بدون‌آن تغییر مسیر داده می‌شود به جت‌های ذرات که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند؛ در سیاهچالههای فوقالضخامه، این جت‌ها می‌توانند صدها هزار سال‌نوری را امتداد بخشند، ناسا می‌گوید.
اثبات وجود سیاهچالهها: پنروز، جنتسل، و جز
برای دههها سیاهچالهها نتیجهی ریاضی نسبیت عام آینشتاین بوده‌اند تا اینکه یک واقعیت فیزیکی تایید‌شده. آکادمی سلطنتی علوم سوئد نیمی از جایزه‌ی نوبل فیزیک ۲۰۲۰ را به راجر پنروز اعطا کرد، که اثبات خود در ۱۹۶۵ - همانطور که در بیان خود آکادمی توضیح داده شده است، طبق گزارش ScienceDaily - نشان داد که تشکیل سیاهچاله پیش‌بینی قوی و اجتناب‌ناپذیری نسبیت عام است هنگامی‌که جسم بسیار ضخیم و فشرده کافی فروریزد، و اینکه چنین فروریزشی لزوماً منجر به تکینگی می‌شود.
نیمی دیگر از جایزه به‌طور مشترک برای رینهارد جنتسل و آندریا جز، که دو تیم جداگانه را رهبری کردند که مدارات ستاره‌ها را در مرکز راهشیری برای دههها ردیابی کردند با استفاده از برخی از بزرگترین تلسکوپ‌های جهان، اختصاص داده شد. کار آن‌ها، که همچنین در اعلام نوبل خلاصه‌شده است و توسط ScienceDaily پوشش داده شدهاست، یک شی نامرئی با حدود چهار میلیون جرم خورشیدی که در ناحیهای متمرکز است بیش از سیستم خورشیدی نیست، اثبات قوی برای سیاهچالهی فوق‌الضخامه‌ای که اکنون Sagittarius A* نام‌دارد پیدا کرد.
شناسایی غیرقابل‌شناسایی: موجات گرانشی و تصاویر مستقیم
در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵، کاشفهای دوقلوی Advanced LIGO یک سیگنال را ثبت کردند، با برچسب GW150914، که با شکل موج پیش‌بینی‌شده از دو سیاهچاله در حال چرخیدن و ادغام مطابقت داشت. طبق خلاصه‌ی علوم همکاری LIGO علمی، دو سیاهچاله جرم‌های حدود ۳۶ و ۲۹ برابر خورشید داشتند، ادغام شدند در سیاه‌چاله‌ای واحد تقریباً ۶۲ جرم خورشیدی بیش از یک میلیارد سال‌نوری دورتر؛ حدود سه جرم خورشیدی به انرژی موج گرانشی تبدیل شدند در کسری از ثانیه. این کشف دارای اهمیت آماری بیش از ۵ سیگما بود، به معنی آن‌که یک هشدار کاذب از این قدرت تقریباً یک بار در هر ۲۰۰٬۰۰۰ سال دادههای مقایسه‌ای انتظار می‌رود، LIGO گزارش میدهد.
چهار سال بعد، تعاون تلسکوپ افق رویداد (EHT) اولین تصویر مطلقاً سایهی سیاهچاله را منتشر کرد، تصویر گرفتن شده از M87*، سیاهچالهی فوقالضخامه در مرکز کهکشان Messier 87. همانطور که آزمایشگاه پیشرانه جت ناسا توضیح میدهد، EHT تلسکوپ‌های رادیویی را در سراسر جهان به یک ابزار مجازی واحد با استفاده از تداخل‌سنجی خط‌پایه بسیار طولانی ربط میدهد، رزولوشن حدود ۴٬۰۰۰ برابر تیزتر از تلسکوپ فضایی هابل حاصل میکند. کمپین مراقبتی در آوریل ۲۰۱۷ پشت تصویر، منتشر شده در ۲۰۱۹، M87* را در حدود ۶٫۵ میلیارد جرم خورشیدی اندازه‌گیری کرد، قرار گرفته در حدود ۵۳ میلیون سال‌نوری دورتر.
