در سال ۱۹۶۹ جان ویلر [1] ، دانشمند آمریکایی، عبارت " سیاه‌چاله " را برای به تصویر کشیدنِ ذهنی از یک ایده علمی بسیار قدیمی بکار برد، نامی که تا به امروز ماندگار شده است البته این حفره تاریک خودِ سیاه‌چاله نیست بلکه تاثیر گرانش آن است که به آن سایه سیاه‌چاله گفته می‌شود در واقع گرانش پرقدرت سیاه‌چاله باعث می‌شود تا پرتوهای نورِ موادی که در اطراف این سیاه‌چاله قرار دارند خمیده شده و به سمت ما بیایند در نتیجه یک فضای خالی در جایی که خودِ سیاه‌چاله قرار دارد ایجاد می‌شود. س

 در سال ۱۷۸۳ یک زمین‌شناس به نام جان مایکل [2] در مقاله‌ایی اشاره کرد که اگر ستاره‌ای به‌ قدر کافی پرجرم و متراکم باشد دارای چنان میدانِ گرانشیِ نیرومندی خواهد بود که نور نمی‌تواند از آن بگریزد. کشش گرانشی ستاره، هر نوری را که از سطح ستاره گسیل شده باشد را قبل از آن که بتواند خیلی دور شود به عقب باز می‌گرداند و چون نوری از این ستاره به ما نمی‌رسد قادر به مشاهده آن نیستیم اما می‌توانیم نیروی گرانش آن‌ را احساس کنیم. این اجرام همان چیزهایی هستند که اکنون سیاه‌چاله‌ها می‌نامیم. س

در فیزیک مدرن، زمان، بعد چهارم جهان محسوب می‌شود. از نظر اَینشتین نمی‌توان دو مفهوم فضا و زمان را از هم جدا کرد و هندسه جهان چهار بعدی می‌باشد ،سه بعد فضا و یک بعد زمان، او در تئوری نسبیت این هندسه را فضا‌‌-‌زمان نامید. گرانش یا جاذبه در این تئوری انحنایی در فضا‌‌-‌زمان است، این انحنا را جرم ایجاد می‌کند و هر چه جرم جسمی بیشتر باشد انحنای بزرگتری در فضا‌‌-‌زمان ایجاد می‌‌شود.س

چند ماه بعد از ارائه نظریه نسبیت عام اینشتین، کارل شوارتزشیلد [3] ، دانشمند آلمانی، اولین و مهم‌ترین جواب برای معادلات پیچیدۀ زیربنایی نسبیت عام را یافت که نشانگر یک سیاه‌‌‌‌‌‌‌چاله کروی بود. بر اساس این نظریه ماده یا جرم می‌تواند منجر به خمیده شدن بافت فضا‌‌-‌زمان شود حال اگر جرمی به اندازه کافی چگال باشد یعنی یک کلان جرم با حجم بسیار خرد می‌تواند میزان خمیدگی فضا‌‌-‌زمان را به حد بی‌نهایت برساند ، این نقطه با چگالی بی‌نهایت را اصطلاحاً تکینگی می‌نامند و در اطراف این جرم مرز مشخصی وجود دارد که به آن افق رویداد می‌گویند شعاع منطقه افق رویداد سیاه‌چاله به جرم بستگی دارد و بر طبق معادلات متریک محاسبه می‌شود که به شعاع شوارتزشیلد معروف است در حقیقت محدوده افق رویداد نهایت جایی است که ممکن است شانسی برای فرار از نیروی گرانشی قدرتمند نقطه تکینگی وجود داشته باشد البته برای توضیح این موقعیت و درک تکینگی باید از نظریه کوانتومی گرانش کمک بگیریم ولی هنوز چنین تئوری کاملی در اختیار نداریم. س

