سیاهچاله‌ و هر آنچه باید در مورد آن بدانید

اکثر دانشمندان تصور می‌کنند که سیاهچاله یک «تکینگی» است. همه‌ی ماده از هر منبعی که جرم سیاهچاله را تامین کرده است، در یک نقطه فشرده می‌شود که چگالی بی‌نهایت دارد. اگر قرار بود در یک سیاه چاله سقوط کنید، در ابتدا شما توسط «نیروهای کشندی» کشیده و سپس تا حد هیچ شدن، خرد و فشرده می‌شدید و سرانجام ماده‌ی شما به «افق رویداد» سیاه‌چاله افزوده می‌‌شد. در آخر شما به عنوان «تابش هاوکینگ» در فضا منتشر می‌شدید. محاسبات استیون هاوکینگ، نشان داده است که سیاه‌چاله‌ها از خود فوتون ساطع می‌کنند.

با انجام این کار سیاهچاله جرم از دست می‌دهد زیرا براساس معادله‌‌ی معروف اینشتین E=mc2، انرژی و جرم برابرند. سیاهچاله‌ها درنهایت تبخیر می‌شوند اما برای اتمام این روند باید زمان بسیار طولانی منتظر شوید. یک سیاه‌چاله با جرم خورشید، که با استانداردهای کیهانی کوچک محسوب می‌شود، حدود ۸۷ به توان ۱۰ سال طول می‌کشد تا تبخیر و به اشعه‌ی گاما تبدیل شود. در جامعه‌ی علمی هنوز بر سر سرعت تبخیر سیاه‌چاله اتفاق نظر وجود دارد، زیرا اشعه‌ی هاوکینگ هیچ اطلاعاتی در مورد میزان اولیه ماده موجود در سیاه‌چاله، ارائه نمی‌کند، اما واقعیت ساطع شدن به شکل اشعه هنوز هم چندان جالب نیست.

در نقاط دورتر از سیاهچاله، آثار گرانشی آن مانند هر جسم معمولی، هم‌جرم آن است. هرگاه ستاره‌ای برمبد و به سیاهچاله تبدیل شود، بر مدار سیاره‌ها اثری نمی‌گذارد اما در نزدیکی سیاهچاله، تغییرها در اجرام، حیرت‌انگیز است. به‌محض ورود به سیاه‌چاله، ممکن است واقعیت به دو صورت اتفاق بیفتد. در حالت اول فورا می‌سوزید و به خاکستر تبدیل می‌شوید و در حالت دیگر بدون هیچ صدمه‌ای وارد سیاه‌چاله می‌شوید. سیاه‌چاله جایی است که قوانین فیزیکی شناخته شده در آن از کار می‌افتند. اینشتین در تئورینسبیت عام به ما آموخت که گرانش، فضا- زمان را تاب می‌دهد و آن را خمیده می‌کند. ستاره‌های سنگینی که سوختشان تمام شده است می‌توانند چنین چگالی را فراهم کنند تا چنین چاله‌هایی خلق شوند. میدان گرانشی آن به‌قدر قوی می‌شود که دیگر نور هم نمی‌تواند از آن بگریزد و منطقه‌ای کاملا تاریک را ایجاد می‌کند.

نیروی گرانش، نزدیک یک سیاهچاله بسیار قوی است چرا که همه‌ی ذرات سیاهچاله در یک نقطه در مرکز آن متمرکز شده‌اند. فیزیک‌دانان به این نقطه، نقطه تمرکز (singularity) می‌گویند و بر این باورند که اندازه‌ی آن از هسته یک اتم نیز کوچک‌تر است. به سطح یک سیاهچاله افق رویداد می‌‌گویند؛ این سطح یک سطح معمولی قابل دیدن یا لمس کردن نیست. در افق رویداد، کشش نیروی گرانش بی‌نهایت قدرتمند است. یک شی در این منطقه تنها برای لحظه‌ای می‌تواند حضور داشته باشد و سپس در ذرات نور غرق می‌شود و فرو می‌رود.

ستاره‌شناسان برای تعیین اندازه‌ی یک سیاهچاله، شعاع افق رویداد را اندازه می‌گیرند. شعاع یک سیاهچاله بر حسب کیلومتر برابر است با سه برابر جرم خورشیدی اجرام موجود در سیاهچاله؛ جرم خورشید برابر است با یک جرم خورشیدی. هیچ سیاهچاله‌ای به‌طور دقیق هنوز کشف نشده است. انحنای شدید موج نور و کند شدن بیش از حد زمان می‌توانند دو نمونه از آثار وجود یک سیاهچاله باشند. اما ستاره شناسان اجرام فشرده‌ای را یافته‌‌اند که با کمی تردید می‌توان آنها را سیاهچاله فرض نمود.

