سیاه چاله

بنابر نظریه نسبیت عام سیاه‌چاله‌ ناحیه‌ای از فضا است که میدان گرانشی فوق‌العاده بالایی دارد بطوریکه هیچ چیز حتی نور نمی‌تواند از میدان گرانشی آن بگریزد. در سیاهچاله ناحیه‌ای به نام افق رویداد وجود دارد که هیچ چیزی بعد از عبور از آن نمی‌تواند به بیرون برگردد و یا به عبارت دیگر بلعیده می‌شود. این یکی از اسرار سیاهچاله‌هاست که دانشمندان روی چگونگی آن به پژوهش می‌پردازند.

صفت «سیاه» در نام سیاه‌چاله به این خاطر است که همه نوری که به داخل آن راه می‌یابد را به دام می‌اندازد دقیقا مانند مفهوم جسم سیاه در ترمودینامیک. یک سیاهچاله برخلاف درون نامرئی‌اش می‌تواند حضور خود را از راه کنش و واکنش با محیط پیرامون نشان دهد. ما از طریق دیدن حلقهٔ تجمعی و یا یک گروه از ستاره‌ها که به دور یک ناحیه تاریک و خالی در حال گردش‌اند می‌توانیم به حضورشان پی‌ببریم.ابداع واژه «کرم‌چاله» و «سیاه‌چاله فضایی» به جان ویلر نسبت داده شده است. با این‌حال، این مفهوم از مدت‌ها قبل به صورت‌های متفاوتی مطرح بوده است.

مفهوم جسمی که آن قدر پرجرم است که حتی نور هم نمی‌تواند از آن بگریزد ابتدا از سوی زمین‌شناسی به نام جان میچل درسال ۱۷۸۳ مطرح شد که آن را در مقاله‌ای که به هنری کوندیش فرستاد و از سوی انجمن سلطنتی به چاپ رسید عنوان کرد. در آن زمان مفهوم نظریه گرانش نیوتن و مفهوم سرعت گریز شناخته شده بودند. طبق محاسبات میچل جسمی با شعاعی ۵۰۰ برابر شعاع خورشید و چگالی مشابه در سطح خود سرعت گریزی بیش از سرعت نور خواهد داشت و بنابر این غیر قابل مشاهده خواهد بود. به بیان او:

« اگر شعاع کره‌ای با چگالی مشابه خورشید قرار باشد که ۵۰۰ بار از آن بزرگ تر باشد جسمی که از ارتفاع بینهایت به سمت آن سقوط می‌کند در سطح آن سرعتی بیش ازسرعت نور به دست می‌آورد و اگر فرض کنیم نور با نیروی مشابهی به سمت ستاره کشیده شود آنگاه تمام نوری که از چنین جسمی ساطع می‌شود به ناچار به وسیله گرانش آن به سمت خود ستاره بازمی گردد....

در سال ۱۷۹۶ پیر سیمون لاپلاس ریاضی دان فرانسوی نظریه مشابهی را در ویرایش اول و دوم کتاب خود به نام آشکارسازی نظام جهان مطرح کرد. این مطالب در ویرایش‌های بعدی کتاب حذف شد. این نظریه در قرن نوزدهم توجه چندانی را به خود جلب نکرد زیرا فیزیک دانان براین باور بودند که نور به صورت موج و فاقد جرم است و بنابراین تحت تاثیر گرانش قرار نمی‌گیرد.
درسال ۱۹۱۵ آلبرت اینشتین که قبلا نشان داده بود که گرانش نور را تحت تاثیر قرار می‌دهد نظریه گرانش خود به نام نسبیت عام را مطرح کرد.چند ماه بعد کارل شوارتسشیلد راه حلی برای میدان گرانشی یک جرم نقطه‌ای و یک جرم کروی ارائه داد که نشان می‌داد سیاهچاله‌ها می‌توانند به صورت تثوری وجود داشته باشند. شعاع شوارتسشیلد امروزه به عنوان شعاع افق رویداد یک سیاهچاله غیرچرخشی شناخته می‌شود. در سال ۱۹۳۰ سابراهمانیان چاندراسخار اختر فیزیک دان هندی ادعا کرد که یک جسم غیر تابنده با جرمی معادل ۴۱٫۱ برابر جرم خورشید به این دلیل که تا آن زمان چیزی که بتواند جلوی فروپاشی آن را بگیرد شناخته نشده بود فرومی‌پاشد.

