ارتباط جرم با مرگ ستارگان

سه طریق برای مرگ ستارگان وجود دارد. ستارگانی که جرم آنها کمتر از 1.4 برابر جرم خورشید است. این ستارگان در نهایت به کوتوله‌های سفید تبدیل می‌شوند. ستارگانی که جرم آنها بیشتر از 1.4 برابر جرم خورشید است، در نهایت به ستارگان نوترونی و به سیاه چاله‌ها تبدیل خواهند شد..

مراحل پایانی عمر ستارگان

دیر یا زود سوخت هسته‌ای ستارگان به پایان رسیده و در این صورت ستاره با تراکم خود ، انرژی گرانشی به انرژی هسته‌ای غالب آمده و این تراکم (رمبش) تا تبدیل شدن الکترونهای آزاد ستاره به الکترونهای دژنره ادامه پیدا می‌کند، که در این صورت ستاره به یک ستاره کوتوله سفید تبدیل شده است. برخی از ستارگان ازطریق انفجارهای ابر نواختری به ستارگان نوترونی تبدیل می‌شوند. هنگامی که ستاره در اواخر عمر خود باشد به مرا حل نواختر یاابرنواخترمی رسد.

  در این مرحله ستاره از حداکثر انرژی خود استفاده می‌کند و این امر سبب می‌شود که شدت تابش نور آن بطور چشمگیر تغییر کند. در این حالت ستاره گرد و غبارهای (سحابیها) اطراف خود را می‌بلعد و این امر سبب می‌شود که بر ذرات تشکیل دهنده ستاره فشار وارد آید. ستاره حالتی پلاسمایی دارد و فشار ممکن است به حدی برسد که بر الکترونها و هسته‌های آن اثر کند و الکترون به پروتون برخورد کرده که در این برخورد به نوترون تبدیل می‌شود.

در طی این واکنش مقادیر زیادی امواج گاما تولید می‌شود. اگر تعداد نوترونهای تشکیل به قدری زیاد شوند که در این ستاره ، حجم نوترونها به 16 کیلومتر برسد در این هنگام ، چگالی این ستاره بسیار زیاد می‌شود، بطوری که می‌تواند نور را از مسیر خود منحرف و خمیده کند. در این مرحله ستاره به ستاره نوترونی تبدیل می‌شود.

اگر شعاع تعداد نوترونهای آن به بیش از 16000 کیلومتر برسد (البته در این افزایش شعاع ، نوترونها به هم فشرده هستند)، چگالی این ستاره به قدری زیاد می‌شود که می‌تواند نور را هم به خود جذب کند، که به آن سیاهچاله می‌گویند. سیاهچاله‌ها با جرم زیاد خود ، حجم کوچکی دارند. تشکیل سیاه چاله آخرین مرحله مرگ ستاره می‌باشد.

سیاهچاله چیست؟

بعد از سال 1916 کارل شوارتز شیلد که فیزیکدانی آلمانی بود جواب گروهی از معادلات نسبیت عام را برای نخستین بار به دست آورد و آن ها را سنجید . جواب این معادلات طبیعت جرمی را شرح می داد که امروزه آن را سیاهچاله یا حفره ی سیاه می نامند . پس می توان نتیجه گرفت که یک سیاهچاله زاده ی معادلات اینشتین و نسبیت عام او است . 

اما ممکن برای شما این سؤال پیش بیاید که یک سیاهچاله اساسا" چیست ؟ ستاره های مختلف با جرم های مختلف ممکن است به کوتوله سفید یا ستاره نوترونی مبدل شوند . اما هنوز ممکن است یک حالت دیگر نیز برای این ستاره ی در حال مرگ رخ دهد ، ولی این حالت چیست ؟ اگر جرم هسته ی باقیمانده پس از انفجار ابرنواختری یا سوپر نوایی یا حتی هایپر نوایی   بالغ بر سه برابر خورشید جرم داشته باشد در این صورت فروریزی حاصل از گرانش پیاپی ادامه می یابد به طوری که دیگر ساختارهای بنیادی ماده نیز قادر به مقابله با آنها نیستند . این ستاره آن قدر در خود فرومی ریزد که تقریبا" حجمش به صفر می رسد . هر چند که این موضوع یکی از بحران ها در فیزیک جدید است ؛ چگونه امکان دارد یک جرم حجمش به صفر برسد این موضوع در راه حل های شوارتز شیلد و نسبیت عام پذیرفته است . اما در نظریه ی نوین CPH  این موضوع با اسپینی که برای cphها در نظر گرفته شده توجیه می شود . در این صورت چگالی آن نقطه در فضا – زمان بی نهایت خواهد بود .

