راهی برای پیدا کردن سیاهچاله‌های برهنه

سیاهچاله‌ها مناطقی با چگالی بی‌نهایتند که به نام تکینگی شناخته می‌شوند. و بر پایه‌ی جریان اصلی فیزیک، هر سیاهچاله با یک افق رویداد در بر گرفته شده- مرزی که اگر از آن بگذریم، دیگر هرگز بازگشتی نخواهیم داشت.

ولی اگر سیاهچاله‌ای برهنه باشد، یعنی کاملا بدونِ چنین مرزی باشد چه؟ تا جایی که می‌توانیم بگوییم تکینگی‌ها همیشه پوشیده در افق رویدادند، ولی یک نگاه دقیق‌تر به ریاضیات نسبیت عام نشان می‌دهد که لزوما چنین نیست.

اگر چنین سیاهچاله‌ی برهنه‌ای در جهان باشد، چگونه می‌توانیم آن را شناسایی کنیم؟ دانشمندان در پژوهشی تازه چنین پاسخ داده‌اند: با نگاه کردن به حلقه‌ی نوری که آن را در بر گرفته.

"پادشاه لخت است"

سیاهچاله‌ها پیامد ریاضیاتِ نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین هستند. معادله‌های این نظریه می‌گویند اگر توده‌ای از ماده در خود برُمبد تا به حجمی بسیار کوچک برسد، گرانشِ این ماده به فشردن و کوچک‌تر کردنش ادامه خواهد داد تا جایی که به نقطه‌ای بی‌نهایت کوچک تبدیل شود. این نقطه را تکینگی می‌خوانیم و نشانه‌ایست از این که ریاضیاتی که برای توصیف فضازمان به کار می‌بریم دارد به طور کامل فرومی‌پاشد.

کشش گرانشی یک تکینگی بی‌نهایت نیرومند است. اجرام می‌توانند با سرعتی بیش از سرعت نور به سوی یک تکینگی کشیده شوند. نزدیک یک تکینگی، فیزیکِ نسبیت عام دیگر نمی‌تواند مسیر آینده‌ی ذرات را پیش‌بینی کند- چیزی که یکی از نکته‌های اصلی فیزیک است. فیزیک اگر توانایی پیش‌بینی را نداشته باشد از هم می‌پاشد.

خوشبختانه تا جایی که می‌دانیم همه‌ی تکینگی‌ها پوشیده در افق رویدادند. افق رویداد فاصله‌ای از تکینگی است که در آن، کشش گرانشی به اندازه‌ای نیرومند است که می‌تواند هر چیز را به درون بکشد- نقطه‌ای که برای گریختن از آن باید سرعتی بیش از سرعت نور داشته باشی. این چیزی‌ست که یک سیاهچاله را می‌سازد: حتی نور هم یارای گریز از آن ندارد.

از زمانی که برای نخستین بار به وجود سیاهچاله‌ها پی بردیم در این فکر بوده‌ایم که آیا می‌شود یک تکینگی را بدونِ داشتنِ افق رویداد -یک به اصطلاح، تکینگی "برهنه"- پدید بیاوریم یا نه. چنین چیزی به راستی جایی بسیار خطرناک خواهد بود، زیرا جایی وجود خواهد داشت که در آن قوانین فیزیک شکسته شوند و چنین جایی به طور کامل برای بقیه‌ی جهان در دسترس خواهد بود. در یک سیاهچاله‌ی معمولی، تکینگی دستکم زیر یک افق رویداد پوشیده شده و بنابراین حتی اگر جایی با فیزیک افراطی و ناشناخته هم باشد، دستکم هر چه در آن رخ دهد جدا از بقیه‌ی جهان هستی است.

پیچاندن یک نقطه
اگر تکینگی‌های برهنه وجود داشته باشند، بی‌شک رایج و فراوان نیستند. ما تنها یک راهِ تایید شده برای پدید آوردن تکینگی‌ها سراغ داریم، و آن هم زمانی‌ست که سوختِ یک ستاره‌ی غول‌پیکر به پایان می‌رسد و در خود می‌رُمبد. هنگامی که چنین چیزی رخ می‌دهد، یک تکینگی به طور طبیعی یک افق رویداد پیدا می‌کند.

وجود تکینگی برهنه به اندازه‌ای برای فیزیکدانان دردسرساز است که گمانه زده‌اند که شاید طبیعت اصولا اجازه نمی‌دهد وجود داشته باشند- ولی تا به امروز هیچ اثباتی برای این گمانه نداشته‌ایم.

