سیاهچاله ناحیه‌ای از فضا-زمانه که آثار گرانشیش، انقدر نیرومنده که هیچ چیز – حتی ذرات و تابش های الکترومغناطیسی مثله نور – نمی‌تونن از میدون گرانشش رد بشن. نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین پیش بینی میکنه که اگه جرم به اندازه کافی فشرده شده باشه، میتونه باعث تغییر شکل و خمیدگی فضا-زمان و تشکیل سیاهچاله بشه. مرز این ناحیه از فضا زمان که هیچ چیزی بعد از عبور ازش نمیتونه به بیرون برگرده رو افق رویداد می‌نامن. صفت “سیاه” در سیاه چاله برگرفته از این واقعیته که همه نوری که از افق رویدادش می گذره رو به دام میندازه که از این نگاه سیاه چاله رفتاری شبیه به جسم سیاه در ترمودینامیک داره. از سوی دیگه هم، نظریه میدونهای کوانتومی در فضا-زمان خمیده پیش‌بینی میکنه که افق های رویداد هم تابشی به نام تابش هاوکینگ گسیل می‌کنن که طیفش مثل طیف جسم سیاهیه که دماش با جرمش نسبت وارونه داره. میزان دما در مورد سیاه چاله های ستاره‌ای در حد چند میلیاردم کلوینه و از این رو ردیابیش دشواره.
سیاه چاله چیزیه که پس از مرگه یه ستاره عظیم باقی می مونه. ستاره ها رآکتورهای همجوش عظیمی هستن که در خودشون می‌جوشن و به دو دلیل علاقه خیلی زیادی برای فروپاشی دارن: خیلی بزرگن و از گاز تشکیل شدن. این دو عامل کافیه تا میدون گرانشی شدیدی شکل گرفته و ستاره رو از درون منهدم کنه؛ بار دیگه که خورشید رو در آسمون دیدین، به این فکر کنید که همون لحظه در سطح خورشید میلیون ها اتم در حال همجوشی با یکدیگر هستن تا هسته ای سنگین تر بسازن. و هر چه این فعالیت ادامه پیدا کنه، خورشید پیرتر و پیرتر میشه تا در نهایت متلاشی شده و از بین بره.
به محض اینکه ستاره از پا در میاد، واکنش همجوشی هسته ای متوقف میشه چونه سوخت مورد نظر دیگه تموم رسیده و چیزی برای سوختن و انفجار وجود نداره. همین الان، نیروی انفجاری به صفر میرسه اما نیروی گرانشی سر جای خود باقیه پس با قدرت هر چه تموم تر ستاره رو به درون میکشه.
ستاره که فشرده میشه ناگهان داغ شده و انفجار ابر نواختر انجام میشه که طی اون مواد و اشعه ها به درون فضا پرتاب میشن. اونچه که باقی میمونه، هسته بسیار فشرده و عظیمه. گرانش هسته انقدری بالاست که حتی نور هم نمیتونه ازش فرار کنه.
یک سیاه چاله به دلیل اینکه نوری که ازش خارج نمیشه نادیدنیه، اما میتونه بودن خودش رو از راه کنش و واکنش با ماده از پیرامونش نشون بده. از راه بررسی برهمکنش بین ستاره‌های دوتایی با همدم نامرئیشون، اخترشناس ها رو نامزدهای احتمالی بسیاری برای سیاه چاله بودن در این منظومه ها شناسایی کردن. این باور جمعی در بین دانشمندان رو به افزایش که در مرکز بیشتر کهکشان‌ها یک سیاهچاله “کلان جرم” داره. برای نمونه، دستاوردهای ارزشمندی بازگوی این واقعیته که در مرکز کهکشان راه شیری ما هم ی سیاهچاله “کلان جرم” با جرمی بیشتر از چهار میلیون برابر جرم خورشید وجود داره.
ابداع واژه “کرم‌چاله” و “سیاهچاله فضایی” به جان ویلر نسبت داده شده. با این‌حال، این مفهوم از مدت‌ها قبل به شکل های دیگه مطرح بوده.
