سفر به اعماق بزرگ‌ترین راز کیهان

به گزارش مجله خبری نگار، فکر می‌کنید اگر با سرعت نور به یک سیاهچاله عظیم نزدیک شویم، چه تجربه‌ای خواهیم داشت؟ رفتن به دل سیاهچاله‌ای که همه چیز را می‌بلعد، در چه نقطه‌ای بی‌بازگشت محسوب می‌شود؟ زمان، نور و جرم در دل سیاهچاله‌ها که ابعادی بیشتر از دنیای ما برآن‌ها حاکم است، چه ویژگی‌هایی دارد؟ چند روز قبل ابررایانه ناسا که می‌تواند حجم زیادی از داده‌ها را آنالیز کند، توانست با کمک الگوریتم‌های پیشرفته‌ای، فیلمی از این اتفاق را شبیه‌سازی کند که تولیدش با یک لپ‌تاپ معمولی حداقل ۱۰ سال زمان می‌برد. حجم اطلاعات این شبیه‌سازی معادل نیمی از محتوای کتاب‌های کتابخانه کنگره آمریکاست که با ۱۲۹ هزار پردازنده قدرتمند طی ۵ روز تولید شده است. اما چرا این فیلم جالب و شگفت‌انگیز است؟

ماجرا از این قرار است که سیاهچاله‌ها سال‌هاست ذهن بزرگ‌ترین مغز‌های جهان را مشغول کرده‌اند. هرچند درظاهر اطلاعات بسیاری درباره شکل‌گیری و تداوم آن‌ها داریم، اما هر اطلاعات تازه‌ای از آن‌ها که به‌دست می‌آوریم، منجر به آن می‌شود که بدانیم خیلی کم از آن‌ها خبر داریم. پدیده‌ای کیهانی که هیچ چیزی، حتی نور امکان فرار از آن را ندارد. جاذبه در نزدیکی یک سیاهچاله به طرز عجیبی متفاوت عمل می‌کند.

زمان در فواصلی از افق رویداد سیاهچاله، مرز‌های آن و حتی داخلش به پدیده‌ای عجیب و غیرقابل درک برای ذهن ما که دنیای سه بعدی را تجربه می‌کنیم، تبدیل می‌شود. می‌دانیم که سیاهچاله‌ها از مرگ ستاره‌ها به وجود می‌آیند. در مرکز هر کهکشان یک سیاهچاله بزرگ قرار دارد که تا شعاع بزرگی از اطرافش همه چیز را می‌بلعد. اطلاعات هرآن‌چه که داخل سیاهچاله فرو می‌رود، در بستر آن منعکس می‌شود و همین موضوع گمانه‌های عجیبی را درباره ماهیت سیاهچاله‌ها ایجاد کرده، مثل این‌که دنیای ما هم خودش در دل یک سیاهچاله است و ما درکی از ابعاد آن نداریم.

بسیاری آن‌سوی سیاهچاله‌ها را منشاء پیدایش کیهان‌های دیگر می‌دانند. برخی هم به این بسنده نکرده و سیاهچاله‌ها را گذرگاه‌هایی به فضا زمان‌های دیگر مثل یک میانبر توصیف می‌کنند. فرضیه‌هایی که گاهی شبیه ایده‌های فیلم و سریال‌های ژانر علمی تخیلی هستند. سیاهچاله‌ها مثل ماده تاریک، کرمچاله و ... جزو مرموزترین پدیده‌های کیهانی هستند که رصد کردن‌شان دشوار است و براساس اعوجاجی که در نور ستاره‌ها ایجاد می‌کنند، می‌توان محل‌شان را پیش‌بینی کرد. درک این پدیده‌ها می‌تواند چشم‌انداز بشر به آینده، جهان، ماهیت زمان و... را تغییر دهد.

فیلم «بین‌ستاره‌ای» نولان که با کمک یکی از شاخص‌ترین اخترفیزیک دانان چند دهه اخیر ساخته شده بود، به شکلی دراماتیک نشان می‌داد که حضور در دل سیاهچاله‌ای خاص که امکان خروج از آن وجود دارد، چه تجربه عجیبی در زمان و مکان است. همه این معما‌ها باعث می‌شود تماشای این شبیه‌سازی، تجربه‌ای شگفت‌انگیز باشد. به این بهانه، ضمن تشریح این اتفاق تازه، با سیاهچاله‌ها بیشتر آشنا می‌شویم.

