موضوعات اصلي
منبع انرژی خورشید چیست ؟
آلبرت اینشتین، کسی که در علم فیزیک، جایگاهی همچون نیوتن دارد، در 14 مارس 1879 در آلمان متولد شد. بعد از تحصیل در مؤسسه ی فن آوری فدرال سوئیس در سال 1900، در اداره ی ثبت اختراعات سوئیس در برن مشغول به کار شد. وی تا سال 1909 در کارش باقی ماند و در این مدت فعالیتهایی انجام داد که موجب انقلابی در فیزیک نظری گردید. فیزیک نیوتنی بعد از این انقلاب به عنوان یک زیر مجموعه از مفهوم گسترده تر و بنیادی تر دنیای طبیعی اینشتینی درآمد. این مفاهیم بنیادی تر در نظریات نسبیت خاص و نسبیت عالم اینشتین معرفی شده بود. جالب اینکه وی در سال 1921 جایزه ی فیزیک نوبل را نه بخاطر این نظریات جدیدش، بلکه به دلیل پژوهشهایش در زمینه ی اثر فوتوالکتریک دریافت کرد. اثر فوتوالکتریک، تأثیر عمیقی در مکانیک کوانتومی که خود نظریه ای جدید و انقلابی بود، گذارده بود. در 1921، دنیای فیزیک هنوز نتوانسته بود عظمت و اهمیت نظریه های جدید اینشتین را دریابد.
فیزیک اتمها و واکنشهای هسته ای، به تازگی در قرن 20 توسعه یافته و نظریات مورد نیاز دیگری را برای فهم فعالیتهای درون خورشید و دیگر ستاره ها را بوجود آورده است. فرمول اینشتین به ما می گوید که جرم و انرژی به هم مرتبط اند، چنان که اگر ممکن باشد مقداری جرم (m) را به انرژی (E) تبدیل کنیم، مقدار انرژی تولید شده برابر با ضرب مقدار جرم در مربع سرعت نور (c2) می باشد: E = mc2
از آنجایی که سرعت نور بسیار زیاد است، مربع آن بسیار عدد بزرگتری خواهد شد. بنابراین مقدار بسیار کوچکی از جرم می تواند به مقدار بسیار بزرگی از انرژی تبدیل شود. پس اگر یک سیسنم با مقدار خاصی جرم شروع به کار کند در نهایت مقداری از جرم خود را از دست خواهد داد، زیرا به انرژی تبدیل شده است. از آنجایی که ستارگان مقادیر زیادی هیدروژن در خود دارند، می توان بررسی کرد که آیا چنین واکنشی وجود دارد که بوسیله ی این عنصر مقدار زیادی انرژی بتواند تولید کند؟
اتم : ولی قبل از اینکه دنبال چنین چیزی بگردیم، می خواهم مطالبی راجع به اتمها بگویم. اتمها همان چیزهایی هستند که تمام مواد از جمله من و شما، از آنها ساخته شده ایم. اتم ها، از دو جزء مجزا ساخته شده اند: هسته که از پروتونها با بار الکتریکی مثبت و از نوترونها با بار خنثی ساخته شده، و ابری از الکترونها که در اطراف هسته قرار دارند. به همان تعدادی که پروتون در هسته یافت می شود، الکترون نیز در اطرف هسته وجود دارد. هر الکترون دارای بار برابر و معکوس بار پروتون است. ، به همین دلیل کل یک اتم از نظر الکتریکی خنثی است. تقریبا تمام جرم اتم در هسته ی آن جمع شده است، چرا که الکترونها حدود 200 برابر سبکتر از پروتونها هستند و نوترونها جرمی برابر با پروتونها دارند. تعداد پروتونها در یک اتم (که عدد اتمی گفته می شود) تعیین کننده خواص شیمیایی عنصر است. مثلاً عنصری که 26 پروتون داشته باشد، عنصر آهن است: فراوان ترین فلز در پوسته ی زمین که بطور معمول 30 نوترون در هسته اش وجود دارد. جرم اتمی آهن برابر است با مجموع تعداد پروتونها و نوترونهایی که در هسته اش جمع شده اند یعنی 56 ( = 26 + 30) عدد که معمولاً در پشت نماد عنصر قرار می گیرد: 56Fe. اتم کمیابی با 77 پروتون، ایریدیم (193Ir) می باشد، و عنصری با 79 پروتون، فلز زیبای طلا (197Au) را می سازد.
چندي پيش يک فيزيک دان ايراني مقيم دانشگاه ميسوري در کلمبيا هنگام بررسي نتايج نظريه نسبيت اينشتين روي ذراتي زير اتمي که با سرعت زياد در حرکتند موفق به کشف اثر تازه و شناخته نشده اي از سياه چاله ها شده است.