انواع سیاهچاله‌ها از نظر جرم

سیاهچاله‌های ستاره‌ای

وقتی یک ستاره به سال‌های پایانی عمر خود می‌رسد و در حال سوزاندن ذخایر پایانی سوخت خود است و عمدتا سرنوشتی جز درون‌ریزی گرانشی نخواهد داشت، هسته‌ی ستاره‌های کوچک که جرمی بیش از سه برابر جرم خورشید دارند، در پایان عمر بستری برای تشکیل یک «ستاره‌ی نوترونی» و یا یک «کوتوله‌ی سفید» خواهند شد، اما وقتی درون‌ریزی گرانشی در پایان عمر یک ستاره‌ بزرگ‌تر رخ دهد، سرانجام به یک سیاهچاله‌ی ستاره‌ای تبدیل می‌شود. این سیاهچاله‌ها از «رمبش گرانشی» ستاره‌های بزرگ شکل می‌گیرند. جرم اینگونه از سیاهچاله‌ها بین سه تا چند ده برابر خورشید است.

سیاهچاله‌های کلان‌جرم

یک سیاهچاله کلان‌جرم میلیون‌ها و یا حتی میلیاردها بار جرم بیشتری نسبت به خورشید دارد، اما مورد حیرت‌انگیز این است که شعاع آن تقریبا با شعاع ستاره‌ی میزبان سیاره ما برابری می‌کند. گفته می‌شود که سیاهچاله‌ها تقریبا در مرکز هر کهکشانی، همانند کهکشان راه شیری ما، قرار گرفته باشند. دانشمندان از چگونگی تولد سیاهچاله‌های عظیم اطمینان ندارند. یکی از فرضیه‌ها این است که آنها با جمع‌آوری غبار و گاز‌های کیهانی که در مرکز کهکشان‌ها به‌وفور یافت می‌شوند، موفق شده‌اند تا چنین اندازه‌های عظیمی رشد کنند. سیاهچاله‌های کلان جرم در واقع جرمی تا میلیاردها برابر خورشید ما دارند و در مرکز بیشتر کهکشان‌ها وجود دارند.

برای مثال در مرکز کهکشان راه شیری، در فاصله ۲۷۰۰۰ سال نوری یک سیاهچاله‌ی کلان‌جرم وجود دارد یا در مرکز کهکشان آندرومدا، که ۲٫۵ میلیون سال نوری از زمین فاصله دارد، سیاهچاله‌ای بزرگ‌تر از سیاهچاله‌ی کهکشان ما وجود دارد. همچنین ممکن است سیاهچاله‌های کلان‌جرم در نتیجه‌ی ادغام صدها و شاید هزاران سیاهچاله کوچک شکل گرفته‌ باشند. ابرهای گازی بزرگ نیز به نوبه‌ی خود می‌توانند در چنین برخورد‌هایی میان کهکشان‌های کوچک و تسریع افزایش جرم کلان‌جرم‌ها، سهم زیادی داشته باشند. عامل سوم در پیدایش سیاهچاله‌های کلان‌جرم می‌تواند درون‌ریزی یک خوشه‌ی ستاره‌ای باشد، به عبارت دیگر دسته‌ای از ستاره‌ها که زمان تولد یکسانی داشته‌اند، همزمان با یکدیگر فرو می‌ریزند.

سیاهچاله‌های جرم متوسط

دانشمندان مدت‌ها پیش سیاهچاله‌ها را تنها در دو نوع بزرگ و کوچک دسته‌بندی می‌کردند. اما یافته‌های اخیر نشان می‌دهد که امکان وجود سیاهچاله‌هایی با اندازه متوسط و بسیار کوچک، نیز وجود دارد. چنین اجرامی می‌توانند هنگام تصادم بین خوشه‌های ستاره‌ای و در طول یک سری واکنش‌های زنجیره‌ای تشکیل شوند. تعداد زیادی از این سیاهچاله‌ها در یک ناحیه مشخص می‌توانند در مرکز کهکشان با یکدیگر ادغام شوند و یک سیاهچاله کلان‌جرم را پدید آورند. در واقع شکاف بین سیاهچاله‌های معمولی و سیاهچاله‌های کلان‌جرم، اخترشناسان را وادار به جست‌و‌جوی سیاهچاله‌هایی تا صدها هزار برابر خورشید ما کرد. یکی از راه‌های مشاهده‌ی آنها یافتن منابع اشعه با شدت زیاد است. منابع فوق درخشان پرتو ایکس در کهکشان‌های نزدیک ممکن است، سیاهچاله‌ی جرم متوسطی باشد.

ریز سیاهچاله‌ها

این اجرام سیاهچاله‌های بسیار کوچکی هستند. جرم آنها به‌قدری کم است که در اثرات مکانیک کوانتومی اهمیت زیادی پیدا می‌کند و از این رو به‌نام سیاهچاله‌های مکانیک کوانتومی نیز شناخته می‌شوند. محاسبات هاوکینگ بر این اساس است که هر چه سیاهچاله کوچک‌تر باشد سرعت تبخیر آن بیشتر می‌‌شود و در نهایت منفجر می‌شوند؛ یعنی سیاهچاله‌ها در پایان عمر خود تبخیر می‌شوند.

انواع سیاهچاله‌ها از نظر چرخش و بار

بر پایه‌ی نظریات اخترشناختی اگر یک سیاه‌چاله حرکت مداری داشته باشد، آغاز به کشیدن فضا-زمان به دور افق رویداد می‌کند. این گردش فضا به دور افق رویداد را کارکره (ergosphere) گویند و شکل بیضوی دارد. در کارکره اجسام می‌توانند وجود داشت ه‌باشند و به‌ درون سیاه‌چاله سقوط نکنند چرا که این کره بیرون از افق رویداد قرار دارد.

