تبلیغات
علوم مدارس راهنمایی - سیاه چاله

بررسی كتب 1و2و3علوم راهنمایی از سایت های مختلف ودبیران علوم كاری از Ho-Ab


سیاه چاله چگونه ایجاد می شود؟

مسئله قابل توجه فقط این نیست كه جسمی در فضا وجود دارد بلكه این جسم مشخص كننده هندسه فضای اطرافش می باشد. انیشتین در این مورد می گوید: همیشه عقیده بر این بوده اگر تمام ماده جهان معلوم شود، زمان و فضا باقی می مانند، در حالی كه نظریه نسبیت تاكید می كند كه زمان و فضا نیز همراه با ماده نابود می گردند.

راز کاوش سیاهچاله ها

با وجود آنکه سیاهچاله ها قابل رویت نیستند ، اما یافتن آنهادر فضا بسیار ساده است.موادی که به دور سیاهچاله می گردند و درون آن بلعیده می شوند، بسیار داغ و نورانی هستند و به همین دلیل حتی از فواصل بسیار دور در کیهان میتوان آنها را مشاهده کرد.به تازگی منجمین موفق شده اند تا انرژی اتم های نزدیک به سیاهچاله را با استفاده از شبیه سازی های ابر رایانه ای محاسبه کنند.


فیزیك دان ایرانی و شگفت آفرینی تازه سیاه چاله ها

یك فیزیك دان ایرانی مقیم دانشگاه میسوری در كلمبیا هنگام بررسی نتایج نظریه نسبیت اینشتین روی ذراتی زیر اتمی كه با سرعت زیاد در حركتند موفق به كشف اثر تازه و شناخته نشده ای از سیاه چاله ها شده است.

سیاه چاله ها كه در زمره ی عجیب ترین اجرام كیهانی به شمار می آید باز هم شگفتی آفریده اند و اخترشناسان را حیرت زده كرده اند. به نوشته ی هفته نامه ی علمی نیوساینتیست بهرام مشحون و همكارش كارمن چیكانك در دانشگاه میسوری در بررسی های علمی خود به این نكته پی برده اند كه سیاه چاله ها می توانند نیروهای جزر و مدی عجیبی تولید كنند كه بر ذرات با سرعت زیاد تاثیری متفاوت از ذرات با سرعت كم باقی می گذارد. این اثر پیشبینی نشده به این معناست كه سیاه چاله ای كه در مركز كهكشان خود ما قرار دارد می تواند منبع پرتوهای كیهانی بسیار پرقدرت و نادری باشد كه اخترشناسان تاثیر مخرب آنها را در جو زمین مشاهده كرده اند اما تاكنون نتوانسته اند توضیحی برای منشا شان پیدا كنند.

نیروهای جزر و مدی بر اساس نظریه ی نیوتونی هنگامی ظاهر می شوند كه تاثیر نیروی جاذبه به واسطه ازدیاد فاصله كم می شود به عنوان مثال 2 ذره كه در فواصل متفاوتی نسبت به یك سیاه چاله قرار دارند تحت تاثیر 2 نیروی مختلف قرار می گیرند و یكی از آنها كه نزدیك تر است شتاب بیشتری پیدا می كند. اما توضیحی كه از طریق فیزیك نیوتونی به دست می آید برای شرایطی كه در نزدیك سیاه چاله ها برقرار است كفایت نمی كند. اخترشناسان از مدت ها قبل به این نكته پی برده بودند كه در پلاسما(ماده در دما و فشار زیاد) كه اطراف سیاه چاله ها در گردش است ذرات بنیادی و زیر اتمی با سرعت بسیار زیاد فراوانند.

مشحون و همكارش در تلاش محاسبه این امر بودند كه این ذرات در میدان جاذبه قدرتمند سیاه چاله ها چگونه رفتار می كنند. این 2 فیزیكدان دریافتند كه تاثیر میدان جاذبه سیاه چاله ها روی ذراتی كه با سرعت كم در این میدان حركت می كنند دقیقا به همان نحو است كه فیزیك نیوتن پیشبینی می كند اما در مورد ذراتی كه با سرعت نزدیك به سرعت نور حركت می كنند نتایج به دست آمده كاملا خلاف انتظار بود. ذراتی كه با سرعتی بیش از 70درصد سرعت نور300هزار كیلومتر در ثانیه حركت می كنند رفتارشان تابع جهت حركتشان است.

