چه چیزی در انتهای سیاه‌چاله‌ها پنهان شده است؟

روزهای بروجرد– سیاه‌چاله‌ها اجرام شگفت‌انگیزی هستند که مدت‌ها فکر دانشمندان را مشغول کرده‌اند و موضوع بسیاری از پژوهش‌های علمی به شمار می‌روند. یکی از پرسش‌های مهم در مورد سیاه‌چاله‌ها این است که چه چیزی در انتهای این اجرام شگفت‌انگیز پنهان شده است.

برای درک بهتر آنچه در انتهای سیاه‌چاله وجود دارد، ابتدا لازم است دو بخش اساسی یک سیاه‌چاله را مورد بررسی قرار دهیم.

1. افق رویداد

«افق رویداد»(Event Horizon)، نقطه بی‌بازگشت در یک سیاه‌چاله است. این یک نقطه مرزی برای مشخص کردن لبه بیرونی سیاه‌چاله است که فراتر از آن هیچ چیز حتی نور نمی‌تواند از کشش گرانشی فرار کند. به عبارت ساده، این یک مرز یک‌طرفه برای به دام انداختن نور سیاه‌چاله است که از محتویات درون آن محافظت می‌کند. همچنین افق رویداد، مرز بین جهان ما و تکینگی سیاه‌چاله را مشخص می‌کند.

افق رویداد به عنوان یک دروازه‌بان کیهانی موثر برای سیاه‌چاله عمل می‌کند که ما را از دیدن اسرار داخلی آن باز می‌دارد. درک کردن سیاه‌چاله‌ها و نحوه تعامل آنها با محیط اطرافشان بسیار مهم است.

1. تکینگی

در انتهای سیاه‌چاله، یک نقطه گرانش شدید وجود دارد که به عنوان «تکینگی»(singularity) شناخته می‌شود. تکینگی، ناحیه‌ای است که در آن تمام ماده و انرژی در یک نقطه بی‌نهایت کوچک فشرده می‌شوند و مشاهده مستقیم را غیرممکن می‌سازند. تکینگی در یک سیاه‌چاله، ناحیه‌ بسیار متراکمی در مرکز آن است. گرانش بسیار قوی، فضا، زمان، انرژی و ماده را به حدی فشرده می‌سازد که حتی نور نیز نمی‌تواند از آن فرار کند. در تکینگی سیاه‌چاله‌ها، قوانین فیزیک احتمالا شکسته می‌شوند.

اعتقاد بر این است که تکینگی‌ها نقاط بسیار کوچک با چگالی بی‌نهایت هستند اما اندازه دقیق آنها هنوز یک راز باقی مانده زیرا به دلیل نیروی گرانشی بسیار زیاد آنها، هیچ بررسی یا مشاهده‌ای امکان‌پذیر نیست. دانشمندان سخت تلاش می‌کنند تا درک بهتری را در مورد آنچه در تکینگی‌ها اتفاق می‌افتد، ارائه دهند و با توصیف بهتر آنچه در مرکز سیاه‌چاله رخ می‌دهد، یک نظریه کامل را ایجاد کنند.

اثر اسپاگتی

«اثر اسپاگتی»(Spaghettification) زمانی رخ می‌دهد که یک جرم نجومی مانند یک ستاره یا سیاره به افق رویداد یک سیاه‌چاله خیلی نزدیک شود. با نزدیک شدن به تکینگی سیاه‌چاله، گرانش شدید جرم را به سوی خود می‌کشد و آن را مانند رشته‌های بلند و نازک اسپاگتی در هم می‌شکند.

نیروی گرانشی شدید سیاه‌چاله‌ها باعث ایجاد اثرات جزر و مدی می‌شود که اثر اسپاگتی را به همراه دارند. به عنوان مثال، هنگامی که یک جرم در حال سقوط کردن به داخل سیاه‌چاله است، در جهت سقوط کشیده می‌شود اما در جهت عمود فشرده می‌شود. در نتیجه، جرم به صورت بلند و نازک تغییر شکل می‌دهد و مانند رشته‌های اسپاگتی کشیده می‌شود.