سياه چاله ها كه در زمره ي عجيب ترين اجرام كيهاني به شمار مي آيند باز هم شگفتي آفريده اند و اخترشناسان را حيرت زده كرده اند. به نوشته ي هفته نامه ي علمي نيوساينتيست بهرام مشحون و همكارش كارمن چيكانك در دانشگاه ميسوري در بررسي هاي علمي خود به اين نكته پي برده اند كه سياه چاله ها مي توانند نيروهاي جزر و مدي عجيبي توليد كنند كه بر ذرات با سرعت زياد تاثيري متفاوت از ذرات با سرعت كم باقي مي گذارد. اين اثر پيشبيني نشده به اين معناست كه سياه چاله اي كه در مركز كهكشان خود ما قرار دارد مي تواند منبع پرتوهاي كيهاني بسيار پرقدرت و نادري باشد كه اخترشناسان تاثير مخرب آنها را در جو زمين مشاهده كرده اند اما تاكنون نتوانسته اند توضيحي براي منشا شان پيدا كنند. سياه چاله ها مي توانند نيروهاي جزر و مدي عجيبي توليد كنند كه بر ذرات با سرعت زياد تاثيري متفاوت از ذرات با سرعت كم باقي مي گذارد. نيروهاي جزر و مدي بر اساس نظريه ي نيوتوني هنگامي ظاهر مي شوند كه تاثير نيروي جاذبه به واسطه ازدياد فاصله كم مي شود به عنوان مثال 2 ذره كه در فواصل متفاوتي نسبت به يك سياه چاله قرار دارند تحت تاثير 2 نيروي مختلف قرار مي گيرند و يكي از آنها كه نزديك تر است شتاب بيشتري پيدا مي كند. اما توضيحي كه از طريق فيزيك نيوتوني به دست مي آيد براي شرايطي كه در نزديك سياه چاله ها برقرار است كفايت نمي كند. اخترشناسان از مدت ها قبل به اين نكته پي برده بودند كه در پلاسما(ماده در دما و فشار زياد) كه اطراف سياه چاله ها در گردش است، ذرات بنيادي و زير اتمي با سرعت بسيار زياد فراوانند. مشحون و همكارش در تلاش محاسبه اين امر بودند كه اين ذرات در ميدان جاذبه قدرتمند سياه چاله ها چگونه رفتار مي كنند. اين 2 فيزيكدان دريافتند كه تاثير ميدان جاذبه سياه چاله ها روي ذراتي كه با سرعت كم در اين ميدان حركت مي كنند دقيقا به همان نحو است كه فيزيك نيوتن پيشبيني مي كند اما در مورد ذراتي كه با سرعت نزديك به سرعت نور حركت مي كنند نتايج به دست آمده كاملا خلاف انتظار بود. ذراتي كه با سرعتي بيش از 70درصد سرعت نور300هزار كيلومتر در ثانيه حركت مي كنند رفتارشان تابع جهت حركتشان است ذرات پرسرعتي كه در امتداد محور چرخش سياه چاله ها حركت مي كنند از شتاب حركتشان نسبت به ذرات كند كاسته مي شود اما ذرات تند سرعتي كه در جهت عمود بر اين محور سير مي كنند شتابي بسيار زياد و انرژي حيرت انگيز و عظيمي كسب مي كنند. ايشان دريافتند كه تاثير ميدان جاذبه سياه چاله ها روي ذراتي كه با سرعت كم در اين ميدان حركت مي كنند دقيقا به همان نحو است كه فيزيك نيوتن پيشبيني مي كند اما در مورد ذراتي كه با سرعت نزديك به سرعت نور حركت مي كنند نتايج به دست آمده كاملا خلاف انتظار بود. نتايج بدست آمده به وسيله مشحون و همكارش شماري از رصد ها و مشاهدات توضيح ناپذيري را كه اخترشناسان در گذشته انجام داده بودند قابل فهم ساخته است. از جمله اين امور افشانه هاي بسيار پر قدرت از جنس ذرات زير اتمي است كه از قطب هاي اجرام كيهاني موسوم به((مايكروكوازارها)) به بيرون پرتاب مي شوند. تلقي اخترشناسان آن است كه مايكروكوازارها سياه چاله ها را درون خود پنهان ساخته اند. آنچه كه موجب حيرت اخنرشناسان بود آن است كه اين ذرات پر انرژي داراي شتاب كاهش يابنده هستند. علاوه بر اين از تحقيقات مشحون و همكارش چنين بر مي آيد كه رويداد هاي حيرت انگيز ديگري نيز در جهات ديگر و هنگام حركت ذرات پر شتاب رخ مي دهد كه هنوز مشاهده نشده است. به اعتقاد مشحون نيروهاي جزر و مدي كند كننده تنها در زاويه55 درجه از محور يك سياه چاله ظهور مي يابد و تنها در اين زاويه است كه ذرات زير اتمي شتاب منفي پيدا مي كنند و از سرعتشان كاسته مي شود. در همه جهت و زواياي ديگر حول اين محور اين نوع ذرات شتاب مثبت بدست مي آورند و براساس نظريه اينشتين سرعت اين ذرات مي تواند تا سرعت نور بالا برود. اگر نظريه مشحون و همكارش درست باشد سياه چاله هايي كه در كهكشان ما قرار دارند دائما ذرات پر شتاب و پر سرعتي عمدتا از جنس پروتون را به بيرون پرتاب مي كنند كه انرژي شان هنگامي كه به زمين مي رسند بيش از1020الكترون ولت است. به گفته مشحون مي توان نظريه پيشنهادي او و همكارش را با مقايسه رابطه ميان جهت ورود پرتوهاي كيهاني مافوق پرقدرت به جو زمين و موقعيت مايكروكازار ها در كهكشان راه شيري را مورد آزمايش قرار داد.
