لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*
فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه: 24
نجوم و اخترفیزیک
آشنایی با کیهان شناسی
کیهانشناسی علم بررسی تاریخ کیهان به عنوان یک کل است و هم ساختار و هم تکامل آن را بررسی می کند. در کیهانشناسی فرض می شود که در فاصله های بسیار زیاد، کیهان از هر مکانی که به آن نگاه شود یک شکل و متقارن به نظر می رسد، و در هر جهتی که به آن نگاه شود هم به یک شکل می باشد ( به بیان ریاضی تر، کیهان ایزوتروپیک است.) این فرضیات، اصول کیهانشناسی نامیده شده اند
جست‌وجوی اجرامی شگفت انگیزتر از سیاهچاله‌ها
دانشمندان وجود دسته‌ای جدید از سیاهچاله‌ها را پیش بینی کرده‌اند که به دلیل سرعت بسیار زیاد چرخش به دور خود افق رویداد ندارند.
به گزارش سرویس علمی خبرگزاری دانشجویان ایران(ایسنا)، سیاهچاله‌ها هم پیش از این در دسته اجرامی بسیار ناشناخته و رازآمیز قرار داشتند. تصوری که از این اجرام وجود دارد، این گونه است که جسمی بسیار کوچک جرمی معادل جرم چندین خورشید را در نقطه‌ای فشرده کرده است.
اما موضوع این خبر کشف جرمی شگفت انگیزتر از سیاهچاله‌ها است.
نظریه «تکینگی بدون پوشش» (naked singularity) حاکی از آن است که سیاهچاله آنقدر سریع به دور خود می‌گردد که در نهایت با فقدان افق رویداد مواجه میشود.
سیاهچاله‌ها زمانی شکل میگیرند که ماده ستاره‌ای بزرگ بر روی خود فرو بریزد و در این حین، فشار لازم به طرف خارج برای خنثی کردن نیروی گرانشی که به طرف داخل وارد میشود، وجود نداشته باشد. از این رو فشار گرانش به سایر نیروهای داخلی غلبه میکند و سیاهچاله تا بینهایت در خود فرو میریزد.
در این صورت نیروی گرانشی به قدری زیاد میشود که حتی نور نیز نمیتواند از آن بگریزد. در نهایت سیاهچاله در پوششی تاریک از خودش احاطه میشود که ما آن را افق رویداد می‌نامیم. اجرام و تابش‌ها هنگام رد شدن از افق رویداد ناگزیر به سمت سیاهچاله کشیده می‌شوند. به همین دلیل ما آن ها را نمی‌بینیم و سیاه می‌نامیم.
به نوشته نجوم، تمام سیاهچاله‌های کشف شده تاکنون، دارای چرخش به دور خود بوده‌اند. گاهی آنقدر زیاد که به بیش از هزار دور در ثانیه می‌رسید؛ اما در این نظریه جدید، اگر سیاهچاله‌ای را بیابید که سرعت گردش به دور خودش بسیار زیاد باشد، در آن صورت مقدار حرکت زاویه‌یی چرخشش بر نیروی گرانش حاصل از جرمش غلبه میکند و می تواند افق رویداد را کاهش دهد و یا از بین ببرد و سیاهچاله را بدون پوشش کند؛ اما سیاهچاله‌ای با 10 برابر جرم خورشید، به سرعت چرخشی بیش از چند هزار دور بر ثانیه نیاز دارد.
مطابق با نتایج تحقیقات دانشگاه‌های «دوک»(Duke) و «کمبریج»(Cambridge)، جرمی با چنین مشخصاتی را میتوان در لنزهای گرانشی کشف کرد.
به گزارش ایسنا، لنز گرانشی قسمتی از فضا است که در آن جسمی با جرم زیاد مانند سیاهچاله وجود دارد و با توجه به نیروی گرانشی که دارد مانند یک عدسی طبیعی عمل میکند و نورهای رسیده از فواصل دور را خمیده و در نهایت کانونی میکند.
اگر نتایج این تحقیقات درست باشد، اخترشناسان میتوانند چنین اجرامی را که در نظریه جدید پیش بینی شده ثبت و شناسایی کنند.
پیچنده فضایی (1)
تصور کنید اگر راندن در یک جاده کوهستانی برای شخصی مثلاً هشت ساعت طول بکشد، شاید یافتن یک تونل در آنجا، زمان لازم برای پیمودن این مسیر را به ده دقیقه کاهش دهد. پس اگر کسی با دوستانش قرار بگذارد که این مسیر را برود و سپس به آنها اطلاع دهد که به مقصد رسیده و آنها هم از داستان آن تونل فرضی آگاهی نداشته باشند، شاید بتواند برای دوستانش چنین وانمود کند که راه هشت ساعته را چنان تند پیموده که ده دقیقه ای رسیده!
