سین مثل سیاهچاله

سیاهچاله‌ ناحیه‌ای از فضا است که میدان گرانشی فوق‌العاده بالایی دارد بطوری که هیچ چیز حتی نور هم نمی‌تواند از میدان گرانشی آن بگریزد. در سیاهچاله ناحیه‌ای به نام افق رویداد تعریف می شود که هیچ چیزی بعد از وارد شدن به آن قادر به بازگشت نیست. در واقع سیاهچاله آن را می بلعد و این یکی از اسرار سیاهچاله‌هاست که دانشمندان روی چگونگی آن به پژوهش می‌پردازند.

---

 

سیاهچاله‌ها به قدری متراکمند که اگر کل کره ی زمین قطرش به 0.9 سانتیمتر تقلیل یابد اما جرمش ثابت بماند به یک سیاهچاله تبدیل می‌گردد. در واقع اگر هر جسم را به اندازه شعاع شوارتز شیلد منقبض کنیم آن جسم به یک سیاهچاله تبدیل می‌شود.

در سال 1916 (میلادی)، ستاره شناس آلمانی کارل شوارتز شیلد شواهدی یافت که نشانگر یک سیاهچاله کروی بود. او نشان داد که اگر جرم یک ستاره در ناحیه ای به اندازه کافی کوچک متمرکز شود، میدان گرانشی در سطح ستاره چنان قوی می‌شود که حتی نور توان گریز از آن را ندارد و این همان چیزی است که هم اکنون سیاهچاله می‌نامیم.

بر طبق تعریف، هرگاه یک جسم شعاعش از شعاع شوارتز شیلد خودش کمتر شود به یک سیاهچاله تبدیل شده‌است.

حال بیایید از زاویه دیگری به بررسی این موضوع بپردازیم. یک سیاهچاله اغلب شی‌ای تعریف می‌شود که سرعت گریز آن حتی از سرعت نور بیشتر است.

سرعت گریز حداقل سرعت ممکن برای یک جسم است تا بتواند از میدان گرانشی جسمی دیگر فرار کند. برای درک بهتر موضوع تصور کنید روی سطح یک سیاره ایستاده‌اید و سنگی را مستقیما به بالا پرتاب می‌کنید.

فرض کنید که سنگ را با قدرت زیادی پرتاب نکرده باشید سنگ برای مدتی بالا خواهد رفت اما در نهایت به خاطر گرانش سیاره پایین خواهد افتاد. اگر سنگ را به اندازه کافی محکم پرتاب کنید سنگ ممکن است از گرانش سیاره بگریزد در این حالت سنگ برای همیشه به بالا رفتن ادامه خواهد داد.

سرعتی که نیاز است با آن سنگ را پرتاب کنید تا از گرانش سیاره بگریزد سرعت گریز نامیده می‌شود. برای مثال سرعت گریز برای خورشید 660 کیلومتربر ثانیه‌است.

بدین ترتیب هر چه جرم افزایش می‌یابد و شعاع کاهش می‌یابد و به طور کلی هرچه جسم چگال‌تر باشد سرعت گریز نیز افزایش می‌یابد. به راحتی می‌توان حدس زد که سرعت گریز برای یک سیاهچاله با جرمی حدود چند میلیون برابر خورشید چقدر است.

 

اگر تابعی در یک نقطه تعریف نشده باشد یعنی در آن نقطه پیوسته نباشد، این تابع در آن نقطه تکینگی دارد.

به مرکز یک سیاهچاله که تمام جرم سیاهچاله آنجا متراکم شده و چگالی آنجا بی‌نهایت است نیز تکینگی گفته می‌شود و این امر به همان دلیل ریاضی است چون سیاهچاله را ستاره ای در نظر می گیریم که تمام جرم آن پس از رمبش در حجمی در حد صفر متراکم شده (یعنی به سمت صفر میل می‌کند) که باعث می‌شود چگالی بی نهایت بشود و یک ناپیوستگی و تکینگی در آن نقطه از فضا بوجود آید. مطمئنا سرعت گریز سیاهچاله‌ها بیشتر از سرعت نور است در نتیجه هیچ چیز نمی‌تواند از آن فرار کند.

در اطراف تکینگی کره فرضی به نام افق رویداد وجود دارد که «نقطه بدون بازگشت» را مشخص می‌کند. مرزی که هرچیزی که از آن عبور کند به ناچار به سمت تکینگی هدایت می‌شود.