سیاهچاله‌ها از نظر بار یا دارای بار هستند (Q≠۰) و یا دارای بار نیستند (Q = 0). از نظر تکانه‌ی زاویه‌ای که چرخش سیاهچاله را مشخص می‌کنند یا چرخان‌اند (J>0) و یا دارای چرخش نیستند (J=0). کارل شوارتزشیلد (Karl Schwarzschild) کسی بود که چند ماه بعد از فرمول‌بندی نسبیت عام اینشتین و انتشار آن، اولین راه‌حل دقیق را برای میدان‌های گرانشی پیدا کرد و نشان داد که سیاهچاله‌ها به‌صورت تئوری می‌توانند وجود داشته باشند. به همین علت راه‌حل مربوط به سیاهچاله‌ی بدون بار و چرخش را به افتخار وی نامیدند. «سیاهچاله‌های چرخان» یکی از راه‌حل‌های «معادله‌ی میدان اینشتین» است. دو راه‌حل دقیق و شناخته شده وجود دارد، راه‌حل کر و کر‌-نیومن که نماینده‌ی دو نوع سیاهچاله‌ی چرخان هستند.

رایسنر-نوردستروم (Reissner–Nordström metric) یک راه‌حل ایستا برای معادله‌ی میدان‌های اینشتین است که با میدان گرانشی غیر چرخنده‌ی باردار، متناظر است. سیاهچاله‌های چرخان نه‌تنها وجود دارند بلکه فیزیک‌دانان معتقدند تقریبا همه‌ی سیاهچاله‌ها دارای چرخش‌اند چراکه ستاره‌ای که در حال فروپاشی گرانشی است، چرخان است. ولی وجود سیاهچاله‌های باردار دور از ذهن است: دافعه‌ی الکتریکی که مانع فشرده شدن می‌شود بارش بیشتر از جاذبه گرانشی است و این مشکل جدی برای ایجاد سیاهچاله‌ی باردار می‌شود.

لایه‌های سیاهچاله

افق رویداد هر سیاهچاله، مرزی است در اطراف دهانه‌ی سیاهچاله که پرتو‌های نور امکان گریز ندارند و ناچار هستند به سمت مرکز آن حرکت کنند. هنگامی که یک ذره از افق رویداد گذر کند، امکان ترک این ناحیه را نخواهد داشت؛ چرا که در سراسر ناحیه، افق رویداد نیروی گرانش ثابت است. از ناحیه‌ی درونی سیاهچاله، جایی که بخش عمده‌ی جرم‌ آن وجود دارد، با نام تکینگی یاد می‌شود. نقطه‌ای مجرد در فضا-زمان که جرم سیاهچاله در آن متمرکز شده است. براساس قوانین فیزیک «مکانیک کلاسیک»، هیچ چیز نمی‌تواند از دام سیاهچاله‌ها خارج شود، اما وقتی پای «مکانیک کوانتوم» به این قضیه باز می‌شود، همه چیز تغییر می‌کند.

براساس مکانیک کوانتوم، برای هر ذره یک پادذره تعریف می‌شود؛ پادذره، خود ذره‌ای است که جرم برابر و بارالکتریکی مخالف با ذره‌ی متناظرش دارد. وقتی این دو به هم می‌رسند، مجموعه‌ای خنثی را به‌وجود می‌آورند. اگر یک مجموعه ذره-پادذره به افق رویداد یک سیاهچاله برسند، این امکان وجود دارد که یکی به درون سیاهچاله جذب و دیگری به بیرون رانده شود. نتیجه این می‌شود که افق رویداد سیاهچاله کاهش پیدا می‌کند و سیاهچاله رو به تجزیه شدن می‌رود. حال آنکه چنین فرآیندی در «فیزیک کلاسیک» پذیرفته نیست.

محاسبه‌ی جرم سیاه‌چاله‌ها

همه‌ی ما می‌دانیم که جرم سیاهچاله‌ها خیلی زیاد است اما اندازه‌گیری دقیق این جرم اهمیت زیادی دارد و دانشمندان زیادی به‌دنبال یافتن روشی برای محاسبه جرم سیاهچاله‌ها هستند. ظاهرا دست‌یابی به یک روش یا فرمول ثابت برای اندازه‌گیری جرم سیاهچاله‌ها ممکن نیست و به همین خاطر دانشمندان سیاهچاله‌ها را به‌صورت جداگانه بررسی می‌کنند. یک گروه پژوهشی سیاهچاله‌ی عظیمی را که در مرکز کهکشانی به‌نام “NGC 1097” قرار دارد، انتخاب کرده‌اند و موفق به اندازه‌گیری جرم آن شده‌اند.