سفر به نقطه بی‌بازگشت سیاهچاله‌ها

همان‌طور که گفتیم به تازگی ناسا، یک شبیه‌سازی ویدئویی فوق‌العاده را به تصویر کشیده که به مخاطبان امکان می‌دهد فرو رفتن در سیاه‌چاله و گذر از «نقطه بدون بازگشت» را در این فرایند تجربه کنند. در این شبیه‌سازی بصری که به وسیله ابررایانه ناسا تولید شده است، بینندگان در قالب یک فضانورد فرضی و از دریچه چشم دوربینی در فاصله ۶۴۰ میلیون کیلومتری سیاه‌چاله با سرعتی نزدیک به نور به سمت آن می‌روند. دوربین پس از رسیدن به سیاه‌چاله و با چرخیدن به دور آن از افق رویداد که «نقطه بدون بازگشت» نامیده می‌شود، عبور می‌کند.

شبیه‌سازی منطبق بر قوانین فیزیک

شاید برای شماهم این سوال پیش آمده باشد که این شبیه‌سازی چقدر دقت دارد؛ بد نیست بدانید در این بازسازی گرافیکی تمامی جزئیات و قوانین حاکم بر فیزیک که بشر تا امروز به آن دست پیدا کرده، رعایت شده است. جالب‌تر این‌که ویدئو که به شکل یک نسخه ۳۶۰ درجه هم ساخته شده است، به مخاطب امکان می‌دهد خود را در مرکز همه‌چیز احساس کند و بتواند به اطراف خود نگاه کند. برای تولید این سفر هیجان‌انگیز از ابررایانه «دیسکاور» در مرکز شبیه‌سازی تغییرات اقلیمی ناسا استفاده شده است. جرم سیاه‌چاله بازسازی‌شده در این ویدئو، ۴.۳ میلیون برابر جرم خورشید است و به لحاظ ابعاد معادل سیاه‌چاله مرکز کهکشان خودمان یعنی کهکشان راه شیری است.

مفاهیم ریاضی نسبیت به شکل تصاویر

بسیاری از ما با مفاهیمی مرتبط با نسبیت خاص و عام آگاهی داریم، می‌دانیم در نقطه‌ای که جاذبه آن متفاوت با جهان ماست، زمان شکل دیگری دارد و به‌خصوص در دل یک سیاهچاله ابعاد هم ساختار متفاوتی دارد. اما با این‌حال تمامی این دانسته‌ها بدون این‌که تصویری شماتیک از سیاهچاله ببینیم، چیزی را در ذهن ما تداعی نمی‌کنند؛ چون هیچ تصوری از آن نداریم. جرمی اشنیتمن، اخترفیزیک دان در سازمان ناسا و از سازندگان این ویدئو، درباره آن می‌گوید: «مردم اغلب درباره این سؤال می‌کنند. شبیه‌سازی این فرایند‌های دشوار کمک می‌کند تا بین ریاضیات، نظریه نسبیت و پدیده‌ها در جهان واقعی ارتباط برقرار کرد.»

وی اضافه کرد: «سیاهچاله‌های با جرم ستاره‌ای که حاوی حدود ۳۰ جرم خورشیدی هستند، افق رویداد بسیار کوچک‌تر و نیرو‌های جزر و مدی قوی‌تری دارند که می‌توانند اجرام نزدیک‌تر را قبل از رسیدن به افق رویداد از هم گسسته کنند». این فرایند که اصطلاحا «اسپاگتی‌سازی» نامیده می‌شود، به این دلیل رخ می‌دهد که کشش گرانشی در انتهای جسمی که نزدیک‌تر به سیاهچاله است، بسیار قوی‌تر از نیروی کشش در انتهای دیگر است.

حلقه‌های فوتونی در افق رویداد

افق رویداد سیاهچاله شبیه‌سازی‌شده حدود ۲۵ میلیون کیلومتر عرض دارد و بینندگان ابر مسطح بزرگی از گاز داغ و ساختار‌های درخشانی به نام «حلقه‌های فوتونی» را مشاهده خواهند کرد. همان طور که دوربین به سیاه‌چاله نزدیک می‌شود، درخشش دیسک برافزایشی و ستارگان افزایش می‌یابد. در زمان واقعی دوربین حدود ۳ ساعت طول می‌کشد تا به افق رویداد برسد، اما برای ناظری که از دور مشاهده می‌کند این پدیده رسیدن به طور کامل هرگز اتفاق نمی‌افتد.

