نگاهی به خواص سیاهچاله های چرخان

آیا سفر به درون یک سیاهچاله امکان پذیر است؟ برای چنین سفری پیش از هر چیز باید راهی پیدا کنید برای جان سالم به در بردن از نیروی گرانش شدید سیاهچاله که اجزای بدنتان را ریز ریز می کند. از آنجایی که تمامی قوانین فیزیک در قلب سیاهچاله ها از هم می پاشند، حتی تصور آنکه در اعماق این پدیده های حیرت انگیز کیهانی چه می گذرد نیز غیرممکن می نماید. اما فیزیکدانی به نام ایگور نوویکوف (Igor Novikov) معتقد است که انجام چنین سفری به خطراتش می ارزد. نوویکوف با بررسی دقیق تر نحوه فروپاشی قوانین فیزیک در قلب سیاهچاله ها، تصور موجود را که سفر به درون سیاهچاله ها مرگ حتمی را در پی خواهد داشت به چالش کشیده است.

البته نوویکوف که مدیر مرکز تحقیقات اخترفیزیک نظری در کپنهاگ دانمارک است به خوبی می داند که هنوز هیچ یک از سفینه های فضایی ساخته شده توسط بشر، توانایی رساندن ما را به نزدیک ترین سیاهچاله از زمین هم ندارند. با این حال از نظر فیزیکدان ها حتی اندیشیدن صرف به این مساله نیز بسیار حائز اهمیت است، چرا که نتایج این اندیشه می تواند ما را در حل برخی از بنیادی ترین مسائل مطرح در حوزه فیزیک یاری بخشد. به عنوان مثال وقتی تار و پود فضازمان در قلب سیاهچاله ها آنچنان انحنا می یابد که متلاشی شده و به کوآنتوم های فضازمانی مجزایی تبدیل می شود، چه اتفاقی خواهد افتاد؟ اریک پویسون (Eric Poisson) از دانشگاه گولف (Guelph) در اونتاریوی کانادا در این باره می گوید؛ «در اینجا نظریه نسبیت عام اینشتین اعتبار خود را از دست می دهد و ما وارد حوزه اسرارآمیز گرانش کوآنتومی خواهیم شد. متاسفانه بشر هنوز هیچ نظریه ای برای تبیین آنچه ممکن است در این حوزه رخ دهد، در اختیار ندارد. بنابراین، اندیشیدن در مورد ساختار درونی سیاهچاله ها می تواند ما را در فرمول بندی نظریه ای جامع و بنیادین درباره جهان یاری بخشد. وجود سیاهچاله ها از نظریه نسبیت عام اینشتین نتیجه شده است. اندکی پس از آنکه اینشتین، نظریه خود را برای تبیین گرانش برمبنای وجود انحنا در ساختار فضازمان ارائه کرد، اخترشناسی آلمانی به نام کارل شوارتزشیلد (Karl Schwarzschild) با استفاده از نظریه اینشتین نشان داد، چنانچه تمامی جرم یک ستاره تا ابعاد مشخصی متراکم شود، حوزه ای در فضازمان اطراف آن شکل می گیرد که هیچ چیز حتی نور هم قادر به فرار از آن نخواهد بود. او این حوزه را افق رویداد نامید. در درون افق رویداد یک سیاهچاله، رفتار فضازمان اساساً متحول می شود. اینشتین نشان داد که حضور ماده یا انرژی منجر به انحنا یافتن و کشیده شدن تار و پود فضازمان خواهد شد. اما این انحنای فضازمان همواره به گونه ای خواهد بود که سرعت انتشار نور را در خود ثابت نگاه دارد . اما گرانش فوق العاده حاکم بر فضازمان درون یک سیاهچاله به حدی است که تنها راه برای ثابت ماندن سرعت انتشار نور در این حوزه آن است که فضا و زمان، نقش خود را در درون سیاهچاله با همدیگر عوض کنند. این تعویض نقش، پیامد خارق العاده ای خواهد داشت؛ قلب یک سیاهچاله به جای آنکه حوزه ای مکانی باشد، حوزه ای در بعد زمان و در آینده خواهد بود. به همین دلیل همان گونه که نمی توان از آینده اجتناب کرد، امکان جلوگیری از جذب شدن به قلب سیاهچاله هم غیرممکن خواهد بود و در انتهای این سفر به یک تکینگی خواهیم رسید، نقطه ای با چگالی بی نهایت که هر چیزی را که به آن برسد، محو و نابود خواهد کرد. عامل اصلی نابودکننده در نزدیکی نقطه تکینگی، وجود نیروهایی موسوم به نیروهای کشندی است. تغییرات شدت نیروی گرانش در اطراف یک سیاهچاله به حدی است که نیرویی که پاهای شما را در هنگام سقوط به سوی سیاهچاله می کشاند، به مراتب بیش از نیرویی است که سر شما را جذب می کند. همین اختلاف نیروست که به شکل نیروهای کشندی بروز می کند. محاسبات نظریه پردازان نشان می دهد که با نزدیک شدن به نقطه تکینگی، شدت نیروهای کشندی به طور نامحدودی افزایش می یابد تا جایی که تمامی اجزای ماده را ریز ریز کرده و حتی ساختار خود فضازمان را پاره پاره می کند و شما را نیز با خود محو خواهد کرد.

