شيوه‌هاي مشاهده اي سياهچاله

محمدحسين دهقاني

دانشگاه شيراز

1-  نظريه گرانش
يکي از ميدان‌هاي موجود در طبيعت که قبل از بقيه ميدان‌ها شناخته شده ولي در حال حاضر دانسته‌هاي ما در رابطه با آن از بقيه ميدان‌ها کمتر است، نظريه گرانش است. در نظريه نيوتوني گرانش داريم:

 

که در آن  چگالي ماده  ،  پتانسيل گرانشي و G ثابت عمومي‌جاذبه هستند. وقتي ذره‌اي در اين ميدان گرانشي در حرکت است، معادله حاکم بر حرکت ذره به صورت زير است:

رابطه (1)  نشان مي‌دهد که ماده چگونه يک ميدان گرانشي ايجاد نموده و رابطه (2) بيانگر اين مساله است که ذره آزاد در اين ميدان گرانشي چگونه حرکت مي‌کند . اين روابط فقط درحد کلاسيک، سرعت‌هاي کم و ميدان‌هاي گرانشي ضعيف و ايستا برقرار است. حال سوالي که مطرح مي‌شود اين است که در يک ميدان گرانشي احتياري معادلات کلاسيک حاکم برحرکت ذره و گرانش به چه صورت است؟ به اين سوال انيشتين پاسخ مي‌دهد. در نظريه اينشتين، ماده باعث ايجاد خمش در فضا – زمان گشته و خمش فضا – زمان مسير حرکت ذره را مشخص مي‌کند:

طرف راست رابطه (3)، تانسور انرژي– تکانه است و طرف چپ تانسور مرتبه دو ساخته شده از تانسور خمش فضا است. اين رابطه بيانگر اين واقعيت است که خمش فضا چه ارتباطي با توزيع انرژي دارد. رابطه (4) معادله حاکم برحرکت يک ذره آزاد در فضاي خميده است. به عبارت ديگر، اين رابطه به ذره مي‌گويد که در يک فضاي خميده چگونه حرکت کند. اين دو رابطه در حد سرعت‌هاي کم  و ميدان گرانشي ضعيف  و ايستا به معادلات (1) و (2) تبديل مي‌گردند. 
 
- سياهچاله
يکي از پيش‌بيني‌هاي نظريه گرانش اينشتين، وجود فضا– زمان‌هايي است که قسمتي از اين فضا توسط يک سطح محدود مي‌گردد که هيچ ذره‌اي حتي فوتون هم نمي‌تواند از داخل آن به بيرون بيايد. اين سطح را افق حادثه گويند. به عنوان مثال، يکي از اولين جواب‌هاي معادله اينشتين، جواب شوارتزشيلد است که از داخل کره    هيچ چيزي نمي‌تواند فرار کند.   شعاع شوارتزشيلد و برابر است با:
 

3- رمبش گرانشي
رمبش گرانشي ماده معمولي باعث بوجود آمدن اشياء فشرده‌اي همچون ستاره‌هاي نوتروني و يا سياهچاله مي‌شود. در يک ستاره معمولي، فشار گرمايي باعث عدم رمبش گرانشي شده که در نتيجه يك ستاره معمولي خواهيم داشت. ولي وقتي سوخت ستاره به اتمام مي‌رسد، چه فشاري مي‌تواند باعث جلوگيري ازرمبش ستاره شود؟

 الف) کوتوله‌هاي سفيد
چاندراسکار نشان داده است که اگر جرم ستاره کمتر از  باشد (که در آن  جرم خورشيد است)، وجود فشار تبهگني الکترون‌ها از رمبش ستاره پس از سرد شدن جلوگيري مي‌کند که ستاره به کوتوله سفيد تبديل مي‌گردد. معمولا" شعاع کوتوله‌هاي سفيد در حدود  و جرم آنها در حدود جرم خورشيد است، که در نتيجه چگالي آنها درحدود   است . 
 

ب) ستاره‌هاي نوتروني
درصورتي که جرم ستاره سرد بيش از  باشد، فشار تبهگني الکترون‌ها نمي‌تواند جلوي رمبش ستاره را گرفته و اين رمبش ادامه پيدا مي‌کند. حال در صورتي که جرم ستاره کمتر از  باشد، فشار تبهگني نوترون‌ها مي‌تواند جلوي ادامه رمبش ستاره را گرفته و در اين حالت نيروهاي ناشي از گرانش و فشار تبهگني نوترون‌ها در حالت تعادل قرار گرفته و ستاره نوتروني به وجود مي‌آيد.وجود ستاره‌هاي نوتروني پس از کشف نوترون توسط چادويک به عنوان پايان رمبش يک ستاره (مستقل از مشاهده نجومي) پيش‌بيني شد. ولي کشف اين گونه ستاره‌ها در پايان دهه 1960 به عنوان پالسارهاي راديويي و در دهه 1970 به عنوان ستاره‌هاي   انجام گرديد.  

ج – سياهچاله‌ها
وجود يک حد بالا براي جرم ستاره نوتروني در واقع باعث احتمال وجود سياهچاله است، چرا که در صورت رمبش ستاره‌هايي که جرم آنها از   بيشتر باشد رمبش کامل غير قابل اجتناب است. ‌هاوکينگ با قبول يک سري فرض‌هاي فيزيکي براي ماده اثبات نمود که در رمبش گرانشي، ايجاد تکنيگي اجتناب ناپذير است. حال در صورتي که اين تکنيگي و منطقه اطراف آن توسط يک سطح که آن كه افق حادثه گويند پوشيده شود سياهچاله خواهيم داشت.