جرم این سیاهچاله عظیم ۱۴۰ میلیون برابر جرم خورشید است. این سیاهچاله بزرگترین سیاهچاله‌ای نیست که در کیهان وجود دارد. این اندازه‌‌گیری براساس داده‌هایی جمع‌آوری‌شده توسط «پروژه‌ی آرایه میلیمتری بزرگ آتاکاما یا آلما»، انجام شد. روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری جرم یک سیاهچاله عظیم پیشنهاد شده است اما بیشتر این تکنیک‌ها پیچیده هستند. روشی که برای محاسبه‌ی جرم یک سیاهچاله‌ی عظیم در مرکز کهکشان بیضوی به‌کار می‌‌رود برای محاسبه‌ی جرم سیاهچاله‌ای که در مرکز یک کهکشان مارپیچی قرار دارد، کارایی ندارد. کهکشان NGC 1097 یک کهکشان مارپیچی–میله‌ای است و دانشمندان باید برای اندازه‌گیری جرم سیاهچاله آن از تکنیک خاصی استفاده می‌کردند.

تیم پژوهشی برای محاسبه جرم سیاهچاله، از حرکت‌شناسیگازهای مولکولی ناحیه مرکزی کهکشان که سیاهچاله را احاطه کرده‌اند، استفاده کرد. استفاده از داده‌های حرکت گازهای مولکولی مزیت‌های مهمی نسبت به استفاده از داده‌های گازهای یونیزه و ستاره‌ها دارد. حرکت تمام این گازها تحت تاثیر گرانش سیاهچاله‌های عظیم قرار دارد اما نیروهای دیگری هم منابع محیطی را منحرف می‌کنند. گازهای مولکولی کمتر از سایر گازها تحت تاثیر منابع منحرف‌کننده قرار دارند بنابراین حرکت آنها بیشتر ناشی از کشش گرانشی خود سیاهچاله است. همین ویژگی گازهای مولکولی را بهترین گزینه برای پیش‌بینی جرم سیاهچاله‌های عظیم می‌کند.

همگرایی گرانشی

تغییر شکل فضا-زمان در اطراف یک جسم سنگین سبب می‌شود که پرتوهای نور شبیه به آنچه که در یک عدسی نوری رخ می‌دهد، همگرا شوند. این پدیده به نام «همگرایی گرانشی» خوانده می‌شود. مشاهده‌هایی از یک همگرایی گرانشی بسیار ضعیف صورت گرفته‌ است که فوتون‌ها را تنها به‌اندازه‌ی چند «ثانیه قوسی» خم می‌کند. هرچند که این پدیده هرگز مستقیما برای یک سیاهچاله مشاهده نشده‌ است. یک راه ممکن برای مشاهده‌ی همگرایی گرانشی توسط یک سیاهچاله می‌تواند مشاهده‌ی ستاره‌ها در مدار پیرامون سیاهچاله باشد میکرولنزینگ یکی از اثرات متعددی است که در زمان عبور یک جسم بزرگ از جلوی جسم درخشان دیگر به‌وجود می‌آید.

پیش از این حتی کهکشان‌های بزرگی را نیز دیده‌ایم که نور کهکشان‌های دیگر را منحرف می‌سازند. گاهی اوقات جسم مقابل نور منبع پشتی را چندپاره می‌کند و چهار تصویر مختلف را به‌وجود می‌آورد که به آن «صلیب اینشتین» می‌گویند (تصویر بالا). اینشتین برای نخستین بار در نظریه نسبیت عام خود از مفهومی به نام «ریزهمگرایی گرانشی» (gravitational microlensing) سخن گفت و آن را اینطور توضیح داد که نیروی گرانش می‌تواند همانند یک عدسی عمل کند و نور را منحرف سازد. اساسا اجسام کلان‌جرم مانند ستاره‌های غول‌پیکر و سیاهچاله‌ها، زمان و مکان را در اطراف خود دستخوش تغییر می‌سازند. این انحراف در فضا-زمان می‌تواند همچون یک عدسی بزرگنما (ذره‌بین) عمل کند و مسیر نور را در حین عبور از میان جهان هستی تغییر دهد.

ریزهمگرایی یا میکرولنزینگ نوع خاصی از این پدیده است. در این حالت، ستاره‌ای که پشت جسم کلان‌جرم دیگری حرکت می‌کند، برجسته و درخشنده‌تر از حالت عادی می‌شود. طی ۲۰ سال گذشته از این پدیده برای جستجویسیاره‌های فراخورشیدی و ماده‌ی تاریک استفاده شده، چون در این حالت اجسام دوردست به‌صورت موقت پرنورتر می‌شوند و قابل مشاهده می‌گردند. اینشتین پیش‌بینی کرده بود اگر دو ستاره دقیقا روی یک راستا منطبق شوند، ستاره‌ی پشتی به شکل حلقه‌ای درخشان ستاره روبه‌رو را در بر خواهد گرفت. تاکنون چنین حلقه‌ی دقیقی که توسط دو ستاره‌ی خارج از منظومه‌ی شمسی تشکیل شده باشد را ندیده‌ایم و رخداد مشاهده شده توسط اخترشناسان در سال ۲۰۱۴ نزدیک‌ترین مورد به این فرضیه بوده است. از آنجا که ستاره‌ها دقیقا در یک راستا قرار نگرفته‌اند، شاهد جابه‌جایی در موقعیت ظاهری ستاره‌ی پشتی بودیم.