در ۱۲ مه ۲۰۲۲، تعاون EHT دومین تصویر علامت‌گذاری‌شده را منتشر کرد: Sagittarius A*، سیاهچالهی مرکزی راهشیری. همانطور که توسط AAS Nova توضیح داده شدهاست، دادههای پایه‌ای در آوریل ۲۰۱۷ ثبت شدند، به معنی آن‌که پنج سال بیش‌تری بین مراقبت و انتشار تصویر سپری شد. Sagittarius A* حدود چهار میلیون جرم خورشیدی و ۲۷٬۰۰۰ سال‌نوری دورتر است - به معنی اینکه تقریباً همان اندازه‌ی بودن در آسمان M87* بسیار بیشتر ضخیم و دورتر را ظاهر میکند، زیرا M87* حدود ۲٬۰۰۰ برابر دورتر و حدود ۱٬۵۰۰ برابر بیشتر ضخیم است. حلقه‌ی اندازه‌گیری‌شده و سایه‌های هر دو سیاهچاله با پیش‌بینی‌های نسبیت عام منطبق شدند، طبق AAS Nova، و دانشمندان نجوم را تایید مستقل بر نظریه‌ی آینشتاین در کتل‌های سیاهچاله بسیار متفاوت داد.
| مراقبت | تاریخ | نقاط کلیدی | منبع |
|---|---|---|---|
| GW150914 (موجات گرانشی) | ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ | سیاهچالههای ادغام شده‌ی حدود ۳۶ و ۲۹ جرم خورشیدی؛ سیاهچاله نهایی حدود ۶۲ جرم خورشیدی؛ >۱ میلیارد سال‌نوری دورتر | تعاون LIGO علمی |
| تصویر M87* | داده‌ها از آوریل ۲۰۱۷؛ منتشر شده در ۲۰۱۹ | حدود ۶٫۵ میلیارد جرم خورشیدی؛ حدود ۵۳ میلیون سال‌نوری دورتر | ناسا/JPL؛ تعاون EHT |
| تصویر Sagittarius A* | داده‌ها از آوریل ۲۰۱۷؛ منتشر شده در ۱۲ مه ۲۰۲۲ | حدود ۴ میلیون جرم خورشیدی؛ حدود ۲۷٬۰۰۰ سال‌نوری دورتر | AAS Nova؛ تعاون EHT |
چرا این برای فیزیک اهمیت دارد
هریک از این نتایج نسبیت عام را در رژیمی آزمایش میکند که آینشتاین نمی‌توانست مستقیماً مشاهده کند: مادی و زمان-مکان تحت جاذبه‌ی شدید. سیگنال موج گرانشی از GW150914 با شکل موج پیش‌بینی‌شده توسط نسبیت عام برای فحص، ادغام، و رنگین‌کمان رینگ بعدی از سیاهچاله نتیجه‌ای طبق تحلیل LIGO منطبق شد. قطرهای حلقه‌ی اندازه‌گیری‌شده‌ی EHT برای M87* و Sagittarius A* نیز با پیش‌بینی‌های نسبیت عام منطبق شدند، طبق AAS Nova، دانشمندان را دو روش تایید مستقل - موجات گرانشی و تصویربرداری مستقیم - ارائه کردند که به یک چارچوب نظری یکسان همگرا می‌شوند.
این کشف قابل توجه آغاز دوران جدید و هیجان‌انگیز نجوم را نشان میدهد چنان‌که ما یک پنجره کاملاً جدید، موج گرانشی، بر روی جهان باز می‌کنیم.
پرسش‌ها
- دقیقاً سیاهچاله چیست؟
- ناسا آنرا به عنوان ناحیهای از فضا با جاذبهای تعریف میکند که بسیار قویایست که هیچ چیز، حتی نور، نمیتواند پس از عبور از افق رویداد، مرز علامتگذاریکنندهی آن نقطه بازگشتناپذیری، فرار کند.
- چگونه سیاهچاله تشکیل مییابد؟
- اکثر سیاهچالههای شناختهشده زمانی تشکیل مییابند که ستارهای با بیش از حدود ۲۰ جرم خورشیدی سوخت خود را تمام کند، فروریزد، و به عنوان ابرنواخت منفجر شود؛ اگر باقیماندهی هسته بیش از حدود سه جرم خورشیدی باشد، طبق ناسا به فروریزش در سیاهچاله ادامه میدهد. سیاهچالههای فوقالضخامه در مراکز کهکشانها توسط فرآیندی تشکیل مییابند که دانشمندان میگویند هنوز کاملاً فهمیده نشدهاست.
- آیا تصویری از سیاهچاله تاکنون گرفته شدهاست؟
- بلی. تلسکوپ افق رویداد اولین تصویر سایهی سیاهچاله، M87*، را در ۲۰۱۹ منتشر کرد، و دومین تصویر از سیاهچالهی مرکزی راهشیری خودمان، Sagittarius A*، را در ۲۰۲۲ منتشر کرد، هردو بر اساس دادههای ثبتشده در آوریل ۲۰۱۷.