در حقیقت سیاه‌چاله یک منطقه در فضا با نیروی گرانشی بسیار قوی است که هیچ چیز حتی نور نمی‌تواند از آن بگریزد البته این تعریف از سیاه‌چاله بر اساس نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین شکل گرفته است ولی استفان هاوکینگ معتقد بود که پرتوها می توانند از سیاه‌چاله‌ها بگریزند که این امر بر اساس قوانین مکانیک کوانتوم است در واقع وقتی یک سیاه‌چاله نیمی از یک جفت ذره‌ ـ‌ پاد ذره را می بلعد، بخش دیگر ذره به شکل پرتو یا تابش در فضا پرتاپ می‌شود این پرتوها به نام خود هاوکینگ معروف هستند. بر طبق این نظریه تابش‌های هاوکینگی باعث کاهش جرم و انرژی سیاه‌چاله می‌شوند به همین دلیل سرانجام سیاه‌چاله‌ها از بین می‌روند که به آن تبخیر سیاه‌چاله می‌گویند.س

جرم و اندازه سیاه‌چاله نوع آن را تعیین می‌کند تاکنون سه نوع سیاه‌چاله شناسایی شده است که از طریق روش‌های مختلف تشکیل شده‌اند:س

س ۱- سیاه‌چاله‌های آغازین، دانشمندان معتقدند که این نوع سیاه‌چاله‌ها به اندازه یک تک اتم با جرم یک کوه بزرگ می‌باشند و به نظر می‌رسد که سیاه‌چاله‌های آغازین پس از مهبانگ یا بیگ بنگ [4] در ابتدای شکل‌گیری جهان بوجود آمده باشند. س

س ۲- سیاه‌چاله‌های ستاره-جرم، شایع‌ترین نوع سیاه‌چالهِ‌ سایز متوسط سیاه‌چاله‌های ستاره-جرم هستند که جرمی حدوداً ۲۰ برابر بزرگتر از جرم خورشید دارند و می‌توانند در داخل یک کره با قطر حدوداً ۱۶ کیلومتر قرار بگیرند این سیاه‌چاله‌ها زمانی شکل می گیرند که مرکز یک ستاره بسیار عظیم رُمبش یا به درون فرو‌پاشی نماید.س

س ۳- سیاه‌چاله‌ها کلان-جرم، این سیاه‌چاله‌ها جرمی بیش از یک میلیون برابر خورشید دارند و در داخل یک کره با قطر حدوداً به اندازه کل منظومه شمسی قرار می‌گیرند. س

شواهد علمی نشان می دهد که هر کهکشان بزرگ دارای یک سیاهچاله کلان-جرم در مرکز آن است. سیاه چاله کلان-جرم در مرکز کهکشان راه شیری کمان یا قوس اِی [5] نامیده می‌شود که جرمی حدوداً ۴،۳ میلیون برابر خورشید دارد و در داخل یک کره با قطر حدوداً به اندازه خورشید است. دانشمندان بر این باورند که سیاه‌چاله‌های کلان-جرم در زمان شکل‌گیری کهکشان‌ها تشکیل شده‌اند و اندازه این نوع سیاهچاله‌ها به اندازه و جرم کهکشانی که در آن واقع شده‌‌اند بستگی دارد. س

انحنا یا خمیدگی در بافت فضا‌‌-‌زمان در واقع موقعیت جسم را مشخص می‌نماید. وقتی جسمی حرکت می‌کند، انحنایی که در فضا‌‌-‌زمان ایجاد می‌کند هم حرکت می‌کند که باعث ایجاد نوعی موج می‌شود. در ساختار فضا‌‌-‌زمان، این موج، موج گرانشی نامیده می‌شود وجود این نوع از امواج توسط آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۵ از طریق نظریهٔ نسبیت عام ‌بطور نظری پیش‌بینی شده بود و صدسال بعد به کمک رصدخانه موج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری یا به اختصار لایگو [6] بطور تجربی مشاهده گردیدند. در واقع لایگو یک آزمایش بزرگ فیزیکی با هدف آشکارسازی مستقیم امواج گرانشی است و در سال ۲۰۱۶ اولین موج گرانشی حاصل از ترکیب دو سیاه‌چاله با هم مشاهده شده، دو سیاه‌چاله با جرم‌های تقریبی ۳۶ و ۲۹ برابر جرم خورشید، و در فاصلهٔ تقریبی حدود ۳٫۱ میلیارد سال نوری از زمین که موج گرانشی ثبت شده ناشی از تبدیل جرمی معادل با سه برابر جرم خورشید به انرژی در هنگام ترکیب دو سیاه‌چاله با یکدیگر بود. س