ذرات پرسرعتی كه در امتداد محور چرخش سیاه چاله ها حركت می كنند از شتاب حركتشان نسبت به ذرات كند كاسته می شود اما ذرات تند سرعتی كه در جهت عمود بر این محور سیر می كنند شتابی بسیار زیاد و انرژی حیرت انگیز و عظیم كسب می كنند.

نتایج بدست آمده به وسیله مشحون و همكارش شماری از رصد ها و مشاهدات توضیح ناپذیری را كه اخترشناسان در گذشته انجام داده بودند قابل فهم ساخته است. از جمله این امور افشانه های بسیار پر قدرت از جنس ذرات زیر اتمی است كه از قطب های اجرام كیهانی موسوم به((مایكروكازارها)) به بیرون پرتاب می شوند. تلقی خترشناسان آن است كه مایكروكازارها سیاه چاله ها را درون خود پنهان ساخته اند. آنچه كه موجب حیرت اخنرشناسان بود آن است كه این ذرات پر انرژی دارای شتاب كاهش یابنده هستند. علاوه بر این از تحقیقات مشحون و همكارش چنین بر می آید كه رویداد های حیرت انگیز دیگری نیز در جهات دیگر و هنگام حركت ذرات پر شتاب رخ می دهد كه هنوز مشاهده نشده است. به اعتقاد مشحون نیروهای جزر و مدی كند كننده تنها در زاویه55 درجه از محور یك سیاه چاله ظهور می یابد و تنها در این زاویه است كه ذرات زیر اتمی شتاب منفی پیدا می كنند و از سرعتشان كاسته می شود. در همه جهت و زوایای دیگر حول این محور این نوع ذرات شتاب مثبت بدست می آورند و براساس نظریه اینشتین سرعت این ذرات می تواند تا سرعت نور بالا برود. اگر نظریه مشحون و همكارش درست باشد سیاه چاله هایی كه در كهكشان ما قرار دارند دائما ذرات پر شتاب و پر سرعتی عمدتا از جنس پروتون را به بیرون پرتاب می كنند كه انرژی شان هنگامی كه به زمین می رسند بیش از1020الكترون ولت است. به گفته مشحون می توان نظریه پیشنهادی او و همكارش را با مقایسه رابطه میان جهت ورود پرتوهای كیهانی مافوق پرقدرت به جو زمین و موقعیت مایكروكازار ها در كهكشان راه شیری را مورد آزمایش قرار داد


اگر در سیاهچاله بیفتم چه اتفاقی برای من می افتد؟

فرض كنید سوار بر فضا پیمای خود به طرف سیاهچاله ای كه میلیون برابر خورشید جرم دارد و در مركز كهكشان ما قرار دارد ،حركت می كنید .(واقعا جای بحث دارد كه آیا در مركز كهكشان ما سیاهچاله وجود داشته باشد،فرض كنید چنین چیزی باشد.)........

در فاصله بسیار دوری از سیاهچاله موشك خود را خاموش كنید.چه اتفاقی می افتد؟

اوایل شما هیچ نیروی گرانشی احساس نمی كنید،ز یرا در حال سقوط آزاد هستید.همه اعضای بدن شما و فضا پیما به طور یكسانی كشیده می شوند. به خاطر همین احساس بی وزنی می كنید.

(این واقعا همان چیزی است كه برای فضا نوردان در مدار زمین اتفاق می افتد.حتی اگر نیروی گرانش فضا نورد را به طرف زمین بكشد،هیچ نیروی گرانشی احساس نمی كند.زیرا همه چیز به طور یكسانی كشیده می شود).همچنان كه به مركز سیاهچاله نزدیك می شوید احساس نیروی گرانش كشندی می كنید.فرض كنید كه پا های شما نسبت به سرتان به مركز سیاهچاله نزدیكتر باشند.با نزدیك شدن شما به مركز سیاهچاله نیروی گرانش بیشتر وبیشتر می شود ،بنا براین پاهایتان نسبت به سرتان تحت تا ثیر نیروی گرانش بیشتری قرار می گیرند،بنابراین احساس كشیدگی می كنید.(این همان نیروی كشندی است و شبیه همان نیرویی است كه باعث جزر و مد روی كره زمین می شود).همچنان كه به مركز نزدیك و نزدیكتر می شوید این نیرو قوی و قوی تر می شود،و سر انجام باعث پاره شدن بدن شما می شود.برای سیاهچاله های بزرگی مانند این سیاهچاله ای كه در آن افتاده اید ،نیروی كشندی تا حدود ششصد هزار كیلومتر (km600000)دورتر از مركز آن قابل توجه نیست.