در واقع هر چه فضا‌زمان بیشتر به افق منحرف می‌شود، تصویر دوربین آهسته‌تر می‌شود و سپس از جایی به بعد به نظر می‌رسد که تصویر منجمد شده است. به همین دلیل است که ستاره‌شناسان در ابتدا از سیاهچاله‌ها به عنوان «ستاره‌های یخ‌زده» یاد می‌کردند. هنگامی که دوربین از خط افق رویداد عبور می‌کند، نابود شدن آن توسط فرایند اسپاگتی‌سازی تنها ۱۲.۸ ثانیه طول می‌کشد. از این نقطه، تنها حدود ۱۳۰ هزار کیلومتر تا «تَکینِگی گرانشی» فاصله وجود دارد. این وضعیتی در فضا‌زمان است که طبق نظریه نسبیت عام انیشتین، در آن چگالی و میدان گرانشی جسم بی‌نهایت می‌شوند. این آخرین مرحله از سفر در ویدئوی ناسا، در یک چشم به هم زدن به پایان می‌رسد.

ماجرای ما و سیاهچاله‌ها از کجا شروع شد؟

شاید هنوز ذهن‌تان درگیر این باشد که چیزی را که نور از آن فرار نمی‌کند قبلا چطور پیش‌بینی کردیم؟ اطلاع از آن چه اهمیتی دارد و... بد نیست مروری داشته باشیم بر سیر کشف این پدیده‌های پررمز و راز. مفهوم جسمی که آن قدر پرجرم است که حتی نور هم نمی‌تواند از جاذبه‌اش بگریزد، نخستین بار از سوی زمین‌شناسی به نام «جان میشل» در سال ۱۷۸۳ مطرح شد. در آن زمان مفهوم نظریه گرانش نیوتن و مفهوم سرعت فرار شناخته شده بود. طبق محاسبات «میشل» اگر جسمی را با شعاع خورشید، اما چگالی پنج هزار برابر فرض کنیم آن گاه دقیقا یک سیاهچاله داریم.

انیشتین وارد می‌شود

به عبارتی برای تبدیل شدن یک ستاره به سیاهچاله لازم است مواد بر اثر گرانش شدید و فروریزش، در ابعاد بسیار کوچکی قرار گیرند. در این حالت سطح جسم بسیار سنگین و چگالی سرعت فرار بیشتر از سرعت نور خواهد بود بنابراین غیرقابل مشاهده است. کم کم با پا گذاشتن نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین به عرصه علم، دانشمندان توانستند برای سیاهچاله‌ای که به شدت برای‌شان مبهم بود، خواص و ویژگی‌های مشخصی تعریف کنند. بعد از آن در سال ۱۹۶۰ با کمک ریاضی‌دان‌ها و فیزیک دان‌ها بالاخره مشخص شد که واقعا سیاهچاله‌ها وجود دارند و خواصی که برای‌شان پیش‌بینی شده بود، درست است.

چرخه حیات ستاره‌ها

افرادی که کمی با دنیای نجوم آشنا هستند، می‌دانند ستاره‌ها هم مثل ما آدم‌ها زندگی می‌کنند یعنی متولد می‌شوند، دوره کودکی و نوجوانی را پشت سر می‌گذارند، بیشترین سال‌های زندگی‌شان در دوره جوانی می‌گذرد و کم کم می‌افتند توی سرازیری عمرشان و میان‌سالی و پیری را تجربه می‌کنند. فقط نکته مهم این جاست که دوره‌های مختلف زندگی‌شان و این که عمرشان چقدر و چطور بگذرد به جرم‌شان بستگی دارد. اگر سنگین وزن باشند و پر جرم، سال‌های پایانی حیات‌شان بسیار پر حادثه و هولناک است. ستاره‌ها، راکتور‌های همجوش عظیمی هستند که در خود می‌جوشند و به دو دلیل تمایل بسیار زیادی برای فروپاشی دارند؛ به شدت بزرگ هستند و از گاز تشکیل شده‌اند. این دو عامل کافی است تا میدان گرانشی شدیدی شکل بگیرد و ستاره را از درون منهدم کند.

