استاد مشاور : دکتر فرزانه بیات
مدیر مسئول : محمد حداد
سردبیر : مریم فرشباف
محقق : روحی محمدلو
مقطع کارشناسی
رشته فیزیک مهندسی
سال 1401-1402
دانشگاه شهید مدنی آذربایجان- تبریز
نشریه ی بتاترون
مقدمه
سیاه چاله به انگلیسی :( Blackhole) ناحیه ای در فضا-زمان با گرانشی بسیار نیرومند است که هیچ چیز حتی ذرات و تابشهای الکترومغناطیسی مانند نور نمیتوانند از میدان گرانش قدرتمند آن بگریزند. نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین بیان میکند که یک جرم به اندازه کافی فشرده شده میتواند سبب تغییر شکل و خمیدگی فضا زمان و تشکیل سیاهچاله شود. مرز این ناحیه از فضازمان که هیچ چیزی پس از عبور از آن نمیتواند به بیرون برگردد را افق رویداد مینامند.صفت «سیاه» در نام سیاه چاله برگرفته از این واقعیت است که همۀ نوری را که از افق رویداد آن میگذرد به دام می اندازد از این دیدگاه سیاه چاله رفتاری شبیه به جسم سیاه در ترمودینامیک دارد. از سوی دیگر نیز نظریه میدانهای کوانتومی در فضازمان خمیده پیش بینی میکند که افقهای رویداد نیز تابشی به نام تابش هاوکینگ گسیل میکنند که طیف آن همانند طیف جسم سیاهی است که دمای آن با جرمش نسبت وارونه دارد.میزان دما در مورد سیاهچاله های ستاره ای در حد چند میلیاردم کلوین است و از این رو ردیابی آن دشوار است. اجسامی که به دلیل میدان گرانشی بسیار قوی اجازه گریز به نور نمیدهند برای اولین بار در سده ۱۸ (میلادی) توسط جان میچل و پیر سیمون لاپلاس مورد توجه قرار گرفتند. نخستین راه حل نوین نسبیت عام که در واقع ویژگیهای یک سیاهچاله را توصیف مینمود در سال ۱۹۱۶ میلادی توسط کارل شوارتزشیلد کشف شد. کان هر چند تعبیر آن به صورت ناحیه های گریزناپذیر از فضا، تا چهار دهه بعد به خوبی درک نشد، برای دورهای طولانی این چالش مورد کنجکاوی ریاضیدانان بود تا اینکه در میانه دهه ۱۹۶۰ پژوهشهای نظری نشان داد که سیاهچاله ها به راستی یکی از پیش بینی های ژنریک نسبیت عام هستند. یافتن ستارگان نوترونی باعث شد تا وجود اجرام فشرده شده بر اثر رمبش گرانشی به عنوان یک واقعیت امکانپذیر فیزیکی مورد علاقه دانشمندان قرار گیرد. اینگونه پنداشته میشود که سیاهچاله های ستارهای در جریان فروپاشی ستاره های بزرگ در یک انفجار ابرنواختری در پایان چرخه زندگیشان به وجود میآیند. جرم یک سیاهچاله پس از شکل گیری میتواند با دریافت جرم از پیرامونش افزایش یابد ؛با جذب ستارگان پیرامون و بهم پیوستن سیاهچاله های گوناگون سیاهچاله های کلان جرم با جرمی میلیونها برابر خورشید تشکیل می شوند.
سیاهچاله به دلیل اینکه نوری از آن خارج نمیگردد نامرئی است اما میتواند بودن خود را از راه کنش و واکنش با ماده پیرامون خود نشان دهد. از راه بررسی برهمکنش میان ستاره دوگانه با همدم نامرئیشان اخترشناسان نامزدهای احتمالی بسیاری برای سیاهچاله بودن در این منظومهها شناسایی کرده اند. این باور جمعی در میان دانشمندان رو به گسترش است که در مرکز بیشتر کهکشانها یک سیاه چاله کلان جرم وجود دارد برای نمونه دستاوردهای ارزشمندی بازگوی این واقعیت است که در مرکز کهکشان راه شیری ما نیز یک سیاهچاله کلان جرم با جرمی بیش از چهار میلیون برابر جرم خورشید وجود دارد. در دهم ماه آوریل سال ۲۰۱۹ برای اولین بار عکسی از یک سیاهچاله ثبت و انتشار یافت.
