وب سایت موسسه فرهنگی و اطلاع رسانی تبیان
وب سایت موسسه فرهنگی و اطلاع رسانی تبیان
سه شنبه 3 اسفند 1395 - 24 جمادي الاول 1438 - 21 فوريه 2017
با توجه به اطلاعاتی که در درس چهارم درباره مرگ ستارگان اعم از ستارگان کم جرم تا ستارگان غول پیکر با جرم بسیار بسیار زیاد، بدست آوردید....
عکس نویسنده
عکس نویسنده
نویسنده : الهام گارسچی
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه هفتم

اهداف جلسه:

 

  •  آشنایی با سیاهچاله
  •  آشنایی با مفهوم افق رویداد
  •  آشنایی با نحوه شکل گیری سیاهچاله ها
  •  آشنایی با انواع سیاهچاله ها

 

وسایل مورد نیاز:

 

  •  اینترنت پر سرعت
  •  قیف

 

مقدمه


با توجه به اطلاعاتی که در درس چهارم درباره مرگ ستارگان اعم از ستارگان کم جرم تا ستارگان غول پیکر با جرم بسیار بسیار زیاد، به دست آوردید. همچنین با مطالعه و تحقیق درباره موضوعات درس پنجم و ششم که در زمین نظریه نسبیت خاص و عام اینشتین می باشد، می توانید با اطلاعات کامل درباره سیاهچاله ها مطالعه نمایید. حتماً تاکنون کلمه سیاهچاله را شنیده اید و درباره آن تاحدودی اطلاع دارید، اخیراً سیاهچاله ها موضوع بحث منجمان و دانشمندان قرار گرفته است. وجود ماده تاریکی در فضا که به دلیل عبور نکردن نور از داخل آن نمی توان اطلاعات زیادی از این بخش عالم بدست آورد. درس این جلسه ما درباره ماهیت سیاهچاله ها، چگونگی تشکیل آنها و همچنین انواع سیاهچاله است.


7-1 سیاهچاله چیست؟
در یک تعریف ساده می توان گفت سیاهچاله ناحیه ای از فضا-زمان است كه مقدار بسیار زیادی جرم در آن تمركز یافته و هیچ شیئی نمی تواند از میدان جاذبه آن خارج شود. کلمه "سیاه" در نام سیاه‌چاله به این دلیل است که همه نوری که از خارج به آن راه می‌یابد را به دام می‌اندازد. بنابراین یک سیاهچاله به دلیل آنکه هیچ نوری از آن خارج نمی‌گردد نادیدنی است، اما می‌تواند بودن خود را از راه کنش و واکنش با ماده در پیرامون خود نشان دهد. این باور جمعی در میان دانشمندان رو به گسترش است که در مرکز بیش تر کهکشان‌ ها یک سیاهچاله پر‌جرم وجود دارد. برای نمونه، دستاوردهای ارزشمندی بازگوی این واقعیت است که در مرکز کهکشان راه شیری ما نیز یک سیاهچاله با جرمی بیش از چهار میلیون برابر جرم خورشید وجود دارد.

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه هفتم

وجود سیاه‌چاله‌ها در نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین پیش بینی می‌شود. این نظریه پیش بینی می‌کند که یک جرم به اندازه کافی فشرده می‌تواند سبب تغییر شکل و خمیدگی فضا-زمان و تشکیل سیاهچاله شود. از آنجا كه بهترین تئوری جاذبه در حال حاضر نظریه نسبیت عام انیشتن است، در مورد سیاهچاله و جزییاتش باید طبق این تئوری تحقیق و نتیجه گیری كنیم. برای فهم بهتر سیاهچاله ابتدا از مفهوم جاذبه و شرایط ساده تر آغاز می كنیم.

 

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه هفتم

با فرض بر اینکه روی سطح یك سیاره ایستاده اید، یك سنگ را به سمت بالا پرتاب كنید. اگر آن را خیلی خیلی محكم پرتاب نكرده باشید برای مدتی به سمت بالا حركت می كند و نهایتاً شتاب جاذبه باعث می شود به پایین سقوط كند.