اما خوشبختانه وجود چنین تکینگی مرگباری برای مسافرانی که به درون سیاهچاله وارد می شوند، الزاماً به معنای یک سرنوشت دلخراش نخواهد بود. از آنجایی که تمامی ستاره ها در حال چرخش هستند، سیاهچاله هایی که از مرگ ستاره ها شکل می گیرند نیز در حال چرخش خواهند بود. در اوایل دهه 1960، روی کر

(Roy Kerr)، ریاضی دان نیوزیلندی کشف کرد که این چرخش، فضازمان اطراف سیاهچاله را همانند یک گردباد عظیم کیهانی به دور خود پیچانده و در نتیجه ساختار درونی سیاهچاله را به شدت تغییر می دهد. تحقیقات «کر» نشان داد که در درون سیاهچاله های چرخان، افق رویداد دیگری نیز شکل می گیرد. اینک نوویکوف دریافته است که وجود همین افق رویداد دوم، سفر غیرممکن به درون سیاهچاله ها را ممکن خواهد ساخت.

اگر یک سیاهچاله چرخان به تازگی شکل گرفته باشد، افق رویداد داخلی آن هنوز انحنای فضازمانی چندانی نخواهد داشت. موقعیت دقیق این افق رویداد داخلی در چنین سیاهچاله ای به سرعت چرخش سیاهچاله وابسته است. در سیاهچاله هایی که با بیشترین سرعت ممکن در حال چرخشند، افق رویداد داخلی در وسط فاصله بین افق رویداد بیرونی و تکینگی مرکزی سیاهچاله شکل می گیرد. اما افق رویداد داخلی برای همیشه به همین صورت باقی نخواهد ماند. میدان گرانشی فوق العاده شدید حاکم بر حوزه درونی سیاهچاله، انبوه ذرات ماده و پرتوهای نوری سقوط کرده به درون آن را به انرژی های بسیار زیادی خواهد رساند. این انرژی عظیم ذرات سقوط کرده به داخل سیاهچاله، ویژگی های افق رویداد درونی را آنچنان تغییر می دهد که افق رویداد مزبور که در آغاز از انحنای فضازمانی اندکی برخوردار بود، به شدت در خود پیچیده خواهد شد، اما برای آنکه سرعت انتشار نور در این حوزه نیز همچنان ثابت بماند، زمان، شروع به شتاب گرفتن می کند. سیر گذشت زمان در این حوزه سیاهچاله آنچنان سریع می شود که از آنجا می تـوان تمامی رویدادهایی را که در تاریخ آینده جهان رخ خواهند داد، مشاهده کرد. به واسطه همین پدیده، مقدار نامحدودی انرژی از آنچه از زمان حال تا ابد به درون سیاهچاله سقوط خواهد کرد در حوزه افق رویداد درونی متمرکز می شود.

به واسطه این امر، افق رویداد داخلی به نوبه خود به ناگهان تبدیل به یک تکینگی خواهد شد اما این نوع تکینگی با تکینگی ای که از ابتدا در مرکز سیاهچاله وجود داشت، کاملاً متفاوت خواهد بود. در این نوع تکینگی، مقدار انرژی نامحدودی در حجم محدودی از فضا متمرکز می شود. اخترفیزیکدانان این نوع تکینگی اسرارآمیز را اصطلاحاً تکینگی جرمی- تورمی نامیده اند. وجود همین تکینگی جرمی- تورمی است که می تواند منجر به زنده ماندن بشر در سفر به درون سیاهچاله شود. نوویکوف معتقد است که افق رویداد درونی، ذرات زیراتمی سقوط کرده به اعماق سیاهچاله را همچون گردبادی به شدت در درون خود به این سو و آن سو پرتاب می کند. اما برهم کنش این ذرات با ذرات جدید درحال سقوط به درون سیاهچاله منجر به شکل گیری یک سازوکار «پسخورد گرانشی» می شود که به تدریج، شعاع افق رویداد درونی را کاهش خواهد داد. بدین ترتیب با گذشت زمان نهایتاً تکینگی جرمی- تورمی، تکینگی اصلی و مرکزی سیاهچاله را بلعیده و یک سیاهچاله رام و کم خطر در پهنه کیهان شکل خواهد گرفت. محاسبات نشان می دهند که مدت زمان تأثیر نیروهای کشندی بر روی جسم درحال سقوط به درون یک تکینگی جرمی- تورمی ممکن است کمتر از آن باشد که این نیروها فرصت تغییر شکل دادن به جسم مزبور را پیدا کنند. از آنجایی که فضازمان در درون تکینگی جرمی- تورمی به شدت خمیده است، عبور از این تکینگی، سریع ترین بخش سفر به درون سیاهچاله خواهد بود. همین سرعت زیاد عبور است که شانس زنده ماندن را به ما می دهد. نوویکوف در این باره می گوید؛ «هرچند با رسیدن به این نوع تکینگی، نیروی بی نهایت شدیدی به ما وارد خواهد شد، اما با توجه به سرعت بسیار زیاد در عبور از این حوزه، مدت زمان اعمال این نیرو بسیار کوتاه خواهد بود. بنابراین امکان عبور از آن بدون آنکه خرد و نابود شویم، وجود خواهد داشت. البته در برنامه ریزی برای چنین سفری، باید سیاهچاله مورد نظر خود را به دقت انتخاب کنیم. این سیاهچاله پیش از هر چیز باید چرخش داشته باشد. علاوه بر آن، این سیاهچاله باید سیاهچاله ای قدیمی باشد تا فرصت کافی برای بلعیدن تکینگی اصلی خود را داشته باشد. و بالاخره اینکه سیاهچاله انتخابی ما باید بسیار پرجرم باشد.

علت این مساله به نیروهای کشندی اطراف سیاهچاله بازمی گردد. شدت این نیروها در نزدیکی سیاهچاله های کوچکی که از مرگ ستاره ها حاصل می شوند به حدی است که اجزای بدن ما را ریز ریز خواهد کرد. اما اندازه نیروهای کشندی تابعی از جرم سیاهچاله است. اگر جرم سیاهچاله دوبرابر شود، اندازه این نیروها با ضریب 4 کاهش خواهد یافت. بنابراین برای آنکه شانس زنده ماندن خود را در سفر اکتشافی به درون سیاهچاله افزایش دهید بهتر است یک سیاهچاله ابرپرجرم چرخان را که جرمی معادل صدها میلیون برابر جرم خورشید دارد انتخاب کنید. پویسون در این باره می گوید؛ «نیروهای کشندی در مجاورت چنین سیاهچاله ابرپرجرمی بسیار ضعیف تر از اطراف یک سیاهچاله ستاره ای است. بنابراین هنگام عبور از افق رویداد چنین سیاهچاله ای ممکن است حتی خودتان هم متوجه نشوید که افق رویداد را پشت سر گذاشته و به درون آن وارد شده اید.» خوشبختانه چنین سیاهچاله های غول آسایی واقعاً در جهان ما وجود دارند. اگرچه نحوه شکل گیری این سیاهچاله ها هنوز برای بشر ناشناخته است، اما اخترفیزیکدان ها به این نتیجه رسیده اند که در قلب تمامی کهکشان های جهان و ازجمله راه شیری، یک سیاهچاله ابرپرجرم کمین کرده است. سیاهچاله ای که در مرکز راه شیری و در صورت فلکی قوس قرار دارد، نزدیک ترین سیاهچاله ابرپرجرم به زمین است. این سیاهچاله هم چرخش دارد، هم بسیار پرجرم است و هم اینکه قدیمی است و سن و سال زیادی از آن گذشته است. بنابراین این سیاهچاله، گزینه ای عالی برای سفر اکتشافی ما محسوب می شود. اما در چنین سفری چه وقایعی در انتظار ما خواهند بود؟

از آنجایی که در سیاهچاله های چرخان، گذشت زمان تا پیش از رسیدن به افق رویداد اول کند می شود، همه حرکت های ما برای دوستانمان بسیار کند به نظر خواهد رسید، گویی که فیلم زندگی ما برای آنها با سرعت بسیار کم پخش می شود. علاوه بر این، ما به تدریج از نظر آنها محو خواهیم شد، چراکه فوتون های نور مرئی که از سطح جسم ما منعکس می شوند، به واسطه از دست دادن انرژی در هنگام صعود در میدان گرانشی شدید سیاهچاله، انتقال به سرخ پیدا کرده و از طیف مرئی به طیف فروسرخ وارد خواهند شد.

 یک سفر خارق العاده

در هنگام سفر به درون سیاهچاله، تا پیش از رسیدن به تکینگی جرمی-تورمی فقط چند ساعت فرصت داریم. البته اگر به سفینه فضایی خود حرکت هایی زیگزاگی و مارپیچی بدهیم، می توانیم سفر خود را کمی طولانی تر کنیم، اما در نهایت، سقوط در تکینگی اجتناب ناپذیر خواهد بود. پویسون در این باره می گوید؛ «با چنین حرکت هایی، حداکثر می توان مدت زمان سیر و سیاحت در درون سیاهچاله را تا 10 برابر افزایش داد، اما نه بیشتر.» اما ببینیم با رسیدن به تکینگی چه اتفاقی برایمان خواهد افتاد؟ هنوز بشر پاسخی قاطع برای این پرسش پیدا نکرده است. بسیاری از فیزیکدان ها بر این باورند که در قلب سیاهچاله ها، ناحیه فضازمانی جدیدی شکل می گیرد. به عنوان مثال، لی اسمولین (Lee Smolin)، فیزیکدان برجسته دانشگاه واترلوی کانادا معتقد است که در قلب سیاهچاله ها، جهان های جدیدی متولد می شوند که ثابت های بنیادین فیزیک آنها نسبت به ثابت های جهان ما اندکی متفاوت است. بر همین اساس نوویکوف معتقد است تکینگی های جرمی-تورمی احتمالاً دروازه هایی به سوی جهان های جدید خواهند بود. او می گوید؛ «اگر در یک سیاهچاله چرخان سقوط کنیم احتمالاً از یک جهان جدید سر در می آوریم.»

اما در این میان، برخی فیزیکدان ها هم اساساً نسبت به امکان به سلامت گذشتن از درون سیاهچاله های چرخان به دیده تردید می نگرند. کیپ ثورن (Kip Thorne)، فیزیکدان موسسه فناوری کالیفرنیا در این باره می گوید؛ «ما هنوز نسبت به تکینگی های جرمی-تورمی شناخت کافی نداریم. بنابراین نمی توان مطمئن بود که آیا امکان به سلامت رد شدن از آنها اساساً وجود دارد یا خیر.»

حتی اگر بتوانید بدون ریز ریز شدن از این تکینگی ها عبور کنید بازهم خطری جدی در کمین شما خواهد بود. می دانیم که اکنون فوتون هایی کم انرژی و بی خطر که در محدوده میکروموج طیف الکترومغناطیسی قرار داشته و از انرژی مهبانگ حاصل شده اند، تمامی جهان را پر کرده اند. اما هنگامی که این فوتون ها به درون یک سیاهچاله کشیده می شوند، تا انرژی ها و فرکانس های بسیار زیادی شتاب خواهند گرفت. بدین ترتیب پرتوهای بی خطر میکروموج کیهانی به امواج قدرتمند و خطرناک گاما تبدیل خواهند شد و معلوم نیست که ساختن سپری برای محافظت در برابر آنها اساساً ممکن باشد یا خیر.

اما با توجه به آنکه سفر به اعماق سیاهچاله ها تا این حد خطرناک است، نوویکوف راه مبتکرانه و متفاوتی را برای نظر افکندن به درون سیاهچاله ها پیدا کرده است، بدون آنکه نیازی به نزدیک شدن به افق رویداد آنها باشد. در این ایده، از تونل هایی فضازمانی به نام کرمچاله ها استفاده خواهد شد. یک سر کرمچاله همانند یک لنگر کیهانی در بیرون از سیاهچاله مهار شده و سر دیگر آن به درون سیاهچاله پرتاب خواهد شد. نوویکوف معتقد است بدین ترتیب «نور از فضای درونی سیاهچاله امکان خروج به جهان ما را پیدا کرده و بنابراین خواهیم توانست درون سیاهچاله را نظاره کنیم.» در اینجا مشکل اساسی، تغییر در ساختار فضازمان به منظور ساختن یک کرمچاله است. مشکل بعدی نیز نحوه باز نگاه داشتن دهانه کرمچاله خواهد بود، چراکه دهانه کرمچاله ها به محض شکل گیری بسته خواهد شد. البته به تازگی پیشرفت هایی در این زمینه صورت گرفته است، اما از آنجایی که اساساً امکان تغییر در توپولوژی فضازمان وجود ندارد، ناچار خواهیم بود به جای ساختن کرمچاله، یکی از کرمچاله های موجود در جهان را که احتمالاً در زمان مهبانگ ایجاد شده اند، پیدا کرده و سپس آن را به اندازه لازم منبسط کنیم. پویسون در این باره می گوید؛ «متاسفانه همان طور که مشخص است، امکان انجام چنین کاری نیز بسیار بعید به نظر می رسد.»