رفتار تکینگی اصلا قابل توصیف و درک نیست. به همین دلیل راجر پنروز و همکارانش قانونی به نام قانون مراقبت کیهانی پیشنهاد دادند که بر اساس آن تکینگی عریان (تکینگی بدون افق رویداد) وجود ندارد.

یعنی همه تکینگی‌ها باید بوسیله یک افق رویداد پوشیده شده باشند چون یک تکینگی عریان می‌تواند تمام جهان را به طور بی قاعده و غیرقابل پیش بینی تحت تاثیر قرار بدهد.

برطبق نسبیت عام فضای اطراف افق رویداد به شدت تاب برمی دارد.مقدار تاب برداشتن به جرم سیاهچاله بستگی دارد و هر چه جرم بیشتر باشد مقدار آن بیشتر خواهد بود. از آنجاییکه سیاه چاله هیچ نوری از خود بیرون نمی دهد تنها براساس همین تغییر فضای اطراف آن است که ما می توانیم وجود آنرا بطور غیرمستقیم ردیابی کنیم.

درواقع مابا مشاهده اثر آن بر مواد بیرون از افق رویداد می توانیم تاحدودی آنرا تشخیص دهیم. سیاهچاله مواد اطراف خود را به شدت جذب می کند واین مواد جذبی قبل از برخورد با آن به دلیل سرعت سقوط فوق العاده زیاد پرتوهای ایکس  گاما و امواج رادیویی گسیل می کنند.

این گمان وجود دارد که در مرکز کهکشانها سیاهچاله های ابر سنگین وجود داشته باشد. نحوه حرکت ابرهای گازی وشدت پرتوهای ارسالی از مرکز کهکشان خودمان از دلایل وجود چنین سیاهچاله هایی است. 

بررسی سرعت ستاره‌های نزدیک به مرکز کهکشان راه شیری که امروزه توسط تلسکوپ‌هابل قابل انجام است، بیانگر این واقعیت است که جرم هسته کهکشان بسیار بزرگ بوده که در یک ناحیه کوچک قرار دارد این نمونه می‌تواند وجود سیاهچاله در مرکز کهکشان‌ها را مورد تایید قرار دهد.

همچنین مشاهده اشعه  گاما متغییر را می‌توان به عنوان شاهدی دال بر قبول سیاهچاله ابرجرم‌دار در مرکز کهکشان‌ها دانست.

 

جسمی که سیاهچاله شد، دیگر تا ابد سیاهچاله خواهد بود. تنها تغییر مهمی که می‌تواند در سیاهچاله رخ بدهد، افزایش یافتن جرم آن بر اثر بلعیدن مواد مختلف است.

از دید نظری، سیاهچاله می‌تواند تبخیر شود. این موضوعی است که نخستین بار استفان هاوکینگ به آن پی برد. پدیده‌هایی در عرصه‌ی مکانیک کوانتومی وجود دارند که می‌توانند باعث شوند سیاهچاله پرتوهایی از خود گسیل کند. همین موضوع باعث می‌شود که سیاهچاله انرژی از دست بدهد و بنابر فرضیه‌ی اینشتین، از دست دادن انرژی معادل است با کاهش جرم.

پس سیاهچاله می‌تواند لاغر هم بشود. البته این تابش هاوکینگ بسیار ضعیف است. به عنوان مثال، سیاهچاله‌ای که به اندازه‌ی خورشید جرم داشته باشد، 10⁶⁷ سال طول می‌کشد تا تبخیر شود در حالی که این مقدار بسیار بیشتر از عمر کنونی عالم است.

منابع:

پایگاه مجله نجوم / دانشنامه ستاره شناسی / دانشنامه رشد

سیب ها، دیگر از درخت نمی افتند

ماده تاریک، در اخترشناسی و کیهان شناسی، ماده‌ای فرضی است که چون از خود نور (امواج الکترومغناطیسی) گسیل یا بازتاب نمی‌کند، نمی‌توان آن را مستقیما" دید، اما از اثرات گرانشی موجود بر روی اجسام مرئی، مثل ستاره‌ها و کهکشان‌ها، می‌توان به وجود آن پی برد.

بر اساس مشاهدات فعلی که بر روی ساختارهایی بزرگتر از کهکشانها صورت گرفته‌است و همچنین مطالب مربوط به انفجار بزرگ، ماده تاریک و انرژی تاریک تشکیل دهنده بخش زیادی از جرم موجود در جهان است.

امروزه کم تر پیش می آید که فیزیکدان ها کنار درخت سیبی قدم بزنند، یا به تنه ی آن تکیه بدهند و فکر کنند و با معادلات پیچیده ی فیزیکی و ریاضی کلنجار بروند. اما قصه ی سیب و درخت سیب برای همه ی فیزیکدانان و علاقه مندان به فیزیک و علم نجوم، قصه ای آشناست.

