| مجلات >حديث زندگى>شماره 22 |
روحالله كامرانفرد
ستارگان، از عجايب خلقت هستند كه انسان متفكّر را به شگفتى وا مىدارند. ستارگان مىتوانند سؤالات بسيارى را در ذهن انسان شكل دهند كه چه بسا پاسخ به اين سؤالات، باور انسان را نسبت به مبدأ و نظم حاكم در جهان آفرينش، تقويت كند. در اين جا ما برانيم كه ستارگان را از لحاظ جِرم، مورد بحث قرار دهيم و آينده ستارگان را بر اساس تئورىها (نظريّهها)ى موجود، به طور اجمال بيان كنيم.
هر چه جِرم ستاره بيشتر باشد، ميدان گرانشى يا جاذبه آن، مادّه تشكيل دهندهاش را متراكمتر مىكند و هر چه هستهاش داغتر باشد، سوخت بيشترى بايد به مصرف برساند تا دماى درونىاش حفظ شود. به طور خلاصه، هر چه جِرم ستارهاى بيشتر باشد، بايد با سرعت بيشترى سوخت هستهاى خود را مصرف كند. بنابراين، ستارگانِ جسيمتر، ذخيره هستهاى بيشتر خود را بسيار سريعتر از ذخيره هستهاى كمتر ستارگان كم جرم، به مصرف خواهند رساند.
زمانى كه سوخت ستارهاى تمام مىشود (كه بالاخره چنين اتفاقى مىافتد)، فشار درونىِ ستاره كاهش مىيابد، نيروى مقابلهاش با گرانشِ (جاذبه) درونى، از دست مىرود و ستاره، فرو ريزش مىكند (نابود مىشود). منجّمان، باور دارند كه تنها يكى از اين سه حالت مىتواند براى ستاره اتفاق بيفتد. يك نوع ستاره با جرم كمتر از خورشيد، تشكيل كوتوله سفيد(1) مىدهد. اگر ستاره، بين يك تا چهار برابر خورشيد جرم داشته باشد، ستاره نوترونى(2) تشكيل مىشود و چنين ستارهاى ممكن است به عنوان «تپنده (pulsar)» معرفى شود. دسته كمى از ستارهها با جرمى بزرگتر از چهار برابر جرم خورشيد، نمىتوانند از فروريزش به درون شعاع شواتْزچيلد(3) (schwazschildradil) اجتناب كنند و تشكيل سياهچاله مىدهند. بنابراين، سياهچالهها مىتوانند محصول ستارههاى جسيم باشند.
اكثر منجّمان، باور دارند كه كهكشانى مثل راه شيرى، از ابر عظيمى از گاز تشكيل شده است كه اين گازها فروريزش كرده، به ستارههاى متعددى تبديل شدهاند. ممكن است در بسيارى از نقاط كهكشان، مواد بسيار زيادى وجود داشته باشند تا يك ستاره معمولى تشكيل شود، يا اين كه ستارههايى كه تشكيل شدهاند، آنقدر به هم نزديك باشند كه به هم بپيوندند و تشكيل يك سياهچاله دهند. به همين خاطر مىتوان استدلال كرد كه جرم واقعى سياهچاله، معادل يكصد ميليون برابر ستارهاى مثل خورشيد است كه مىتواند در مركز بعضى از كهكشانها وجود داشته باشد.
به طور كلّى، سياهچاله، منطقهاى از فضاست با جرمى آن چنان قشرده كه هيچ راهى براى فرار اجرام نزديك، از جاذبه آن وجود ندارد. فرض مىكنيم كه روى سطح سيارهاى ايستادهايم و سنگى را مستقيماً به بالا پرتاب مىكنيم. اگر سنگ را خيلى محكم پرتاب نكرده باشيم، فقط كمى از سطح سياره بالا مىرود و سرانجام، بر اثر شتابِ ناشى از گرانش (جاذبه) سياره به سطح آن برمىگردد. اگر سنگ را با بيشتر از يك سرعت خاص پرتاب كنيم، ممكن است به طور كامل از گرانش سياره فرار كند و همان طور تا ابد به بالا رفتن ادامه دهد. به حداقل سرعتى كه براى پرتاب سنگ نياز است تا از جاذبه سياره بگريزد، «سرعت گريز» گفته مىشود و همان طور كه انتظار مىرود، سرعت گريز، بستگى به جرم سياره دارد. اگر سياره، بسيار بزرگ باشد، گرانش آن نيز بسيار قوى است و سرعت گريز از آن زياد است. سيّاره سبكتر، داراى سرعت گريز كمترى است.
علاوه بر جرم، سرعت گريز به فاصله نقطه پرتاب تا مركز سياره نيز وابسته است. هر قدر به مركز سياره نزديكتر باشيم، سرعت گريز، بالاتر خواهد بود. به طور مثال، سرعت گريز زمين 2/11 كيلومتر بر ثانيه (حدود 25 هزار مايل(4) بر ساعت) است، در حالى كه سرعت گريز ماه، تنها 4/2 كيلومتر بر ثانيه يعنى (5300 مايل بر ساعت) است.
حال براى درك سياهچاله، جسمى را با چنان جرم زيادى در يك شعاع آن چنان كوچكى تصوّر كنيد كه سرعت گريز از آن بايد از سرعتِ نور(5) هم بيشتر باشد و چون هيچ سرعتى نمىتواند از سرعت نور بيشتر باشد، پس هيچ چيز نمىتواند از ميدان جاذبه اين جرم بگريزد.
