۴٫۱ سیاه‌چاله چیست: آنچه می‌بینیم، شیوهٔ دسته‌بندی، و چراییِ دشواریِ توضیح

خانه ／ ۴ سیاه‌چاله‌ها

سیاه‌چاله تهی نیست، بلکه ناحیه‌ای است که هر چه به آن نزدیک می‌شود با نیرویی استثنایی به درون کشیده می‌شود. در نزدیکیِ آن هر تلاشی برای گریز ناکام می‌ماند و هر چه دورتر شویم اثرش را روی سه خطِ خوانش می‌بینیم، روی صفحهٔ تصویر، در زمان‌سنجیِ دگرگونی‌های روشنایی، و در طیفِ انرژی. در این بخش دستور کارِ فصل طرح می‌شود، آنچه واقعاً دیده می‌شود، شیوهٔ سامان‌دهیِ این شواهد به دسته‌ها، و جاهایی که توضیح دشوار می‌شود. جزئیاتِ سازوکارها در ادامه می‌آید.

نخست نمایِ رصدی، چه می‌بینیم و چگونه در گذرِ زمان دگرگون می‌شود

• سایهٔ حلقه‌ای با لبه‌ای درخشان، بسیاری از دستگاه‌ها الگویی تکراری را نشان می‌دهند، مرکزی تیره و حلقه‌ای نورانی. مرکزِ تیره قرصی سیاه و سخت نیست، بلکه تصویرِ ناحیه‌ای است که تابش از آن به دشواری بیرون می‌زند. حلقه یکنواخت نیست و اغلب بخشی از آن پرنورتر است. با داده‌های باکیفیت، زیرِ حلقهٔ اصلی گاه نوارِ کم‌نورِ دیگری از درون پدیدار می‌شود که مانند پژواکی دوم از مسیرهای نوریِ مشابه است.
• الگوهای قطبش، پیرامونِ حلقهٔ درخشان زاویهٔ قطبش بی‌هدف نوسان نمی‌کند، بلکه در امتدادِ حلقه نرم می‌چرخد و در نوارهایی باریک وارونه می‌شود. این نشانهٔ سامانه‌ای سازمان‌یافته در نزدیکیِ هسته است، نه تابشی آشفته.
• هم‌زیستیِ دگرگونیِ تند و کند، روشنایی در سنجهٔ دقیقه و ساعت بالا و پایین می‌رود و در سنجهٔ ماه و سال هم دگرگون می‌شود. میانِ نوارهای طیفی، تغییرها یا تقریباً هم‌زمان‌اند یا با پیشی‌گرفتن و پس‌ماندنی پایدار رخ می‌دهند. برخی پژوهش‌ها این گام‌های هماهنگ را پله‌های مشترک می‌نامند. پس از رخدادهای نیرومند زنجیره‌ای از پژواک‌ها دیده می‌شود که به‌تدریج سست می‌شوند و فاصلهٔ میانشان بیشتر می‌گردد.
• فواره‌هایی راست و دیرمان، از رادیو تا انرژی‌های بالا، سرچشمه‌های بسیار در امتدادِ دو قطب فواره‌هایی باریک و پایدار و چندمقیاسی پرتاب می‌کنند. این فواره‌ها بی‌سامان نیستند، با دگرگونی‌های نزدیکِ هسته هم‌گام می‌شوند و دورتر لکه‌های داغِ بخش‌بخش می‌سازند.

خلاصه این‌که تصویرِ سیاه‌چاله صاف و صیقلی نیست، بلکه زبریِ سامان‌یافته دارد، این‌که کدام بخش پرنورتر می‌شود، قطبش کجا وارونه می‌گردد، و نوارها کی هم‌گام می‌شوند، همگی الگوهایی تکرارشونده‌اند.