گاز، گردوغبار و سایر بقایای ستاره‌‌‌ای که در نزدیکی مرز افق رویداد سیاه‌چاله قرارگرفته‌اند تشکیل نواری پهن از ماده‌ای در حال چرخش در اطراف افق رویداد را می‌‌دهند که قرص یا دیسک بر‌افزایشی نامیده می‌‌شود‌ این دیسک قابل روئیت است زیرا ذرات در حال چرخش به خاطر گرانش قوی سیاه‌چاله، سرعت و شتاب بسیار بالایی‌ دارند و تا دمای چند میلیون درجۀ کلوین گرم می‌شوند این به نوبه خود منجر به گسیل پرتو‌های قوی ایکس و تابش‌های رادیویی می‌‌شود در دهه‌های اخیر تحقیقات زیادی بر روی پرتوهای گسیل شده از سیاه‌چاله‌ها انجام شده است بعنوان نمونه در سال ۱۹۶۴منبع درخشان پرتو ایکس به نام سیگنوس‌ایکس-1 [7] شناسایی شد بعد از حدوداً ده سال یک منبع از امواج رادیویی در همان منطقه از صورت فلکی کشف شد که بعنوان یک همدم نامرئی برای سیگنوس‌ایکس-1 معرفی شد که با هم یک دوتایی پرتو ایکس پر جرم را تشکیل می‌دهند.س

سیگنوس‌ایکس-1 حدود ۶۰۰۰ سال نوری از زمین فاصله دارد و جرم آن ۱۴،۸ برابر خورشید است و شامل یک اَبَرغول آبی متغیر و یک دیسک برافزایشی است که اشعه ایکس ایجاد می‌کند و احتمالاً اولین سیاه‌چاله کشف شده می‌باشد همچنین در سال ۱۹۷۴ محققان با کمک رادیو تلسکوپ گرین بَنک [8] توانستند تابش‌های پرقدرت رادیویی را ثبت کنند که از مرکز راه شیری نشأت می‌گرفت، دانشمندان گمان می‌کنند که سیاه‌چاله کلان‌-‌جرم راه شیری جایی در میان صورت فلکی قوس به نام قوس‌اِی می‌باشد و همه کهکشان ما به دور آن در حال گردش است. س

گرانش پرقدرت سیاه‌چاله همه چیز را در خودش فرو می‌کشد بعنوان نمونه گاز، گردوغبار و حتی ستاره‌ها را می‌بلعد اما بعضی ماده‌های بلعیده شده با سرعت نزدیک به سرعت نور به بیرون پرتاب می‌شوند این مواد در میان ستون‌های میدان مغناطیسی قوی سیاه‌چاله محصور شده و بصورت جِت‌ها یا ذرات پرانرژی از قطب‌های سیاه‌چاله به بیرون پرتاب می‌شوند که به فواره‌های نسبیتی معروف هستند. در سال ۲۰۱۵ اخترشناسان برای نخستین بار موفق به اندازه‌گیری سرعت جت‌ها پس از خروج از سیاه چاله شدند، در منظومه دوتایی موسوم به ویی۴۰۴ سیگ ‌اِن ‌آی [9] در فاصله ۷۸۰۰ سال نوری از زمین یک ستاره و یک سیاهچاله قرار دارند که به دور یکدیگر می چرخند این سیاه‌چاله دارای جرمی معادل هفت برابر خورشید می‌باشد. دانشمندان توانستند تاخیر ۰٫۱ ثانیه‌ای بین انتشار پرتوهای ایکس از منبع جت‌ها و پرتو روشن نور مرئی حاصل از حرکت جت‌ها به سمت ستون‌های میدان مغناطیسی را اندازه‌گیری کنند. س