البته نظریه دیگری نیز برای به وجود آمدن سیاهچاله وجود دارد ؛ آن نظریه این است که می گوید هر گاه در منطقه ای از فضا – زمان ماده ی کافی وجود داشته باشد و به طور ناگهانی متمرکز شود باز هم یک سیاهچاله به وجود می آید ولی تا به حال دانشمندان به طور مستقیم این پدیده را مشاهده نکرده اند .

 با این وجود شوارتز شیلد به این موضوع پی برد که اگر یک جرم به اندازه ی کافی شعاعش کوچک شود ، فضا – زمان اطرافش به شدت تحریف می شود و حالت کجکولگی به خود می گیرد  در واقع در این زمان بر طبق معادلات نسبیت عام که در آنها جرم و شعاع جسم نقش اصلی را بازی می کنند فضا – زمان به شدت خمیده می شود. در این شرایط بحرانی تمام جرم در یک نقطه بسیار کوچک متمرکز شده است . چون در این ناحیه خمیدگی فضا – زمان بسیار زیاد است می توانیم گرانش حاصل از آن را بسیار زیاد و حتی بی نهایت فرض کنیم  با این وضعیت   هیچ چیزی قادر به گریز از آن نیست حتی نور با آن سرعت باور نکردنی خود    . در واقع در این زمان سرعت گریز از سیاهچاله از سرعت نور هم بالاتر رفته است . در این شرایط ما دیگر این جسم را نمی بینیم این جسم از دید ما پنهان می شود چون دیگر نه نوری از آن قادر به گذر کردن است نه اینکه نوری ازآن منعکس می کند . به این جهت به این جسم سیاهچاله می گویند . نقطه ای که در آن شعاع صفر و چگالی بی نهایت است تکینگی نام دارد . اما تکینگی چه می کند ؟

تکینگی جایی است پایان علم است و دانشمندان تفکر در زمینه ی آن را آغاز کرده اند . در این مکان موجودیت فضا و زمان متوقف می شود و جایگزین آن جرم آشفته و خروشانی می شود که آن را اسفنج کوانتومی می نامند . دانشمندان حدس می زنند این نقطه جایی باشد که قوانین اینشتین و نسبیت و مکانیک کوانتوم شکسته می شود . این حوضه ی چیزی است که کوانتوم گرانشی نامیده می شود ، در این مکان از یافته های بسیار پیشرفته ی ریاضی استفاده می شود . با این وجود دانشمندان احتمال کمی را به این موضوع ارئه می دهند که سیاهچاله دارای سطح مشخصی باشد . ولی اگر دارای سطح مشخص باشد آن سطح کروی خواهد بود و مانند هر سطح کروی دیگر دارای قطب خواهد بود . این قطب ها ممکن است در طی فرایند ایجاد سیاهچاله پس از ابرنواختر حفره دار شوند و این حفره ها کانونی برای جذب مواد و تباهی آنها شوند . دلیل آن هم این است که بر طبق معادلات میدانی نسبیت عام این میدان های گرانشی قوی به همراه اسپین مداوم اکثرا" در قطب ها متمرکز می شوند.

به طور ساده سیاه چاله قسمتی از فضا است که جرم متمرکز بسیار زیادی دارد بطوری که هیچ جسمی هیچ شانسی برای فرار از جاذبه ی آن ندارد تا به امروز بهترین تئوری برای جاذبه آن تئوری نسبیت اینشتین است و ما باید در نتایج این نظریه به اندازه ی کافی دقیق شویم تا بتوانیم سیاه چاله ها را در جزئیات این نظریه پیدا کنیم .