دوم گونه‌ها و خاستگاه، از جرم‌های ستاره‌ای تا اَبَرجِرم‌ها و نیز فرضیهٔ آغازین

• سیاه‌چاله‌های با جرمِ ستاره‌ای، از فروریختنِ ستاره‌های پرجرم یا از هم‌جوشیِ ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها پدید می‌آیند و معمولاً چند تا چند ده جرمِ خورشید دارند. در دوتایی‌های پرتو ایکس و رخدادهای موجِ گرانشی دیده می‌شوند.
• نامزدهای جرمِ میانی، حدودِ صد تا صد هزار جرمِ خورشید و احتمالاً در خوشه‌های فشرده، کهکشان‌های کوتوله یا سرچشمه‌های بسیار درخشانِ پرتو ایکس جای دارند. شواهد رو به فزونی است و نام‌گذاری همچنان محتاطانه.
• سیاه‌چاله‌های اَبَرجِرم، از میلیون‌ها تا ده‌ها میلیارد جرمِ خورشید در مرکزِ کهکشان‌ها جای می‌گیرند، کوازارها و هسته‌های فعالِ کهکشانی را نیرو می‌دهند و فواره‌های پهن‌دامنه و حباب‌های رادیویی را سامان می‌دهند.
• سیاه‌چاله‌های آغازین فرضیه، اگر نوسانِ چگالی در کیهانِ آغازین به‌ اندازهٔ کافی بزرگ بوده باشد، می‌توانسته‌اند به‌طور مستقیم ساخته شوند. پایش از رهگذرِ ریزعدسیِ گرانشی، موج‌های گرانشی و تابشِ زمینهٔ ریزموجِ کیهانی انجام می‌شود. از این پس تنها نامِ تابشِ زمینهٔ ریزموجِ کیهانی به‌کار می‌رود.

این دسته‌ها بیش‌تر برچسب‌های مقیاسی برای سامان‌دهیِ بحث‌اند. بسیاری از اثرانگشت‌ها، حلقه‌ها، بخش‌های پرنور، نوارهای قطبش و ضرب‌آهنگ‌ها، در اندازه‌های گوناگون به شکلی همانند تکرار می‌شوند.

سوم روایت‌های نوینِ خاستگاه، تبیین‌های رایج دربارهٔ از کجا آمدن

• رشد از راهِ فروریختن و هم‌جوشی، جرم‌های ستاره‌ای با فروریختن آغاز می‌شوند و سپس با گردآوریِ ماده یا هم‌جوشی فربه می‌شوند. در محیط‌های فشرده زنجیره‌ای از هم‌جوشی‌ها می‌تواند آن‌ها را به بازهٔ جرمِ میانی برساند.
• فروریختنِ مستقیم، هر گاه تودهٔ گازیِ بزرگ سرد نشود یا تکانهٔ زاویه‌ایِ خود را کارآمد از دست بدهد، مرحلهٔ ستاره تا ابرنُوا را دور می‌زند و یک دانهٔ سنگین را بی‌واسطه پدید می‌آورد.
• دانه‌هایی با تغذیهٔ سریع، در سفره‌های گازِ پرفشردگی، دانه‌ها ماده را با بازدهیِ بالا گرد می‌آورند و در زمانی کوتاه فربه می‌شوند و به اَبَرجِرم بدل می‌گردند.
• استخراجِ انرژی و فواره‌ها، تصویرِ غالب میدان‌های مغناطیسی و چرخش را به هم می‌دوزد تا انرژی را جهت‌مند به بیرون براند. تابشِ نزدیکِ هسته از آمیزهٔ قرصِ گردآوریِ داغ، بادِ قرصی و جریان‌های رو به بیرون توضیح داده می‌شود.

این روایت‌ها نیازهای تصویرِ کلان را برآورده می‌کنند، از راهبریِ دوردست و بودجهٔ کلیِ انرژی تا وجودِ فواره‌ها، و شبیه‌سازی‌های مغناطیدهیدرودینامیکی ساختارهایی قانع‌کننده ترسیم می‌کنند. با این‌همه، وقتی به ریزنقشِ نزدیکِ افق نزدیک می‌شویم سه گرهٔ سخت برجای می‌ماند.

چهارم سه گرهٔ دشوار، جاهایی که توضیح می‌لنگد

۱ افقِ هموار در برابر ریزنقشِ رصدی، هندسه مرزیِ بی‌ضخامت و بی‌نقص فرض می‌کند و حرکت را به انحنا و مسیرهای ژئودزیک می‌سپارد که در دوردست کارآمد است. اما ریزساختِ نزدیکِ افق روی سه محورِ تصویر و زمان و انرژی، مانند بخش‌هایی که در زاویه‌هایی برگزیده پایدارتر درخشان می‌مانند، وارونگی‌های نواریِ قطبش، و پله‌های مشترک و پژواک‌هایی که وابسته به رنگ نیستند، اغلب لایه‌ای افزوده از فیزیکِ ماده می‌خواهد، از آشفتگی‌های مشخص و چسبندگی تا بازپیوند و شتاب‌دهیِ ذره‌ها با بستنِ تابشی. هر چه این فرض‌های ریز بیشتر شوند همسان‌سازیِ ظاهر آسان‌تر می‌شود، اما دست‌یافتن به اثرانگشت‌های یگانه و ابطال‌پذیر دشوارتر.

۲ هم‌آهنگیِ قرص و باد و فواره، رصدها نشان می‌دهد که قرصِ گردآوری و بادِ قرصی و فواره‌ها در برخی دوره‌ها با هم اوج می‌گیرند و با هم فرومی‌نشینند. جمعِ سادهٔ محرک‌های جداگانه این تقسیمِ کار از یک گلوگاه را خوب توضیح نمی‌دهد، این‌که چرا فواره‌ها سخت و راست می‌مانند، بادها کلفت و کندند، کفِ درونی پایدار و نرم است، و چگونه این سهم‌بندی بسته به محیط دگرگون می‌شود.

۳ زمان‌بندیِ تنگ برای رشدِ زودهنگامِ اَبَرجِرم‌ها، سیاه‌چاله‌های بسیار بزرگ در زمان‌های بسیار آغازینِ کیهان پدیدار می‌شوند. حتی با فرضِ نرخ‌های بالای گردآوری و هم‌جوشیِ پیاپی، زمان کم است. مسیرهای شتاب‌دار پیشنهاد شده است، دانهٔ فروریختنِ مستقیم، تغذیهٔ بسیار کارآمد، و هم‌بستگی با محیط، اما هنوز اثرانگشتی یکتا و آزمون‌پذیر برای مسیرِ تند روشن نشده است. شرحِ بیش‌تر در بخشِ ۳٫۸ آمده است.

پشتِ این سه دشواری شکافی مشترک نهفته است، این‌که مرزِ نزدیکِ افق از چه ساخته شده و چگونه کار می‌کند. هندسه از پیش می‌گوید به کجا و با چه آهنگی، اما نگارهٔ مادیِ مرز و نشانِ الکترومغناطیسی و شنیداریِ آن که بتوان بی‌میانجی با داده‌ها سنجید هنوز کامل نیست.

پنجم هدفِ فصل، پیوند دادنِ فیزیکِ کارا به مرز و ساختنِ تصویری یکپارچه

ریاضیات مهم است، اما قصدِ ما رسیدن به حقیقت است. در چشم‌اندازِ نظریهٔ رشته‌های انرژی، مرزِ نزدیکِ افق را سطحی ایدئال و هموار نمی‌گیریم، بلکه آن را قشرِ کششیِ فعالی می‌دانیم، پوسته‌ای باربر با ستبریِ معین که رویدادهای درونی می‌توانند برای زمانی کوتاه ویژگی‌هایش را بازنویسی کنند. در این تصویرِ یکپارچه، انرژی میانِ سه راهِ گریز تقسیم می‌شود. نامِ این راه‌ها را می‌آوریم، شرطِ روشن‌شدنِ هر یک را بیان می‌کنیم و سنجه‌هایی را که با خود می‌برند معرفی می‌نماییم. این رویکرد سه مقصد دارد:

• یکپارچه‌سازیِ شواهدِ تصویر و زمان و انرژی، مجموعه‌ای یگانه از قواعدِ کنشِ مرز حلقهٔ اصلی و زیرحلقه، بخشِ پرنورِ برگزیده و وارونگی‌های قطبش، و نیز پله‌های مشترک و پژواک‌های میان‌نواری را توضیح می‌دهد.
• طبیعی کردنِ هم‌نواختیِ قرص و باد و فواره، راهی که کم‌ترین پایداری را پیشِ رو دارد سهمِ بیش‌تری می‌گیرد. با دگرگونیِ محیط و خوراک‌رسانی، کلیدِ سهم‌بندی بر مرز به‌روز می‌شود و نیازی به سرهم‌بندیِ سازوکارهای مقطعی نیست.
• ارائهٔ نشان‌های آزمون‌پذیر برای مسیرِ تندِ رشدِ زودهنگام، هر چه مرز در حالتِ نرم‌تر بیش‌تر بماند، انرژی آسان‌تر به بیرون می‌رود و ساختار راحت‌تر به درون همگرا می‌شود. ازاین‌رو باید در رصدها امضاهای مکانی و زمانیِ ویژه بر جا بماند.

در گام‌های بعدی سطحِ بحرانیِ بیرونی، نوارِ بحرانیِ درونی، ناحیهٔ گذار و هسته را تعریف می‌کنیم، سپس نشان می‌دهیم تصویر بر صفحه چگونه پدیدار می‌شود و صدا در زمان چگونه نمود می‌یابد، مسیرهای گریزِ انرژی را روشن می‌کنیم، رفتار را در سنجه‌های گوناگونِ جرم مقایسه می‌کنیم، برآوردها را با نظریهٔ معاصر می‌سنجیم، و در پایان فهرستِ وارسی و نقشۀ سرنوشت‌های ممکن را می‌آوریم.