نیوتن با دیدن سیبی که از درخت به زمین سقوط کرد، قانون جاذبه را کشف و فرمول بندی کرد و توانست با استفاده از این قانون حرکت تمام سیارات و قمرها را توضیح دهد. این قانون تا به امروز محکم و بدون تغییر باقی مانده است و رابطه ی ساده و در عین حال بسیار پیچیده ی گرانش، پای را از منظومه ی شمسی و حتی کهکشان ما فراتر گذاشته و تمام عالم را تصرف کرده است.

امروزه با دقیق ترین آزمایش ها صحت این قانون سنجیده شده و تقریبا جای هیچ شکی را باقی نگذاشته است.

اما رصدهای جدید به ما می گویند که اگر همه چیز طبق قانون نیوتن کار کند، ما در دردسر بزرگی افتاده ایم.

با بررسی و سنجش سرعت گردش ستاره ها به دور مرکز کهکشان به این نتیجه می رسیم که آن چه می بینیم چیزی کمتر از 5 درصد مقدار ماده ای است که باید وجود داشته باشد.

کنار آمدن با چنین موضوعی چندان ساده نیست. این که شما تصور کنید این چند میلیارد ستاره ای که می توانید با تلسکوپ رصد کنید تنها 5 درصد از کل عالم را تشکیل داده اند و تمام فضاهای خالی، پر از چیزی است که ما نمی توانیم آن را ببینیم.

از طرفی با فرض این که 95 درصد دیگری که از چشم ما دور مانده است تماما ماده ای است که آن هم از قانون نیوتن پیروی می کند، با مشکل جدیدی مواجه می شویم.

این بار با بررسی سرعت انبساط عالم به این نتیجه می رسیم که همه ی 95 درصد باقی مانده نمی تواند از جنس ماده باشد و ایجاد جاذبه کند. ما نیاز به موجودی داریم که بر خلاف ماده به جای جاذبه، ایجاد دافعه کند.

بنابراین دانشمندان ترکیب عالم ما را چنین مشخص می کنند: تنها 5 درصد از انرژی_ماده جهان قابل مشاهده و درک است و 95 درصد باقی مانده آن تاریک است.

این 95 درصد تشکیل شده است از 25 درصد مجموعه ای از جرم- انرژی که به شکل ماده تاریک ، کهکشان ها و ساختارهای مقیاس بزرگ را به یکدیگر پیوند می دهد و 70 درصد به صورت انرژی تاریک که باعث افزایش سرعت انبساط جهان و دور شدن کهکشان ها شده است.

با این ترکیب از ماده که گرانش را ایجاد می کند و انرژی که دافعه تولید می کند، جهان ما درست کار خواهد کرد.

با اینکه وجود ماده تاریک در جهان مهم و ضروری به نظر می‌رسد، اما هنوز مدارک و دلایل قطعی مبنی بر وجود این ماده و طبیعت آن به دست نیامده‌است.

با این وجود تئوری ماده تاریک به عنوان قابل قبول‌ترین فرضیه برای توجیه انحراف در حرکت وضعی کهکشان است. اما این تنها راه حل مشکل نیست.

می توانیم به جای این که به چشم های خود شک کنیم به رابطه ی نیوتن شک کنیم و آن را چنان اصلاح کنیم که رفتار فعلی عالم را توضیح دهد.

آن چه مشخص است این است که قانون نیوتن بر روی زمین، یا در ابعادی همچون مدار سیارات به دور خورشید و حتی فاصله ی بین خورشید و ستارگان همسایه ی آن، درست عمل می کند، اما ممکن است در ابعادی بسیار بزرگ تر یعنی حدود "میلیون سال نوری" و فراتر از آن رفتاری متفاوت نشان دهد.

یا مثلاً وقتی جرم ها از یک حدی بزرگ تر می شوند (مثلا جرم یک کهکشان) رفتار قانون نیوتن عوض شود. ممکن است قانون نیوتن نیاز به یک جمله ی اضافی داشته باشد که آن جمله فقط در فواصل دور یا جرم های بسیار زیاد عمل کند.

این ایده جذابیت های خاص خود و طرفداران خاص خود را دارد. اگر این فرض درست باشد دیگر نیاز نیست که ما موجودات عجیب و غریبی مثل ماده ی تاریک یا انرژی تاریک را تصور کنیم، چیزهایی که تا به امروز هنوز هیچ شناخت روشنی از آن ها نداریم.