فرض کنید شما روی سطح سیاره ای ایستاده اید و سنگی را به هوا می اندازید اگرآنرا به اندازه ی کافی با شدت به بالا پرتاب نکنید آن سنگ به اندازه کمی بالا می رود اما بعد از مدتی به علت شتاب جاذبه زمین آن سنگ شروع به سقوط می کند اگر شما به اندازه ی کافی آن سنگ را محکم به هوا پرتاب کنید شما می توانید آنرا از دام جاذبه ی آن سیاره خارج کنید و آن تا ابد در حال اوج گیری نسبت به آن سیاره به حرکت خود ادامه می دهد به سرعتی که شما لازم دارید تا سنگ از جاذبه ی آن سیاره فرار کند " سرعت گریز " گفته می شود همان طور که حدس زده می شود سرعت گریز به جرم سیاره بستگی دارد اگر سیاره به اندازه ی کافی جرم زیاد داشته باشد قاعدتا سرعت گریز بیشتری را طلب می کند البته این تنها عامل سرعت گریز نیست بلکه فاصله ما تا مرکز ی زمین 11/2 کیلومتر بر ثانیه است یا 25000 مایل بر ساعت در صورتی که سرعت گریز از سطح ماه فقط 2/4 کیلومتر بر ثانیه سیاره هم شرط دیگری است که بر سرعت گریز تاثیر می گذارد رابطه ی فاصله با سرعت گریز رابطه ی عکس است .

برای یادآوری عرض کنم که سرعت گریز را از رابطه ی زیر محاسبه می گردد :

که در آن V سرعت گریز از مرکز ، M جرم سیاره ، G ثابت گرانش و R فاصله ما تا مرکز سیاره است که اگر ما روی سطح آن قرار گرفته باشیم برابر با شعاع آن سیاره خواهد شد.

شروع اولیه ی مطالعه ی چگالی شدید سیاه چاله ها در سده ی 18 شروع شد ، تقریبا به فاصله ی کمی از انتشار نظریه ی نسبیت اینشتین کارل شوارتز شیلد موفق به حل معادله ای شد که در مورد یک شی بحث می کرد بعد ها اشخاصی مانند اپنهایمر ، ولکف و اشنایدر در سال 1930 متوجه وجود شی ای به نام سیاه چاله در جهان شدند این دانشمندان نشان دادند که وقتی ستارگان پر جرم سوخت خود را به طور کامل از دست می دهند نمی توانند خود را تحمل کنند و نیروی جاذبه خودشان بر خودشان غلبه می کند و آنها را به اصطلاح رمبیده می کند به درون خود.

در جهان نسبیت گرانش خود را در لباس خمش فضا و زمان نشان می دهد . اجرام پر جرم فضا زمان را خمیده می کنند ، به این دلیل است که هندسه نمی تواند آن را توصیف کند. در کنار سیاه چاله خمش فضا بسیار شدید است و به همین دلیل خصوصیتهای سیاه چاله عجیب به نظر می رسد.

سیاه چاله ها دارای خصوصیتی به نام افق رویداد است این افق رویداد سطحی کروی شکل است که از آن به مرز سیاه چاله ها نام برده می شود شما می توانید داخل آن شوید اما نمی توانید از آن خارج شوید در واقع به محض آنکه شما وارد آن شوید شما محکوم شده اید که به سمت مرکز تکینگی که در مرکز سیاه چاله واقع شده است کشیده شوید .

.

انواع سیاهچاله

1. شوارتز شیلد: ساده ترین نوع سیاهچاله‌هاست، بار و چرخش ندارد، تنها یک افق رویداد و یک فوتون کره دارد، از آن نمی توان انرژی استخراج کرد. شامل تکینگی  نقطه‌ای است که در آن ماده تا چگالی نامحدود در هم فرو رفته است.
2. رایزنر- نورد شتروم: هم بار دارد وهم چرخش ، می تواند دو افق رویداد داشته باشد ، اما تنها یک فوتون کره دارد. شامل یک تکینگی نقطه ای است که وجود آن در طبیعت نامحتمل است، زیرا بارهای آن همدیگر را خنثی می کنند.
3. کر: چرخش دارد، اما بار ندارد. بیضی و از بیرونی حد استاتیک است. منطقه تیره میان افق رویداد و حد استاتیک ارگوسفر است، که می توان از آن انرژی استخراج کرد. می تواند دو افق رویداد و دو حد استاتیک داشته باشد. دو فوتون کره دارد. شامل یک تکینگی حلقه‌ای است.
4. کر- نیومان: هم بار دارد و هم چرخش ، همان سیاهچاله کر است، جز اینکه بار دارد، ساختارش شبیه ساختار سیاهچاله کر است. می‌توان از آن انرژی استخراج کرد. یک تکنیگی حلقه‌ای دارد.
   
