سیاهچالهها چگونه تشکیل می‌یابند، آنها چیست، و آنها در مورد جهان چه می‌گویند

ناسا سیاهچاله را منطقه‌ای از فضا تعریف می‌کند که گرانش آنقدر قوی است که هیچ چیز، از جمله نور، نمی‌تواند پس از عبور از خط مرزی به نام افق رویداد فرار کند. از آنجا که نور نمی‌تواند از آن فرار کند، خود سیاهچالهها نمی‌توانند مستقیم دیده شوند؛ وجود آنها از اثرات گرانشی آنها بر ماده نزدیک و همچنین از سال 2019، از تصاویر مستقیم ماده درخشان اطراف آنها استنباط می‌شود.

چگونه یک سیاهچاله تشکیل می‌یابد

به گفته ناسا، ستاره انرژی را از طریق همجوشی هسته‌ای در هسته خود تولید می‌کند، و فشار بیرونی ناشی از این انرژی با کشش درونی گرانش ستاره خود تعادل می‌یابد. زمانی که یک ستاره با جرمی بیش از 20 برابر جرم خورشید سوخت هسته‌ای خود را تمام کند، این تعادل برهم می‌خورد. هسته تحت وزن خود فروریزد و انفجار ابرنواختری را آغاز می‌کند که لایه‌های بیرونی ستاره را پرتاب می‌کند. اگر هسته باقی‌مانده بیش از حدود سه جرم خورشیدی باشد، ناسا بیان می‌کند که به فروریختن در یک سیاهچاله نجمی ادامه می‌دهد.

نه هر ستاره فروریختی یک سیاهچاله تولید می‌کند. هسته‌ای با جرمی کمتر از حدود سه جرم خورشیدی معمولاً به جای آن به یک ستاره نوترون تبدیل می‌شود، به گفته توصیف ناسا درباره تکامل ستاره‌ای. هنگامی که یک سیاهچاله وجود دارد، می‌تواند با جذب گاز، گرد و غبار و حتی ستاره‌ها یا سیاهچالهای دیگری که بیش از حد نزدیک می‌شوند، بیشتر رشد کند.

سه نوع اصلی

ناسا سیاهچالهها را بر اساس جرم در سه دسته وسیع طبقه‌بندی می‌کند. سیاهچالهای نجمی، از حدود سه تا ده‌ها جرم خورشیدی، در سراسر راه شیری پراکنده هستند و از ستاره‌های پرجرم فروریخته تشکیل می‌یابند. سیاهچالهای میانی جرم، با حدود 100 تا بیش از 10,000 جرم خورشیدی، کمیاب‌تر و تایید آنها سخت‌تر است؛ ناسا یکی از نمونه‌های متقاعدکننده‌ای را که در 2019 شناسایی شد، نام می‌برد. سیاهچالهای ابرجرم، شامل 100,000 تا میلیاردها جرم خورشیدی، در مراکز اکثر کهکشان‌های بزرگ، از جمله راه شیری، قرار دارند.

دیدن چیزی غیردیدنی: تصاویر مستقیم

از آنجا که نور نمی‌تواند از یک سیاهچاله فرار کند، ستاره‌شناسان نمی‌توانند خود جسم را عکاسی کنند. در عوض، تلسکوپ افق رویداد (EHT) — شبکه‌ای جهانی از تلسکوپ‌های رادیویی که به عنوان یک ابزار بزرگ به اندازه زمین عمل می‌کنند، به گفته مؤسسه علوم ملی ایالات‌متحده (NSF) — گاز درخشان را عکاسی می‌کند که اطراف یک سیاهچاله دور افق رویداد آن می‌گردد. در 10 آپریل 2019، همکاری EHT اولین چنین تصویری را منتشر کرد، از سیاهچاله ابرجرم در مرکز کهکشان M87، که حدود 55 میلیون سال نوری از زمین و با جرمی حدود 6.5 میلیارد جرم خورشیدی اندازه‌گیری می‌شود، به گفته خلاصه NSF.