اگر در سیاهچاله كوچكتری می افتادید ،مثلا سیاهچاله ای كه جرم آن در حدود جرم خورشید است ،در شش هزاركیلومتری(km6000) مركز سیاهچاله ،نیروی جزر ومدی شما را تحت تاثیر قرار می دهد،وخیلی قبل از آنكه از افق سیاهچاله عبور كنید،بدن شما را پاره می كند.(به خاطر همین سیاهچاله بزرگی را فرض كردیم ،چون می خواستیم حد اقل تا زمانی كه به داخل سیاهچاله وارد شوید زنده بمانید).

شما در زمان سقوط چه چیزی را مشاهده می كنید؟با كمال تعجب چیز خاصی نمی بینید.تصویر اشیای دور ممكن است به دلایل ناشناسی كج شوند،چون گرانش سیاهچاله نور را به طرف خود می كشد؛ این درون سیاهچاله اتفاق می افتد.هنگامی كه شما از پیرامون سیاهچاله عبور می كنید تصویر اشیاء خارجی را می بینید،زیرا نور اشیاءخارجی هنوز به شما می رسد.هیچ كس از بیرون نمی تواند شما را ببیند،زیرا نور پراكنده از شما نمی تواند از گرانش سیاهچاله بگریزد.

این سفر شما چقدر طول می كشد؟ بستگی دارد كه از كجا (چقدر دورتر)شروع كرده باشید.

فرض كنید در حال سكون از جایی شروع كنید كه ده برابر شعاع سیاهچاله باشد.پس برای سیاهچاله ای كه میلیون برابر خورشید جرم دارد ،حدود هشت دقیقه طول می كشد تا به آنجا برسید.بعد از آنكه این فاصله را پیمودید،فقط هفت ثانیه طول می كشد كه شما با نقطه تكین برخورد كنید.این زمان بستگی به اندازه سیاهچاله دارد .بنا بر این اگر در سیاهچاله كوچكتری بیفتید زمان مرگ شما زود تر فرا می رسد.بعد از آنكه از افق سیاهچاله عبور كردید در هفت ثانیه باقیمانده ممكن است وحشت كنیدو نا امیدانه تمام تلاش خود را بكنید و موشك خود را روشن كنید تا از این نقطه تكین دور شوید.متا سفانه،بی فایده است چون نقطه تكین جلوی شما قرار دارد و هیچ راهی برای دور شدن از آن وجود ندارد.در حقیقت به سختی می توانید موشكتان را روشن كنید و به زودی با نقطه تكین برخورد می كنید.تجربه خوبی است به شرطی كه برگردید و از ادامه مسافرت لذت ببرید.

 

تشکیل سیاهچاله‌ها

یک ستاره رو به مرگ ، مثلا با جرمی 10 برابر جرم خورشید چنان زیر بار گرانش تولید شده قرار می‌گیرد که هیچ نیرویی نمی‌تواند در برابر فرو ریزش آن مقاومت کند. وقتی که چنین ستاره‌ای منقبض می‌شود و به اندازه‌ای در حدود دو کیلومتر می‌رسد، گرانش به حدی زیاد می‌شود که سرعت گریز ازسطح آن به بیش از سرعت نور می‌رسد.از موشک گرفته تا ذرات نور و علائم رادیویی ، هیچ یک نمی‌توانند از سطح آن بگریزند. این گرانش به قدری نیرومند است که همه چیز را به طرف خود می‌کشد. ما فقط می‌دانیم که در این حالت ، ستاره به یک سیاهچاله تبدیل می‌شود. سیاهچاله‌ها را نمی‌توان دید، چون نور نمی‌تواند از سطح آن برگردد

