ستارگان، از عجایب خلقت هستند که انسان متفکّر را به شگفتی وا می دارند. ستارگان می توانند سؤالات بسیاری را در ذهن انسان شکل دهند که چه بسا پاسخ به این سؤالات، باور انسان را نسبت به مبدأ و نظم حاکم در جهان آفرینش، تقویت کند. در این جا ما برانیم که ستارگان را از لحاظ جِرم، مورد بحث قرار دهیم و آینده ستارگان را بر اساس تئوری ها (نظریّه ها)ی موجود، به طور اجمال بیان کنیم.

آشنایی با سیاه چاله ه

هر چه جِرم ستاره بیشتر باشد، میدان گرانشی یا جاذبه آن، مادّه تشکیل دهنده اش را متراکم تر می کند و هر چه هسته اش داغ تر باشد، سوخت بیشتری باید به مصرف برساند تا دمای درونی اش حفظ شود. به طور خلاصه، هر چه جِرم ستاره ای بیشتر باشد، باید با سرعت بیشتری سوخت هسته ای خود را مصرف کند. بنابراین، ستارگانِ جسیم تر، ذخیره هسته ای بیشتر خود را بسیار سریع تر از ذخیره هسته ای کمتر ستارگان کم جرم، به مصرف خواهند رساند.

زمانی که سوخت ستاره ای تمام می شود (که بالاخره چنین اتفاقی می افتد)، فشار درونیِ ستاره کاهش می یابد، نیروی مقابله اش با گرانشِ (جاذبه) درونی، از دست می رود و ستاره، فرو ریزش می کند (نابود می شود). منجّمان، باور دارند که تنها یکی از این سه حالت می تواند برای ستاره اتفاق بیفتد. یک نوع ستاره با جرم کمتر از خورشید، تشکیل کوتوله سفید⁽¹⁾ می دهد. اگر ستاره، بین یک تا چهار برابر خورشید جرم داشته باشد، ستاره نوترونی⁽²⁾ تشکیل می شود و چنین ستاره ای ممکن است به عنوان «تپنده (pulsar)» معرفی شود. دسته کمی از ستاره ها با جرمی بزرگ تر از چهار برابر جرم خورشید، نمی توانند از فروریزش به درون شعاع شواتْزچیلد⁽³⁾ (schwazschildradil) اجتناب کنند و تشکیل سیاه چاله می دهند. بنابراین، سیاه چاله ها می توانند محصول ستاره های جسیم باشند.

اکثر منجّمان، باور دارند که کهکشانی مثل راه شیری، از ابر عظیمی از گاز تشکیل شده است که این گازها فروریزش کرده، به ستاره های متعددی تبدیل شده اند. ممکن است در بسیاری از نقاط کهکشان، مواد بسیار زیادی وجود داشته باشند تا یک ستاره معمولی تشکیل شود، یا این که ستاره هایی که تشکیل شده اند، آن قدر به هم نزدیک باشند که به هم بپیوندند و تشکیل یک سیاه چاله دهند. به همین خاطر می توان استدلال کرد که جرم واقعی سیاه چاله، معادل یکصد میلیون برابر ستاره ای مثل خورشید است که می تواند در مرکز بعضی از کهکشان ها وجود داشته باشد.

به طور کلّی، سیاه چاله، منطقه ای از فضاست با جرمی آن چنان قشرده که هیچ راهی برای فرار اجرام نزدیک، از جاذبه آن وجود ندارد. فرض می کنیم که روی سطح سیاره ای ایستاده ایم و سنگی را مستقیماً به بالا پرتاب می کنیم. اگر سنگ را خیلی محکم پرتاب نکرده باشیم، فقط کمی از سطح سیاره بالا می رود و سرانجام، بر اثر شتابِ ناشی از گرانش (جاذبه) سیاره به سطح آن برمی گردد. اگر سنگ را با بیشتر از یک سرعت خاص پرتاب کنیم، ممکن است به طور کامل از گرانش سیاره فرار کند و همان طور تا ابد به بالا رفتن ادامه دهد. به حداقل سرعتی که برای پرتاب سنگ نیاز است تا از جاذبه سیاره بگریزد، «سرعت گریز» گفته می شود و همان طور که انتظار می رود، سرعت گریز، بستگی به جرم سیاره دارد. اگر سیاره، بسیار بزرگ باشد، گرانش آن نیز بسیار قوی است و سرعت گریز از آن زیاد است. سیّاره سبک تر، دارای سرعت گریز کمتری است.

علاوه بر جرم، سرعت گریز به فاصله نقطه پرتاب تا مرکز سیاره نیز وابسته است. هر قدر به مرکز سیاره نزدیک تر باشیم، سرعت گریز، بالاتر خواهد بود. به طور مثال، سرعت گریز زمین 2/11 کیلومتر بر ثانیه (حدود 25 هزار مایل⁽⁴⁾ بر ساعت) است، در حالی که سرعت گریز ماه، تنها 4/2 کیلومتر بر ثانیه یعنی (5300 مایل بر ساعت) است.

حال برای درک سیاه چاله، جسمی را با چنان جرم زیادی در یک شعاع آن چنان کوچکی تصوّر کنید که سرعت گریز از آن باید از سرعتِ نور⁽⁵⁾ هم بیشتر باشد و چون هیچ سرعتی نمی تواند از سرعت نور بیشتر باشد، پس هیچ چیز نمی تواند از میدان جاذبه این جرم بگریزد.