ستاره‌ای که خودش را می‌بلعد

به محض این‌که ستاره از پا در می‌آید، واکنش همجوشی هسته‌ای متوقف می‌شود چراکه سوخت مد نظر دیگر تمام شده و چیزی برای سوختن و انفجار وجود ندارد. در همین حال، نیروی انفجاری به صفر می‌رسد، اما نیروی جاذبه سر جای خود باقی است؛ بنابراین با قدرت هرچه تمام‌تر ستاره را به درون می‌کشد. وقتی ستاره فشرده می‌شود، به تدریج داغ و منفجر می‌شود که طی آن مواد و اشعه‌ها به درون فضا پرتاب می‌شوند. آن چه باقی می‌ماند، هسته‌ای بسیار فشرده و عظیم است. گرانش هسته به قدری بالاست که حتی نور هم نمی‌تواند از آن فرار کند.

همه چیز در سیاهچاله‌ها اسپاگتی می‌شود!

اسپاگتی دوست دارید؟ همان ماکارونی خودمان که به‌مراتب نازک‌تر است. بدنیست بدانید هر جسمی که به افق رویداد یک سیاهچاله می‌رسد مثل یک اسپاگتی باریک می‌شود. سیاهچاله‌ها قدرت عظیمی دارند که می‌توانند هر جسمی را کش دهند و به رشته‌ای باریک و حتی تا بی‌نهایت تبدیل کنند. به این پدیده «اسپاگتیفیکیشن» یا اسپاگتی کردن می‌گویند که پیش از این در بحث توصیف ویدئو از آن صحبت شد. این پدیده به رفتار جاذبه به نسبت فاصله بستگی دارد. در حال حاضر فاصله پای ما تا هسته زمین کمتر از فاصله سرمان تا هسته زمین است پس سر ما جاذبه کمتری را تحمل می‌کند. اگر نیروی جاذبه زیاد باشد، این اختلاف در نیروی واردشده واضح‌تر خواهد بود. با کشیده شدن پا توسط سیاهچاله‌ها، بدن شما کش می‌آید و پا نیز به مرکز جاذبه نزدیک و نزدیک‌تر می‌شود و با گذر زمان اختلاف نیروی واردشده به پا و سر بیشتر و بیشتر می‌شود. نتیجه این کش آمدن پدیده اسپاگتی شدن است! البته نگران نباشید فاصله سیاهچاله مرکز کهکشان ما با زمین آن‌قدر زیاد است که خوشبختانه ما در مدار جاذبه‌اش قرار نمی‌گیریم.

زمان در داخل سیاهچاله به چه شکل است؟

تصور کنید مثل شخصیت اصلی فیلم «بین ستاره‌ای» نولان یعنی کوپر به دل یک سیاهچاله خاص رفته‌اید که امکان گریز از آن را خواهید داشت. جاذبه در سیاهچاله بی‌نهایت بیشتر از جاذبه روی زمین است؛ برای همین طبق نظریه نسبیت، شاید چند دقیقه حضور در آن‌جا به اندازه سال‌ها روی زمین باشد. این‌جاست که اگر دوقلویی داشته باشید در پایان سفر شما نهایتاً چند ساعت و او سال‌ها و براساس ابعاد سیاهچاله و جاذبه‌اش شاید دهه‌ها پیر شده باشد.

آن‌سوی سیاه‌چاله‌ها

هرچند سفیدچاله‌ها در دنیای علم مثل سیاه‌چاله‌ها متقن و قوی نیستند و وجودشان اثبات نشده، اما بازهم خاطره تصورات جالبی که درباره آن‌ها وجود دارد بین علاقه‌مندان به دنیای علم که بدشان نمی‌آید کمی هم تخیل را با همه‌چیز مخلوط کنند، پرطرفدار محسوب می‌شوند؛ پس ما هم با این پیش‌فرض درباره آن‌ها کمی معرفی‌شان می‌کنیم. تصور کنید انتهای یک سیاهچاله که همه‌چیز به آن وارد شده و هیچ‌چیز از آن خارج نمی‌شود، چیزی به نام سفیدچاله باشد. سفیدچاله دقیقاً نقطه مقابل سیاهچاله است، یعنی هیچ‌چیز وارد افق رویدادش نمی‌شود که بتواند داخل آن برود، اما ماده و نور می‌توانند از آن خارج شوند؛ چیزی شبیه «بیگ بنگ». سفیدچاله‌ها یک ناحیه فرضی در فضا زمان هستند که سرانجام یک سیاهچاله را توصیف می‌کنند یعنی گویی به‌جای جاذبه زیاد در جذب همه‌چیز توسط سیاهچاله، پس از مرگش همه‌چیز با قدرت زیادی از آن بیرون می‌رود.

منبع: خراسان