   به نظر پژوهشگران چهارنوع سیاهچاله همچنانکه ذکر شد می تواند وجود داشته باشند. مهمترین موضوع در باب سیاه چاله آنست که ، بدانیم ماده در داخل سیاهچاله‌ای که حاصل آمده است در نهایت به چه سرنوشتی دچار می شود؟ اختر فیزیکدانان می‌گویند:
   
   اگر مقداری ماده به داخل حفره سیاه از قبیل آنچه که از یک ستاره وزین مرده بجای مانده بیندازید، نتیجه نهایی همواره الزاما یک چیز خواهد بود و تنها جرم ، بار الکتریکی و اندازه حرکت زاویه ای که جسم با خود حمل می کند باقی خواهند ماند. اما اگر کل جهان به داخل حفره سیاه خود بیفتد، یعنی به شکل سیاهچاله در آید، دیگر حتی کمیاب بنیادی (جرم) ، بار الکتریکی و اندازه حرکت زاویه ای نیز ناپدید می گردند.

اندازه ی سیاه چاله ها چقدر است ؟

برای این سوال 2 جواب وجود دارد یکی اینکه ما از دیدگاه جرم به سوال بنگریم پس بهتر است بپرسیم که جرم سیاه چاله ها چه اندازه است ؟ یا اینکه از لحاظ اشغال فضا یا همان حجم سیاه چاله ها را بررسی کنیم پس در آن صورت بهتر است بپرسیم که حجم سیاه چاله ها چه اندازه است ...

به طور کلی هیچ حدی برای بزرگی جرم یا کوچکی جرم یک سیاه چاله نداریم و نمی توان گفت فلان سیاه چاله پر جرم ترین یا آن یکی کم جرم ترین آنهاست . ابتدا ما باید بدانیم که چقدر جرم لازم است تا چگالی به آن زیادی را ایجاد کند حال ما می دانیم که سیاه چاله ها سرنوشت ستارگان پر جرمی بوده اند و همچنین ما انتظار داریم وزن سیاه چاله ها بیشتر از وزن ستارگان پر جرم باشد به طور استاندارد سیاهچاله 10 برابر جرم خورشید جرم دارد یا به طور تقریبی  همچنین ستاره شناسان حدس می زنند که سیاه چاله های پر جرمی در وسط کهکشان ها وجود داشته باشند که جرم آنها چیزی در حدود  یعنی یک میلیون برابر جرم خورشید.

دومین برداشت ما از سوال مربوط به حجم اشغالی سیاه چاله در فضا بود ، در واقع شعاع شوارتزشیلد (منظور همان شعاع کره ی افق رویداد است) و جرم یک سیاه چاله در تناسب نسبت به هم قرار دارند اگر جرم سیاه چاله ای 10 برابر  سیاه چاله ی دیگر باشد شعاع شوارتزشیلد آن هم 10 برابر آن یکی است برای مثال اگر جرم سیاه چاله ای به اندازه ی جرم خورشید باشد شعاع شوارتزشیلد آن 3 کیلومتر خواهد بود یا به ترتیب سیاه چاله هایی که 10 برابر و 1 میلیون برابر جرم منظومه ما جرم دارند(سیاه چاله ی واقع در مرکز کهکشان ما) دارای شعاع 30 کیلومتر و 3 میلیون کیلومتر هستند . 3 میلیون کیلومتر شعاع به نظر ما بسیار زیاد می آید ولی در واقع در مقابل استاندارد های موجود شعاع زیاد بزرگی هم محسوب نمی شود برای مثال خورشید ما دارای شعاع 700000 کیلومتر است و سیاه چاله های پر جرم تر شعاعی به اندازه ی 4 برابر شعاع خورشید دارند .