سیاه‌چاله‌ها از معدود مواردی در تاریخ علم هستند که نظریۀ آنها با جزئیات کامل از طریق مدل ریاضی ارائه شد و تکامل یافت، بی‌آنکه هیچ‌گونه مشاهده‌ای صحت آن را تأیید کند ولی در دهم آوریل ۲۰۱۹ با انتشار اولین تصویر واقعی و فیزیکی از افق رویداد یک سیاه‌چاله به این نتیجه رسیدیم که تا چه حد مدل‌های ریاضی ما از عالم دقیق بوده است. تلسکوپ افق رویداد [10] به منظور تصویربرداری از سایه سیاه‌چاله‌ از هشت تلسکوپ‌ رادیویی در سرتاسر جهان بهره برد. این شبکه با جمع‌آوری داده‌های مورد نیاز به مانند یک تلسکوپ بزرگ و واحد عمل کرد. هدف تلسکوپ افق رویداد این است تا از سیاه چاله‌های غول‌آسا که جرمشان میلیون‌ها تا میلیاردها برابر جرم خورشید است عکس بگیرد مانند سیاهچالۀ رصد شده در مرکز کهکشان مسیه یا اِم ۸۷ [11] با جرمی تقریبا ۶،۵ میلیارد برابرِ جرم خورشید با فاصله حدود ۵۵ میلیون سال نوری از زمین. س

صدها دانشمند از سراسر جهان با بکارگیری تلسکوپ‌های پرتو ایکس چاندرا [12] ،نُواستار [13] ،سویفت [14] و فِرمی [15] جهت رصد پرتوهای ایکس و گامای سیاه‌چاله‌ها و همچنین دستگاه جستجوگر ترکیب درونی ستاره‌ نوترونی یا به اختصار نایسر [16] در ایستگاه فضایی بین‌المللی همراه با تلسکوپ افق رویداد سعی بر یافتن رازهای نهان و درک ماهیت مرموز سیاه‌چاله‌ها دارند شاید در آینده‌ای نزدیک موفق به کشفِ تقدم وجود سیاه‌چاله‌های کلان‌-‌جرم بر کهکشان‌ها یا برعکس شوند. س

 

زمانی که آلبرت اَینشتَین نظریه نسبیت عام خود را مطرح ساخت، نظریه منسجمی در زمینه اثر گرانش بر روی نور وجود نداشت البته هنوز هم معلوم نیست که گرانش چگونه با مکانیک کوانتومی پیوند می‌خورد. صفت سیاه در نام سیاه‌چاله برگرفته از این واقعیت است که همه نوری که از افق رویداد آن می‌گذرد را به دام می‌اندازد که از این دیدگاه سیاه‌چاله رفتاری شبیه به جسم سیاه در ترمودینامیک دارد از سوی دیگر بر اساس نظریه میدان‌های کوانتومی افق‌های رویداد تابشی به نام تابش هاوکینگ گسیل می‌کند در حقیقت تقابل نظریه اینشتن و نظریه هاوکینگ در اینجا شکل گرفت و در ادامه با مطرح شدن پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله پیچیده‌تر شد. بر اساس اصول مکانیک کوانتوم، همه چیز در جهان می‌تواند به اطلاعات تجزیه شود و بر اساس این قوانین، اطلاعات هرگز نابود نمی‌شوند در حالیکه بر اساس نظریه نسبیت عام هر آنچه به درون سیاه‌چاله سقوط کند اطلاعات آن نیز از بین می‌رود اما این مورد با قوانین فیزیک کوانتوم تناقض دارد.س

در حال حاضر یکی از مرموزترین مسائل فیزیک مدرن این است که اطلاعات کوانتومی چیزی که به درون سیاه‌چاله سقوط می‌کند چه می‌شود؟ به نظر می‌رسد نباید انتظار پاسخی ساده برای این اجرام فوق‌العاده عجیب داشته باشیم.س

تحقیق و پژوهش: راز شیدایی