مفهوم جسمی که اون قدر پرجرمه که حتی نور هم نمیتونه ازش رد بشه، اولین بار از سمت زمین شناسی بنام جان میچل درسال ۱۷۸۳ در نامه‌ای که برای “هنری کاوندیش” از انجمن سلطنتی نوشته بود، مطرح شد. در اون زمان مفهوم “نظریه گرانشنیوتن” و مفهوم سرعت گریز شناخته شده بودن. طبق محاسبات “میشل” جسمی با شعاع خورشید و چگالی ۵۰۰ برابر در سطحش سرعت گریزی بیشتر از سرعت نور داره و بنابر این غیرقابل دیدن.طبق گفتش:
اگر شعاع کره‌ای مثل خورشید قرار باشه ولی با چگالی ۵۰۰ بار ازش بزرگتر، جسمی که از ارتفاع بینهایت به سمتش سقوط میکنه در سطحش سرعتی بیشتر از سرعت نور به دست میاره، و اگه فرض کنیم نور با نیروی مشابهی به سمت ستاره کشیده بشه، اون دفه همه نوری که از همچین جسمی ساطع میشه ولی به ناچار به وسیله گرانشش به سمت خود ستاره باز میشه.
در سال ۱۷۹۶ “پیر سیمون لاپلاس”، ریاضی‌دان فرانسوی همون ایده رو در ویرایش اول و دوم کتاب خودش به نام “آشکار سازی نظام جهان” مطرح کرد. این مطالب در ویرایش های بعدی کتاب حذف شد.
مفهوم این ستاره‌های تاریک در صده ۱۹ (میلادی) توجه زیادی رو به خودش جلب نکرد چون فیزیکدان ها نمی‌تونستن درک کنن که نور که یک موج و بدون جرمه چگونه ممکنه تحت تأثیر نیروی گرانش قرار بگیره.
دو مدل سیاهچاله وجود داره:
- Schwarzschild – سیاهچاله های ثابت
- Kerr – سیاهچاله های چرخان
سیاهچاله های “شوارتزشیلد” ساده ترین مدل هستن که هسته اون ها حالت چرخشی نداره. این مدل سیاهچاله ها فقط یک تکینگی و یک افق رویداد دارن.
سیاهچاله Kerr، که معمولی ترین مدل سیاهچاله هاست، حالت چرخان دارن، چرا که ستاره ی قبلشون (که الان تبدیل به هسته شده) در حال چرخش بوده. وقتی که ستاره چرخان از هم فرو می پاشه، هسته به چرخش خود ادامه میده و این اتفاق زمانی که تبدیل به سیاهچاله میشه هم بنا به قانون “پایستگی تکانه زاویه ای”، ادامه داره. سیاهچاله “Kerr” از موارد زیر تشکیل شدن:
- تکینگی – هسته ی ستاره ی منهدم شده
- افق رویداد – ورودی سیاهچاله
ارگوسفر یا کارکُره – ناحیه ای تخم مرغی شکل در ناحیه ای از فضاست که دور تا دور افق رویداد رو پوشونده. ارگوسفر همون ناحیه ایه که همه چیز کشیده شده به نظر میرسه. در این قسمت، فضا به درون کشیده میشه ولی هنوز چیزی به درون سیاهچاله هدایت نشده. ارگوسفر به خاطر چرخش سیاهچاله ایجاد میشه.
حد استاتیک – مرز میان ارگوسفر و فضای حقیقی
اگر جسمی وارد ارگوسفر بشه همچنین میتونه با به دست آوردن انرژی از چرخش تکینگی از سیاهچاله خارج بشه. با این حال، هر چیزی که از افق رویداد بگذره به درون سیاه چاله کشیده شده و هیچ وقت نمیتونه از اون خارج بشه. کسی نمی‌دونه که درون سیاه چاله چه اتفاقی رخ میده؛ حتی تئوری های فعلی فیزیکی ما نزدیک به یک تکینگی هم نیست.