سیاه چاله چیست ؟

یک سیاهچاله اغلب شی ئی تعریف می شود که سرعت گریز آن حتی از سرعت نور بیشتر است. سرعت گریزحداقل سرعت ممکن برای یک جسم می باشد تا بتواند از میدان گرانشی جسمی دیگر فرار کند. برای درک بهتر موضوع تصور کنید روی سطح یک سیاره ایستاده ایدوسنگی را مستفیما به بالاپرتاب می کنید. . فرض کنیدکه سنگ را با قدرت زیادی پرتاب نکرده باشید سنگ برای مدتی بالا خواهد رفت اما در نهایت به خاطر گرانش سیاره پایین خواهد افتاد. اگر سنگ را به اندازه کافی محکم پرتاب کنید سنگ ممکن است از گرانش سیاره بگریزد در این حالت سنگ برای همیشه به بالا رفتن ادامه خواد داد.سرعتی که نیاز است با آن سنگ را پرتاب کنید تا از گرانش سیاره بگریزدسرعت گریز نامیده می شود. سرعت گریز برای کره زمین تقریبا برابر 11 کیلومتربرثانیه می باشد و برای خورشید 660 کیلومتر بر ثانیه است. بدین ترتیب هر چه جرم افزایش می یابد و یا شعاع کاهش می یابد و به طور کلی هرچه جسم چگال تر باشد سرعت گریز نیز افزایش می یابد. می توان حدس زد که سرعت گریز برای یک سیاهچاله با جرمی حدود چند میلیون برابر خورشید چقدر است.! مطمئنا سرعت گریز سیاهچاله ها بیشتر از سرعت نور می باشد در نتیجه هیچ چیز نمی تواند از آن فرار کند.در نظریه نسبیت عام تمام جرم یک سیاهچاله درتکینگی متمرکز می شود که می تواند یک نقطه یا یک حلقه یا یک کره باشد.در اطراف تکینگی کره فرضی به نام افق رویداد وجود دارد که " نقطه بدون بازگشت " را مشخص می کند. مرزی که هرچیزی که از آن عبورکند به ناچار به سمت تکینگی هدایت می شود. فاصله بین تکینگی تا افق رویداد اندازه یک سیاهچاله را معین می کند.

از نظر دانشمندان به طور کلی به دو دسته سیاهچاله های چرخشی و غیرچرخشی تقسیم می شوند.اما دسته بندی معمول بر اساس جرم آنان می باشد. وقتی سیاهچاله ها براساس فروپاشی گرانشی یک ستاره شکل می گیرند سیاهچاله های ستاره وار نامیده می شوند.سیاهچاله هایی که در مرکز کهکشان ها یافت شده اند جرمی چند میلیون برابر جرم خورشید دارند و در نتیجه سیاهچاله های پرجرم نامیده می شوند.دانشمندان معتقدند بین این دو اندازه سیاهچاله هایی با جرم چندین هزار برابر جرم خورشید نیز وجود دارند که سیاهچاله های جرم متوسط نامیده می شوند و اما میکرو سیاهچاله ها که دانشمندان معتقدند در زمان انفجار بزرگ شکل گرفته اند و همچنین امکان ساخت چنین سیاهچاله هایی در دستگاههای شتاب دهنده ذرات روی زمین وجود دارد.با این وجود تا کنون هیچ میکروسیاهچاله‌ای از سوی دانشمندان شناسایی نشده است.


ریزد.
تاریخچه

مفهوم جسمی که آن قدر پرجرم است که حتی نور هم نمی تواند از آن بگریزدابتدا از سوی زمین شناسی به نام جان میچل درسال 1783 مطرح شد که آن را در مقاله‌ای که به هنری کوندیش فرستاد و از سوی انجمن سلطنتی به چاپ رسید عنوان کرد. در آن زمان مفهوم نظریه گرانش نیوتن و مفهوم سرعت گریز شناخته شده بودند. طبق محاسبات میچل جسمی با شعاعی 500 برابر شعاع خورشید و چگالی مشابه در سطح خود سرعت گریزی بیش از سرعت نور خواهد داشت و بنابر این غیر قابل مشاهده خواهد بود. به بیان او :

  " اگر شعاع کره‌ای با چگالی مشابه خورشید قرار باشد که 500 بار از آن بزرگ تر باشد جسمی که از ارتفاع بینهایت به سمت آن سقوط می کند در سطح آن سرعتی بیش ازسرعت نور به دست می آورد و اگر فرض کنیم نور با نیروی مشابهی به سمت ستاره کشیده شود آنگاه تمام نوری که از چنین جسمی ساطع می شود به ناچار به وسیله گرانش آن به سمت خود ستاره بازمی گردد."