اما شاید برای شما این موضوع جالب باشد که چه کسی این نام را یعنی سیاهچاله برای حالت رمبیده ای از ستاره وضع کرد ؟

 پاسخ این است که جان ویلر در سال 1969 این نام را بر این گونه ستاره ها نهاد . اما در آن زمان بعضی از مردم جهان با این نام کنار نمی آمدند و معتقد بودند که باید نام دیگری برای سیاهچاله ها وضع شود .

البته شاید بتوان داستان سیاهچاله ها را همانند داستان مرغ و تخم مرغ در نظر گرفت . زیرا گروهی از دانشمندان بر این عقیده اند که جهان از انفجار یک سیاهچاله ی مطلق به وجود آمده است . یکی از نظریه هایی که از این فرضیه پشتیبانی می کند نظریه ی CPH   است که بیان می کند جهان از یک سیاهچاله ی مطلق به وجود آمده است که در آن فقط cph ها اسپین داشته اند و دلیل انفجار آن هم همین اسپین cph ها بوده است . از سوی دیگر گروهی دیگر از دانشمندان بر این عقیده اند که ابتدا جهان به وجود آمده است و سپس سیاهچاله ها به دلایل مختلف پای به عرصه ی وجود گذاشته اند .

در این بخش لازم می دانیم تا مختصری در رابطه با تقسیم بندی سیاهچاله ها سخن گوئیم . گفتنی است که این تقسیم بندی ها بر   اساس جرم این ها است .

تا مدتی قبل سیاهچاله را به دو دسته تقسیم می کردند 1- سیاهچاله با جرم ستاره ای 2- ابر سیاهچاله ها یا سیاهچاله های فوق سنگین .

اما مدتی قبل مشخص شد که باید دسته ای دیگر به این اجرام افزوده شود و آن هم سیاهچاله با جرم متوسط است .

حال هر یک را شرح می دهیم :

1-  سیاهچاله با جرم ستاره ای : دانشمندان بر این عقیده اند که این سیاهچاله ها عمدتا" از فروریزی حاصل از گرانش یک ستاره به وجود می آید و تنها می تواند چندین برابر خورشید جرم داشته باشد . برای مثال تا کنون سنگین ترین ستاره ی کشف شده 150 برابر خورشید جرم داشته است . این ستاره ها عمر چندانی ندارند و پس از 300 تا 500 میلیون سال سوخت خود را به پایان می رسانند و سرانجام مبدل به یک سیاهچاله می شوند .

2-  سیاهچاله با جرم متوسط : هنوز به درستی منشأ این گونه سیاهچاله ها مشخص نشده است . این ها ممکن است سیاهچاله های جوانی باشند که از یک انفجار ابرنواختری پدید آمده اند و با بلعیدن مقدار زیادی ماده به این جرم رسیده اند و حالا در این حالت به نظر می رسند . این سیاهچاله ها حداقل 500 برابر خورشید جرم دارند و گونه هایی از آنها با جرم 20000 برابر خورشید نیز کشف شده است . با توجه به این موضوع که این سیاهچاله تازه مشاهده و کشف شده اند تحقیقات در زمینه ی آنها ادامه دارد.