مرکز کهکشان ما – راه شيري - واقعا ساکت و آرام است. درحالي که بسياري از کهکشانها ها داراي سياهچاله اي فعال در مرکز خود هستند که پرتوهاي قوي الکترو مغناطيس تابش مي کنند و يا جتهاي پر انرژي ماده از آنها به بيرون فوران مي کند. ولي گويا سياهچاله ي خاموش مرکز کهکشان ما نيز دارد خود را تکان مي دهد! 300 سال پيش، با يك فوران بزرگ، سياهچالهي مرکزي كهكشان راه شيري از خواب بيدار شد. اين امر نشان ميدهد که اين سياهچاله هماکنون در دوران کم فعاليت خود به سر مي برد. چرا سياهچاله مرکزي کهکشان ما اينچنين آرام است؟ دانشمندان دريافتهاند که اين سياهچاله در گذشته فعالتر بوده است و شايد اکنون بعد از يک فوران بزرگ در دوران آرامش به سر ميبرد. دادههايي که از سال 1994 تا سال 2005 جمعآوري شدهاست، نشان ميدهند که ابرهاي گازي نزديک سياهچاله مرکزي در واکنش به تشعشع پرتو X که از محيط بيرون سياهچاله ميتابد به سرعت تابناک و سپس خاموش ميشوند. وقتي گاز با حرکت مارپيچي به درون سياهچاله فرو ميريزد، دماي آن تا ميليونها درجه زياد ميشود و شروع به تابش پرتو X ميکند. هر قدر ماده بيشتري اطراف سياهچاله باشد تشعشع پرتو X شديدتر است. 300 سال طول ميکشد تا پرتو X فاصله بين سياهچالهي مرکزي کهکشان، (*Sagittarius A)، و ابر بزرگي که سياهچاله را احاطه کرده است، ( Sagittarius B2)، را طي کند و موجب واکنش ابر شود. هنگامي که پرتو X به ابر ميرسد به اتمهاي آهن برخورد کرده و الکترونهاي نزديک هسته را برانگيخته ميکند. با بازگشت الکترونها به مدارهاي اوليه، اتمها پرتو X تابش ميکنند و ابر روشن ميشود. اين روشنايي به معني تابش نور است. با عبور پالس پرتو X ابر دوباره به روشنايي اوليه خود باز ميگردد. در Sagittarius B2 منطقه اي به وسعت تنها 10 سال نوري وجود دارد که ظرف پنج سال روشنايي آن به طور قابل ملاحظهاي زياد شده است. دانشمندان با تجزيه خط طيفي پرتو X آهن دريافتهاند که ذرات زيراتمي نميتوانند مسبب اين تابش باشند. بنابراين، احتمالا سياهچاله 300 سال پيش فوران عظيمي داشته است. مرکز کهکشان 26000 سال نوري از زمين فاصله دارد و اين به اين معنا است که ما وقايعي را ميبينيم که 26000 سال قبل اتفاق افتادهاند. سال گذشته ستاره شناسان با استفاده از مشاهدات چاندرا از انعکاس پرتو X نشان دادند که اين سياهچاله، 50 سال پيش فروان عظيمي از پرتو X داشته است. فوران 300 سال پيش در مقايسه، 10 برابر روشنتر از فوران 50 سال پيش بوده است. در آن هنگام اين جرم يک ميليون بار درخشندهتر بوده است. دانشمندان هنوز نميدانند چرا فعاليت *Sagittarius A اينطور زياد تغيير ميکند. يکي از احتمالات مطرح شده اين است که انفجار يک ابرنواختر نزديک به سياهچاله در چند قرن پيش، باعث فرستاده شدن گاز به سمت آن شده است و فرو رفتن داخل سياهچاله و ايجاد يک فورانِ موقتي قدرتمند، سياهچاله را از خواب بيدار کرده است. با اين حال، انرژي تابيده شده از اطراف سياهچالهي مذکور، هزاران ميليون بار ضعيفتر از سياهچالههاي مرکزي ساير کهکشانها است. اينکه چرا *Sagittarius A با جرمي بيش از چهار ميليون برابر خورشيد بسيار آرام است، همچنان به صورت يک راز باقي مانده است. 