با اینکه ما نمی‌تونیم سیاهچاله رو ببینیم اما سه چیز رو در ارتباط با اون می تونیم اندازه بگیریم: جرم، بار الکتریکی، سرعت چرخش (تکانه زاویه ای).
جرم یک سیاهچاله رو تنها از طریق سرعت گردش اجرام به دورش میشه محاسبه کرد. اگر سیاه چاله به دنبالش همراهانی داشته باشه (برای مثال یک ستاره دیگه یا اجرام آسمونی عظیم) میشه شعاع چرخش یا سرعت مدار اطراف سیاه چاله رو اندازه گرفت. ستاره شناسان با استفاده از قانون “سوم کپلر” جرم یک ستاره رو اندازه می گیرن.
شاید نتونیم سیاه چاله رو مثل تصویر های خیالی فوق ببینیم ولی حضورش رو میشه با استفاده از اندازه گیری اثراتش روی اجسام اطراف میشه متوجه شد. طالبته به طریق زیر:
قرص برافزایشی بسیار داغ و چرخون اطراف ی سیاهچاله که شامله مواد در حال سقوط به درونه، آشکارترین نشانه برای شناسایی سیاه چاله‌هاست. به خاطر حفظ تکانه زاویه‌ای گازهایی که به چاه گرانشی یک جسم پرجرم سقوط می‌کنن ساختاری قرص مثل در اطراف جسم ایجاد می‌کنن. اصطکاک درون قرص باعث میشه تا تکانه زاویه‌ای به سوی بیرون منتقل بشه و ماده بیشتر به سمت داخل سقوط میکنه و انرژی پتانسیلی آزاد میکنه که دمای گاز رو افزایش میده.
دوتایی‌های پرتو ایکس یا ستاره‌های دوتایی که در قسمت پرتو ایکس طیف، روشن هستن. این تابش‌های پرتو ایکس گمان میره که توسط یکی از ستاره‌ها ایجاد میشه که جسمی فشرده و ماده رو از ستاره معمولی همراهش افزایش پیدا میکنه. حضور ی ستاره معمولی در این منظومه های دوتایی موقعیتی منحصر به فرد برای مطالعه جسم دیگه و بررسی سیاه چاله بودن اون در اختیار میزاره.
اگه همچین منظومه‌ای سیگنال‌هایی منتشر کنه که ردش مستقیماً به جسم فشرده برسه، این جسم نمی تونه سیاه چاله باشه؛ هر چند که نبودن این سیگنال هم احتمال ستاره نوترونی بودن جسم فشرده رو از بین نمی‌بره. با مطالعه ستاره ندیم (همراه) اغلب میشه پارامترهای مداری منظومه رو بدست آورده و تخمینی برای جرم جسم فشرده ارائه کرد. اگه این جرم به میزان قابل توجهی از حد “تولمن-اوپنهایمر-وولکوف” (که در واقع حداکثر جرم ممکن برای یک ستاره نوترونی پیش از رُمبشه) بیشتر باشه، دیگ این جسم نمیتونه ستاره نوترونی باشه و فکر عمومی بر سیاهچاله بودنشه.
انتشار پرتو ایکس از قرص‌های برافزایشی در بسامدهای مشخصی دچار سوسو زدن می‌شود. این سیگنال‌ها رو نوسان های نیمه متناوب می نامن. حدس می‌زنن که این سیگنال ها ناشی از حرکت ماده در لبه داخلی قرص برافزایشی باشن (درونی‌ترین مدار دایره‌ای پایدار) و به همین دلیل با جرم جسم فشرده مرتبطن. از این رو گاهی به عنوان راه جایگزینی برای تعیین جرم سیاهچاله‌های احتمالی به کار میرن.
