سیاه‌چاله‌های بدون افق رویداد

یک نوع جرم گریزپا در فضا، تبدیل به معمایی برای فیزیکدانان شده است. این جرم از جهاتی شبیه به سیاه‌چاله است. مانند یک سیاه‌چاله عمل می‌کند. اما یک تفاوت اساسی دارد: افق رویداد ندارد، به این معنی که اگر به اندازه کافی تلاش کنید می‌توانید از چنگال گرانش آن فرار کنید.

این نوع اجرام ستاره بوچدال (Buchdahl) نامیده می‌شوند و چگال‌ترین اجرامی هستند که می‌توانند در کیهان وجود داشته باشند، بدون این‌که خود به سیاه‌چاله تبدیل شوند.

اما هیچ‌کس تاکنون یکی از آن‌ها را مشاهده نکرده است، که منجر به پدید آمدن سؤالاتی در مورد این‌که آیا اصلا این اجرام مرموز واقعاً وجود دارند یا خیر شده است. اکنون، فیزیکدانی مدعی است که ویژگی جدیدی از ستارگان بوچدال را کشف کرده است که می‌تواند به پاسخ این سوال کمک کند.

سفرهای سیاه‌چاله

به طور کلی، ستاره‌شناسان بر سر وجود سیاه‌چاله‌ها اتفاق نظر دارند. هر کجا که نگاه می‌کنیم شواهدی برای وجود آن‌ها می‌یابیم، از جمله انتشار امواج گرانشی در هنگام برخورد آن‌ها و سایه‌‌ی سیاه‌چاله که از مواد اطراف چرخان حول آن ایجاد می‌کند. همچنین اخترشناسان می‌دانند که سیاه‌چاله‌ها چگونه شکل می‌گیرند: آن‌ها بقایای فروپاشی گرانشی فاجعه بار ستارگان عظیم (پر جرم) هستند. وقتی ستارگان غول پیکر می‌میرند، هیچ نیروی شناخته شده‌ای در طبیعت نمی‌تواند در برابر خود-گرانش ستارگان مقاومت کند، در نتیجه این غول‌های عظیم گرانشی محکوم به فنا هستند و تا سر حد بی‌نهایت در خود رمبش می‌کنند.

با این‌حال، چیزی که ستاره شناسان در حال حاضر نمی‌دانند این است که چگونه یک جسم می‌تواند بدون تبدیل شدن به سیاه‌چاله فشرده شود. ما کوتوله‌های سفید را می‌شناسیم که دارای جرمی در حد جرم خورشید اما بطور فشرده در حجمی معادل حجم زمین هستند و نیز ستاره‌های نوترونی را می‌شناسیم که جرمی عظیم خود را حتی بیشتر متراکم می‌کنند و آن را در ابعادی مثلا به اندازه‌ی ابعاد یک شهر روی زمین فشرده می‌کنند. اما ما نمی‌دانیم که آیا هنوز چیزی کوچکتر وجود دارد که از سرنوشت تبدیل شدن به یک سیاه‌چاله فرار کند یا نه.

ستاره‌های بوچدال

در سال ۱۹۵۹، هانس آدولف بوچدال، فیزیکدان آلمانی-استرالیایی، بررسی کرد که چگونه یک “ستاره” بسیار ایده‌آل – که به عنوان یک حباب کاملا کروی از مواد در نظر گرفته می‌شود – وقتی تا جای ممکن فشرده شود چه رفتاری نشان خواهد داد. با کوچک و کوچکتر شدن حباب، چگالی آن افزایش می‌یابد و کشش گرانشی آن شدیدتر می‌شود. بوچدال با استفاده از ابزار نظریه نسبیت عام اینشتین، یک حد پایین مطلق برای اندازه این حباب پیدا کرد.

این شعاع ویژه برابر است با ۹/۴ برابر جرم حباب، ضرب در ثابت گرانش نیوتن، تقسیم بر مجذور سرعت نور.

