درون یک سیاه‌چاله چه شکلی است؟

سیاه‌چاله‌ها از جالب توجه‌ترین پدیده‌های عالم هستند. آن‌قدر جالب و شگفت انگیز که سال‌هاست سوژه‌ی فیلم‌های علمی-تخیلی فضایی شده‌اند. اجرامی با گرانش چنان قدرتمند که می‌توانند حتی نور را به درون خود بکشند. به همین دلیل هیچ وقت نمی‌توان سیاه‌چاله‌ها را مستقیم دید، چه رسد به سفر درون آن‌ها. ولی واقعا اگر فضاپیمایی داشتیم که می‌توانست وارد یک سیاه‌چاله شود، درون آن را چه شکلی می‌دیدیم؟ آیا درون یک سیاه‌چاله شبیه به آن چیزی است که در فیلم “میان ستاره‌ای” دیدیم یا با ورود به آن وارد دنیایی جدید می‌شویم؟

رفتن به درون سیاه‌چاله، سفری بی بازگشت است. وقتی که وارد «افق رویداد» می‌شویم (جایی که حتی نور هم نمی‌تواند از گرانش بگریزد)، دیگر فرصت بازگشت وجود ندارد. به احتمال زیاد فضاپیمای ما در هم می‌شکند و به طرز هیجان انگیزی کشته می‌شویم. ولی بگذارید تصور کنیم که سرنوشت ما در گذر از افق رویداد مرگ نیست و می‌توانیم با ادامه‌ی مسیر، درون سیاه‌چاله را کاوش کنیم.

وقتی که یک «ستاره‌ی ابر پر جرم» همه‌ی سوختش را مصرف می‌کند، تحت وزن زیاد خودش «رمبش» (ویران) می‌کند و به یک سیاه‌چاله تبدیل می‌شود. فقط ستاره‌هایی پس از مرگ تبدیل به سیاه‌چاله می‌شوند که حداقل ۲۵ برابر خورشید جرم داشته باشند. در کهکشان ما، تقریبا هر ۱ ستاره از ۱۰۰۰ ستاره جرم کافی برای تبدیل شدن به سیاه‌چاله را دارد. کهکشان راه‌شیری که ما در آن قرار گرفته‌ایم، حدود ۱۰۰ میلیارد ستاره دارد. بدین معنی که در آینده می‌تواند تا ۱۰۰ میلیون سیاه‌چاله داشته باشد. ولی دقت داشته باشید که فضا خیلی بزرگ است. حتی اگر سوار بر فضاپیمایی باشید که با سرعت نور حرکت می‌کند، سفر به نزدیک‌ترین سیاه‌چاله چند هزار سال نوری طول می‌کشد. ولی فکر کنید که توانسته‌ایم به فناوری سفر میان‌ ستاره‌ای دست پیدا کنیم. ممکن است این سفر را از طریق کرم‌چاله انجام بدهیم و ممکن است فضاپیمایی که با سرعت فرا نور حرکت می‌کند را ساخته‌ باشیم. وقتی در این سفر به یک سیاه‌چاله نزدیک می‌شویم، چه می‌بینیم؟

ستاره‌های ابرپرجرم پس از مرگ به سیاه‌چاله تبدیل می‌شوند

ستاره‌هایی پس از مرگ تبدیل به سیاه‌چاله می‌شوند که حداقل ۲۵ برابر خورشید جرم داشته باشند

چرخش به مثابه‌ی یک گرداب

خوب، واقعیت این است که هیچ چیز از سیاه‌چاله نمی‌بینیم. یک سیاه‌چاله واقعا سیاه است. با چرخش به دور سیاه‌چاله، به کروی بودن آن پی می‌بریم. در ضمن اگر سیاه‌چاله مثل دیگر اجرام کیهان به دور خود بچرخد، احتمالا به صورت یک کره‌ی پخ است. یعنی کره‌ای که در استوا محیط بیشتری دارد. مثل اینکه یک توپ را از بالا اندکی فشار دهیم. برای اینکه دید بهتری بدست آورید، باید به مرکز کهکشان راه شیری سفر کنیم. جایی که خانه‌ی یک سیاه‌چاله‌ی ابر پرجرم است. سیاه‌چاله‌ای با جرمی در حدود ۴ میلیون برابر خورشید. گرانش این سیاه‌چاله، گاز و غبار زیادی را جمع کرده و همه‌ی آن‌ها را به صورت یک دیسک درآورده است. این مواد به شکل مارپیچی درون سیاه‌چاله می‌روند و در کل شمایل یک گرداب بوجود آمده است. در حالی که همه‌ی این مواد در حال مصرف شدن هستند، دمای آن‌ها بر اثر اصطکاک بالا می‌رود و در نتیجه این دیسک، تابش، جریان انرژی و ذرات باردار زیادی به بیرون ساطع می‌کند.