 

چگالي متوسط يک سياهچاله متناسب با   است که   جرم سياهچاله است . براي يک سياهچاله در حد جرم خورشيد چگالي   بدست مي‌آيد که چهل برابر چگال‌تر از مواد هسته‌اي است . در صورتي که براي يک سياهچاله با جرم   برابر جرم خورشيد چگالي   محاسبه مي‌شود که برابر چگالي آب است. بنابراين شرايطي که مي‌تواند يک سياهچاله کوچک ايجاد گردد بسيار سخت تر از شرايطي است که يک سياهچاله بزرگ مي‌تواند توليد شود. 
 

- شيوه‌هاي مشاهده‌اي سياهچاله‌ها

1- سياهچاله‌هاي ستاره‌اي (Stellar Black Holes )
اين دسته از سياهچاله‌ها معمولا" از رمبش ستارگان بوجود آمده و جرم آنها بين 3 تا 100 برابر جرم خورشيد است. بهترين کانديد براي مشاهده اين دسته از سياهچاله‌ها، سيستم‌هاي دوتايي منبع اشعه X است که يکي از دو شي مشاهده نمي‌شود. اين دسته از سيستم‌هاي نجومي ‌از خود اشعه X تشعشع مي‌کنند که از اوايل دهه 1970 مورد توجه قرار گرفتند.

اولين دوتايي کانديد، Cygnus X-1 است که ستاره اپتيكي دوتايي يک ابرغول آبي است که جرم آن حدود 20 برابر جرم خورشيد است و دور زوج نامرئي خود که جرم آن در حدود 40 برابر جرم خورشيد است با پريود 6/5 روز مي‌چرخد. فاصله آن از ما در حدود 2/2 کيلو پارسک است . در اين سيستم دوتايي، جرم از ستاره قابل رويت دوتايي به درون سياهچاله وارد مي‌شود ولي به دليل سرعت زاويه‌اي، اين جرم به صورت شعاعي وارد سياهچاله نشده بلکه گازها تشکيل يک ديسک داده که آنرا قرص برافزايشي (accretion disk) گويند.

 قرص برافزايشي ناشي از حضور يك ستاره در نزديكي ميدان گرانشي قوي سياهچاله

 

 دو دسته اشعه در طيف تابش اين سيستم دوتايي که از قرص برافزايشي تابش مي‌گردد ديده مي‌شود که يکي از اين دو، تابش جسم سياه با دماي 31000K  بوده و دسته دوم اشعه X سخت تا انرژي 150K  است . در واقع طيف اين دسته دوم اشعه که تا انرژي 150Kev  را هم داراست شاهدي بر وجود سياهچاله بعنوان زوج نامرئي اين دوتايي است. البته اگر اين زوج ستاره نوتروني هم باشد اشعه X توليد مي‌شود ولي نشان داده شده است که در اين صورت اشعه X داراي انرژي حدود100K  نخواهد بود . اخيرا" اشعه γ  پرانرژي هم براي اين دوتايي مشاهده شده است که بر سياهچاله بودن شي غيرقابل رويت اين دوتايي تاکيد مي‌کند. تا کنون تعداد زيادي از اين سيستم‌هاي دوتايي که مي‌تواند شاهد وجود سياهچاله باشد کشف شده است و امروزه يکي از زمينه‌هاي مشاهده‌اي کشف و بررسي اين گونه دوتايي‌هاست. معمولا انرژي طيف اشعه x سخت کمتراز  است.

 

 

  

- سياهچاله‌هاي ابرجرم دار (Supermassive Black Holes  )
جرم اينگونه سياهچاله بين 6 ^10 تا 10^10 برابر جرم خورشيد است. اينگونه سياهچاله‌ها در مرکز کهکشان‌ها قرار دارند. در واقع شدت تابش از مرکز کهکشان‌هاي فعال که مي‌تواند به خاطر ورود جرم به مرکز کهکشان باشد و کوچک بودن اندازه هسته اين کهکشان‌ها بيانگروجود سياهچاله ابرجرم دار در مرکز آنهاست.

 

بررسي سرعت ستاره‌هاي نزديک به مرکز کهکشان که امروزه توسط تلسکوپ‌هابل قابل انجام است، بيانگر اين واقعيت است که جرم هسته کهکشان بسيار بزرگ بوده که در يک ناحيه کوچک قرار دارد که مي‌تواند وجود سياهچاله در مرکز کهکشان‌ها را مورد تاييد قرار دهد. همچنين مشاهده اشعه γ متغير را مي‌توان به عنوان شاهدي دال بر قبول سياهچاله ابرجرم‌دار در مرکز کهکشان‌ها دانست. اخيرا" وجود سياهچاله در مرکز کهکشان خود ما  و يا کهشکان M87 مورد قبول منجمين قرار گرفته است.

 

3- سياهچاله‌ها با جرم متوسط
شکاف بين جرم سياهچاله‌هاي معمولي   و سياهچاله‌هاي ابرجرم‌دار منجمين را بر آن داشت که به دنبال سياهچاله‌هايي با جرم هم باشند. اين گونه سياهچاله‌ها مي‌توانند در مرکز خوشه‌هاي ستاره‌اي در نزديکي مرکز کهکشان‌ها وجود داشته باشند. به دو روش مي‌توان به دنبال شواهد تجربي براي اين دسته از سياهچاله‌ها بود. يکي از روش‌هاي مشاهده‌اي اين گونه سياهچاله‌ها يافتن منابع اشعه  با شدت زياد  است. اخيرا" منابعي از اشعه X با اين محدوده شدت با طيف انرژي چند ده الکترون ولت در مرکز خوشه‌هاي ستاره‌اي مشاهده شده است. اين دسته از منابع اشعه  به منبع فوق درخشان پرتو ايكس يا  Ultraluminous X-ray source (ULXs)مشهور هستند.