شکل‌گیری سیاهچاله‌ها

طبق نظریه نسبیت عام، یک سیاهچاله زمانی ایجاد می‌شود که یک ستاره‌ی سنگین سوخت هسته‌ای خود را به اتمام می‌رساند و پس از آن توسط نیروی گرانش خودش فشرده می‌شود. تا هنگامی‌ که ستاره در حال مصرف سوخت است، انرﮊی ناشی از آن تعادل ستاره را در برابر نیروی گرانش حفظ می‌کند. پس از اتمام سوخت ستاره دیگر قادر به تحمل وزن خود نیست در نتیجه مرکز ستاره دچار فروریختگی می‌شود. اگر جرم مرکز ستاره بیش از سه برابر جرم خورشید باشد، ظرف کمتر از یک ثانیه درون نقطه تمرکز فرو می‌ریزد.

عمومی‌ترین نوع سیاه­چاله، سیاه­چاله‌های ستاره­‌ای هستند و زمانی که یک ستاره به‌اندازه‌ی کافی تحت نیروی ناشی از گرانش در خود فرو ریزش می‌کند، شکل می­‌گیرد. همه‌ی ستاره‌ها طول عمری دارند که وابسته به میزان سوختی است که برای سوزاندن در اختیار دارند. بنابراین تا زمانی که سوخت دارند، می­‌توانند در برابر خرد شدن حتمی ناشی از گرانش مقاومت کنند. اما وقتی که سوختشان به پایان برسد، گرانش غلبه می‌کند و ستاره از داخل منفجر و به یک سیاه­چاله تبدیل می­‌شود. البته اینطور نیست که تمام ستارگان فروریخته به سیاه­چاله تبدیل گردند؛ همه چیز به اندازه و جرم آنها بستگی دارد.

مثلا خورشید ما برای اینکه به سیاهچاله تبدیل شود، به اندازه‌ی کافی بزرگ نیست. در مورد ستاره­‌ها، زمانی که بخواهند به سیاهچاله تبدیل شوند سایز آنها اهمیت پیدا می‌­کند. سیاه­چاله­‌های ستاره­‌ای تنها یک نوع از سیاه­چاله­‌ها هستند. همچنین سیاهچاله­‌های بسیار بسیار پرجرمی مانند سیاه­چاله واقع در مرکز کهکشان ما وجود دارند. این سیاه­چاله‌ها در حدود صدها هزار تا میلیاردها برابر اجرام خورشید ما هستند، و چگونگی شکل­‌گیری آنها هنوز در حاله­‌ای از ابهام باقی مانده است و پژوهش‌ها در این مورد ادامه دارد.

تشعشع‌ها

در سال ۱۹۷۰، استیون هاوکینگ توانست وجود اشعه‌ای را که از حاشیه‌ی سیاه‌چاله‌ها ساتع می‌شود، پیش‌بینی کند. یعنی برخلاف چیزی که تصور می‎کنیم، سیاه‌چاله‌ها آن‌قدرها هم خاموش نیستند. این تئوری، در زمان خود تنها جالب تلقی می‌شد و هیچ‌گونه شواهدی مبنی بر وجود چنین تابش‌هایی در دسترس نبود. امروزه فیزیکدانان می‌گویند که شاید در زمان مناسبی به دنبال این تابش‌ها نبوده‌ایم. به نظر می‌رسد در صورتی که پس از برخورد و ادغام دو سیاه‌چاله، آنان را بررسی کنیم می‌توان به وجود این تشعشعات پی برد.

تابش‌های هاوکینگ پیامدی طبیعی از انفجار خلا موجود است که در لبه‌های شکاف‌های بسیار عمیق یافت می‌شود. انرژی یک مکنده‌ی کیهانی عظیم مطلقا صفر نیست. ذرات می‌توانند در نتیجه‌ی ادغام این دو فضای تهی به‌وجود آیند و به یکدیگر بپیوندند. بلافاصله پس از این رخداد، با همان سرعتی که به وجود آمده‌اند، نیز از میان بروند. در لبه‌ی سیاه‌چاله، در صورتی که یکی از دو ذره، راه خود را به آن‌سوی سیاه‌چاله بیابند، ممکن است جفت خود را رها کند و در فضا رها شود. همان‌طور که انتظار داریم، نتیجه‌ی این رخداد نور خیره‌‌کنند‌ای نیست. با توجه به قرار گرفتن تحت جاذبه‌ی بسیار قوی، ممکن است انرژی این ذرات نادر به طول‌ موج‌های بلند که برای چشم انسانی قابل دیدن نیستند، کشیده شود؛ بنابراین پیدا کردن آنان بسیار دشوار است.

همه‌ی این عوامل سبب می‌شد که تابش هاوکینگ به یکی دیگر از تئوری‌های خوب در علم تبدیل شود. تیمی از پژوهشگران استرالیایی و کانادایی درصدد کشف راهی برای شناسایی سیگنال‌های فرضی این تشعشع‌ها برآمدند. قبل از ادغام دو سیاهچاله، آنان انرژی فراوانی را در قالب امواج گرانشی آزاد می‌کنند. شاید از خود بپرسید مقدار این انرژی چقدر است؟ تمام نوری که از هر ستاره‌ی موجود در کیهان آزاد می‌شود را در نظر بگیرید، سپس آن را ده برابر کنید. این مقدار، برای تولید فوتون‌ها از «نیستی» چندان هم عجیب نیست.