یک سیاه‌چاله مواد را از ستاره‌ی مجاور به درون خود می‌کشد و آن‌ها را در حرکتی مارپیچی به شکل دیسک در می‌آورد

این دیسک که از مواد داغ تشکیل شده، به نوبه‌ی خود بسیار تماشایی است. در حقیقت به دلیل گاز و غبار زیادی که پیرامون سیاه‌چاله جمع شده، هیچ وقت نمی‌توانید آن را به طور مستقیم ببینید. اما می‌توانید تماشا کنید که گرانش چگونه پرتوهای نور را خم می‌کند و پیچ و تاب می‌دهد. سیاه‌چاله با این کار بر روی مواد پیرامونش اثری می‌گذارد که به آن سایه‌ی سیاه‌چاله می‌گویند. گرانش حتی تصویر این سایه را نیز پیچ و تاب می‌دهد و باعث می‌شود که ۵ بار بزرگتر از سیاه‌چاله به نظر برسد.

به طور معمول همیشه فکر می‌‌کنیم که نور به خط راست حرکت می‌کند. ولی نزدیک یک سیاه‌چاله، گرانش فوتون‌های نور را به سمت خود می‌کشد و باعث می‌شود که در مداری دور سیاه‌چاله گردش کنند. بعضی از فوتون‌ها می‌توانند از این مدار بگریزند و به چشم ما برسند. بنابراین چیزی که می‌بینید حلقه‌ای نورانی به دور یک سایه است.

قسمت داخلی دیسک با سرعت نزدیک به سرعت نور به دور سیاه‌چاله می‌چرخد. طبق نظریه‌ی نسبیت انشتین، اگر یک منبع نور به سمت شما بیاید، روشن‌تر دیده می‌شود. اگر در موقعیتی نسبت به سیاه‌چاله باشید که دیسک آن را از کنار ببینید، چیزی که مشاهده می‌کنید این است که نیمی از دیسک که نورش در هنگام چرخش به دور سیاه‌چاله به سمت شما می‌آید، روشن‌تر دیده می‌شود. بنابراین در یک سمت سیاه‌چاله یک هلال روشن می‌بینید.

منظره‌ی واضح و شفاف

بنابراین هرچند که به طور مستقیم نمی‌توانید سیاه‌چاله را ببینید، می‌توانید سایه‌ی آن را در حالی که توسط یک حلقه در بر گرفته شده و از یک سمت هلالی در کنارش قرار گرفته مشاهده کنید. پیشتر بعضی پژوهشگران نگران این بودند که توده‌ی گاز و غبار و ذرات بارداری که از دیسک به بیرون پرتاب می‌شوند می‌تواند دید ما نسبت به سیاه‌چاله را مخدوش کند. برای نمایش بهتر اینکه سایه‌ی یک سیاه‌چاله چه شکلی است، پژوهشگران اخیرا با در نظر گرفتن همه‌ی مقدار گاز و گرانشی که سیاه‌چاله دارد، چند شبیه سازی کامپیوتری خیلی دقیق انجام داده‌اند. اخترفیزیکدانی از دانشگاه آریزونا به نام “فریال اوزل” (Feryal Ozel) که در ساختن این شبیه‌سازی‌ها نقش داشته می‌گوید:«مشخص شد که دید ما به سیاه‌چاله، خیلی واضح و شفاف است.» این شبیه سازی معمولا در فیلم‌های مستند علمی و فیلم‌های علمی-تخیلی استفاده می‌شود، ولی مهم‌تر از آن، می‌تواند به منجمان در درک اینکه با نگاه کردن به سایه‌ی یک سیاه‌چاله چه چیزی می‌توانند ببینند کمک کند.

سایه‌ی یک سیاه‌چاله توسط حلقه‌ای نورانی در بر گرفته شده است

با جمع کردن توان ۱۱ تلسکوپ بزرگی که در جاهای مختلف زمین قرار گرفته‌اند، منجمان برای اولین بار در تلاش برای ساختن تلسکوپی بزرگ به اندازه‌ی زمین هستند که با آن می‌توان سایه‌ی سیاه‌چاله، حلقه و هلال آن را ببینند. اوزل می‌گوید:«این آرزوی من است که بتوانم حلقه‌ی یک سیاه‌چاله که در یک طرف روشن‌تر از طرف دیگر است را ببینم.»

مجموع توان این تلسکوپ‌ها، ابزاری بزرگ به نام «تلسکوپ افق رویداد» را می‌سازد. این تلسکوپ‌ها در مساحتی بزرگ از قطب جنوب تا شیلی قرار گرفته‌اند و از ابر کامپیوترها برای پردازش حجم فراوان داده‌ها استفاده می‌شود. «شپ دولمن» (Shep Doeleman)، از دانشگاه MIT که پروژه‌ی تلسکوپ افق رویداد را رهبری می‌کند می‌گوید:«این تلسکوپ بیشترین بزرگنمایی نسبت به هر تلسکوپی که تا به حال داشته‌ایم را به ما می‌دهد.» او می‌افزاید:«دیدن سایه‌ی سیاه‌چاله از زمین مثل این است که بخواهید یک «گریپ فروت» را بر روی ماه ببینید.»

