چگونه سیاهچاله‌ها تشکیل می‌یابند و چرا آن‌ها شدیدترین اجسام جهان هستند

سیاهچاله یک منطقه در فضا است که در آن گرانش آنقدر قوی است که هیچ چیز، حتی نور، نمی‌تواند یکبار عبور از مرز نام‌برده شده افق رویداد فرار کند، به گفته ناسا. این ویژگی تنهایی - یک سطح یک‌طرفه در فضا - چیزی است که این اجسام را نه از نظر اندازه قابل مشاهده‌شان، بلکه شدیدترین محیط‌های معلوم در فیزیک می‌سازد.

چگونه سیاهچاله تشکیل می‌یابد

بهترین راه فهم‌شده، فروپاشی ستاره‌ای است. ناسا توضیح می‌دهد که ستارگان با جرمی بیش از حدود ۲۰ بار جرم خورشید در نهایت سوخت هسته‌ای خود را تمام می‌کنند؛ سپس هسته به سوی درون فروریزد در حالی که لایه‌های بیرونی در انفجار ابرنواختر پخش می‌شوند. اگر هسته فشرده‌شده باقی‌مانده هنوز جرمی بیش از تقریباً سه جرم خورشیدی داشته باشد، ناسا بیان می‌کند که هیچ نیروی شناخته‌شده‌ای نمی‌تواند این هسته را از فروپاشی به سیاهچاله جلوگیری کند.

آژانس فضایی اروپا همان مکانیسم را توصیف می‌کند: زمانی که هسته ستاره‌ای بالاتر از این حد جرمی در حجم کوچک‌تری فشرده می‌شود، گرانش خود آن بر تمام نیروهای فیزیکی دیگر غلبه می‌یابد، و جسم تا زمانی که نور نتواند دیگر آن را ترک کند، ادامه می‌یابد. سیاهچاله‌ها می‌توانند پس از آن به‌وسیله جذب گاز اطراف، فرآیندی به‌نام افزودن، ادامه رشد کنند، به گفته ناسا. آژانس فضایی اروپا توجه می‌دهد که افزودن تنها برای توضیح چگونگی رشد برخی از سیاهچاله‌های فوق‌عظیم به این‌حد بزرگی در این‌حد سرعت در تاریخ جهان دشوار است، که یکی از دلایل مطالعه سیاهچاله‌های میانی‌جرم توسط دانشمندان به‌عنوان حلقه‌ای احتمالی گمشده است.

ایده جداگانه و کمتر تثبیت‌شده مربوط به لحظات اول جهان است. برخی نظریات پیشنهاد می‌دهند که سیاهچاله‌های ابتدایی می‌توانستند مستقیماً از شرایط شدید کمی پس از انفجار بزرگ تشکیل یابند، بدون هیچ ستاره‌ای درگیر. آژانس فضایی اروپا می‌گوید که ماموریت Euclid ممکن است در آزمایش اینکه آیا چنین اجسامی وجود دارند و آیا می‌توانند برخی از ماده تاریک جهان را توضیح دهند کمک کند.

چهار کلاس، تعریف‌شده بر اساس جرم

ناسا و آژانس فضایی اروپا سیاهچاله‌ها را بر اساس مقدار جرمی که دارند دسته‌بندی می‌کنند، زیرا جرم اندازه، قوت گرانش و مسیر تشکیل را تعیین می‌کند.

چه چیزی آن‌ها را شدید می‌سازد

افق رویداد ویژگی‌ای است که سیاهچاله‌ها را متمایز می‌سازد. ناسا آن را به‌عنوان نقطه‌ای توصیف می‌کند که سرعت فرار مورد نیاز برای ترک جسم از سرعت نور بیشتر است، بنابراین هیچ چیز - شامل خود نور - نمی‌تواند به بیرون عبور کند. از آنجایی که نور فرار نمی‌کند، خود سیاهچاله‌ها هیچ نوری منتشر نمی‌کنند؛ آنچه اخترشناسان کشف می‌کنند درخشش ماده درست خارج از این مرز است.

این درخشش از دیسک افزودن می‌آید، ماده‌ای که از ستارگان نزدیک یا ابرهای گازی جذب می‌شود و به درون می‌چرخد و با نزدیک‌شدن به افق رویداد گرم می‌شود، به‌گفته توصیف ناسا از آناتومی سیاهچاله. در اطراف سیاهچاله‌های فوق‌عظیمی که فعالانه تغذیه می‌شوند، این منطقه - که کرون نام دارد - به دما‌های حدود یک میلیارد درجه می‌رسد و پرتوهای ایکس با انرژی بالا تولید می‌کند، با ذرات که با سرعت‌هایی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند.

در بسیار مرکز، نسبیت عام یک تکینگی را پیشگویی می‌کند، نقطه‌ای که ماده به تراکم بی‌نهایت فشرده می‌شود، به‌گفته ناسا. آن را مقصد نهایی برای هرچیزی که از افق رویداد عبور کند توصیف می‌کنند، اگرچه فیزیکدانان توجه می‌دهند که این جایی است که نظریه‌های فعلی گرانش خراب می‌شوند تا اینکه توضیح کامل‌اً آزمایش‌شده‌ای از آنچه اصلاً آنجا اتفاق می‌افتد ارائه دهند.

مشاهده مستقیم یک سیاهچاله

از آنجایی که سیاهچاله‌ها نوری خود ساختهٔ خود ندارند، اخترشناسان نمی‌توانند آن‌ها را مستقیماً عکاسی کنند - آن‌ها سایه‌ای را که سیاهچاله بر گاز درخشان اطراف آن می‌اندازد عکاسی می‌کنند. تلسکوپ افق رویداد (EHT)، شبکه جهانی رصدخانه‌های رادیویی مرتبط از طریق روشی به‌نام تداخل سنجی پایه‌ای بسیار طولانی، اولین عکس چنینی از سیاهچاله فوق‌عظیم M87* را در سال ۲۰۱۹ و از Sagittarius A*، سیاهچاله مرکزی خود راه شیری، در سال ۲۰۲۲ تولید کرد، به‌گفته رصدخانه فلکی جنوبی اروپا (ESO)، شریکی در همکاری EHT.

ESO بیان می‌کند که Sagittarius A* جرمی حدود ۴ میلیون برابر خورشید دارد و حدود ۲۷۰۰۰ سال نوری از زمین قرار دارد، اما از دیدگاه ما ESO آن را به‌صورت بزرگی نه بیشتر از آنکه یک دونات به نظر می‌رسد اگر بر سطح ماه قرار داده شود توصیف می‌کند. ناسا به‌طور جداگانه گزارش می‌دهد که M87*، که توسط EHT در سال ۲۰۱۹ عکاسی شد، بیش از ۶ میلیارد جرم خورشیدی دارد، با افق رویدادی که ناسا می‌گوید خوب فراتر از سیارات منظومه شمسی می‌رود.

ESO توجه می‌دهد که چنین تصاویری دانشمندان را قادر می‌سازند که رفتار فضازمان در مرز سیاهچاله را مستقیماً بررسی کنند، روشی برای آزمایش نسبیت عام در شدیدترین شرایط گرانشی دردسترس برای رصد.