مقدمه
یکى از نخستین حل هاى معادله اینشتین را فیزیک پیشه منجمى به نام کارل شوارتس شیلد به دست آورد. شوارتس شیلد
متریک اطراف یک کره مثلاً اطراف یک ستاره را به دست آورد. این متریک که امروزه متریک شوارتس شیلد نام دارد، خاصیت
بسیار عجیبى دارد: اگر شعاع ستاره از حدى کوچک تر شود، دیگر حتى نور هم از آن نمى تواند بیرون بیاید. در این حالت ستاره تبدیل
به شىء عجیبى مى شود که سیاهچاله نام گرفته است. درک فیزیک سیاهچاله ها یکى از چالش هایى است که فیزیک پیشه ها
بیش از نیم قرن است با آن دست و پنجه نرم مى کنند. امروزه تقریباً اکثر اخترفیزیک پیشه هاى فعال اعتقاد دارند که در دنیا از
جمله در مرکز کهکشان راه شیرى سیاهچاله هست.
تاریخچه سیاهچاله ها
پس از آنکه مکانیک نیوتنی تحت عنوان مکانیک آسمانی در شناخت جهان مورد استفاده قرار گرفت، یکی از موارد مورد توجه
سیاه چاله ها بود. نخستین بار در سال 178 جان میشل طی مقاله ای سرعت فرار را با اطلاعات آن روز محاسبه کرد و اظهار داشت
اگر گرانش چنان قوی باشد که سرعت فرار در آنجا بیش از سرعت نور باشد، نور نمی تواند از آنجا بگریزد. البته در آنزمان بطور تقریبی
سرعت نور را می داننستد، ولی حد سرعت، سرعت نور نبود. زیرا در مکانیک نیوتنی سرعت نامتناهی قابل قبول بود.
در سال 1796 لاپلاس همان نظریه ی جان میچل را دو باره مطرح کرد. در اواخر قرن نوزدهم سرعت نور کاملاً معلوم و اندازه گیری شد.
در سال 1915 انیشتین نظریه نسبیت عام را مطرح کرد و نشان داد که گرانش روی روی اثر دارد. چند ماه بعد کارل شوارتسشیلد با
حل معادله میدان انیشتین برای یک جرم نقطه ای، اظهار داشت از نظر تئوری سیاه چاله ها وجود دارند. شعاعی که نور نمی تواند از
آنجا خارج شود به نام شعاع شوارتسشیلد شناخته می شود و از رابطه ی زیر به دست می آید. چند ماه بعد از شوارتسشیلد یکی از
دانشجویان لورنتس به نام ژوهانس دروست، به همان نتایج شوارتسشیلد رسید.
در 1920 چاندرازخار که از شاگردان ادینگتون بود با استفاده از نسبیت خاص نشان داد که اگر سرعت فرار بخواهد بیش از سرعت نور
باشد، جرم جسم باید حداقل 1.44 برابر جرم خ.رشید باشد. این عدد امروزه به عنوان حد چاندرازخار شناخته می شود. ادینگتون با
دست آورد وی مخالف کرد و آن را نا درست خواند. در 1939 اپنهایمر و اسنادر پیش بینی کردند که یک ستاره پر جرم در اثر گرانش
فرو می ریزد و به سیاه چاله تبدیل می شود. همزمان با آغاز جنگ جهانی دوم، مسئله سیاه چاله ها به فراموشی سپرده شد. در دهه ی
1960 دوباره نظریه سیاه چاله ها و راه حل شوارتسشیلد و فروپاشی گرانشی مورد توجه فیزیکدانان قرار گرفت.
در سال 1971 استفن هاوکینگ عنوان کرد که این واقعه بوجود آمدن سیاهچالهها هنگامی که جهان نخستین انفجار بزرگ خود را آغاز
کرد اتفاق افتاده است. هنگامی که تمامی مواد تشکیل دهنده جهان منفجر شد، مقداری از این مواد آن چنان به هم فشرده شدند
که تبدیل به سیاهچاله گشتند. وزن برخی از این سیاهچالهها ممکن است به اندازه وزن یک سیاره کوچک و یا از آن کمتر باشد و وی
آنها را سیاهچاله کوچک نامید.
سیاهچاله
نگاره‌ای تخیلی از صفحه تجمع پلاسمای داغ بر گِرد یک سیاهچاله (برگرفته از ناسا).