اما اگر سنگ را به اندازه ی لازم محكم پرتاب كرده باشید می توانید آن را از جاذبه سیاره خارج كنید و سنگ بالا رفتن را تا ابد ادامه خواهد داد. سرعتی كه لازم است تا یك شیی را از جاذبه سیاره خارج كند "سرعت فرار" یا "سرعت گریز" نام دارد. توجه داشته باشید که سرعت فرار به جرم سیاره نیز بستگی دارد.

اگر سیاره جرم زیادی داشته باشد كشش جاذبه آن نیز زیاد خواهد بود در نتیجه سرعت فرار آن بیش تر خواهد شد. سیاره سبك تر سرعت فرار كم تری خواهد داشت. سرعت فرار به فاصله از مركز سیاره نیز بستگی دارد. هر چه به مركز سیاره نزدیك تر شویم سرعت فرار نیز بیش تر می شود.

 

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه هفتم

با توجه به مثالی که زده شد جالب است بدانید، سرعت فرار زمین Km/s 11.2 یا m/h 25000 است در حالی كه سرعت فرار در ماه فقط Km/s 2.4 یا m/h 5300 است. حال یك جرم بسیار زیاد را كه در یك ناحیه با شعاع بسیار كوچك تمركز یافته تصور كنید. سرعت فرار چنین ناحیه ای از سرعت نور بیش تر خواهد بود و چون هیچ جسمی نمی تواند سریع تر از نور سیر كند پس هیچ چیز نمی تواند از میدان جاذبه چنین ناحیه ای خارج شود، حتی یك دسته پرتو نور.


فیلم سیاهچاله


7-2 افق رویداد
اندکی پس از انتشار نظریه نسبیت عام توسط اینشتین، كارل شوارتز شیلد، اختر شناس آلمانی، یك راه حل ریاضی برای معادلات نظریه این اجرام كشف كرد، این راه حل فضای اطراف جسم فشرده ی بسیار پرجرمی را که میدان گرانشی بسیار شدیدی دارد توصیف می کند.

نیروی گرانش جسم پرجرمی که اندازه کوچک تری دارد و جرمش بسیار متراکم است، بیش تر است. شوارتزشیلد دریافت که اگر جرم یک جسم چنان متراکم شود که تمام جرم آن در مرکزش جای گیرد، آنگاه خمیدگی فضا-زمان در فاصله معینی از جسم که اکنون شعاع شوارتزشیلد نامیده می شود، هندسه خاص و شگفت انگیزی به خود می گیرد. یک فضا پیما، یک ذره و حتی نور نیز نمی تواند شعاع شوارتز شیلد را پشت سر بگذراند و از این جسم پرجرم فرار کند.

سال ها بعد اشخاصی چون اپنیمر و ولكف واشنایدر در دهه 1930 به طور جدی درباره امكان وجود چنین نواحی در عالم به تحقیق پرداختند. این پژوهشگران نشان دادند، هنگامی كه محتویات سوخت یك ستاره پرجرم به پایان می رسد، نمی تواند در مقابل جاذبه درونی خود مقاومت كند و به صورت یك سیاهچاله در خود فرو می ریزد.

 

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه هفتم


طبق نظریه نسبیت عام اینشتین جاذبه از عوامل انحنای فضا-زمان است. اشیاء بسیار پرجرم باعث انحرافات محورهای زمان و فضا می شوند در حدی كه قوانین هندسی اعتبار خود را از دست می دهند و به كار نمی آیند. این انحراف در اطراف یك سیاهچاله بسیار چشمگیر است و باعث می شود كه سیاهچاله ها خصوصیات عجیبی داشته باشند. شعاع شوارتز شیلد این حقیقت را بیان می کند که هر سیاهچاله چیزی به نام افق حادثه یا افق رویداد دارد، كه سطحی كروی است و مرز سیاهچاله را مشخص می كند. شما می توانید وارد این افق شوید اما نمی توانید از آن رهایی یابید. در حقیقت وقتی وارد افق شدید محكوم به نزدیك و نزدیك تر شدن به مركز سیاهچاله هستید.