رابرت اوپنهایمر پیش بینی کرد که ستارگان پرجرم ممکن است فروپاشی گرانشی تاثیرگذاری را تجربه کنند.اصولا سیاهچاله‌ها می‌توانند در طبیعت شکل بگیرند. از دید یک ناظر خارجی فروپاشی به سرعت در حال کند شدن است و در نزدیکی شعاع شوارتسشیلد انتقال به قرمز بسیار زیادی پیدا می‌کند به همین علت چنین اجسامی تا مدت‌ها «ستارگان منجمد» نامیده می‌شدند.در سال۱۹۶۷ پیشرفت‌های نظری و تجربی علاقهٔ اخترفیزیک‌دانان را به سیاهچاله‌ها برانگیخت. استیفن هاوکینگ ثابت کرد سیاهچاله‌ها یک خصوصیت عمومی در نظریه گرانشی اینشتین هستند و با فروپاشی برخی اجسام به ناچار سیاهچاله به وجود می‌آید. جامعهٔ ستاره‌شناسی با کشف تپ اخترها علاقه دوباره‌ای به سیاهچاله‌ها پیدا کرد. پس از مدتی اصطلاح سیاهچاله (حفره سیاه) از سوی فیزیک دانی به نام جان ویلرمطرح شد. او نخستین بار در سخنرانی عمومی خود با عنوان جهان ما شناخته‌ها و ناشناخته‌ها در دسامبر سال ۱۹۶۷ از این نام استفاده کرد.برای تشخیص سیاهچاله‌های نسبیت عام از دیگر اجرام نیوتنی که از سوی لاپلاس و میچل مطرح شده بودند غالبا آن اجرام را ستارگان تاریک می‌نامند

طبقه بندی بر اساس جرم

-سیاهچاله‌های پرجرم
جرمی بین چندمیلیون تا چند میلیارد برابر جرم خورشید دارند و پیش بینی می‌شود که در مرکز همه کهکشان‌ها از جمله کهکشان راه شیری وجود داشته باشند. بزرگ‌ترین سیاهچاله شناخته شده، سیاه چاله ام۸۷ است که ۴٫۶ میلیارد برابر سنگین تر از خورشید است.
-سیاهچاله‌های جرم متوسط
این سیاهچاله‌ها جرمی هزاران برابر جرم خورشید دارند و گمان می‌رود که این سیاهچاله‌ها نیروی منابع پرتو ایکس را در فضا تامین می‌کنند. هیچ راه مستقیمی برای شکل گیری آنان شناخته نشده‌است اما محتمل است این نوع از برخورد سیاهچاله‌های با جرم کمتر شکل می‌گیرد. البته منبع پرتو ایکس صادره ناشی از سقوط اجسام به سیاه چاله است، نه خود سیاه چاله.
-سیاهچاله‌های ستاره‌وار
این سیاهچاله‌ها جرمی بین سه تا پانزده برابر جرم خورشید دارند و از دو طریق تشکیل می‌شوند. یکی فروپاشی گرانشی ستاره‌های منفرد و دیگری برخورد ستاره‌های دودویی نوترونی.
-ریزسیاهچاله‌ها

جرم این سیاهچاله‌ها به اندازه‌ای است که در آنها اثرات مکانیک کوانتومی اهمیت زیادی پیدا می‌کند. به طور کلی سیاهچاله‌هایی که جرمی کمتر از جرم خورشید دارند ریزسیاهچاله نامیده می‌شوند.

تعداد سیاهچاله‌ها در جهان

به عقیده‌ای.جی.دابلیو. کامرون از دانشگاه یشیوا ممکن است جهان پر از سیاهچاله باشد. نظریه کیهان‌شناسی پیش بینی می‌کند که جهان شامل مقدار مشخصی ماده‌است. اما اخترشناسان از مشاهده‌هایشان استنباط کرده‌اند که تقریباً ماده به اندازه کافی وجود ندارد تا این پیش بینی‌ها را عملی سازد. ماده مشاهده شده به اندازه قابل ملاحظه‌ای کمتر از ماده پیش بینی شده‌است. دکتر کامرون بر آن است که ماده گمشده ممکن است به وسیله شمار زیادی سیاهچاله بلعیده شده باشد.

تاریخ شیمیایی جهان نشان می‌دهد که نخستین ستارگانی که تشکیل شده‌اند بسیار بزرگ بوده‌اند و انتظار می‌رود به سیاهچاله‌ها تبدیل شوند. با قطعیت نمی‌توان گفت که همه ستارگان ناگزیر به سیاهچاله‌ها مبدل می‌شوند. دانشمندان نشان داده‌اند که ستارگان نامتقارن ستارگانی که تقارن کروی تقریباً کامل ندارند به این سرنوشت دچار می‌شوند. اما به عقیده وای. ب. زلدوویچ فیزیکدانان شوروی و گروه انگلیسی استیون هاوکینگ، راجر بن روز و روبرت چراک، عدم تقارن شکلی کوچک، یک ستاره بزرگ را نجات نخواهند داد.