به نظر می آید که بتوان با پیدا کردن تصحیحی برای قانون نیوتن تمام مشکلات را حل کرد، اما بزرگ ترین مشکل پیدا کردن تصحیح مناسب است، جمله ای که باید به قانون نیوتن افزوده شود تا علاوه بر جاذبه، دافعه هایی را که در فواصل دور ایجاد می شود توصیف کند.

جمله ای که توضیح دهد یک سیب همیشه از درخت خواهد افتاد یا نه!

منبع

تصاویر یک راکت فضاپیمابر جدید/ تحولی در ماموریتهای فضایی

یک شرکت خصوصی سازنده فضاپیما که پیش از این راکت "فالکن 9" را معرفی کرده بود خبر از ساخت یک راکت جدید به نام "فالکن سنگین" داد که اولین پرواز خود را در سال 2013 انجام می دهد.

به گزارش خبرگزاری مهر، SpaceX شرکت خصوصی سازنده فضاپیما یک راکت جدید حمل کننده کسپولهای فضایی را معرفی کرد. این راکت که "فالکن سنگین" (Falcon Heavy ) نام دارد پرقدرت ترین موشک تجاری است که تاکنون ساخته شده است.

"فالکن سنگین" قادر خواهد بود وزنی حدود سه برابر وزنی که یک راکت فعلی این شرکت (فالکن 9) حمل می کند را با خود به فضا منتقل کند.

"الون ماسک" میلیاردر آمریکایی و بنیانگذار سرویس بانکی آنلاین PayPal" که SpaceX تاسیس کرده است در این خصوص توضیح داد: "این یک راکت در مقیاس واقعا عظیم است."

"فالکن سنگین" می تواند حدود 53 هزار کیلوگرم بار را به مدار حمل کند که این میزان حدود دو برابر ظرفیت بار شاتل است.

این درحالی است که "فالکن 9" می تواند حدود 10 هزار و 450 کیلوگرم بار را به فضا انتقال دهد.

تنها راکت "زحل 5" ناسا که آخرین بار در سال 1973 پرتاب شد قادر بود بار بیشتر از "فالکن سنگین" را با خود حمل کند.

رئیس SpaceX افزود: "این راکت هزینه پرتاب بار را حدود هزار دلار در پوند کاهش می دهد که این میزان حدود یک دهم هزینه بر پوند پرتاب بار با شاتلهای ناسا است. بنابراین فالکن سنگین یک رکورد جهانی جدید برای پرتاب هزینه بر پوند بار به مدار است."

قیمت پرتاب "فالکن سنگین" 100 میلیون دلار (در مقایسه با قیمت 50 میلیون دلار برای پرتاب فالکن 9 ) ارزیابی شده است.
براساس گزارش اسپس، اولین پرتاب این راکت حمل و نقل فضایی سنگین برای سال 2013 پیش بینی شده است.

فالکن سنگین 69.2 متر ارتفاع و 11.6 متر عرض دارد.

SpaceX همچنین راکت کوچکتری را برای پرتاب ماهواره ای سایز متوسط به مدار ساخته است که راکت "فالکن 1" نام دارد و اولین پرتاب خود را در سال 2008 با موفقیت انجام داد.

به گفته تحلیلگران، با ورود "فالکن سنگین" به حمل و نقل فضایی تحولی در ماموریتهای سفرهای فضایی به ویژه تحقق سفر به مریخ ایجاد می شود.

فالکن سنگین

مقایسه فالکن سنگین و فالکن 9

فالکن 9

 کپسول دراگون (اژدها) که اواخر پاییز گذشته همراه با موشک "فالکن 9 محصول شرکت "اسپیس ایکس" از پایگاه کیپ کارناوال فلوریدا پرتاب شد و پس از دو دور گردش در مدار اطراف زمین با موفقیت در اقیانوس آرام فرود آمد

تصاویری از شاتل ناسا و شکارچی ضدماده

شاتل اندیور که براساس تازه ترین برنامه ریزیهای ناسا 29 آوریل از پایگاه کیپ کارناوال فلوریدا آخرین ماموریت خود را انجام می دهد با خود دستگاه "طیف نگار آلفا مغناطیس" ساخت سرن را به ایستگاه فضایی بین المللی حمل می کند.