3-  ابرسیاهچاله ها : این نوع از سیاهچاله ها جرم فوق العاده زیادی دارند . این کهکشان ها در حالت عادی به وجود نمی آیند و اکثرا" در مرکز کهکشان ها به صورت کوازار که حالتی از این نوع سیاهچاله ها هستند مشاهده می شوند . این سیاهچاله ممکن است چند میلیون یا چند میلیارد برابر خورشید جرم داشته باشند . این سیاهچاله ها با بلعیدن مقداری زیادی از گاز میان ستاره ای در مرکز کهکشان ها جرم کسب می کنند . فرضیه ای دیگر نیز می گوید که این نوع از سیاهچاله ها ممکن از ترکیب چند هسته ی کهکشان در برخورد کهکشانی به وجود آید . نظریه ی مهم و جدیدی که اخیرا" در این زمینه کشف شده است این است که می گوید تنها چهارصد سال پس از بیگ بنگ جهان پر از سیاهچاله های کوچک بوده است که این سیاهچاله ها بعدها با پیوستن به یکدیگر ابرسیاهچاله ها را در جهان به وجود آورده اند . این سیاهچاله ها بعد ها با جذب ماده دما جهان را افزایش داده اند و شاید بتوان از این نظریه ها استدلال کرد که همین ابر سیاهچاله ها بعد ها با جمع ماده به گرداگرد خود کهکشان های عالم را به وجود آورده اند .    در این صورت این ها می توانند به وجود آیند این نوع از سیاهچاله ها بسیار فضا – زمان کج و کوله می کنند و افق رویدادی فوق العاده قوی دارند . این سیاهچاله های یک حسن بسیار بزرگ برای مرکز انواع کهکشان ها دارند و آن حسن نیز این است که آنها این توانایی را دارند تا در کهکشان ها باعث ایجاد نظم شوند .

اما شاید برای شما جالب باشد که بدانید که هنگامی که به درون سیاهچاله می روید چه برایتان رخ می دهد؟

زمانی که به سیاهچاله نزدیک می شوید ابتدا احساس سقوط آزاد و بی وزنی می کنید چون در حال حرکت به طرف افق رویداد هستید و پس از ورود به افق رویداد می کنید این کشیدگی با نزدیک شدن به تکینگی افزایش می یابد به طوری که وزن پاهایتان میلیون ها برابر سرتان می شود پس از آن که تا حدی زیادی به تکینگی نزدیک شدید دیگر قادر به تحمل گرانش نخواهید بود بدتان از هم در خواهد رفت و بافت های بدنتان از هم جدا می شوند اگر سیاهچاله بزرگ باشد در این صورت سلول ها هم به مولکول و اتم تجزیه می شوند و سرانجام برروی تکینیگی سقوط خواهید کرد ، اینجا دیگر پایان خط است .  

اگر سیاه چاله وجود دارد آیا می تواند تمامی جرم های عالم را در خود ببلعد؟

خیر سیاه چاله ها یک افق رویداد دارند در واقع همان منطقه ای که کسی نمی تواند از آن فرار کند اگر کسی از آن رد شود حکم آن جسم لمس تکینگی و همانا فناست ولی در دورتر از این افق شما می توانید از مکیده شدن فرار کنید در واقع قدرت مکش یک سیاه چاله که جرمش به اندازه ی منظومه شمسی ما است در خار ج از افق رویداد به اندازه ی مکش منظومه ی شمسی در مقابل سایر اجرام است.

اگرخورشید سیاه چاله شود چه اتفاقی خواهد افتاد ؟

اول بگذارید خیالتان را راحت کنم که خورشید هیچ گاه سیاه چاله نخواهد شد  چرا که قبلا گفته شده بود که برای سیاه چاله شدن 10 برابر جرم خورشید جرم لازم است .

خورشید می تواند تا 5 بیلیون سال نیز می تواند به زندگی خود ادامه دهد بعد از آن تبدیل به غول قرمز می شود در مدتی که دارد بزرگ و بزرگتر می شود  همه چیز را به اصطلاح می خورد عطارد و زهره و متاسفانه زمین را ؛ بعد از آن خورشید به پایان زندگی خود  می رسد و تبدیل به یک کوتوله ی سفید می شود .

سوال این بود که چه می شد اگر خورشید به دلایلی به سیاه چاله تبدیل می شد ؟ تنها اثری که این واکنش دارد این است که دور و بر خورشید تاریک و بسیار سرد می شد زمین و سایر سیارات به داخل سیاه چاله کشیده نمی شوند آنها به همان نظمی که هم اکنون دارند به دور خورشید می چرخند به دور سیاه چاله ی خورشید خواهند گشت شاید بپرسید چرا ؟ دلیل آن هم کوچکی شعاع شوارتزشیلد آن است فقط 3 کیلومتر شعاع شوارتزشیلد سیاه چاله خواهد شد و سیاه چاله نخواهد توانست سیارات را که به این دوری هستند ببلعد .

خدیجه لاهوتی