سیاه‌چاله‌ها آن قدر قوی هستند تا هر چیزی از جمله گاز، غبار، سیاره‌ها، ستاره‌ها یا حتی یک مسافر فضایی فرضی را که خیلی به آنها نزدیک شود، به سوی خود بکشند و بر آن تاثیر بگذارند. تأثیر دقیق یک سیاه‌چاله به جرم آن بستگی دارد که می‌تواند به طور چشمگیری متفاوت باشد. سیاه‌چاله‌ها می‌توانند مینیاتوری یا کلان‌جرم باشند و جرم آنها ممکن است از ده‌ها تا میلیاردها برابر جرم خورشید ما متغیر باشد. اگرچه گرانش سیاه‌چاله به خودی خود عجیب نیست اما وقتی یک جرم خیلی به آن نزدیک شود، همه چیز تغییر می‌کند؛ به این معنی که جرم آن قدر به سیاه‌چاله نزدیک شده است که دیگر نمی‌تواند یک مدار پایدار را در اطراف این جرم بزرگ حفظ کند.

چیزی که سیاه‌چاله‌ها و قدرت گرانشی آنها را متمایز می‌کند، چگالی شدید آنهاست. اگرچه اجرامی به اندازه برخی از سیاه‌چاله‌ها وجود دارند اما چگالی آنها یکسان نیست. برخی از سیاه‌چاله‌ها کلان‌جرم هستند اما این جرم در ناحیه کوچک‌تری متمرکز شده است و چگالی بالایی را ایجاد می‌کند که حداکثر نیروی گرانش سیاه‌چاله را با اجازه دادن به اجرام برای نزدیک شدن به آن افزایش می‌دهد.

هنگامی که یک جرم خیلی به سیاه‌چاله نزدیک شود، نیروهای جزر و مدی را تجربه می‌کند. به دلیل چگالی شدید یک سیاه‌چاله، اجرامی که در مجاورت آن قرار دارند، گرانش شدید و در نتیجه نیروهای جزر و مدی شدید را تجربه خواهند کرد که حتی می‌توانند به فروپاشی جرم منجر شوند.

با نزدیک شدن یک جرم به افق رویداد سیاه‌چاله، اثرات همچنان تشدید می‌شوند. این نقطه بی‌بازگشت یا مرزی که سیاه‌چاله را احاطه کرده است، اجازه نمی‌دهد هیچ چیز حتی نور از آن خارج شود. برای هر جرمی که در سیاه‌چاله سقوط می‌کند، قسمت نزدیک‌تر به سیاه‌چاله، کشش گرانشی قوی‌تری را نسبت به قسمت دورتر احساس خواهد کرد. این تفاوت در کشش گرانشی، با نزدیک‌تر شدن جرم به افق رویداد افزایش می‌یابد. تفاوت در کشش گرانشی، به سیاه‌چاله‌ها منحصر نیست اما چگالی شدید آنها یک اثر شدید را ایجاد می‌کند. این اثر اساسا با نزدیک‌تر شدن جرم به سیاه‌چاله افزایش می‌یابد و به آن یک شکل بلند و نازک می‌دهد.

نظریه «نسبیت عام» می‌گوید ماده و انرژی که به سیاه‌چاله وارد می‌شوند، تا نقطه‌ای با چگالی بی‌نهایت در تکینگی فرومی‌پاشند. این بدان معناست که هر چیزی از جمله نور وقتی به سیاه‌چاله وارد می‌شود، نمی‌تواند از آن فرار کند و همین ویژگی، تکینگی را عملا به نقطه‌ای بدون بازگشت تبدیل می‌کند.

تکینگی‌ها نقاط بسیار کوچک با چگالی بی‌نهایت هستند اما اندازه دقیق آنها هنوز یک راز باقی مانده زیرا به دلیل نیروی گرانشی بسیار زیاد آنها، هیچ بررسی یا مشاهده‌ای امکان‌پذیر نیست.

در هر حال، مفهوم آنچه در انتهای سیاه‌چاله نهفته است، هنوز موضوع بحث‌های شدید بین فیزیک‌دانان به شمار می‌رود و هیچ توافق روشنی در مورد اینکه تکینگی واقعا چه چیزی را نشان می‌دهد، وجود ندارد. برخی از نظریه‌ها نشان می‌دهند که تکینگی ممکن است یک وجود فیزیکی واقعی نباشد، بلکه جلوه‌ای از درک ناقص ما در مورد قوانین فیزیک در مقیاس‌های بسیار کوچک باشد.

در سال ۲۰۱۹، دانشمندان اولین عکس را از یک سیاه‌چاله گرفتند.

در این عکس، حلقه بزرگی از نور در اطراف یک فضای خالی سیاه قرار گرفته است و می‌درخشد. آنچه دیده می‌شود، قرص برافزایشی است که از نور میلیاردها خورشید تشکیل شده اما چیزی در قلب سیاه‌چاله دیده نمی‌شود و یکی از بزرگترین اسرار علم مدرن در همین جا وجود دارد.