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه هفتم

افق رویداد را می‌توان به عنوان ناحیه‌ ای در نظر گرفت كه در آن سرعت گریز برابر با سرعت نور است. در خارج از افق رویداد سرعت گریز كم تر از سرعت نور است. بنابراین در صورتی كه فضاپیمای شما به اندازه كافی انرژی داشته باشند می توانید از سیاچاله دور شوید اما وقتی وارد افق رویداد شدید راهی برای خروج ندارید. در صورتی كه به سیاهچاله نزدیك شوید متوجه خواهید شد افق رویداد با سرعت بسیار زیاد و یا در حقیقت با سرعت نور به سمت بیرون در حركت است، بنابراین برای خروج از افق باید سرعتی بیش از سرعت نور داشته باشید. چون می دانیم كه نمی توانیم با سرعتی بیش از سرعت نور سیر كنیم پس هیچ گاه نخواهیم توانست از سیاهچاله فرار كنیم. در حقیقت افق رویداد مهم ترین ویژگی یک سیاهچاله را تعریف می‌کند.

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه هفتم


حتماً با مطالعه مطالبی که تاکنون بیان شد این سئوال برایتان پیش آمده که اشیایی که وارد سیاهچاله می شوند کجا می روند؟ چه بلایی بر سرشان می آید؟

و چه چیزی در مرکز سیاهچاله قرار دارد؟ فیزیکدانان ابتدا ترجیح دادند که به این  مسایل نپردازند، زیرا محاسبات ریاضی پاسخ قانع کننده ای برای این سئوالات نداشت. تا اینکه در سال 1974 فیزیکدان جوان انگلیسی، استفان هاوکینگ نشان داد که اگر اثرات مکانیک کوآنتومی با معادلات نسبیت عام  که توصیف کننده سیاهچاله ها هستند، تلفیق شوند، ممکن است سیاهچاله ها قادر باشند به موازات بلعیدن ذرات، ذراتی را هم تولید کنند و ذرات بنیادیی مانند الکترون، نوترون و فوتون (نور) در تمام جهات گسیل شوند.

از دست دادن ماده به تحلیل جرم سیاهچاله منجر می شود و سرعت گسیل ذرات را افزایش می دهد، تا اینکه وضعیتی برای فرار مواد از سیاهچاله فراهم می شود و سیاهچاله به حالت انفجار می رسد. متأسفانه، زمان لازم برای آنکه سیاهچاله ای معمولی به جرم چند برابر خورشید یا حتی به جرم خورشید، بدین نحو منفجر شود بسیار طولانی و حتی از عمر جهان نیز بیش تر است. بنابراین، ما ناظران بیرونی نمی توانیم امید آن را داشته باشیم که انفجار چنین سیاهچاله هایی را ببینیم.

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه هفتم


7-3 شکل گیری سیاهچاله ها
جرم یک ستاره نوترونی نمی تواند بیش از حدود سه برابر جرم خورشید باشد. اما اگر ستاره پرجرمی، مثلاً با جرم  ده، صد یا هزار برابر جرم خورشید به زندگی خود به صورت یک انفجار ابر نو اختر پایان دهد، هسته آن شروع به فروریزش به داخل خود می کند که اصطلاحاً به آن رمبش می گویند. اگر چرخش ستاره برای مقابله با رمبش کفایت نکند، توقف رمبش آن غیر ممکن می شود.

در این حالت نه فشار گاز، نه دمای بسیار زیاد واکنش های هسته ای و نه عاملی دیگر، هر قدر هم که شدید باشد، نمی توانند از فروریزش ماده به طرف مرکز ستاره جلوگیری کنند. نتیجه آن می شود که رمبش با شتاب بیش تری صورت می گیرد و سطح ستاره رمبنده با سرعت های بیش تر و بیش تر به سمت درون حرکت کند، تا اینکه سرانجام ستاره در شعاع شوارتزشیلد یا افق رویداد خود محصور می گردد، به سیاهچاله تبدیل شده و از نظر پنهان می شود.

در این حالت، سیاهچاله بی نهایت كوچك است، یك سیاهچاله با جرم خورشید در یك شهر كوچك جای می گیرد، در حالی كه سیاهچاله ای با جرم زمین در كف دست شما هم جای می گیرد. با وجود آنکه مشاهده سیاهچاله ها غیر ممکن است اما می توان آنها را از روی تأثیر گرانشی شان بر اجسام مجاور، تشخیص داد.