سیاهچالهها اجرام فضایی دارای شعاع بسیار کم (در حدود یک دهم شعاع زمین) و جرم بسیار زیاد می‌‌باشند (بیش از ۱.۴ برابر جرم
خورشید). یکی از خصوصیات آنها گرانش زیاد آنها است که حتی نور را هم در خود جذب میکند.(این برداشت که نور جذب سیاه
چاله‌ها میشود کاملاً غلط است چون در نظریه نسبیت عام اینشتین گفته شده است که فضا-زمان به علت وجود ماده انحنا پیدا
میکند که در سیاه چاله‌ها حتی انحنا باعث ناپیوستگی در فضا زمان میشود و چون نور در این فضا-زمان حرکت میکند به ناچار وارد
سیاه چاله میشود) گفتنی است این سیاهچالهها از فرو پاشی (Collapse) ستارهای نوترونی و پس از آنکه هسته اتمها در آن به
قدری بزرگ شدند که نیروی گرانش دیگر نتواند انرژی لازم برای جوش هسته‌ای را در آنها تأمین کند به وجود می‌‌آیند.
سیاهچالهها جذاب‌ترین و اسرارآمیزترین اشیاء فضایی هستند. مهم‌ترین یافته‌های اخترشناسی سالهای ۱۹۶۰ تپ‌اخترها و اخترنماها
هستند. تپ اخترها منابع رادیویی و (حداقل در یک مورد) منبع نوری تپنده منظم هستند. اختر نماها منابع نوری و رادیویی بسیار
شدیدی هستند که ظاهراً از زمین فاصله زیادی دارند. کشف تپ اخترها و اخترنماها بیشتر در نتیجه پیشترفتهای اخترشناسی رادیویی
تحقق یافت که در سالهای ۱۹۷۰ منجر به جستجوی طبقه تازه‌ای از اشیای آسمانی شد که عجیب‌ترین پدیده‌های فیزیکی در جهانند.
این پدیده ها، سیاهچاله نامیده میشوند. آنها را از این رو به این نام خوانده‌اند که بی نورند و چون یک جاروبرقی اختری، ماده و انرژی
را از فضا می‌‌مکند. اخترفیزیکدانان، سیاهچالهها را که بسیار کوچکند، آخرین مرحله تاریخ رندگی ستارگان بسیار بزرگ می‌‌دانند.
دانشمندان، سیاهچالهها را که بر اثر نیروی گرانش خودشان فرومی‌پاشند، از نظریه نسبیت عمومی آلبرت اینشتین استنتاج کرده اند.
نظریه اینشتین در نظریه جاذبه (گرانش) نیوتون کاملاً تجدید نظر کرده است. اگر یک سیاهچاله در فضای خارجی کشف شود. این
رویدادها برای فیزیک و اخترشناسی با اهمیت خواهد بود. فیزیک کلاسیک نمی‌تواند سیاهچاله را تبیین کند. اگر یک سیاهچاله وجود
داشته باشد، نسبیت عمومی به طور واقعی مورد تایید قرار خواهند گرفت.
kamyararyana می نویسد "فرض کنید سوار بر فضا پیمای خود به طرف سیاهچاله ای که میلیون برابر خورشید جرم دارد و در
مرکز کهکشان ما قرار دارد ،حرکت می کنید .(واقعا جای بحث دارد که آیا در مرکز کهکشان ما سیاهچاله وجود داشته باشد
،فرض کنید چنین چیزی باشد.) در فاصله بسیار دوری از سیاهچاله موشک خود را خاموش کنید.چه اتفاقی می افتد؟ اوایل شما هیچ
نیروی گرانشی احساس نمی کنید،ز یرا در حال سقوط آزاد هستید.همه اعضای بدن شما و فضا پیما به طور یکسانی کشیده می شوند.