اگرچه ما امروز یک عکس از سیاه‌چاله داریم اما باید به این پرسش خارق‌العاده پاسخ بدهیم که در انتهای سیاه‌چاله چیست.

وجود یک سیاه‌چاله معمولا تنها از طریق تأثیراتی که گرانش آن بر محیط مجاور دارد، استنباط می‌شود.

از میان تمام اجرام موجود در فضا، سیاه‌چاله‌ها شاید مرموزترین نمونه باشند. در سطح اولیه، ما می‌دانیم سیاه‌چاله‌ها اساسا نور مجاور را جذب می‌کنند که آنها را در بیشتر موارد نامرئی می‌سازد. این بدان معناست که وجود یک سیاه‌چاله معمولا تنها از طریق تأثیراتی که گرانش آن بر محیط مجاور دارد، استنباط می‌شود.

«جان میچل»(John Michell) دانشمند انگلیسی، برای اولین بار این ساختارهای باورنکردنی را در سال ۱۷۸۳ نظریه‌پردازی کرد اما این مفهوم در آن زمان آن قدر عجیب بود که نادیده گرفته شد تا اینکه «آلبرت اینشتین»(Albert Einstein) بیش از یک قرن بعد، پژوهش‌های خود را آغاز کرد. حتی در آن زمان نیز زیاد به این مفهوم پرداخته نشد؛ تا این که در دهه ۱۹۶۰ نام سیاه‌چاله به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت.

امروز هم سیاه‌چاله‌ها هنوز برای ذهن‌های مدرن چندان معنا ندارند و وقتی می‌پرسیم در مرکز یا تکینگی‌هایشان چیست، حتی مطمئن‌ترین معادلات ما در هم می‌ریزند. این موضوع به اندازه‌ای پیچیده است که حتی مفاهیم مرکز یا انتهای یک سیاه‌چاله را نمی‌توان به معنای واقعی کلمه در نظر گرفت. نسبیت عام به ما می‌گوید جرم زیادی درون سیاه‌چاله‌ها متمرکز شده است که در واقع فضا-زمان را بی‌نهایت تاب می‌دهد تا یک حفره بی‌پایان را در بافت فضا ایجاد کنند. بنابراین براساس تفکر کنونی، در واقع هرگز نمی‌توان به انتهای سیاه‌چاله رسید. در هر حال، این به هیچ وجه یک پرونده بسته نیست و دانش ما همیشه در حال تغییر کردن است.

چیزی که در قلب یک سیاه‌چاله قرار دارد، پیچیده‌تر از گفتن عبارت «این یک تکینگی است» محسوب می‌شود. براساس یکی از رویکردها، وقتی فضا-زمان را در نظر می‌گیریم، باید بپرسیم که با چه نوع تکینگی سروکار داریم و این تکینگی مکانی است یا زمانی. تکینگی‌های فضایی یا «فضا مانند» متفاوت از همتایان زمانی یا «زمان مانند» خود عمل می‌کنند. در یک تکینگی فضایی، ماده به محض رسیدن به افق رویداد به دام می‌افتد و در این نقطه به معنای واقعی کلمه، آینده‌ای از منظر زمانی ندارد و دیگر وجود ندارد. در یک تکینگی زمانی، اگرچه افق-ماده پس از رویداد دوباره به دام می‌افتد اما حضور آن در زمان ادامه می‌یابد و بدین ترتیب، ماده همچنان تا حدودی وجود دارد.

جریان اصلی‌تر به سمت سیاه‌چاله‌ها منحرف می‌شود که دارای تکینگی فضایی هستند. این موضوع برای دهه‌ها به همین صورت مطرح می‌شد اما اخیرا پرسش‌هایی مطرح شده‌اند. از یک سو، تکینگی‌های زمانی ممکن است بسیاری از مشکلات پیرامون سیاه‌چاله‌ها را حل کنند و آنها را از مناطق مرده که ما به طور کلیشه‌ای تصور می‌کنیم، به چیزی بسیار زنده‌تر و شاید حتی به یک نیروی خلاق تبدیل کنند. خود تکینگی‌های زمانی نیز احتمالا بسیار بیشتر قابل مشاهده خواهند بود اما در حال حاضر ما می‌دانیم که سیاه‌چاله‌ها این طور نیستند. شاید این موضوع فقط مربوط به زمان باشد اما تا رسیدن به پاسخ، تحقیقات ادامه خواهند داشت.

از سوی دیگر، برخی معتقدند که ممکن است تمرکز زیاد روی تکینگی‌ها در آغاز کار اشتباه باشد و شاید چیز دیگری وجود داشته باشد که در اعماق سیاه‌چاله پنهان شده است. برخی تا آنجا پیش می‌روند که می‌گویند کل نظریه ما در مورد سیاه‌چاله‌ها ممکن است اشتباه باشد. ما می‌دانیم که این اجرام دقیقا با بیشتر نظریه‌های کنونی ما در مورد زندگی، جهان و سایر موضوعات مطابقت ندارند اما یک فرضیه که توسط فیزیک‌دانان «پاول مازور»(Pawel Mazur) و «امیل موتولا»(Emil Mottola) ارائه شده است، نشان می‌دهد این موضوع به این دلیل است که سیاه‌چاله‌ها در واقع سیاه‌چاله به آن مفهومی نیستند که ما در حال حاضر درک می‌کنیم. در عوض، مازور و موتولا معتقدند که آنها یک جرم فضایی بزرگ دیگر به نام «گرت‌اختر»(Gravastar) هستند.

در یک گرت‌اختر، ماده از افق رویداد و فراتر از دید ما می‌گذرد اما از آنجا به درون نمی‌افتد، بلکه توسط انرژی تاریک دفع می‌شود و در اطراف هسته گرت‌اختر قرار می‌گیرد.

یک گرت‌اختر از دور دقیقا مشابه سیاه‌چاله به نظر می‌رسد اما چیز متفاوتی درون آن وجود دارد و شاید مانند سیاه‌چاله یک انتها در آن برای رسیدن وجود داشته باشد. به جای تکینگی‌های بی‌پایان، گرت‌اخترها مخازنی از انرژی تاریک را در خود جای داده‌اند. بنابراین، انرژی تاریک اغلب به عنوان پاسخی برای پرسش‌های پاسخ‌ناپذیر مطرح می‌شود زیرا آن نیز برای ما یک راز باقی مانده است.

در یک گرت‌اختر، ماده از افق رویداد و فراتر از دید ما می‌گذرد اما از آنجا به درون نمی‌افتد، بلکه توسط انرژی تاریک دفع می‌شود و در اطراف هسته گرت‌اختر قرار می‌گیرد. اگرچه ماده برای ما دیگر گم شده است اما برای جهان هنوز وجود دارد. نکته مهم این است که تا به امروز، این نظریه به طور گسترده مورد حمایت قرار نگرفته اما همچنان یک احتمال جذاب است و به این نکته اشاره می‌کند که شاید روزی به اکتشافاتی در مورد سیاه‌چاله‌ها دست پیدا کنیم که درک ما را در مورد فیزیک کاملا تغییر دهند.

برخی از دانشمندان نظریه‌های کاملا متفاوتی را در مورد نحوه عملکرد خود جهان ارائه می‌کنند تا توضیح دهند که چگونه یک سیاه‌چاله می‌تواند در آن وجود داشته باشد. «گرانش کوانتومی حلقه‌ای»(Loop Quantum Gravity) یکی از این نظریه‌هاست و تلاش می‌کند با بیان این که جهان در واقع از حلقه‌های کوچک در فضا-زمان ساخته شده است، یک نظریه در مورد گرانش کوانتومی بسازد.

نظریه «گرانش کوانتومی حلقه‌ای» می‌گوید که جهان در واقع از حلقه‌های کوچک در فضا-زمان ساخته شده است.

اگر این درست باشد، پیامدهای بسیار دیگری نیز وجود دارد اما برای سیاه‌چاله‌ها به این معناست که در انتهای آنها چیزی به نام «ستاره پلانک»(Planck Star) یا «ستاره تاریک»(Dark Star) وجود دارد. وجود یک ستاره پلانک تقریبا غیرممکن است اما این مدل می‌گوید که ستاره پلانک می‌تواند انرژی دیگر را دفع کند و به همین دلیل، یک نقطه پایان را برای همه چیز در یک سیاه‌چاله نشان می‌دهد.

یکی از مشکلات بالقوه این رویکرد این است که مشخص شده سیاه‌چاله‌ها در این سناریو باید پس از مدت کوتاهی منفجر شوند اما مطمئن نیستیم که این اتفاق رخ می‌دهد. ایده‌هایی که ارائه می‌شوند، دائما در حال تکامل یافتن هستند اما ماهیت واقعی یک سیاه‌چاله همچنان مبهم است.

تا آن زمان، آنچه دقیقا در انتهای سیاه‌چاله‌ها پنهان شده است، برای ما یک راز باقی می‌ماند و براساس دانش و فناوری کنونی ممکن است هرگز نتوانیم به اندازه کافی به یکی از آنها نزدیک شویم تا کاملا آن را درک کنیم. رمز و راز سیاه‌چاله‌ها همچنان پایدار است.