 

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه هفتم


در حال حاضر گمان بر این است كه تقریباً در مراكز تمام كهكشان ها سیاهچاله های بسیار بزرگی وجود دارد كه جرمی میلیون ها و یا حتی میلیارد ها برابر جرم خورشید دارند. برخی از این اجرام جزء خشن ترین و فعال ترین اجرام در كیهان هستند.

از این دست می توان هسته های فعال كهكشانی را نام برد. این اجرام در حالی كه گازهای اطراف را به سمت داخل می كشند، فوران هایی به سمت بیرون ایجاد می كنند. محاسبات نشان می دهد، پیش از آنکه گازها به درون سیاهچاله سرازیر و برای همیشه ناپدید شود، ابتدا در یک  حلقه به دور سیاهچاله می چرخد و حلقه ای به نام حلقه تجمعی را تشکیل می دهد، در حلقه تجمعی، ماده ضمن اینكه به دلیل اصطكاك انرژی از دست می دهد به آرامی به طرف داخل سیاهچاله نوسان می كند. كشش های عظیم گرانشی نزدیك سیاهچاله در شكافتن این مواد و بالا بردن دمای آنها به مقادیر بسیار بالا، به بهترین نحو عمل می‌كنند.

دمای حلقه های داخلی سیاهچاله های ابر توده به هزارارن درجه كلوین می رسد، این درحالی است كه دمای حلقه‌های سیاهچاله های كوچك تر می تواند تا میلیون ها درجه بالا رود، تا جایی كه باعث انتشار پرتوهای ایكس از آنها گردد.

 

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه هفتم


حلقه تجمعی خود نشان دهنده وجود سیاهچاله در آن منطقه است. هم چنین گمان می رود كه نمونه های بسیاری از سیاهچاله های كوچك در كهكشان ها وجود دارند كه جرمی تنها چندین مرتبه بزرگ تر از جرم خورشید دارند.  تعداد اندكی از این سیاهچاله ها در كهكشان ما نیز شناسایی شده اند.


7-4 انواع سیاهچاله ها

سیاهچاله‌ها را بر مبنای جرمشان تقسیم بندی می کنند. براین اساس سیاهچاله‌ها را می‌توان به چهار دسته اصلی تقسیم نمود.
الف:سیاه چاله‌های ابر جرم- این سیاهچاله ها جرمی بین چند میلیون تا چند میلیارد برابر جرم خورشید دارند و پیش بینی می‌شود که در مرکز همه کهکشان‌ها از جمله کهکشان راه شیری وجود داشته باشند. شدت تابش از مرکز کهکشان‌های فعال که می‌تواند به خاطر ورود جرم به مرکز کهکشان باشد و کوچک بودن اندازه هسته این کهکشان‌ها بیانگر وجود سیاهچاله ابرجرم دار در مرکز آنهاست.
به نظر می‌رسد که بزرگترین سیاهچاله کلان جرم در نزدیکی راه شیری سیاهچاله مرکزی کهکشان مسیه ۸۷ است که جرمی برابر با ۱۰۹× (۰٫۵ ±۶٫۴) جرم خورشیدی دارد که به فاصله ۵۳٫۵ میلیون سال نوری از ما قرار گرفته‌است.

 

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه هفتم


 ب: سیاهچاله‌های جرم متوسط- اختلاف بین جرم سیاهچاله‌های متوسط (3 تا 100 برابر جرم خورشید) و سیاهچاله‌های کلان جرم (چند میلیون تا چند میلیارد برابر جرم خورشید)، دانشمندان را بر آن داشت که به دنبال سیاهچاله ‌هایی با جرم صد تا صد هزار برابر جرم خورشید باشند.

این گونه سیاهچاله‌ها می‌توانند در مرکز خوشه‌های ستاره‌ای در نزدیکی مرکز کهکشان‌ها وجود داشته باشند. به دو روش می‌توان به دنبال شواهد تجربی برای این دسته از سیاهچاله‌ها بود. یکی از روش‌های مشاهده‌ای این گونه سیاهچاله‌ها یافتن منابع اشعه با شدت زیاد است.

اخیرا" منابعی از اشعه X با این محدوده شدت با طیف انرژی چند ده الکترون ولت در مرکز خوشه‌های ستاره‌ای مشاهده شده است. این دسته از منابع اشعه به منبع فوق درخشان پرتو ایکس مشهور هستند. کلمه سیاهچاله نیز از اینجا گرفته شده که هیچ پرتوی الکترومغناطیسی نمی تواند از آن ساطع شود، درنتیجه سیاه دیده می شود.