نظريّه وجود چنين جرم متراكمى كه حتّى نور هم در دام آن مىافتد، به لاپلانس در قرن هجدهم برمىگردد. تقريباً بلافاصله بعد از اين كه انيشتين، تئورى نسبيّت خود را ارائه كرد، كارلشواتْزچيلد، يك راهحل رياضى براى معادلات اين تئورى كشف كرد كه چنين جرمى را شرح مىداد؛ امّا تنها بعدها بود كه با كار افرادى همچون اينهامر و ولكوف و اشنايدر در سال 1930م، محققّان به طور جدّى در مورد احتمال اين كه چنين اجرامى ممكن است واقعاً در دنيا وجود داشته باشند، به بررسى پرداختند. اين محققان نشان دادند زمانى كه يك ستاره غولپيكر خاموش مىشود، نمىتواند حتّى در برابر نيروى جاذبه خودش مقاومت كند و داخل سياهچاله سقوط مىكند.
ضمناً نام «سياهچاله» را جان آركيبالدو ابداع كرد و به نظر مىرسد چون چشمگيرتر از نامهاى قبلى بود، مورد پسند واقع شد. قبل از اين كه وى پاپيش بگذارد، اين اجرام، غالباً «ستارههاى منجمد» ناميده مىشدند.
فضانوردى كه در حال فرو افتادن به درون سياهچاله است، تغييرى در آهنگ زمان، حس نخواهد كرد. اين تغيير، چيزى است كه تنها يك ناظر خارجى، آن را خواهد ديد. اين فضانورد بدون اين كه شعاع شواتز چيلد را چون يك سطح در برابر خود احساس كند، از آن خواهد گذشت. از نظر اين فضانورد، فاصله پيشاپيش او انبساط مىيابد، به طورى كه گويى او تا ابد در حال سقوط است و هرگز به مقصد نخواهد رسيد. در يك فاصله معيّن، نيروى گرانشى به حدّى قوى است كه هيچ چيز (حتّى نور) نمىتواند از آن فرار كند. اين فاصله، سطح افق (EventHorizon) ناميده مىشود. ارتفاع سطح افق از مركز سياهچاله، يك مقدار دقيق عددى نيست؛ امّا هيچ راه برگشتى براى هر چيزى كه از آن بگذرد وجود ندارد. مىتوانيم افق را همانند مكانى در نظر بگيريم كه سرعت گريز از آن، معادل سرعت نور است.
از نظر يك شاهد كه در جايى دور از سياه چاله نشسته است، اين افق، يك سطح كُروى بىحركت، ساكن و زيبا به نظر مىآيد؛ امّا به محض نزديك شدن به افق، شخص واقع در آن، متوجّه خواهد شد كه افق، داراى سرعت زيادى است و در واقع با سرعت نور، به سمت خارج حركت مىكند و اين، روشن مىكند كه چرا گذشتن از افق در جهت داخل، آسان است؛ امّا محال است كه بتوان از آن خارج شد. چون افق با سرعت نور به سمت خارج در حركت است، براى فرار از آن بايد سرعت سريعتر از سرعت نور داشت؛ امّا نمىتوان سريعتر از سرعت نور حركت كرد. پس نمىتوان از سياهچاله فرار كرد.
بنابر نظريه انيشتين، سياه چالهها مىتوانند هر اندازهاى داشته باشند. هر جسمى كه داراى جرم باشد، بدون توجّه به اين كه جرم آن ممكن است تا چه حد كم باشد، يك ميدان گرانشى (جاذبه) نيز دارد. اگر حجم اين جسم، كوچكتر شود، ميدان گرانشى آن بزرگتر مىشود تا سرانجام، سرعت گريز از سطحش بيشتر از سرعت نور خواهد بود. يعنى اين جسم در درون شعاع شواتزچيلد خود، چروك خورده است. مثلاً اگر زمين را تا آن جا متراكم كنيم كه قطرش به 87% سانتىمتر برسد، آن گاه به سياهچاله تبديل خواهد شد (كوچكْ سياهچاله). دلايلى وجود دارد كه نشان مىدهد جرمهاى كوچكتر از 5 ـ10 يا همان 100000 ـ گرم، قادر به تشكيل سياهچاله نيستند. اگر قطر يك جرام 5 ـ10 گرمى (كه قابل رؤيت با چشم غير مسلّح است) تا 33 ـ10 سانتىمتر كاهش يابد، به سياهچالهاى تبديل خواهد شد كه چگالىاى برابر تمام عالم خواهد داشت.
1 . ستارهاى منقبض شده با جرمى كمتر از جرم خورشيد كه شعاعش چندهزار كيلومتر است.
2 . ستارهاى منقبض شده با جرمى معادل با 1 تا 4 برابر جرم خورشيد و شعاع چند كيلومتر.
3 . فاصله سياهچاله تا نقطهاى كه اگر جرمى در اين نقطه قرار گيرد، قادر نخواهد بود خود را از كشش بسيار قوى سياهچاله برهاند.
4 . يك مايل، تقريباً 620 متر است كه يكى از واحدهاى اندازهگيرى طول شمرده مىشود.
5 . تقريباً سيصدهزار متر بر ثانيه.
نجوم و اختر فيزيك مقدّماتى، زيليك و اسميت، ترجمه: جمشيد قنبرى و تقى عدالتى، مشهد: دانشگاه فردوسى، ج2 .
سياهچالهها، آيزاك آسيموف، ترجمه: محمدعلى نجفى، تهران: علم.