در سال 1796 پیر سیمون لاپلاس ریاضی دان فرانسوی نظریه مشابهی را در ویرایش اول و دوم کتاب خود به نام آشکارسازی نظام جهان مطرح کرد. این مطالب در ویرایش های بعدی کتاب حذف شد. این نظریه در قرن نوزدهم توجه چندانی را به خود جلب نکردزیرا فیزیک دانان براین باور بودند که نور به صورت موج و فاقد جرم است و بنابراین تحت تاثیر گرانش قرار نمی گیرد. درسال 1915 آلبرت اینشتین که قبلا نشان داده بود که گرانش نور را تحت تاثیر قرار می دهد نظریه گرانش خود به نام نسبیت عام را مطرح کرد .چند ماه بعد کارل شوارتسشیلد راه حلی برای میدان گرانشی یک جرم نقطه‌ای و یک جرم کروی ارائه داد که نشان می داد سیاهچاله ها می توانند به صورت تثوری وجود داشته باشند. شعاع شوارتسشیلد امروزه به عنوان شعاع افق رویداد یک سیاهچاله غیرچرخشی شناخته می شود. در سال 1930 سابراهمانیان چاندراسخاراختر فیزیک دان هندی ادعا کرد که یک جسم غیر تابنده با جرمی معادل 41/1 برابر جرم خورشید به این دلیل که تا آن زمان چیزی که بتواند جلوی فروپاشی آن را بگیرد شناخته نشده بودفرو می پاشد. رابرت اوپنهایمر پیش بینی کرد که ستارگان پرجرم ممکن است فروپاشی گرانشی تاثیرگذاری را تجربه کنند.اصولا سیاهچاله ها می توانند در طبیعت شکل بگیرند. از دید یک ناظر خارجی فروپاشی به سرعت درحال کندشدن است و در نزدیکی شعاع شوارتسشیلدانتقال به قرمز بسیار زیادی پیدا می کند به همین علت چنین اجسامی تا مدت ها " ستارگان منجمد " نامیده می شدند.در سال1967 پیشرفت های نظری و تجربی علاقه ی اختر فیزیک دانان را به سیاهچاله ها برانگیخت. استیفن هاوکینگ ثابت کرد سیاهچاله ها یک خصوصیت عمومی در نظریه گرانشی اینشتین هستند و با فروپاشی برخی اجسام به ناچار سیاهچاله به وجود می آید. جامعه ی ستاره شناسی با کشف تپ اخترها علاقه دوباره‌ای به سیاهچاله ها پیدا کرد. پس از مدتی اصطلاح سیاهچاله(حفره سیاه) از سوی فیزیک دانی به نام جان ویلرمطرح شد. او نخستین بار در سخنرانی عمومی خود با عنوان جهان ما شناخته ها و ناشناخته ها در دسامبر سال 1967 از این نام استفاده کرد.برای تشخیص سیاهچاله های نسبیت عام از دیگر اجرام نیوتنی که از سوی لاپلاس و میچل مطرح شده بودند غالبا آن اجرام را ستارگان تاریک می نامند.


طبقه بندی سیاه چاله ها بر اساس جرم

سیاهچاله های پر جرم

جرمی بین چندصدهزار تا چند میلیون برابر جرم خورشید دارند و پیش بینی می شود که در مرکز همه کهکشان ها از جمله کهشکان راه شیری وجود داشته باشند. بزرگترین سیاهچاله پرجرم شناخته شده در محل OJ 287 قرار دارد و جرمی معادل 18 میلیون برابر جرم خورشید دارد.