اخترشناسان برای توصیف کهکشان هایی که ویژگی های غیرمعمولی مثل خط طیفی غیر معمولی و یا تابش‌های رادیوی بسیار قوی دارن، از واژه کهکشان فعال استفاده می‌کنن. مطالعات نظری و تجربی نشون دادن که فعالیت این هسته های کهکشانی فعال (AGN) رو میشه با استفاده از سیاه چاله های “کلان جرم” توضیح داد. این گونه مدل های هسته های کهکشانی فعال از یک سیاه چاله کلان جرم، یک قرص برافزایشی و دو فواره عمود بر قرص برافزایشی تشکیل میشن.
تغییر شکل فضا-زمان در اطراف یک جسم سنگین سبب میشه که پرتو های نور شبیه به اونچه که در یک عدسی نوری رخ میده، هم گرا بشن. این پدیده به نام همگرایی گرانشی خونده میشه. مشاهداتی از یک همگرایی گرانشی بسیار ضعیف صورت گرفته که فوتون ها رو تنها به اندازه چند ثانیه قوسی خم میکنه. هرچند که این پدیده هیچ وقت مستقیماً برای یک سیاهچاله مشاهده نشده. یک راه ممکن برای مشاهده همگرایی گرانشی توسط یک سیاهچاله میتونه مشاهده ستاره ها در مدار پیرامون سیاهچاله باشه. چندین نامزد مختلف برای همچین مشاهداتی در ناحیه کمان-ای وجود دارن.
یکی از راه های کشف سیاه چاله ها استفاده از امواج گرانشیه که هنگام فروپاشی گسیل می‌دارن. هر جرم اختری از دید شکل نا متقارن تشعشع ممکنه ی منبع قابل اکتشاف مشخص به وجود آورده. جوزف وبر از دانشگاه مریلند، پیشکسوت رشته تشعشع گرانشی، رویداد های زیادی رو کشف کرده که نمایان گر ویرانی وسیع ماده در جهانه، از راه فرو پاشی گرانشیه. کار افزارش عبارته از آنتن های آلومینیومی، ابزاری که به وسیله سیم هایی در داخل اتاق‌های حفاظ داری آویزونن. این کارافزارش قادر به کشف سیاهچاله هست، اما این کار رو نمیتونه بدقت انجام بده.
“نیکدوم پاپلاوسکی”، فیزیکدان نظری از دانشگاه ایندیانا پیشنهاد کرده که ممکنه جهان ما درون سیاه چاله ای قرار گرفته باشه که خودش در جهانی بزرگتر واقع شده. نظریه پاپلاوسکی جایگزینی برای نظریه وجود تکینگی گرانشی در سیاهچاله هاست. پاپلاوسکی ی توضیح نظری بر پایه ی پیچش فضا-زمان ارائه میده. پاپلاوسکی پیشنهاد میکنه که اگر چگالی ماده در یک سیاهچاله به ۱۰۵۰ کیلوگرم بر متر مکعب برسه، پیچش به عنوان نیرویی به مقابله با گرانش تبدیل میشه و به جای تشکیل تکینگی، مثل فنر فشرده‌ای که بهش فشار وارد شده باز میشه.اون عنوان کرده که میزان خیلی زیادی پیچش ممکنه دلیل انبساط کیهانی باشه.
علاوه بر این این نظریه پیشنهاد میده که هر سیاهچاله‌ای یک کرم‌چاله میشه که در برگیرنده جهان در حال انبساط جدیدیه که از یک جهش بزرگ در سیاه چاله بوجود اومده؛ پس سیاه چاله های مرکز کهکشان ها ممکنه پل هایی به جهان‌های دیگه باشن. پس جهان خود ما هم ممکنه درون سیاه چاله ای باشه که خودش توی جهانی بزرگتر قرار گرفته که پیش تر از این توسط راج پاتیرا مطرح شده بوده.
سیاه‌چاله‌ها برخلاف تصور نادرست ایجاد شده از اونها، هر اونچه در اطراف اونهاست رو به درون خود نمی مکشه. برای مثال اگر خورشید با یک سیاهچاله با همین جرم جایگزین میشد، شعاع مدارهای سیارات تغییری نمی‌کرد. به شرطی که جرم ثابت می بود!