تاریخچه:
ابداع واژه(کرم چاله) و (سیاهچاله فضایی) به جان ویلر نسبت داده شده است.با این حال، این مفهوم از مدت ها قبل به صورت های متفاوتی مطرح نبوده است. مفهوم جسمی که آن قدر پرجرم است که حتی نور هم نمیتواند از آن بگریزد،نخستین بار از سوی زمین شناسی به نام جان میچل در سال ۱۷۸۳ در نامه ای که برای هنری کاوندیش از انجمن سلطنتی نوشته بود مطرح شد در آن زمان مفهوم قانون گرانش نیوتن و مفهوم سرعت گریز شناخته شده.بودند طبق محاسبات میشل جسمی با شعاع خورشیدی و چگالی ۵۰۰ برابر در سطح خود سرعت گریزی بیش از سرعت نور خواهد داشت و بنابراین غیر قابل مشاهده خواهد بود. به بیان او اگر شعاع کره ای مشابه خورشید بوده ولی چگالی آن ۵۰۰ بار از آن بزرگتر باشد جسمی که از ارتفاع بینهایت به سمت آن سقوط میکند در سطح آن سرعتی بیش از سرعت نور به دست می آورد و اگر فرض کنیم نور با نیروی مشابهی به سمت ستاره کشیده شود، آنگاه همه نوری که از چنین جسمی ساطع میشود به ناچار به وسیله گرانش آن به سمت خود ستاره بازمیگردد. جان میچل در سال ۱۷۹۶ پیر سیمون ،لاپلاس ریاضیدان فرانسوی همان ایده را در ویرایش اول و دوم کتاب خود به نام آشکارسازی نظام جهان مطرح کرد. این مطالب در ویرایشهای بعدی کتاب حذف شد. مفهوم این ستاره های تاریک در سده ۱۹ (میلادی) توجه چندانی را به خود جلب نکرد زیرا فیزیک دانان نمیتوانستند درک کنند که نور که یک موج و بدون جرم چگونه ممکن است تحت تأثیر نیروی گرانش قرار گیرد.
نسبیت عام:
در سال ۱۹۱۵ آلبرت اینشتین که پیش تر نشان داده بود گرانش نور را تحت تأثیر قرار میدهد، نظریهٔ گرانش خود به نام نسبیت عام را مطرح کرد. چند ماه بعد کارل شوارتزشیلد با معرفی متریک شوارتس شیلد پاسخی برای معادلات میدان اینشتین ارائه نمود که میدان گرانشی ذرات نقطه ای و کروی را توصیف میکرد چند ماه پس از شوارتزشیلد، ژوهانس دروست - که از شاگردان هندریک لورنتز بود - به صورت جداگانه همان پاسخ را برای ذرات نقطه ای به دست آورد و بحث مفصل تری در مورد ویژگیهای آن نمود. این پاسخ در شعاعی که امروزه شعاع شوارتزشیلد نامیده میشود رفتاری غیرعادی نمایش می داد؛ زیرا در این ،شعاع معادله تکینه میشود و برخی از اجزای آن مقدار بینهایت خواهند داشت.درآن زمان ماهیت این سطح به درستی فهمیده نشده بود. در سال ۱۹۲۴ آرتور استنلی ادینگتون نشان داد که با تغییر مختصات میتوان تکینگی را بر طرف نمود. هر چند که تا سال ۱۹۳۳ طول کشید تا ژرژ لومتر متوجه شد که مقدار بینهایت این معادله در شعاع شوارتزشیلد در واقع یک تکینگی ریاضی است و جنبه فیزیکی ندارد.این شعاع امروزه به عنوان شعاع افق رویداد یک سیاهچاله غیر چرخشی شناخته می شود. در سال ۱۹۳۰ سوبرامانیان چاندراسخار، اختر فیزیک دان هندی محاسبه نمود که یک جسم الکترون تباهیده غیر چرخنده که جرم آن از حدی که بعدها به نام حد چاندر اسخار نامیده شد و ۱٫۴ برابر جرم خورشید است بیشتر باشد هیچ جواب پایداری ندارد ادعای وی از سوی هم دوره ای های وی همچون ادینگتون و لو لانداو مورد مخالفت قرار گرفت آنها ادعا میکردند که مکانیزمی ناشناخته وجود دارد که از فروپاشی این اجرام جلوگیری میکند.ادعای آنها تا حدودی درست بود زیرا یک کوتوله سفید که جرم آن اندکی از حد چاندراسخار بزرگتر باشد، پس از فروپاشی به یک ستاره نوترونی تبدیل میشود بنا بر اصل طرد ،پاولی وضعیتی پایدار دارد، اما در سال ۱۹۳۹ رابرت اوپنهایمر و دیگران پیش بینی کردند که ستاره های نوترونی که جرمی بیشتر از سه برابر جرم خورشید دارند به دلایلی که توسط چاندراسخار ارائه شد به سیاهچاله فروپاشی میشوند و نتیجه گیری کردند که هیچ سازوکار فیزیکی نمیتواند از فروپاشی برخی ستارگان به سیاهچاله جلوگیری نماید.
با تشکر از نگاه گرمتان
پایان