حد بوچدال از این جهت مهم است که متراکم‌ترین جسم ممکنی را تعریف می‌کند که همچنان می‌تواند از تبدیل شدن به سیاه‌چاله اجتناب نماید. در چارچوب نظریه نسبیت عام، پایین‌تر از این حد، حباب ماده باید همیشه به سیاه‌‌چاله تبدیل شود.

زندگی لب مرزی

کشف اجرام عجیب و غریبی که دقیقا به لبه‌ی حد بوچدال رسیده باشند – به اصطلاح ستارگان بوچدال – به یک سرگرمی محبوب بین نظریه‌پردازان و رصدگران تبدیل شده است. اکنون، نارش دادیچ، فیزیکدان مرکز بین دانشگاهی نجوم و اخترفیزیک در پونای هند، ممکن است ویژگی شگفت‌انگیزی از ستاره‌های بوچدال را کشف کرده باشد. دادیچ در مقاله‌ی جدیدی که پیش‌نویس آن را در سایت arXiv قرار داده است، درباره این ویژگی بحث می‌کند.

دادیچ، که ستاره‌های بوچدال را «مقلد سیاه‌چاله» می‌نامد، چرا که ویژگی‌های قابل مشاهده آن‌ها تقریباً یکسان است، این را بررسی کرده است که برای انرژی یک ستاره‌ی فرضی که با آغاز فروپاشی گرانشی تبدیل به یک ستاره بوچدال می‌شود، چه اتفاقی می‌افتد.

طبق اظهارات دادیچ، با فروپاشی گرانشی ستاره، انرژی پتانسیل گرانشی کسب می‌کند که منفی است زیرا گرانش به صورت جاذبه عمل می‌کند. هم‌زمان، درون ستاره انرژی جنبشی به دست می‌آورد زیرا همه ذرات مجبور می‌شوند در حجم کمتری با یکدیگر برخورد نمایند. با رسیدن ستاره به حد بوچدال، دادیچ یک رابطه شگفت‌انگیز و در عین حال آشنا پیدا کرد: کل انرژی جنبشی برابر با نیمی از انرژی پتانسیل بود.

این رابطه به عنوان قضیه ویریال شناخته می‌شود و در موقعیت‌های متعددی در نجوم که در آن نیروی گرانش با سایر نیروها در تعادل است، کاربرد دارد. این بدان معنی است که یک ستاره بوچدال از نظر تئوری می‌تواند به عنوان یک جسم پایدار با ویژگی‌های شناخته شده و کاملاً درک شده وجود داشته باشد.

این یافته نشان می‌دهد که ستارگان فرضی بوچدال ممکن است واقعا وجود داشته باشند و می‌توانند به شناخت عمیق‌تر در مورد عملکرد درونی سیاه‌چاله‌ها منجر شوند.

دادیچ در ایمیلی به لایو ساینس گفت: «همیشه تلاش‌هایی برای تعریف اجرامی که تا حد امکان به سیاه‌چاله‌ها نزدیک هستند، وجود داشته است. افق رویداد یک سیاه‌چاله درون آن را از دید ما پنهان می‌کند. اما ما می‌توانیم با یک ستاره بوچدال تعامل داشته باشیم و بررسی کنیم که از چه چیزی ساخته شده است، که ممکن است سرنخ‌هایی در مورد این‌که فضای داخلی سیاه‌چاله چگونه است به ما بدهد.

اما یافتن ستاره بوچدال موضوع دیگری است. تا به امروز، هیچ چیدمان شناخته شده‌ای از ماده را نمی‌شناسیم که بتواند ستاره بوچدال را پدید آورد. اما کار دادیچ مسیری رو به جلو برای درک چگونگی عملکرد آن‌ها را نشان می‌دهد. تحقیقات بیشتری لازم است تا کشف شود که این اجرام عجیب و غریب چه ویژگی‌های دیگری ممکن است داشته باشند و چه چیزی در مورد سیاهچاله‌ها به ما می‌گویند.