سیاهچاله های جرم متوسط

این سیاهچاله ها جرمی هزاران برابر جرم خورشید دارند و گمان می رود که این سیاهچاله ها نیروی منابع اشعه ایکس را در فضا تامین می کنند. هیچ راه مستقیمی برای شکل گیری آنان شناخته نشده است اما محتمل است این نوع از برخورد سیاهچاله های با جرم کمتر شکل می گیرد.

سیاهچاله های ستاره وار

این سیاهچاله ها جرمی بین سه تا پانزده برابر جرم خورشید دارند و از دو طریق تشکیل می شوند. یکی فروپاشی گرانشی ستاره های منفرد و دیگری برخورد ستاره های دودویی نوترونی .

میکرو سیاهچاله ها

جرم این سیاهچاله ها به اندازه‌ای است که در آنها اثرات مکانیک کوانتومی اهمیت زیادی پیدا می کند. به طور کلی سیاهچاله هایی که جرمی کمتر از جرم خورشید دارند میکرو سیاهچاله نامیده می شوند.

افق رویداد

محدوده‌ای از سیاهچاله است که هیچ چیز حتی نور نمی تواند به خارج از آن بگریزد. افق رویداد یک سطح جامد نیست و مانع ورود ماده یا تابشی که به سمت ناحیه داخل آن در حرکت است نمی شود. در واقع افق رویداد یک ویژگی تعریف شده سیاهچاله است که حدود سیاهچاله را مشخص می کند.علت سیاه بودن افق رویداد هم این است که هیچ پرتوی نور یا تابش دیگری نمی تواند از آن بگریزد. از این رو افق رویداد هر آنچه را که درون آن اتفاق می افتد از دید دیگران پنهان نگه می دارد. در حال حاضر بهترین نظریه‌ای که می توان با استفاده از آن اتفاقات درون افق رویداد را پیش بینی کرد نظریه نسبیت عام اینشتین است.


تکینگی

براساس نسبیت عام جرم یک سیاهچاله به طور کامل در داخل ناحیه‌ای با حجم صفر فشرده شده است. این ادعا بدین معناست که چگالی و گرانش این نقطه بی نهایت است.علاوه بر این خمیدگی فضا-زمان در این نقطه بی نهایت خواهد بود. این مقادیر بی نهایت باعث می شوند که بیشتر معادلات فیزیکی از جمله معادلات نسبیت کارایی خود را در مرکز سیاهچاله از دست بدهند. از اینرو فیزیک دانان این ناحیه بی نهایت چگال با حجم صفر در مرکز سیاهچاله را تکینگی می نامند. تکینگی در یک سیاهچاله غیرباردار غیرچرخشی یک نقطه است به عبارت دیگر ناحیه‌ای است که طول عرض و ارتفاع آن صفر است.امادر مورد این تعریف تردیدهایی وجود دارد.براساس مکانیک کوانتومی هیچ جسمی نمی تواند دارای اندازه صفر باشد.بنابر تعریف مکانیک کوانتومی مرکز یک سیاهچاله تکینگی نیست بلکه ناحیه‌ای است که در آن مقادیر زیادی ماده در کوچک ترین حجم ممکن فشرده شده است.

فوتون کره

فوتون کره یک سیاهچاله غیرچرخشی محدوده‌ای است کروی با ضخامت صفر و فوتون هایی که در طول مسیر مماس بر این کره حرکت می کنند در مداری دایره‌ای گرد آن به دام می افتند. در سیاهچاله های غیرچرخشی شعاع فوتون کره یک و نیم برابر شعاع افق رویداد است .


آرگوسفر

هر جسم فوق چگال و بزرگ در حال چرخش اثری ایجاد می کند که به " کشش چارچوب " معروف است. کشش چارچوب باعث می شود که فضا- زمان اطراف جسم در راستای چرخش آن کشیده شود. آرگوسفر یکی از ویژگی های سیاهچاله های چرخشی است این کره با این نواحی هم مرز است:

از بیرون با سطح کروی شکل پهنی که در قطب هایش بر افق رویداد منطبق است و به طرز قابل توجهی در ناحیه استوایی خود پهن تر است. این محدوده را معمولا " ارگوسرفس " یا سطح کار می نامند.









Admin Logo
themebox Logo
122