اما مگر میشود که در هر شرایطی فاصله فیزیکی را چنان کوتاه کرد که زودتر به مقصد برسیم؟ مگر میشود در هر شرایطی میانبر پیدا کرد؟ پاسخ دانش فیزیک به این پرسش آری است.
برای شکافتن بهتر موضوع بهتر است کمی درباره نیروی گرانش (جاذبه) بگوییم. در افسانه ها میگویند که نیوتن با افتادن سیبی به سرش قانون گرانش را کشف کرد. او فکر کرد که چرا سیب بالا نمیرود و پایین میاید؟ او پی برد که اگر هر جسمی را با سرعت به اندازه کافی به هوا پرتاب کنیم، با شتاب ثابتی و در یک مسیر راست به زمین برمیگردد. پس میتوان گفت که کشش زمین و جسم دلیل این رویداد است. از آن پس دانش فیزیک پیشرفت کرد و دانشمندان فهمیدند که حرکت سیارات به دور خورشید هم از همین گونه است. گرچه به خاطر جرم زیاد سیارات و خورشید و مسافت زیاد میان آنها، خورشید نمیتواند آنها را در یک مسیر راست به سوی خود بکشد و آنها روی خورشید نمی افتند. پس با اینکه گرانش همان گرانش است و نیروی تازه ای در کار نیست، اما در اینجا کمی پیچیده تر خود را نشان میدهد و اثر گذاری آن از حرکت ساده و سقوط راست اجسام بر روی زمین، به حرکت پیچیده و چرخشی سیارات گرد خورشید با سرعتها و دوره های تناوب و ... متفاوت تبدیل شده. پس میتوان اینگونه نتیجه گیری کرد که در شرایط پیچیده تر، گرانش میتواند اثر گذاریهای پیچیده تری را به بار دهد.
در اینجای داستان لازم است نگاه خود را از دستاورد نیوتن به دستاورد انیشتین تغییر دهیم. نظریه نسبیت عام انیشتین گرانش نیوتن را کامل کرد و یک برداشت متفاوت از آنرا به دست داد. نظریه انیشتین گفت که هنگام سخن از نیروی گرانش، چیزی چیزی را به سوی خود نمیکشد، بلکه جرم ها فضا را به گونه ای خم میکنند که حرکت اجسام ناشی از نیروی گرانش (آن گونه که ما می بینیم) در واقع سقوط آزاد آنها در یک فضای خمیده است. پس زمین سیب را به سوی خود نمیکشد، بلکه نیروی گرانش کره زمین فضای پیرامون این سیاره را جوری خم کرده که هر جسمی بسته به ویژگی هایش (جرم، سرعت، ...) در این فضای خمیده حرکت میکند. خورشید هم طوری فضای منظومه شمسی را خم کرده که هر سیاره ناگزیر باید گرد آن بچرخد. برای تجسم بهتر به سوراخ چاه حمام نگاه کنید که چطور آب و کفها را به سوی خودش میکشد، طوری که اگر هر چیزی همراه آنها باشد (مثلاً یک سوسک!) به گرد سوراخ چاه میچرخد و میچرخد و سرانجام به درون سوراخ میریزد. خورشید نیز چنین میکند، اما خوشبختانه سیارات به این زودیها به آن نزدیک نمیشوند و تنها پس از میلیاردها سال است که ما هم مانند کفهای درون حمام به درون خورشید کشیده میشویم.
به هر حال، میخواستم این را بگویم که نیروی گرانش میتواند حرکتهای پیچیده ای را نتیجه دهد، حرکت راست و حرکت چرخشی. همه چیز به سیستم مورد مطالعه بستگی دارد؛ اینکه جرمها چه اندازه اند و چه ویژگیهایی دارند (سرعت، شتاب، اندازه حرکت، اندازه حرکت زاویه ای، ...) و چه مسافتی از هم دارند و مانند اینها. بر پایه نسبیت عام انیشتین، هر چه سیستم مورد مطالعه پیچیده تر باشد، میتواند فضای پیرامونش را پیچیده تر خم کند. اما آیا میتوان طوری پیچیدگی را بالا برد که خمیدگی فضای اطراف به کم شدن فاصله میان دو مکان بیانجامد؟ در مثال جاده کوهستانی با زدن تونل از دل کوه، میشد که بگوییم مسیر (بهتر بگوییم: مسیر موثر و نه مسیر واقعی) را کوتاه کرده ایم؛ انگار که جاده کوهستانی جوری خم شده که آغاز و پایانش همان آغاز و پایان تونل شده است. پس برای زودتر رسیدن باید مسیر دلخواه را طوری خم کنیم که ابتدا و انتهایش در یک مسیر فشرده شده و کوتاه شده قرار بگیرد. اگر بتوانیم تا این اندازه پیچیده کار کنیم و فضا را خمیده در بیاوریم، خواهیم توانست مسیر را کوتاه کنیم و سرعت موثر پیمودن در آنرا افزایش دهیم.
معادلات نسبیت عام انیشتین میگویند که چنین کاری شدنی است و اگر شما مسیر مورد نظر و ویژگی های خمش آنرا به معادلات بدهید، معادلات به شما ویژگی های آن سامانه از جرمها را میدهند.
دانشمندان سالها روی این موضوع کار کرده اند و به پاسخ هایی از معادلات میدان گرانش نسبیت عام دست یافته اند که میتوانند کوتاه کردن مسیر را برای ما به بار دهند.
دو دسته از پاسخها که بیشترین کار روی آنها انجام پذیرفته، متریکهای کرمچاله گذرپذیر و حامل پیچشی میباشند. در مدل یک کرمچاله گذرپذیر استاتیک و کروی-متقارن، میتوان با گذر از گلوگاه کرمچاله، از یک دهانه در یک فضای مجانبی-تخت، به یک فضای مجانبی-تخت دیگر رفت که در فاصله ی به اندازه بسنده دوری قرار دارد. اینگونه که بر میاید، محدودیتی در برد این سامانه نیست! پس هر دو جا در یک جهان یا دو جهان را میتوان به هم پیوند داد. اما بررسیهای بیشتر نشان داده اند که چنین هندسه زمختی، نیاز به مقادیر زمختی از ماده شگفت یا به زبان فنی تر: ماده ناقض شرط انرژی میانگین پوچ، را به همراه میاورد.
پیوستگی مولفه های متریک چنان است که گریزی برای رسیدن به یک ساختار خوشرفتار نیست. چنانکه اگر اندازه انرژی کاهش یابد، کاهش شعاع گلوگاه را به بار میدهد؛ یا اندازه فاصله میان دهانه تا گلوگاه را به مقادیر حدی میل میدهد. پس باید رهیافت رقیق سازی هندسه را برگزید. یعنی روی هر مولفه از متریک خام نخستین چنان کار میکنیم که - در دامنه ی توانش - به تمرکززدایی چگالی انرژی در فضازمان پیرامونش کمک کند.
یکی از بهترین گزینه ها رفتن به سوی بی تقارنی در اسکلت متریک است، به هدف آنکه به جز مولفه های قطر تانسور ماده-انرژی (که چهار تا هستند)، هر شانزده مولفه این تانسور باری از ماده شگفت همبسته را به دوش بگیرند و فشار ضریب کلان اندازه انرژی بجای چهار مولفه، در پشت شانزده مولفه پخش شود. پیچیدگی ریاضی چنین رهیافتی بسیار بالاست و بی تردید نیرومندترین راهکار پرداختن به آن، به کار بردن تقریبهای عددی و مانند سازیهای رایانه ای است. بزرگترین گامی که در این راه تاکنون برداشته شده، رفتن از هندسه متقارن-کروی به هندسه متقارن-محوری بوده است.
دیگر گزینه دینامیک سازی هندسه است. یعنی بگذاریم هندسه در زمان جریان بیابد و تمرکز زمخت ماده شگفت "جاری" شود. گرچه در جهان واقعی هم رودخانه زمان همیشه به جلو در پیش میرود.
گزینه دیگر افزودن چرخش به توابع ریخت و جابجایی به سرخ در متریک است که بخشی از انرژی همبسته را به خود جذب میکند و آنرا کاهش میدهد.
و همچنین گزینه دیگر افزودن بار الکتریکی به متریک است که با برپایی بر هم کنش میان میدانهای الکترومغناطیسی و گرانشی میتواند بر هندسه اثرگذار باشد. با فناوری کنونی، این کاراترین راهکار رقیق سازی هندسه کرمچاله است.