تکینگی برهنه را شاید بتوان پدید آورد، هر چند که تنها با افراطی‌ترین شرایط. اگر سیاهچاله‌ای چرخان باشد [سیاهچاله‌ی کِر-م]، می‌تواند یک افق رویداد دوم درون افق رویداد نخستین بسازد. هر چه سیاهچاله سریع‌تر بچرخد، این افق‌های رویداد به هم نزدیک‌تر می‌شوند. اگر به اندازه‌ای کافی سریع بچرخد، ریاضیات پیش‌بینی می‌کند که این افق‌های رویداد می‌توانند "خنثا شوند" (فیزیک واقعی بی‌شک بسیار پیچیده‌تر است، ولی مفهوم را می‌گیرید) و یک تکینگی برهنه را نمایان سازند.

تا به امروز هیچ سیاهچاله‌ای که برای نمایان کردن تکینگی‌اش به اندازه‌ی کافی سریع بچرخد را شناسایی نکرده‌ایم، هر چند که به طور معمول راهی برای این که بفهمیم یک جرم اخترفیزیکیِ کَتره‌ای (تصادفی) یک سیاهچاله‌ی معمولی است یا یک تکینگی برهنه نداریم. تصویری که تلسکوپ ایونت هوزایزن (تلسکوپ افق رویداد) پدید آورد بی‌شک یک استثناست، ولی تصویرهای بسیاری مانند آن نداریم.

ایجاد یک تغییر
یک فیزیکدان نظری با جدی گرفتن این چالش، به بررسی این پرداخت که شاید یک تکینگی برهنه بتواند خود را به راه‌های دیگر نشان دهد، به ویژه اگر با حلقه‌ای از مواد در بر گرفته شده باشد. این حلقه که قرص برافزایشی نامیده می‌شود، ساختاری رایج پیرامون سیاهچاله‌ها (و احتمالا تکینگی‌های برهنه) است. هنگامی که گاز و غبار به سوی یک جرم چگال و فشرده سرازیر می‌شود، این مواد پیش از فروکشیده شدن به درون جرم، پیکره‌ای تخت و قرصی به خود می‌گیرند. این قرص می‌تواند به گونه‌ای باورنکردنی درخشان باشد و به سیاهچاله خیانت کند (با این درخشش، جای آن را لو بدهد! در حقیقت از این راهست که می‌توانیم به وجود تقریبا همه‌ی سیاهچاله‌های کیهان پی ببریم). این پژوهشنامه‌ در arXiv در دسترس است.

بیشتر بررسی‌های نظری درباره‌ی تکینگی‌های برهنه با این پنداشت بوده‌اند که این جرم در تنهایی و انزوا وجود دارد، که در جهان واقعی درست نیست. در این پژوهش تازه، نظریه‌پرداز کل وضعیت پیچیده را بررسی کرده و به یک نتیجه‌ی شگفت‌انگیز رسیده.

قرص برافزایشی به طور کامل از سیاهچاله (یا تکینگی برهنه) جدا نیست. خود قرص دارای کشش گرانشی ویژه‌ی خود است، و می‌تواند جرم چگال مرکزی را تاب داده و  دچار اعوجاج کند. این اعوجاج به نوبه‌ی خود بر محیط گرانشی پیرامون آن جرم اثر گذاشته و با ظرافت مسیر موادی که مارپیچ‌وار به درون می‌آیند را دگرگون کند.

این نظریه‌پرداز دریافت که یک تکینگی برهنه رفتارِ اندکی متفاوت با یک سیاهچاله‌ی معمولی دارد- قرص برافزایشی پیرامون یک تکینگی برهنه می‌تواند بسیار، بسیار درخشان‌تر از قرص پیرامون یک سیاهچاله باشد. تاکنون تلسکوپ‌های ما آن حسمندی را نداشته‌اند که بتوانند این تفاوت را بگویند، دستگاه‌های آینده شاید؛ چه بسا یک نمونه‌ی به‌روز شده از تلسکوپ ایونت هورایزن بتواند این کار را انجام دهد.

یافتن یک تکینگی برهنه در طبیعت دستاوردی بزرگ در  فیزیک خواهد بود. [در آن زمان] می‌توانیم به جایی در آسمان اشاره کنیم که می‌دانیم دانشمان در آن فرو می‌پاشد. پژوهش‌های دقیق‌تر درباره‌ی محیط پیرامون یک تکینگی برهنه‌ی تایید شده برخی از ژرف‌ترین رازهای کیهان را آشکار خواهد کرد.

--------------------------------------------

تلگرام، توییتر، و اینستاگرام یک ستاره در هفت آسمان:
telegram.me/onestar_in_sevenskies
twitter.com/1star_7sky
instagram.com/1star.7sky

واژه‌نامه:
black hole - singularity - event horizon - general relativity - Einstein - spacetime - naked singularity - star - Event Horizon Telescope - arXiv - accretion disk -

منبع: لایوساینس

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان