سپیدچاله چیست و آیا واقعاً وجود دارد؟
بندرت می توان پدیده ای اسرارآمیزتر از سیاهچاله ها را در اعماق کیهان جستجو کرد، چرا که این پدیده های کیهانی، ویژگی ها و رفتارهایی چنان شگفت انگیز دارند که ما را به یاد برخی افسانه ها و اسطوره ها می اندازند. به عنوان مثال سیاهچاله ها تحت شرایط خاصی می توانند سفر در زمان را میسر کنند و حتی آینده جهان را همانند یک جام جهان نمای کیهانی به مسافرانی که از افق رویداد آنها عبور می کنند و در سفری بدون بازگشت، پا در قلمروی اسرارآمیز آنها می گذارند، نشان دهند؛ اما با همه این شگفتی ها، ممکن است پدیده های عجیب تر و اسرارآمیزتری در گستره بی پایان کیهان وجود داشته باشند که هنوز منتظر کشف شدن بوسیله بشر هستند؛ یکی از این پدیده ها، سپیدچاله ها می باشند.
احتمال وجود سپیدچاله ها را نخستین بار، فیزیکدانی روس به نام ایگور نوویکوف (Igor Novikov) در سال 1964 مطرح کرد. نوویکوف با بررسی معادلات میدان اینشتین در نسبیت عام، به این نتیجه رسید که دست کم به لحاظ نظری، سپیدچاله ها هم می توانند وجود داشته باشند. سپیدچاله ها (که شاید بهتر بود آنها را سپید قله می نامیدند) در واقع، رفتاری دقیقاً برخلاف سیاهچاله ها دارند؛ یعنی در حالی که یک سیاهچاله، همانند چاله یا حفره ای غیر قابل خروج در بستر فضا – زمان است، سپیدچاله به شکل قله ای غیر قابل صعود در بستر فضا – زمان رفتار می کند. به بیان دقیق تر، همانطور که اگر از محدوده مشخصی موسوم به افق رویداد به حریم سیاهچاله نزدیکتر شویم، دیگر امکان خروج از آن حوزه فضا – زمانی وجود ندارد؛ همین قضیه، بطور معکوس در مورد سپیدچاله ها هم صادق است؛ یعنی هیچگاه نمی توان از حوزه بیرونی فضا – زمان اطراف یک سپیدچاله، به حریم سپیدچاله که در محدوده افق رویداد آن واقع است، نزدیکتر شد. بدین ترتیب، برخلاف سیاهچاله ها که همه چیز را از فضای پیرامونی به درون خود می کشند، سپیدچاله ها همه چیز را از فضای درون خود به بیرون پرتاب می کنند.
بر این اساس، نوویکوف کشف کرد که چنانچه سیاهچاله ای در بستر فضا – زمان با یک سپیدچاله متصل شود، عملاً یک کرمچاله کیهانی شکل خواهد گرفت؛ کرمچاله ای که می تواند همانند یک تونل فضا – زمانی، سیاهچاله ای در یک جهان دیگر را به سپیدچاله ای در جهان ما (یا برعکس) متصل کند. به این ترتیب، این کرمچاله، ذرات ماده را از طریق سیاهچاله ای که در جهانی دیگر واقع است، به درون خود می کشد و آن را از طریق دهانه دیگر یعنی سپیدچاله به اعماق کیهان در جهان ما پرتاب می کند.
در این مقاله شما می توانید با شکل گیری سپیدچاله آشنا شوید.
تولد یک سپیدچاله
اما اگر بر اساس نظریه نسبت عام اینشتین، سپیدچاله ها هم بطور نظری می توانند همانند سیاهچاله ها وجود داشته باشند، پس چرا تاکنون برخلاف سیاهچاله ها، خبر چندانی در اخبار علمی جهان در مورد آنها نشنیده بودیم؟
مسئله، آن است که فیزیکدان ها تا همین چند سال پیش، ساز و کار فیزیکی مشخصی را که در عمل بتواند به شکل گیری سپیدچاله ها منجر شود، نمی شناختند؛ این در حالی است که ساز و کار تشکیل سیاهچاله ها یعنی فروپاشی گرانشی ستاره های سنگین، از اواخر دهه 1930 برای فیزیکدان ها مشخص شده بود.
اما سرانجام در سال 2014 اتفاقی افتاد که این رویه را تغییر داد. در آن سال، کارلو روولی (Carlo Rovelli)، فیزیکدان مشهور دانشگاه مارسی فرانسه به همراه هال هاگارد (Hal Haggard)، فیزیکدان بارد کالج نیویورک، هنگامی که در حال بررسی جزئیات فرآیند تشکیل سیاهچاله ها در قالب نظریه گرانش کوانتومی حلقوی بودند، به ساز و کار تشکیل سپیدچاله ها در بستر این نظریه پی بردند؛ اما قبل از اینکه به توضیح این ساز و کار بپردازیم، ابتدا ببینیم نظریه گرانشی کوانتومی حلقوی چیست؟
می دانیم که دانش فیزیک امروز، بر دو پایه اصلی استوار است؛ یکی نظریه کوانتومی که رفتار ذرات و نیروهای جهان را در ابعاد بسیار کوچک تبیین می کند و دیگری نظریه نسبیت عام اینشتین که رفتار گرانش را در ابعاد بزرگ توضیح می دهد. بدین ترتیب، اگر با پدیده هایی سر و کار داشته باشیم که برای مطالعه آنها لازم باشد رفتار نیروی گرانش را در ابعاد بسیار کوچک بدانیم (مانند رفتار گرانش در نقطه مرکزی سیاهچاله ها) باید دو نظریه کوانتومی و نسبیت عام را با همدیگر تلفیق کنیم.
متاسفانه تلفیق این دو نظریه از نظر ریاضی، کاری بسیار دشوار است، اما فیزیکدان ها تاکنون از طریق رهیافت هایی موفق به این کار شده اند که یکی از این رهیافت ها، نظریه گرانش کوانتومی حلقوی (Loop Quantum Gravity) است. بر اساس این نظریه که در اواسط دهه 1980 شکل گرفت، بستر فضا – زمان همانند یک سطح پیوسته نیست، بلکه همانند پارچه ای که با تار و پودهایی حلقوی شکل به همدیگر متصل و بافته شده است. به این ترتیب، بر مبنای نظریه گرانش کوانتومی حلقوی اگر از فواصل بزرگ مقیاس به فضا نگاه کنیم، آن را گستره ای پیوسته و هموار می پنداریم، اما با نگاهی دقیق تر، در خواهیم یافت که این گستره به ظاهر پیوسته در واقع از اجزاء یا کوانتوم هایی مجزا که همان حلقه های فضا – زمانی هستند، تشکیل شده است (دقیقاً همانطور که اگر از دور، به پهنه اقیانوس نگاه کنیم، آن را گستره ای پیوسته خواهیم پنداشت و این، در حالی است که اقیانوس در واقع از مولکول های مجزایی تشکیل شده است).
ساز و کار تشکیل سپیدچاله ها
در واقع، همین نکته یعنی کوانتومی بودن بافتار فضا – زمان، سبب شد که روولی و هاگارد به مسئله مهمی در فرآیند تشکیل سیاهچاله ها پی ببرند که تا پیش از آن، از نگاه دیگر فیزیکدان ها، پنهان باقی مانده بود.
می دانیم که هنگام تشکیل سیاهچاله ها، چگالی جرم در مرکز یک ستاره در حال فروپاشی، به سرعت زیاد و زیادتر می شود تا اینکه سرانجام به حدی می رسد که سیاهچاله ای در مرکز آن متولد می شود. بر اساس نظریه کلاسیک نسبیت عام، از این پس، فروپاشی ماده در قلب سیاهچاله همچنان ادامه پیدا می کند تا اینکه همه جرم درون آن در نقطه مرکزی سیاهچاله متمرکز شود. بدین ترتیب، چگالی جرم این نقطه که اصطلاحاً نقطه تکنیگی نام دارد، نامتناهی یا بی نهایت خواهد بود.
اما روولی و هاگارد متوجه شدند که اگر در قالب نظریه گرانش کوانتومی حلقوی، فرآیند تشکیل سیاهچاله ها را بررسی کنیم، با ماجرایی کاملاً متفاوت مواجه خواهیم شد. می دانیم که بر اساس نظریه گرانش کوانتومی حلقوی، فضا پیوسته نیست، بلکه از کوانتوم های مجزایی تشکیل شده است و به همین دلیل هم هیچ جرمی را نمی توان بطور نامتناهی در فضا فشرده کرد؛ چرا که یک حجم کمینه فضایی (کوانتوم فضا) وجود دارد که امکان فشرده تر کردن آن وجود ندارد. بنابراین، بر اساس این نظریه در فرآیند تشکیل سیاهچاله ها، چگالی ماده در مرکز آنها، زیاد و زیادتر می شود تا سرانجام به آستانه حد چگالی در جهان که اصطلاحاً به نام چگالی پلانک مشهور است و معادل فشرده کردن جرم هزار میلیارد میلیارد خورشید در حجمی به کوچکی ابعاد یک پروتون است، می رسد. از آنجا که این مقدار، حد نهایت فشردگی در جهان است، با نزدیک شدن چگالی ماده در قلب سیاهچاله به چگالی پلانک، به ناگاه در بافتار فضا – زمان مرکز سیاهچاله، همانند فنری که تا حد نهایت فشرده شده باشد، نیروی دافعه فوق العاده شدیدی شکل می گیرد که منجر به از هم پاشیدن سیاهچاله و تبدیل آن به یک سپیدچاله می شود، سپیدچاله ای که همه ذرات ماده درون خود را طی انفجاری مهیب به بیرون پرتاب می کند.
نشانه های تولد سپیدچاله
روولی و هاگارد، زمان لازم برای تبدیل یک سیاهچاله به سپیدچاله را بطور تقریبی محاسبه کرده اند و این زمان، حدود چند هزارم ثانیه است. به این ترتیب، بر اساس نظریه گرانش کوانتومی حلقوی، سیاهچاله ها تقریباً در چشم برهم زدنی پس از تشکیل، ناگهان به سپیدچاله تبدیل می شوند؛ اما اگر به راستی چنین است پس قاعدتاً باید کیهان به جای سیاهچاله، پُر از سپیدچاله باشد، در حالی که ظاهراً چنین نیست. لابد می پرسید چرا؟
پاسخ این معما به ویژگی اتساع زمان در میدان گرانشی سیاهچاله ها باز می گردد. بطورکلی می دانیم که میدان گرانشی سبب کند شدن زمان می شود و هرچه میدان گرانشی، شدیدتر باشد، میزان این کند شدن هم بیشتر است. به همین دلیل، هنگامی که یک ناظر بیرونی، از اعماق فضا یک سیاهچاله را رصد می کند، تحولات سیاهچاله را با سرعت بسیار کمی مشاهده خواهد کرد. به این ترتیب، اگرچه فرآیند تبدیل یک سیاهچاله به سپیدچاله نوعاً چند هزارم ثانیه بیشتر طول نمی کشد، اما از نگاه ناظران بیرونی که در فاصله دوری نسبت به سیاهچاله قرار دارند، این زمان می تواند میلیاردها سال طول بکشد. به عنوان مثال، بر اساس محاسبات روولی و هاگارد، تبدیل یک سیاهچاله ستاره ای به یک سپیدچاله، از نظر یک ناظر دوردست تقریباً یک میلیون میلیارد برابر عمر کیهان طول می کشد.
به این ترتیب آیا امیدی برای رصد نشانه های تبدیل سیاهچاله ها به سپیدچاله ها وجود دارد؟ خوشبختانه بله. می دانیم که هرچه جرم یک سیاهچاله کمتر باشد، میزان اتساع زمان گرانشی آن هم کمتر خواهد بود؛ بنابراین اگر سیاهچاله ای بسیار کم جرم تر از سیاهچاله های ستاره ای در کیهان وجود داشته باشند، ممکن است اتساع زمان گرانشی آنها در حدی باشد که بتوان نشانه های تبدیل آنها را به سپیدچاله ها در زمان کنونی مشاهده کرد و باز هم خوشبختانه بر مبنای نظریات موجود، چنین سیاهچاله های نسبتاً کم جرمی واقعاً در کیهان وجود دارند. این ریزسیاهچاله ها قاعدتاً باید در لحظات اولیه پس از تولد کیهان (مهبانگ)، بواسطه چگالی فوق العاده بالای موجود در جهان اولیه، شکل گرفته باشند. محاسبات روولی و هاگارد نشان می دهد که زمان لازم برای تبدیل این ریزسیاهچاله های نسبتاً کم جرم اولیه به سپیدچاله ها از نگاه ناظران دوردست، در حدود عمر جهان یا حتی کمتر از آن است و بنابراین قاعدتاً امروزه باید بتوان نشانه های تولد این سپیدچاله های کوچک را دریافت کرد. بر اساس محاسبات روولی و هاگارد، تولد این سپیدچاله ها باید با فوران های سریع رادیویی با طول موج هایی کوتاه همراه باشد.
فوران های سریع رادیویی
اما برای ادامه این ماجرای شگفت انگیز باید به سال 2012 سفر کنیم. در روز دوم نوامبر آن سال، اخترشناسان رادیویی که با گیرنده رادیویی غول پیکر 350 متری آرسیبو واقع در پورتوریکو مشغول رصد آسمان بودند، یک فوران سریع رادیویی (Fast Radio Burst که بطور مخفف FRB نامیده می شود) را ثبت کردند که تنها حدود چند میلی ثانیه دوام آورد و سپس ناپدید شد.
این فوران رادیویی سریع، یازدهمین نمونه از چنین فوران های عجیب و اسرارآمیزی بود که تا آن زمان بوسیله اخترشناسان رادیویی ثبت شده بود و اهمیت بسیاری داشت؛ چرا که تمامی 10 نمونه فوران ثبت شده قبلی – که نخستین آنها به سال 2007 باز می گشت – همگی با یک رادیوتلسکوپ در استرالیا ثبت شده بودند؛ بنابراین تا آن زمان، برخی اخترشناسان تصور می کردند که شاید ثبت این امواج رادیویی ناشناخته، ناشی از نوعی اختلال یا نوفه در عملکرد سامانه الکترونیک خود رادیوتلسکوپ باشد؛ اما با کشف این فوران جدید در رادیوتلسکوپی متفاوت، دیگر جای تردید باقی نمانده بود که این امواج رادیویی اسرارآمیز، واقعی هستند.
از آن زمان تاکنون، چند فوران سریع رادیویی دیگر هم در رادیوتلسکوپ های سراسر زمین ثبت شده اند. تاکنون، فرضیات مختلف و متفاوتی درباره منشاء این فوران های اسرارآمیز مطرح شده اند؛ اما روولی و هاگارد معتقدند که سپیدچاله ها، بهترین توضیح را برای منشاء این فوران های اسرارآمیز ارائه می دهند. با این حال، برای اطمینان بیشتر از صحت نظریه روولی و هاگارد در مورد شکل گیری سپیدچاله ها، به پژوهش های بیشتری احتیاج داریم. به عنوان مثال، بر اساس محاسبات روولی و هاگارد، تولد سپیدچاله ها علاوه بر فوران های سریع رادیویی، با گسیل فوران های بسیار پُر انرژی گاما هم همراه است و الگوی این فوران ها نسبت به الگوی دیگر فوران های گامای شناخته شده بوسیله اخترفیزیکدان ها تفاوت دارد.
متاسفانه ما هنوز تلسکوپ پرتوی گامایی را که بتواند اختلاف این الگوهای تابشی فورانی را تشخیص دهد، در اختیار نداریم، اما خبرخوب اینکه چنین تلسکوپی هم اکنون در حال طراحی است. این تلسکوپ که آرایه تلسکوپ چرنکوف (Cherenkov Telescope Array) نام دارد، در واقع شامل بیش از 100 آشکارساز چرنکوف برای ثبت پرتوهای بسیار پُر انرژی گامای کیهانی است که در دو کشور شیلی و اسپانیا نصب خواهند شد. ساخت این تلسکوپ حدود سال 2025 تکمیل خواهد شد و خواهد توانست الگوی فوران های گامای حاصل از تولد سپیدچاله ها را از دیگر فوران های گامای کیهانی تشخیص دهد. به این ترتیب شاید تا همین چند سال آینده، سپیدچاله ها هم همانند سیاهچاله ها به تیتر یک اخبار شگفت انگیز علمی جهان تبدیل شوند.
عموم اخترفیزیکدانان حدس می زنند که فوران های گاما (Gamma-Ray Burst که به اختصار GRB نامیده می شوند) و برخورد ستارگان نوترونی، توضیح منطقی تر و معقول تری برای فوران های سریع رادیویی ارائه می دهند تا شکل گیری سپیدچاله ها؛ اما بدون در اختیار داشتن اطلاعات کافی نمی توان با قطعیت در این زمینه اظهارنظر کرد.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «سپیدچاله چیست و آیا واقعاً وجود دارد؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله شهاب شعری مقدم از مجله دانستنیها، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