در 12 مه 2022، همکاری EHT دومین تصویر را منتشر کرد، این بار از سگیتاریوس A*، سیاهچاله ابرجرم در مرکز راه شیری خود. NSF آن را اولین شواهد بصری مستقیم آن جسم توصیف می‌کند، با جرمی که NSF آن را حدود 4 میلیون برابر جرم خورشید می‌دهد. خلاصه‌ای در cosmoquest.org نیز جرم آن را حدود چهار میلیون جرم خورشیدی و فاصله آن حدود 27,000 سال نوری از زمین می‌گذارد. هر دو تصویر نشانه‌ی یکسانی را نشان می‌دهند: سایه‌ی مرکزی تیره محاط‌شده توسط نور روشن منحنی‌شده از گاز مداری بسیار داغ.

امواج در نسیج فضازمان: امواج گرانشی

خط شواهد جداگانه‌ای از امواج گرانشی می‌آید — تموجات در نسیج فضازمان که آلبرت اینشتین در نظریه نسبیت عام در سال 1915 پیش‌بینی کرده بود. در 14 سپتامبر 2015، دو کاشف LIGO (رصدخانه تداخل‌سنج لیزری امواج گرانشی) در هنفورد، واشنگتن و لیوینگستون، لوئیزیانا سیگنال درون آمدی را تحت عنوان GW150914 ثبت کردند، به گفته خلاصه علوم LIGO. سیگنال از ادغام دو سیاهچاله با جرم‌های حدود 36 و 29 برابر جرم خورشید آمد، که با هم در یک سیاهچاله واحد حدود 62 جرم خورشیدی یکپارچه شدند. جرم سه خورشیدی گم‌شده به عنوان انرژی موج گرانشی تشعیع شد، LIGO بیان می‌کند، از رویدادی بیش از یک میلیارد سال نوری دور.

LIGO گزارش می‌دهد که کشف به اهمیت آماری بیش از پنج سیگما رسید، به این معنی که یک هشدار نادرست در این شدت تنها یک بار در حدود 200,000 سال از داده‌های قابل مقایسه انتظار می‌رفت. شکل موج مشاهده‌شده با پیش‌بینی‌های نسبیت عام مطابقت داشت و به فیزیک‌دانان راهی جدید برای مطالعه سیاهچالهها داد که به نور وابسته نیست.

آنچه سیاهچالهها درباره جهان آشکار می‌کنند

توصیف ناسا از آناتومی سیاهچاله سه منطقه کلیدی را شناسایی می‌کند: افق رویداد، نقطه‌ای که از آن بازگشت ممکن نیست و سرعت فرار از سرعت نور بیشتر است؛ دیسک برافزایش، ماده‌ای که در حال مارپیچ است و تشعیع آن ستاره‌شناسان را قادر می‌سازد سیاهچالهای نامرئی را شناسایی کنند؛ و تکینگی در هسته، جایی که ماده به چگالی انتهایی فشرده می‌شود و فیزیک کنونی، از جمله نسبیت عام، انتظار می‌رود فروپاشی شود. ناسا یادآور می‌شود که این جایی است که اثرات کوانتومی انتظار می‌رود مهم شوند، به این معنی که سیاهچالهها مرزی را نشان می‌دهند جایی که نسبیت و مکانیک کوانتومی باید در نهایت با هم ملاقات کنند.

از آنجا که نور را خم می‌کنند، زمان را تحریف می‌کنند و ساختار کهکشان‌ها را تثبیت می‌کنند، سیاهچالهها به عنوان آزمایشگاه‌های طبیعی کار می‌کنند. مشاهدات از تصوربرداری مستقیم و از کاشف‌های موج گرانشی به دانشمندان دو راه مستقل می‌دهند تا بررسی کنند که گرانش مطابق با آنچه نظریه اینشتین پیش‌بینی می‌کند در تحت شدیدترین شرایط شناخته‌شده در جهان رفتار می‌کند.