 

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه هفتم


ج: سیاهچاله‌های ستاره ‌وار- این دسته از سیاهچاله‌ها از رمبش گرانشی ستاره‌های بزرگ به وجود آمده و جرم آنها بین . 3 تا 100 برابر جرم خورشید است.  بهترین نمونه برای مشاهده این دسته از سیاهچاله‌ها، منظومه های دوتایی منبع اشعه X است که یکی از دو شی در این منظومه ها قابل مشاهده نیست. این دسته از سیستم‌های نجومی ‌از خود اشعه X تشعشع می‌کنند که از اوایل دهه 1970 مورد توجه قرار گرفتند.
اولین نمونه ستاره دوتایی از این گروه، Cygnus X-1 است که ستاره اپتیکی دوتایی یک ابرغول آبی است که جرم آن حدود 20 برابر جرم خورشید است که دور زوج نامرئی خود که جرم آن در حدود 40 برابر جرم خورشید است با دوره 6/5 روز می‌چرخد. فاصله آن از ما در حدود 2/2 کیلو پارسک است.

 

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه هفتم


د: ریزسیاهچاله‌ها- این سیاهچاله ها بسیار کوچک هستند. جرم این سیاهچاله ها به اندازه‌ای کوچک است که در آنها اثرات مکانیک کوانتومی اهمیت زیادی پیدا می‌کند و از این رو به نام سیاهچاله‌های مکانیم کوانتومی نیز شناخته می‌شوند. محاسبات هاوکینگ نشان می‌دهد که هرچه سیاهچاله کوچک تر باشد سرعت تبخیر آن بیش تر است، در نتیجه ریزسیاهچاله‌ها در صورت به وجود آمدن احتمالاً در لحظه‌ای تبخیر شده و منفجر می‌گردند.

 

جهت کسب اطلاع بیش تر در زمینه سیاهچاله فیلم زیر را مشاهده نمایید.

 

فیلم سیاهچاله

 


تکلیف1:  اگر یک سیاهچاله را به قیف تشبیه کنیم چگونه می توان رخداد های آن را توجیح کرد؟ با توجه به وسایلی که در اختیار دارید این آزمایش را انجام داده و نتایج را برای ما ارسال نمایید.


تکلیف2:  رویداد های یک سیاهچاله را شبیه سازی کرده و فعالیت خود را با یک گزارش تصویری برای ما ارسال نمایید.
محل بازدید/ اردو/ خرید:  برای آشنایی بیش تر با آسمان شب و تمام آنچه در آسمان شب می توان با چشم دید، از بزرگ ترین آسمان نمای تهران بازدید نمایید. آدرس و اطلاعات کامل این مرکز در آدرس اینترنتی زیر بخوانید.

 

http://www.tebyan.net/newindex.aspx?pid=291719


منابع مطالعه:  جهت کسب اطلاع بیش تر در زمینه خصوصیات سیاهچاله ها و همچنین مشاهده تصاویر جذاب از سیاهچاله ها به آدرس های اینترنتی زیر مراجعه نمایید.


http://www.tebyan.net/newindex.aspx?pid=173542
http://www.tebyan.net/newindex.aspx?pid=147907

کتاب اسرار سیاهچاله ها، ترجمه و تألیف: امیر حسین فرجاد و محمد حسین پور عباس، اطلاعات مفیدی در زمینه سیاهچاله ها در اختیارتان قرار خواهد داد.

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه هفتم


بخش پژوهش های دانش آموزی سایت تبیان

تهیه: الهام گارسچی - تنظیم: علی سرمدی

 

مطالب مرتبط

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه اول
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه دوم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه سوم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه چهارم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه پنجم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه ششم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه هفتم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه هشتم

 

تلفن : 81200000
پست الکترونیک : public@tebyan.com
آدرس : بلوارکشاورز ، خیابان نادری ، نبش حجت دوست ، پلاک 12

ارتباط با ما

روابط عمومی

درباره ما

نقشه سایت

تعدادبازدیدکنندگان
افراد آنلاین