_{برداشتی هنری از یک منظومه‌ی دوتایی با یک قرص برافزایشی که از ماده‌ی ستاره‌ی ندیم تغذیه می‌شود.}

با این حال، این تابش چندان هم خیره‌کننده نیست. اما ماهیت گرانشی آنان سبب مقاومت بهترشان نسبت به صدا می‌شود. متاسفانه، ریاضیات به‌کار رفته در نسبیت عام، در اینجا چندان مفید نیست. بنابراین پژوهشگران ناچار به استفاده از راه‌های ساده‌تری برای محاسبات مربوط به ادغام سیاه‌چاله‌ها شدند. همچنین، این حلقه در اطراف سیاه‌چاله در مدت بسیار کوتاهی، در حد چند میلی‌ثانیه، ظاهر می‌شود و در صورتی که خوش‌شانس باشیم، چند ذره در این مدت کوتاه قادر به بیرون جهیدن هستند. وقتی که ماده‌ها درون سیاهچاله می‌افتند، یک ستاره همراه را به‌وجود می‌آورند، گرمای جسم بالا می‌رود، به میلیون‌ها درجه کلوین می‌رسد و شتاب می‌گیرد.

ماده‌ی بسیار داغ اشعه‌ی ایکس از خود به بیرون ساطع می‌کند که آن را می‌توان اندازه گرفت. ستاره “Cygnus X-1” یک منبع قوی اشعه ایکس و کاندید خوبی برای تبدیل شدن به یک سیاهچاله نیز هست. امواج خورشیدی از ستاره‌ی همراه به‌‌نام “HDE 226868“، اجسام بسیاری را وارد دیسک چرخان سیاهچاله می‌کند. به‌محض اینکه مواد وارد سیاهچاله شوند، تابش اشعه ایکس آغاز می‌شود. علاوه‌بر اشعه ایکس، سیاهچاله‌ها می‌توانند موادی را با سرعت بالا پرتاب کنند و فواره‌های اخترفیزیکی را شکل دهند. بسیاری از کهکشان‌ها با چنین اجرامی دیده شده‌اند. در حال حاضر باور بر این است که کهکشان‌های یاد شده، سیاهچاله‌‌های عظیمی در مرکز خود دارند.

درخشان‌ترین سیاه چاله

اگرچه همانطور که از نامشان بر می‌آید سیاهچاله‌ها به علت کشش گرانشی قوی اجازه‌ی خروج نور را نمی‌دهند و در نتیجه مستقیما دیده نمی‌شوند، اما بعضی از سیاهچاله‌ها قلب «اختروش» یا کوازار را تشکیل می‌دهند؛ نورانی‌ترین، قدرتمندترین و پرانرژی‌ترین شگفتی جهان. پس از آنکه سیاه‌چاله‌ای در مرکز یک کهکشان مقادیر زیادی از گاز و غبار اطراف را به درون خود می‌کشد مقدار عظیمی از انرژی آن‌ها می‌تواند فوران کند و اختروش را تشکیل دهد. پیش از این از اختروش به‌عنوان یکی از عجیب‌ترین رازهای فضا نام برده بودیم، درخشان‌ترین اختروشی که توانسته‌ایم در محدوده‌ی قابل مشاهده ببینیم “3C 273” نامیده می‌شود که حدود ۳ میلیارد سال نوری از زمین فاصله دارد.

سیاهچاله‌های چرخان

این نوع سیاه‌چاله‌ها با جواب شوارتزشیلد، که از حل معادلات میدان اینشتین به‌دست می‌آید، توصیف می‌شوند. ولی این نوع سیاه‌چاله‌ها تنها یک حالت ایده‌ال و فرضی هستند؛ یک سیاه‌چاله‌ی واقعی چرخش نیز دارد. ما می‌دانیم ستارگان، درست مانند زمین، به دور محور خودشان می‌چرخند. بنابراین هنگامی که سقوط می‌کنند سرعت چرخش آنها حتی بیشتر هم می‌شود. کمیت مهمی در فیزیک وجود دارد که به آن اندازه «حرکت زاویه‌ای» گفته می‌شود و تمام اجسامی که می‌چرخند دارای چنین ویژگی هستند.

این کمیت به این دلیل مهم است که مانند انرژی، از آن نوع کمیت‌هایی است که گفته می‌شود پایسته هستند؛ یعنی اگر جسم چرخنده تحت تاثیر هیچ نیروی خارجی قرار نگیرد، این کمیت باید ثابت بماند. اندازه حرکت زاویه‌ای به جرم جسم، سرعت چرخش و شکل آن بستگی دارد. یک اسکیت‌باز یخی را درحالتی که دست‌هایش را باز می‌کند و روی یخ می‌چرخد تجسم کنید. همانطور که او دست‌هایش را به سمت بدنش می‌برد و آنها را جمع می‌کند سرعت چرخش او بیشتر می‌شود. دلیل امر این است که اندازه حرکت زاویه‌ای او باید حین گردش ثابت بماند (البته اگر از اصطکاک کفش‌های او با یخ صرف نظر کنیم). او با تغییر وضعیت دست‌هایش شکل کلی خود را تغییر می‌دهد و اگر تنها همین کار را انجام دهد اندازه‌ی حرکت زاویه‌ای او کاهش می‌یابد.