همه گزینه های بالا در جبهه ای به نام کار روی سمت چپ معادلات میدان نسبیت عام و کار روی هندسه ی بهتر جای میگیرند. اما جبهه دومی هم در کار است که همان کار روی سمت راست معادلات میدان و کار روی انرژی بیشتر نام دارد.
پیچنده فضایی (2)
اینجاست که اهمیت مهندسی فضازمان (Spacetime Engineering) روشن میشود که در شرایطی که فیزیک قضیه به مرزهای خود رسیده و توان پیش رفتن بیشتر را در آینده ای نزدیک برای خود نمیبیند، مهندسی دانسته ها و داشته های کنونی، میتواند رهیافتهایی در چهارچوب دانش را باز کند که نوید این را میدهند که میتوان با تردستی، بازده تولید ماده شگفت را از سطح کوانتمی به سطح کلاسیکی برساند
بر پایه عدم قطعیت مکانیک کوانتمی، نمیتوان گفت که در خلا کامل انرژی پایه فضازمان هیچ است، بلکه پس از کوانتیده کردن تابع انرژی، در می یابیم که نوسانگر مربوطه در خلا بر شمرده شده که آنرا نقطه صفر هم مینامند، دارای مقدار است. پس قرارداد میکنیم که انرژی کمتر از این مقدار را انرژی منفی بنامیم.
اما این انرژی دارای سرشتی کوانتمی میباشد، و مهار آن کاری دشوار است. همچنین تا رسیدن به یک نظریه گرانش کوانتمی فراگیر، توضیح درخوری از رفتار کف کوانتمی فضازمان را نداریم. نمیدانیم که فضازمان ماهیتی پیوسته دارد (نسبیت کلاسیک) یا از واحدهای گسسته ساخته شده (نظریه میدان کوانتمی) یا از واحدهایی یک بعدی و مرتعش (نظریه ریسمان) و یا سنگ بناهایی دوبعدی و رویه گونه که مانند لوله کشی و غشابندی می مانند (نظریه های ابرریسمان). بنابراین بهتر است که به آزمایشها بسنده کرد که رفتارهایی سرراست را گزارش میدهند و بررسی فضازمان را بسیار ساده تر میکنند؛ گرچه باید پذیرفت که دقت رهیافت نظری را در این شیوه نداریم، اما در بیشتر پیشرفتها راهبرد نظریه را گزارشات تجربی رفتار طبیعت در اندازه های کوانتمی و کهکشانی به دست داده اند و فیزیک کار را پی ریخته اند. پس رهیافت بررسی آزمایشها بیشتر مهندسی و در سطح است تا فیزیکی و در عمق، و حتی برخی آنرا "مهندسی کوانتمی" نامیده اند، اما در پایه ی داستان تفاوتی را نمیسازند، گرچه هر رهیافت جایگاه خود را دارد و پیشرفتهای نظریه بسیار مهم هستند.
از میان پدیده های به آزمایش درآمده که در برخی حالتها برخوردن به انرژی منفی را در سیستم مورد بررسی دارند، دو پدیده اثر کازیمیر و خلا فشرده بیشترین احتمال دستیابی به اندازه های ماکروسکوپیکی ماده شگفت را در خود دارند. جالب آنکه از این دو پدیده در نخستین مقاله های پدید آورندگان فیزیک کرمچاله در سال 1988 نیز نام برده شده است.
اثر کازیمیر را ده ها سال است که فیزیکدانها میشناختند، اما تا تایید آزمایشگاهی آن در دهه نود، چیزی بیش از یک حالت ویژه از نوسانگر های کوانتمی نگریسته نمیشد. در این باره از شما میخواهم که به یک مقاله بسیار خوب نگاهی بیاندازید:
هنوز نیز با اینکه این بارزترین گزینه دیدن اثرات انرژی نقطه صفر خلا میباشد، بسیاری نمیپذیرند بتوان با یک اثر ذاتاً کوانتمی به ساختارهایی ماکروسکوپیکی از فضازمان پیچانده شده (کرمچاله، حامل پیچشی، لوله کراسنیکف، و هر گونه پیچنده فضایی) رسید.
اکنون پرسش اینست که چگونه میتوان یک کرمچاله گذرپذیر را در آزمایشگاه ساخت؟ و پاسخ آنست که باید انرژی بایسته آنرا فراهم کرد. یعنی باید ماده شگفت را تولید کرد که دارای چگالی انرژی کمتر از چگالی انرژی خلا در فضازمان تخت در دمای صفر مطلق و در شرایط خلا ایده آل (= شمار ذرات محیط آزمایش برابر صفر) میباشد.