به گزارش خبرگزاری مهر، "طیف نگار آلفا مغناطیس" (AMS) دستگاهی علمی به وزن 7 تن است که با بودجه یک میلیارد و نیم یورویی در شورای تحقیقات هسته ای اروپا (سرن) واقع در ژنو سوئیس ساخته شده است. این دستگاه که با هدف شکار "ضدماده و جستجوی ذرات عجیب" توسعه یافته قرار است همراه با آخرین پرواز شاتل اندیور در 29 آوریل (9 اردیبهشت) از مرکز فضایی کندی در پایگاه کیپ کارناوال فلوریدا به ایستگاه فضایی بین المللی حمل شود.

این دستگاه با کمک دو بازوی روباتیک به بدنه بیرونی ایستگاه فضایی متصل شده و به مدت 10 سال به دنبال کشف اسرار کیهان و شکار ضدماده می گردد. این دستگاه 5 متری هر یک میلیاردیم ثانیه از تک تک ذرات فضایی که با آن برخورد می کنند عکسبرداری می کند.

در ساخت AMS بیش از 600 دانشمند از 16 کشور به سرپرستی "ساموئل تینگ" برنده نوبل فیزیک 1976 در سرن با یکدیگر همکاری کرده اند.

این طیف نگار 26 آگوست 2010 توسط یک فروند هواپیمای باری C5 نیروی هوایی ارتش آمریکا از سرن سوئیس در یک پرواز 11 ساعته به پایگاه کیپ کارناوال ناسا در فلوریدا منتقل شد.

در آنزمان خبرنگار مهر مصاحبه ای را با روبرتو باتیستون" (Roberto Battiston) مسئول ایتالیایی این پروژه در شورای تحقیقات هسته ای اروپا (CERN) در ژنو سوئیس انجام داد و این فیزیکدان سرن توضیحاتی را در خصوص ویژگیهای AMS ارائه کرد.

"روبرتو باتیستون" در خصوص مهمترین بخشهای این طیف نگار توضیح داد: "این دستگاه یک ردیاب ذرات است که در یک میدان مغناطیسی کار می کند و می تواند بارانی از تمام ذراتی را که به آن برخورد می کند دریافت، اندازه گیری و شناسایی کند. برای مثال اگر در تهران باران بسیار شدیدی بیاید که از میلیاردها میلیارد قطره شفاف تشکیل شده باشد این دستگاه می تواند به صورت روزانه تمام این میلیاردها میلیارد قطره شفاف را اندازه گیری و شناسایی کند.

وی افزود: بنابراین دستگاه AMS قادر است میلیاردها میلیارد ذره ای را که از مسیرش عبور می کنند جمع آوری کند و این کار را با بخشهای مختلفی انجام می دهد. از جمله این بخشها می توان به ردیاب انتقالی، تحلیلگر زمان پرواز و گرماتاب مغناطیسی اشاره کرد. دستگاه گرماتاب مغناطیسی که مغناطیسی تصفیه شده از مسیر عبور ذرات را اندازه گیری می کند قادر است میدان مغناطیسی مثبت و منفی و یا همان ماده و ضدماده را از هم تفکیک کند. این دستگاه می تواند با دقت بالایی این میدانهای مغناطیسی را تصفیه کند و توانایی اندازه گیری ذرات پرتوهای کیهانی را با دقت 10 بخش بر میلیون یا 10 میلیونیم متر دارد و می تواند نشان دهد که کدامیک از این مغناطیسها منفی بوده و بنابراین مربوط به ضد ماده هستند."

وی همچنین درباره مدت ماموریت AMS گفت: "همانطور که می دانید ایستگاه فضایی بین المللی از سوی آژانسهایی فضایی حداقل تا سال 2020 مورد استفاده قرار خواهد گرفت که احتمالا این تاریخ به سال 2028 نیز خواهد رسید. AMS  نصب شده بر روی این ایستگاه به هیچ نوع ماده ای برای مصرف نیاز ندارد و بنابراین می تواند به مدت 18 سال یعنی تا زمان پایان کار ایستگاه به طور مداوم اطلاعات خود را جمع آوری و ارسال کند. به طور حتم 18 سال مدت زمان بسیار خوبی برای دستیابی به نتایج بسیار بزرگی خواهد بود."

دستگاه طیف نگار آلفا مغناطیس

AMS هنگام حمل به فرودگاه ژنو برای انتقال به فلوریدا

پایگاه کیپ کارناوال

AMS

شاتل اندیور

اندیور در سکوی پرتاب

نمایی دیگر از شاتل ناسا

بزرگ بودن شاتلهای ناسا حمل دستگاههای عظیمی چون AMS را به ایستگاه فضایی بین المللی امکانپذیر می کند

فضانوردانی که در آخرین ماموریت شاتل اندیور حضور دارند