ولی درعوض او برای جبران این کاهش مجبور است سرعت چرخش خود را افزایش دهد، تا از این طریق اندازه‌ی حرکت زاویه‌ای او مانند قبل باشد. این افزایش سرعت چرخش چیزی نیست که او به دلخواه خودش آن را انجام دهد؛ بلکه این افزایش به‌طور طبیعی و خودکار اتفاق می‌افتد. آیا واقعا قوانین فیزیک باهوش نیستند؟ یک ستاره‌ی درحال سقوط نیز به همین طریق رفتار می‌کند؛ کاهش حجمی که به‌واسطه‌ی سقوط آن حاصل شده است، با چرخش تندتر آن جبران می‌شود تا اندازه حرکت زاویه‌ای آن تغییر نکند. به‌همین دلیل است که «تپ‌اخترها» اینقدر تند می‌چرخند.

تکینگی سیاهچاله

رمز و رازهایی که فیزیک تکینگی سیاه­چاله را فراگرفته است، به یک سری حدس و گمان‌های بسیار در مورد اینکه چه چیزی آنجا رخ می‌دهد، منجر می­‌شود. جالب توجه است که سیاه­چاله­‌ها تنها مکان‌هایی نیستند که تکینگی، جایی که گرانش به یک نقطه‌ی نامتناهی دست می‌یابد، در آنها یافت می‌­شود. این اعتقاد وجود دارد که خود بیگ‌بنگ از یک تکینگی آغاز شده است. این ارتباط رایج بین بیگ‌بنگ و سیاه­چاله­‌ها به یک سری تئوری‌­های گستاخانه و هراس‌­انگیز منجر شده است؛ مانند ایده‌ای که می­‌گوید سیاه­چاله‌ها می‌توانند دروازه‌ی ورود به «جهان‌های موازی» دیگر باشند.

برخی از دانشمندان پیشنهاد کرده‌­اند که جهان ما ممکن است از درون سیاه­چاله­‌ای مربوط به یک جهان بزرگ‌تر شکل گرفته باشد. از آنجایی که امکان نجات از سفر به تکینگی یک سیاهچاله وجود ندارد، بنابراین ما در جهان خودمان یک‌طرفه گیر افتاده‌­ایم، یا شاید رویداد دیگری در جریان باشد. اکتشافات اخیر در مورد امواج گرانشی حاصل از سیاه‌چاله‌ها و ادغام ستاره‌های نوترونی، در عصر جدید علم نجوم آغاز شده است. فرض بر این است که تشکیل سیاه‌چاله‌ها به‌دنبال تشکیل ستاره‌ها بوده است. پژوهشگران نرخی را که در آن برخورد سیاه‌چاله‌ها باید با انتقال‌های سرخ (جابه‌جایی خطوط طیفی به سمت طول موج‌های بزرگتر) بزرگ نمایان شود، محاسبه کرده‌اند.

آنها متوجه شدند که فراتر از انتقال سرخی در حدود ۴۰، جایی که اشیا مشاهده شده است در حدود ۶۵ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ تشکیل شده‌اند. نرخ برخورد‌ها باید به کمتر از یک برخورد در سال کاهش یابد. این دوره باید در دسترس نسل بعدی رصدخانه‌های امواج گرانشی باشد. اگر ابزار‌های موجود دریابند که در این دوره، سیاه‌چاله‌ها بیش از یک بار در سال به‌هم برخورد داشته‌اند، به این معنی است که حداقل برخی از سیاه‌چاله‌ها قبل از وجود ستارگان تشکیل شده‌اند. آن‌ها یا بقایای اولیه از جهان تازه متولد شده هستند یا فرآورده‌هایی از مناطقی که به‌طور غیر عادی چگالند، که نسبت به نتایج پیش‌بینی شده‌ی مدل‌های فعلی مرسوم‌ترند. یافتن شواهدی برای سیاه‌چاله‌های بسیار کهن می‌تواند ماهیت ماده تاریک یا منشا ساختار کیهانی در جهان اولیه را روشن کند.

بزرگ‌ترین و کوچک‌ترین سیاهچاله

کوچکترین سیاه‌چاله‌ی کشف شده تا به امروز ممکن است کمتر از سه برابر خورشید ما جرم داشته باشد. این هیولا که به “IGR J17091-3624” نامگذاری شده است کمترین جرم تئوریکی را که برای به وجود آمدن یک سیاه‌چاله‌ی با ثبات نیاز است، در خود جای داده است. اما مسئولیت سیاهچاله‌ها فقط خوردن مواد اطراف خود نیست بلکه گاهی آن‌ها توده‌هایی از باد و گاز را با سرعت زیاد به بیرون از کهکشان شلیک می‌کنند و بدین وسیله گازهای میان کهکشانی را به اطراف کهکشان می‌فرستند و ستاره‌هایی جدید ایجاد می‌کنند.