- جائزهی نوبل فیزیک ۲۰۲۰ چه ارتباطی با سیاهچالهها داشت؟
- راجر پنروز نیمی از جائزه را برای اثبات ریاضی در ۱۹۶۵ برنده شد که تشکیل سیاهچاله نتیجهی اجتنابناپذیر نسبیت عام است؛ رینهارد جنتسل و آندریا جز نیمی دیگر را برای کشف، از طریق دههها مراقبت مدار ستارهای، یک شی چهار میلیون جرم خورشیدی در مرکز راهشیری تقسیم کردند.
- موجات گرانشی چیست و چگونه به سیاهچالهها مرتبطاند؟
- موجات گرانشی تموجات در زمان-مکان هستند؛ اولیای که هرگز کشف شد، GW150914 در سپتامبر ۲۰۱۵، از دو سیاهچاله حدود ۳۶ و ۲۹ جرم خورشیدی ادغام شده در یکی حدود ۶۲ جرم خورشیدی، همانطور که توسط کاشفهای LIGO ثبت شد، آمد.
منابع
- NASA — What Are Black Holes?
- NASA Science — Black Hole Anatomy
- NASA/JPL — How Scientists Captured the First Image of a Black Hole
- LIGO Scientific Collaboration — Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger (GW150914)
- AAS Nova — First Image of the Milky Way's Supermassive Black Hole
- ScienceDaily — Nobel Prize in Physics 2020: Discoveries About Black Holes
این مطلب با هوش مصنوعی آماده شده و پیش از انتشار از بررسی خودکار منابع گذشته است. اگر خطایی دیدید، درخواست اصلاح کنید. درخواست اصلاح یا حق پاسخ · چگونه کار می‌کنیم
مطالب مرتبط
فضامقاله
ماهواره‌ها چگونه کار می‌کنند: مکانیک مداری، انواع اصلی و کاربردهای روزمره
ماهواره‌ها در مدار ماند، زیرا سرعت جلو‌رونده و گرانش زمین متوازن هستند، آن‌ها را در سقوط آزاد پیوسته به دور سیاره نگاه می‌دارد، نه اینکه به زمین بیفتند یا به فضا پرواز کنند. مهندسان ارتفاع، شکل و شیب مدار را انتخاب می‌کنند تا با کار ماهواره مطابقت داشته باشد، از مدارهای پایین برای تصویربرداری تا کمربند ثابت برای هواشناسی و ارتباطات. تا اکتبر 2026، گروه‌های پیگیری تقریباً 17000 ماهواره فعال را به شمار می‌آورند.
فضامقاله
نحوه کار تلسکوپ ها: توضیح تلسکوپ های نوری، رادیویی و رصدخانه های فضایی
تلسکوپ ها جهان دور را با جمع آوری تابش الکترومغناطیسی ـ نور مرئی، امواج رادیویی، مادون قرمز، فرابنفش، اشعه ایکس یا اشعه گاما ـ و تمرکز آن با استفاده از آینه ها، عدسات یا بشقاب های آنتن آشکار می کنند. انتخاب بهترین طراحی به طول موج بستگی دارد: تلسکوپ های نوری زمینی نیاز به اپتیک تطبیقی برای غلبه بر تاری جو دارند، تلسکوپ های رادیویی بشقاب ها را در آرایه های غول پیکر پیوند می دهند، و رصدخانه های اشعه ایکس یا مادون قرمز باید بالای جو زمین مدار کنند که این طول موج ها را جذب می کند.
فضامقاله
چگونه فازهای ماه کار می‌کنند: علم پشت سیکل قمری
فازهای ماه ناشی از تغییر زاویه بین خورشید، زمین و ماه هستند که ماه به دور سیاره ما می‌چرخد، نه به خاطر سایه زمین. یک دور کامل از یک ماه نو به ماه دیگر — ماه اقترانی — حدود 29.5 روز طول می‌کشد، کمی بیشتر از مدار واقعی ماه که 27.3 روز به دور زمین است.
فضاراهنما
نحوه شناسایی ستارگان و صورتهای فلکی: راهنمای مبتدی برای رصد ستارگان
مبتدیان می‌توانند بدون تلسکوپ ستارگان و صورتهای فلکی را شناسایی کنند. شبکه شب آسمان ناسا و انجمن سیاره‌ای میگویند که چشم غیرمسلح برای شروع کافی است: چند صورتِ فلکی‌ای روشن و پایدار را یاد بگیرید، سپس از ستارگانِ آن‌ها به عنوان نشانگرها برای یافتنِ سایر صورتها استفاده کنید. پاییز و زمستان برای این سرگرمی مناسب‌تر هستند زیرا شب‌ها طولانی‌تر است و، همانطور که ناشیونال جئوگرافیک اشاره میکند، هوا اغلب شرایط آسمان‌ی شفاف‌تری را ارائه میدهد.