به خاطر همین احساس بی وزنی می کنید. سیاهچاله ها را از این رو به این نام خوانده اند که بی نورندو چون یک جا روبرقی اختری،
ماده و انرژی را از فضا می مکند ، در سیاهچاله جاذبه آنچنان زیاد است که نور نمی تواند فرار کند. اختر فیزیکدانان، سیاهچاله ها را
که بسیار کوچکند، آخرین مرحله تاریخ رندگی ستارگان بسیار بزرگ می دانند. وجود سیاهچاله ها قبل از آنکه توسط کیهان شناسان به
ثبوت برسد توسط فیزیکدانان بوسیله تئوری نسبیت عام انشتین پیش بینی شد! فیزیکدانان توصیف نسبتاً جامعی از سیاهچاله ها
به دست داده اند. به عقیده دکتر جان ویلر و دکتر رئو روفینی از دانشگاه پرینستون سیاهچاله ها اندازه و شکلی به مفهوم قراردادی آن
ندارند اما آنها در محدوده یک قطر 15 کیلومتری عمل می کنند. سیاهچاله ها جرمهای متفاوتی بین جرم خورشید و صد میلیون برابر
جرم خورشید دارند. حفره های سیاه مثل گرداب عمل می کنند. هر جرم با انرژی رگردانی که به یک سیاهچاله نزدیک شود (در داخل
فاصله معینی که افق آن خوانده می شود) بطور مقاومت ناپدیری به درون گرداب، که همان سیاهچاله است کشیده می شود. نیروها
ی کشندی شدید درون سیاهچاله ها ماده را در یک سمت می کشد و منبسط می کند و در سمت دیگر می فشرد و خرد می کند و خرد
می کند تا آن که آن ماده به کلی تجزیه و جزفضای خمیده و حفره سیاه شود. در سال 1971 یک دانشمند انگلیسی به نام استفن
هاوکینگ عنوان کرد که این واقعه به وجود آمدن سیاهچاله ها هنگامی که جهان نخستین انفجار بزرگ خود را آغاز کرد اتفاق افتاده
است. هنگامی که تمامی مواد تشکیل دهنده جهان منفجر شد، مقداری از این مواد آن چنان به هم فشرده شدند که تبدیل به
سیاهچاله گشتند. استفان هاوکینگ یکی از بزرگترین فیزیکدانان نظری معاصر است، زمینه‌ی پژوهشی اصلی وی کیهانشناسی و
گرانش کوانتومی است. از مهم‌ترین دستاوردهای وی مقاله‌ای است که به رابطه‌ی سیاهچالهها و قانون‌های ترمودینامیک می‌پردازد.
خواص سیاهچاله ها بسیار عجیب است. زمان و مکان خصوصیات خود را در درون ستاره کاملاً فرو پاشیده ردو بدل می کنند. قوانین
طبیعی شکسته میشوند. هر شی در شرایط عادی اندازه خود را نگه می دارد ولی نمی تواند از عمر فیزیکی بگریزد. در درون سیاهچاله
ها بر اشیا عمری نمی گذرد، ولی مداوماً کوچکتر می شوند. مشاهده گران نمی توانند واقعاً آن را ببیند، زیرا نور مانند شکلهای دیگر
انرژی، تحت تاثیر مکش حفره سیاه است. اگر پدیده ای بطور مثال 15 هزار سال نوری قبل اتفاق افتاده باشد با آنکه پدیده مدتها
پیش پایان یافته برای ما قابل مشاهده است چرا که بدلیل بعد مسافت برای دریافت نورش زمان متناسب با مسافت سپری
میگردد. اما چرا در مورد سیاهچاله ها پدیده های مربوطه قابل مشاهده نیست؟ علت آن است که وقتی ستاره به سیاهچاله تبدیل
می شود، نسبت به ناظران خارج بی درنگ گذشت زمان در آن متوقف می شود. به عقیده دکتر ویلر و دکتر روفینی (علائم و اطلاعات
مربوط به مرحله های بعدی فرو پاشی هرگز نمی گریزند، بلکه در فرو پاشی خود هندسه(زمانی و مکانی) درگیر می شوند.)
تبدیل ستارگان بزرگ به سیاهچاله
بر سر ستاره در حال مرگی که بیش از ۱.۴ برابر خورشید است چه می‌‌آید؟ حتی نیروی قوی نیز نمی‌تواند سرعت فرو پاشی درونی آن را
متوقف سازد. و این ستاره کاملاً فرو می‌‌پاشد و از مرحله ستاره نوترونی فراتر رفته و حتی به یک شی کوچکتر و چگال تر یعنی
سیاهچاله تبدیل میشود.اگر هر جسم را به اندازه شعاع شوارتز شیلد منقبض کرد ان به یک سیاه چاله تبدیل میشود شعاع شوارتز
شیلد زمانی ایجاد می شود که سرعت گریزه از جاذبه به سرعت نور برسد.
فروپاشی کامل به معنای آن نیست که سیاهچاله از روی صفحه جهان محو میشود. همان طور که به‌وسیله اینشتین توصیف شده