سیاهچاله‌ای به این کوچکی می‌تواند بادهایی با سرعت ۳۲ میلیون کیلومتر در ساعت از خود خارج کند که بیشتر از ۱۰ برابر سرعت بادهای خروجی است که توانسته‌ایم از سیاه‌چاله‌ای با جرم ستاره‌ای ثبت کنیم. تقریبا در مرکز تمام کهکشان‌ها سیاهچاله‌ای عظیم با جرمی از میلیون‌ها تا میلیاردها برابر خورشید ما قرار گرفته است. به‌تازگی دانشمندان دو عدد از بزرگترین سیاهچاله‌های جهان را در دو کهکشان مجاور کشف کرده‌اند. یکی از این کهکشان‌ها به نام “NGC 3842“درخشان‌ترین کهکشان در «خوشه‌ی لئو» است که نزدیک به ۳۲۰ میلیون سال نوری از ما فاصله دارد. در مرکز این کهکشان سیاهچاله‌ای با ۹.۷ میلیارد برابر جرم خورشید قرار گرفته است.

اما در سوی دیگر ما و در مرکز کهکشان “NGC4889″سیاهچاله‌ای با جرمی بیشتر از سیاهچاله‌ی قبلی قرار گرفته است. این کهکشان درخشان‌ترین کهکشان «خوشه‌ی کما» است که در فاصله‌ی ۳۳۵ میلیون سال نوری از ما قرار دارد. محدوده‌ی گرانشی یا افق رویداد این سیاهچاله‌ها حدود پنج برابر فاصله‌ی خورشید از پلوتون است یعنی اگر نور یا هر چیز دیگر از فاصله‌ای به‌اندازه‌ی پنج برابر فاصله‌ی خورشید تا پلوتون به این سیاهچاله نزدیک شود در دام جاذبه‌ی آن اسیر خواهد شد. برای مقایسه بد نیست بدانید سیاهچاله‌ای که در مرکز کهکشان راه شیری قرار گرفته، جرمی ۲۵۰۰ برابر کمتر از این سیاهچاله‌ها دارد و افق رویداد آن فقط یک پنجم مدار عطارد است.

سیاهچاله‌های کهکشانی

اغلب ستاره‌شناسان بر این باورند که کهکشان راه شیری، شامل میلیون‌ها سیاهچاله است. دانشمندان تعدادی از آنها را در راه شیری پیدا کرده‌اند. این اجرام در ستاره‌های دوتایی که اشعه ایکس صادر می‌کنند، هستند. یک «ستاره‌ی دوتایی»، یک جفت ستاره‌اند که دور یکدیگر می‌چرخند. در یک ستاره دوتایی که شامل یک سیاهچاله و یک ستاره معمولی است، ستاره در فاصله نزدیکی از سیاهچاله در گردش است. در نتیجه، سیاهچاله گازهای ستاره را به‌شدت به درون خود فرو می‌برد. سایش و اصطکاک اتم‌های موجود در این گازها در منطقه افق رویداد دمای گازها را به چندین میلیون درجه می‌رساند.

به دنبال آن، انرﮊی به صورت اشعه ایکس از این گازها متشعشع می‌شود. ستاره‌شناسان این تشعشع‌ها را با استفاده از تلسکوپ اشعه ایکس تشخیص می‌دهند. ستاره‌شناسان براساس دو دلیل می‌پذیرند که یک ستاره دوتایی شامل سیاهچاله می‌شود: ۱. هر دوتایی که یک منبع شدید و متغیر از اشعه ایکس است. وجود این اشعه‌ها اثبات‌کننده وجود یک ستاره فشرده است. این ستاره‌ی فشرده ممکن است یک سیاهچاله و یا جرمی با فشردگی کمتر یعنی «ستاره نوترونی» باشد. ۲. یک ستاره مرئی با چنان سرعتی در مدار خود در گردش است که تنها یک جرم با سه برابر جرم خورشید ممکن است عامل این سرعت باشد.

تعداد سیاهچاله‌ها

به سختی می‌توان گفت، اما کشفیات اخیر نشان می‌دهند که این تعداد می­‌تواند بیشتر از چیزی باشد که قبلا تصور می‌شد. برای نمونه، دانشمندان سیاهچاله‌های پنهانی را ردیابی کرده‌اند که به‌صورت غیرعادی خاموش هستند، همین موضوع تعیین مکان این نوع سیاهچاله را دشوار می­‌سازد. به‌گفته‌ی پژوهشگران احتمالا بیش از ۱۰۰ میلیون سیاهچاله‌ی ستاره‌ای فقط در کهکشان ما وجود دارد، البته با در نظر گرفتن تعداد سیاه­چاله­‌های خاموش و نهان. سیاه­چاله‌های کلان‌جرم (ابرسیاه­چاله­‌ها) کمیاب‌تر هستند، ولی دلیلی وجود دارد که معتقد باشیم آنها نیز می‌­توانند بسیار پرتعدادتر از چیزی باشند که پیش از این باور داشته­‌ایم. مدل‌های جدید از کیهان پیشنهاد می‌­کنند که ابرسیاه­چاله­‌ها ممکن است در خوشه ‌های کهکشانی قرار داشته باشند، اگر این فرضیه درست باشد تعداد سیاهچاله‌ها را به‌طور چشمگیری افزایش می‌­دهد.