دیدن سایه‌ی سیاه‌چاله از زمین مثل این است که بخواهید یک “گریپ فروت” را بر روی ماه ببینید

سرنوشت شوم

بهار امسال، مهندسان توانستند هفت تلسکوپ را آماده و از آن‌ها استفاده کنند. آن‌ها امید دارند که بتوانند تا سال ۲۰۱۷ همه‌ی آن‌ها را آماده کنند. بدین ترتیب منجمان می‌توانند مستقیم یک سیاه‌چاله را ببینند. در حقیقت بدست آوردن حتی یک عکس فوق‌العاده هیجان انگیز است و می‌تواند قوی‌ترین اثبات بر وجود یک سیاه‌چاله باشد. به هر صورت همه‌ی شواهدی که تا کنون بر اثبات سیاه‌چاله‌ها وجود دارد، غیر مستقیم هستند. برای مثال می‌توان وجود یک سیاه‌چاله را از اثری که بر روی ستارگان پیرامونش می‌گذارد فهمید. با راه افتادن این پروژه، فیزیکدان‌ها می‌توانند رصدهای خیلی دقیقی بر روی آن‌چه در اطراف یک سیاه‌چاله می‌گذرد انجام دهند و بدین ترتیب جزئیات نظریه‌ی گرانش انشتین را بررسی کنند.

رفتن به درون سیاه‌چاله، سفری بی بازگشت است

اما شاید نگاه کردن از بیرون شما را راضی نکند و بخواهید بفهمید که واقعا درون یک سیاه‌چاله چه خبر است. در حقیقت فیزیک‌دان‌ها هنوز هم دقیقا نمی‌دانند که درون یک سیاه‌چاله چه خبر است. فرضیه‌ی غالب این است که احتمالا پس از ورود به سیاه‌چاله بدن انسان متلاشی می‌شود و نمی‌تواند چیزی ببیند. یا مثلا اگر با پا به درون یک سیاه‌چاله بپرد، احساس گرانش بیشتری در پاها نسبت به سر خواهد داشت. هرچه به هسته نزدیک‌تر می‌شوید، اختلاف گرانش بین پاها و سر بیشتر می‌شود تا به دو نیم تقسیم شوید. پس از لحظاتی، فشارهای گرانشی چنان زیاد می‌شود که سلول‌ها، مولکول‌ها و اتم‌های بدن از هم می‌پاشد.

طبق محاسبات ریاضی، اگر سیاه‌چاله کوچک و در حد فقط چند ده برابر جرم خورشید باشد، متلاشی شدن بدن خیلی قبل‌تر از اینکه به افق رویداد نزدیک شوید رخ می‌دهد. اگر سیاه‌چاله خیلی عظیم باشد و میلیاردها برابر خورشید جرم داشته باشد، احتمالا می‌توانید به سلامت افق رویداد را رد کنید و خیلی دیرتر متلاشی می‌شوید. اما در سال ۲۰۱۲، وقتی که «جان پولچینسکی» (Jhon Polchinski) و دیگر فیزیکدان‌ها به دنبال یافتن این موضوع بودند که آیا اطلاعات در سیاه‌چاله ناپدید می‌شود یا خیر، به نتیجه‌ی دیگری رسیدند. آن‌ها می‌گویند که طبق قوانین کوانتم، افق رویداد مثل یک دیوار آتش است که به محض گذر از آن می‌سوزید و حتی به مرحله‌ی متلاشی شدن هم نمی‌رسید. ولی بسیاری از فیزیکدان‌ها با این ایده موافق نیستند. طبق یکی از اصول نسبیت انشتین، فردی که از افق رویداد گذر می‌کند نباید چیزی متفاوت از معلق بودن در فضای بیرون را حس کند. دیوار آتش می‌تواند «اصل هم ارزی» را نقض کند. «اصل اهم ارزی» یک قانون مقدس برای فیزیکدان‌ها است که اصلا دوست ندارند آن را نقض کنند. فیزیکدان‌ها ایده‌های زیادی را مطرح کرده‌اند تا پارادوکس دیوار آتش را حل کنند. هنوز هیچ کس بر روی یک نظریه‌ی واحد به توافق نرسیده است. به هر صورت نتیجه می‌گیریم برای اینکه بفهمید درون یک سیاه‌چاله چه شکلی است، باید به درون آن بروید. با این حال مشکل این‌جاست که پس از ورود به سیاه‌چاله، برای هیچ کس در دنیای خارج نمی‌توانید تعریف کنید که آن جا چه دیده‌اید.

منبع: Future