تاریخچه بحث

نظریّه وجود چنین جرم متراکمی که حتّی نور هم در دام آن می افتد، به لاپلانس در قرن هجدهم برمی گردد. تقریباً بلافاصله بعد از این که انیشتین، تئوری نسبیّت خود را ارائه کرد، کارل شواتْزچیلد، یک راه حل ریاضی برای معادلات این تئوری کشف کرد که چنین جرمی را شرح می داد؛ امّا تنها بعدها بود که با کار افرادی همچون اینهامر و ولکوف و اشنایدر در سال 1930م، محققّان به طور جدّی در مورد احتمال این که چنین اجرامی ممکن است واقعاً در دنیا وجود داشته باشند، به بررسی پرداختند. این محققان نشان دادند زمانی که یک ستاره غول پیکر خاموش می شود، نمی تواند حتّی در برابر نیروی جاذبه خودش مقاومت کند و داخل سیاه چاله سقوط می کند.

ضمناً نام «سیاه چاله» را جان آرکیبالدو ابداع کرد و به نظر می رسد چون چشمگیرتر از نام های قبلی بود، مورد پسند واقع شد. قبل از این که وی پاپیش بگذارد، این اجرام، غالباً «ستاره های منجمد» نامیده می شدند.

زمان در سیاه چاله

فضانوردی که در حال فرو افتادن به درون سیاه چاله است، تغییری در آهنگ زمان، حس نخواهد کرد. این تغییر، چیزی است که تنها یک ناظر خارجی، آن را خواهد دید. این فضانورد بدون این که شعاع شواتز چیلد را چون یک سطح در برابر خود احساس کند، از آن خواهد گذشت. از نظر این فضانورد، فاصله پیشاپیش او انبساط می یابد، به طوری که گویی او تا ابد در حال سقوط است و هرگز به مقصد نخواهد رسید. در یک فاصله معیّن، نیروی گرانشی به حدّی قوی است که هیچ چیز (حتّی نور) نمی تواند از آن فرار کند. این فاصله، سطح افق (EventHorizon) نامیده می شود. ارتفاع سطح افق از مرکز سیاه چاله، یک مقدار دقیق عددی نیست؛ امّا هیچ راه برگشتی برای هر چیزی که از آن بگذرد وجود ندارد. می توانیم افق را همانند مکانی در نظر بگیریم که سرعت گریز از آن، معادل سرعت نور است.

از نظر یک شاهد که در جایی دور از سیاه چاله نشسته است، این افق، یک سطح کُروی بی حرکت، ساکن و زیبا به نظر می آید؛ امّا به محض نزدیک شدن به افق، شخص واقع در آن، متوجّه خواهد شد که افق، دارای سرعت زیادی است و در واقع با سرعت نور، به سمت خارج حرکت می کند و این، روشن می کند که چرا گذشتن از افق در جهت داخل، آسان است؛ امّا محال است که بتوان از آن خارج شد. چون افق با سرعت نور به سمت خارج در حرکت است، برای فرار از آن باید سرعت سریع تر از سرعت نور داشت؛ امّا نمی توان سریع تر از سرعت نور حرکت کرد. پس نمی توان از سیاه چاله فرار کرد.

اندازه سیاه چاله ه

بنابر نظریه انیشتین، سیاه چاله ها می توانند هر اندازه ای داشته باشند. هر جسمی که دارای جرم باشد، بدون توجّه به این که جرم آن ممکن است تا چه حد کم باشد، یک میدان گرانشی (جاذبه) نیز دارد. اگر حجم این جسم، کوچک تر شود، میدان گرانشی آن بزرگ تر می شود تا سرانجام، سرعت گریز از سطحش بیشتر از سرعت نور خواهد بود. یعنی این جسم در درون شعاع شواتزچیلد خود، چروک خورده است. مثلاً اگر زمین را تا آن جا متراکم کنیم که قطرش به 87% سانتی متر برسد، آن گاه به سیاه چاله تبدیل خواهد شد (کوچکْ سیاه چاله). دلایلی وجود دارد که نشان می دهد جرم های کوچک تر از 5 ـ10 یا همان 100000 ـ گرم، قادر به تشکیل سیاه چاله نیستند. اگر قطر یک جرام 5 ـ10 گرمی (که قابل رؤیت با چشم غیر مسلّح است) تا 33 ـ10 سانتی متر کاهش یابد، به سیاه چاله ای تبدیل خواهد شد که چگالی ای برابر تمام عالم خواهد داشت.

1 . ستاره ای منقبض شده با جرمی کمتر از جرم خورشید که شعاعش چندهزار کیلومتر است.

2 . ستاره ای منقبض شده با جرمی معادل با 1 تا 4 برابر جرم خورشید و شعاع چند کیلومتر.

3 . فاصله سیاه چاله تا نقطه ای که اگر جرمی در این نقطه قرار گیرد، قادر نخواهد بود خود را از کشش بسیار قوی سیاه چاله برهاند.

4 . یک مایل، تقریباً 620 متر است که یکی از واحدهای اندازه گیری طول شمرده می شود.

5 . تقریباً سیصدهزار متر بر ثانیه.

منابع:

نجوم و اختر فیزیک مقدّماتی، زیلیک و اسمیت، ترجمه: جمشید قنبری و تقی عدالتی، مشهد: دانشگاه فردوسی، ج2 .

سیاه چاله ها، آیزاک آسیموف، ترجمه: محمدعلی نجفی، تهران: علم.