دو فاجعه در یک کهکشان
ابرنواخترها پدیده هایی نادر اند که در هر 25 تا 100 سال یکبار در کهکشان رخ می دهند. به همبن دلیل سازمان فضایی ناسا از کشف چنین پدیده ای بسیار حیرت انگیز شد، این واقعه در حالی رخ داد که ماهواره سوئیفت توانست دو ابرنواختر با فاصله 16 روز از انفجار را در یک کهکشان ردیابی کند.
تاکنون اخترشناسان ابرنواختری به اینگونه؛ در کهکشان MCG +05-43-16 مشاهده نکرده بودند، که ناگهان انفجاری مهیب رخ می دهد. این دو ابر نواختر با نام های SN 2007ck و SN 2007co شناخته می شوند. این انفجارها شش هفته گذشته در این کهکشان کم نور واقع در صورت فلکی جاثی و با فاصله ای معادل 380 میلیون سال نوری از ما رخ دادند.
اخترشناسان بر این باورند که این پدیده بسیار نادر و متمایز است، SN 2007ck ابرنواختری نوع II است و هنگامی رخ می دهد که ستاره بسیار پرجرم تر از خورشید است در این هنگام ستاره شروع به بیرون ریزی شدید ماده و در نهایت انفجاری مهیب را به وجود می آورد و واقعه ای عظیم پدیدار می شود سیاهچاله، ستاره نوترونی یا دمیدن پوسته های گازی ستاره به دیگر نواحی فضا.
ابرنواختر بعدی، یعنی، SN 2007ck از نوع Ia است و در حالی رخ داده که ماده کوتوله ای سفید توسط همدمی غیر قابل دید ربوده شده است تا جایی که ستاره توانایی نگهداری هیچ ماده ای را بر خود نداشته سپس انفجاری مهیب و پرصدا و حجیم رخ داده است.
در حقیقت این پدیده تصادفی و نادر در دو بازه زمانی کم سبب پر نور تر شدن کهکشان به اندازه دهها هزار بار بیشتر از آنچه بوده شده است.
روشی نوین برای اندازه گیری جرم سیاه چاله ها
نیکولای شاپوشنیکو و لو تیتار چوک،دو اختر فیزیک دان مرکز پرواز های فضایی گدارد ناسا به ابتکاری نوین در زمینه اندازه گیری جرم سیه چاله ها نائل آمدند.
شاید در ابتدا عجیب به نظر آید، اما یکی از مهم ترین و مشکل ترین مسائلی که دانشمندان همواره با آن روبرو هستند تعیین جرم اجرام آسمانی است.نمونه های فراوانی از سیستم هایی دوتایی که در آن دو ستاره به دور یکدیگر در گردشند مورد بررسی قرار گرفته و جرم دقیق آنها محاسبه می گردد.در این بین تعیین جرم سیاه چاله ها فرایندی بسیار پیچیده است زیرا این اجرام غیر قابل مشاهده هستند.
اما اختر فیزیکدانان کار آزموده در ابتکاری بی سابقه، روش نوینی برای حل این مسئله ابداع نمودند. در این روش با سنجش میزان وسعت قرص بر افزایشی در سیاه چاله جرم دقیق آن تعیین می گردد. (قرص بر افزایشی یک صفحه دایره ای گردان است که از مواد به دور سیاه چاله تشکیل می شود. این مواد که در اطراف سیاه چاله قرار دارند به مرور وارد آن شده و به عبارت دیگر بلعیده می شوند.)
از آنجا که این مواد می توانند بسیار سریعتر از بلعیده شدن توسط سیاه چاله متراکم گردند ،به هم فشرده شده و فوق العاده گرم می شوند.علاوه بر این، در طی فرایند گرم شدن امواجی را در طیف اشعه ایکش گسیل می کنند که توسط اخترشناسان در زمین دریافت می شود.
دانشمندان به این نکته پی برده اند که رابطه مستقیمی بین سیاه چاله و اندازه قرص بر افزایشی اطراف آن وجود دارد.به عقیده اخترشناسان، متراکم شدن گاز های داغ قرص بر افزایشی با افزایش جرم سیاه چاله همراه خواهد بود. .بدین ترتیب هرچه قدر که سیاه چاله پرجرم تر باشد، میزان تراکم مواد اطراف آن و در نتیجه اندازه قرص برافزایشی وسیع تر خواهد بود.
این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
دانلود تحقیق کامل درمورد نجوم و اخترفیزیک
