سیاهچاله چیست؟

سیاهچاله ناحیه ای از فضاست كه مقدار بسیار زیادی جرم در آن تمركز یافته و هیچ شیئی نمی تواند از میدان جاذبه آن خارج شود. از آنجا كه بهترین تئوری جاذبه در حال حاضر تئوری نسبیت عام انیشتن است، در مورد سیاهچاله و جزئیاتش باید طبق این تئوری تحقیق و نتیجه گیری كنیم.

ابتدا از مفهوم جاذبه و شرایط ساده تر آغاز می كنیم. فرض كنید روی سطح یك سیاره ایستاده اید. یك سنگ را به سمت بالا پرتاب می كنید. با فرض اینكه آن را خیلی خیلی محكم پرتاب نكرده باشید برای مدتی به سمت بالا حركت می كند و نهایتاً شتاب جاذبه باعث می شود به پایین سقوط كند. اما اگر سنگ را به اندازه ی لازم محكم پرتاب كرده باشید می توانید آن را به كل از جاذبه سیاره خارج كنید. در این حالت سنگ بالا رفتن را تا ابد ادامه خواهد داد. سرعتی كه لازم است تا یك شیء را از جاذبه ی سیاره خارج كند، سرعت فرار یا سرعت گریز نام دارد. همانطور كه انتظار می رود سرعت فرار به جرم سیاره بستگی دارد. اگر سیاره ای جرم زیادی داشته باشد كشش جاذبه آن زیاد خواهد بود و نتیجتةً سرعت فرار آن بیشتر خواهد شد. سیاره سبكتر سرعت فرار كمتری خواهد داشت. سرعت فرار در زمین Km/s 11.2 یا 25000 m/h است. در حالی كه سرعت فرار در ماه فقط Km/s 2.4 یا m/h 5300 است. حال یك جرم بسیار زیاد را كه در یك ناحیه با شعاع بسیار كوچك تمركز یافته تصور كنید. سرعت فرار چنین ناحیه ای از سرعت نور بیشتر خواهد بود و چون هیچ شیئی نمی تواند سریعتر از نور سیر كند پس هیچ شیئی نمی تواند از میدان جاذبه چنین ناحیه ای خارج شود ، حتی یك دسته پرتو نور.

ایده تفكر در مورد جرمی چنان چگال كه حتی نور نیز نتواند از آن خارج شود متعلق به لاپلاس در قرن هجدهم است. تقریباً بلافاصله پس از بیان نظریه نسبیت عام توسط انیشتین ، كارل شوارتز شیلد یك راه حل ریاضی برای معادلات تئوری این اجرام كشف كرد و سال ها بعد اشخاصی چون اُپنهایمر و ولكف واشنایدر در دهه 1930 به طور جدی درباره امكان وجود چنین نواحی در عالم به تحقیق پرداختند. این پژوهشگران نشان دادند، هنگامی كه محتویات سوخت یك ستاره پرجرم به پایان می رسد، نمی تواند در مقابل جاذبه درونی خود مقاومت كند و به صورت یك سیاهچاله در خود فرو می ریزد. در نسبیت عام جاذبه از عوامل انحراف فضای 4 بعدی است. اشیاء بسیار پرجرم باعث انحرافات محورهای زمان و فضا می شوند در حدی كه قوانین هندسی اعتبار خود را از دست می دهند و به كار نمی آیند. این انحراف در اطراف یك سیاهچاله بسیار چشمگیر است و باعث می شود كه سیاهچاله ها خصوصیات عجیبی داشته باشند.

هر سیاهچاله چیزی به نام افق حادثه ( event horizon ) دارد، كه سطحی كروی است و مرز سیاهچاله را مشخص می كند. شما می توانید وارد این افق شوید اما نمی توانید از آن رهایی یابید. در حقیقت وقتی وارد افق شدید محكوم به نزدیك و نزدیك تر شدن به مركز سیاهچاله هستید. درباره افق می توان این تصور را داشت كه افق جایی است كه در آن سرعت گریز برابر با سرعت نور است. در خارج از افق سرعت گریز كمتر از سرعت نور است. بنا بر این در صورتی كه راكت های شما به اندازه كافی انرژی داشته باشند می توانید از افق دور شوید اما وقتی وارد افق شدید راهی برای خروج ندارید. افق خصوصیات هندسی عجیبی دارد، برای یك ناظر كه فاصله زیادی از سیاهچاله دارد، افق جای خوبی به نظر می رسد كه كروی و ساكن است. اما در صورتیكه به سیاهچاله نزدیك شوید متوجه خواهید شد افق با سرعت بسیار زیاد و یا در حقیقت با سرعت نور به سمت بیرون در حركت است. چون افق با سرعت نور به سمت بیرون گسترش می یابد، پس برای خروج از افق باید سرعتی بیش از سرعت نور داشته باشیم. و چون می دانیم كه نمی توانیم با سرعتی بیش از سرعت نور سیر كنیم پس هیچ گاه نخواهیم توانست از سیاهچاله فرار كنیم.
افق رویداد
افق رویداد

افق از جهتی ثابت و از جهتی نا پایستار است. این مطلب تا حدی شبیه به داستان آلیس در سرزمین عجایب است. او باید تا جایی كه می توانست سریع حركت می كرد تا می توانست در یك جا بماند. در درون افق فضا در حدی منحرف می شود كه مختصات طول و زمان جایشان عوض می شود به این معنی كه مختص نشان دهنده فاصله از مركز سیاهچاله كه r نام دارد، یك مختص زمانی و t یك مختص فضایی می شود. نتیجه این جابجایی این است كه نمی شود از كوچك شدن لحظه به لحظه r جلوگیری كرد، مشابه شرایط معمولی كه از رسیدن به آینده گریزی نیست (یعنی به طور معمول t در حال افزایش است) در نهایت باید به مركز جایی كه r = 0 است برسیم. ممكن است فكر كنید با روشن كردن راكت ها می توان از افق خارج شد، اما این كار نیز بیهوده است. از هر ماده ای كه استفاده كنید، نمی توانید از آینده خود گریزی داشته باشید. پس از وارد شدن به افق، تلاش برای دور شدن از مركز سیاهچاله درست مثل تلاش برای نرسیدن به پنجشنبه آینده است. نام سیاهچاله را برای اولین بار جان آرچیبالد ویلر پیشنهاد داد كه نام مناسبی به نظر می رسید، چون از نام های پیشنهادی قبل از خودش جذاب تر بود. پیش از ویلر از این نواحی با عنوان ستاره های منجمد یاد می شد.
انواع سیاهچاله
شوارتس شیلد

ساده ترین نوع سیاهچاله‌هاست، بار و چرخش ندارد، تنها یک افق رویداد و یک فوتون کره دارد، از آن نمی توان انرژی استخراج کرد. شامل تکینگی ، نقطه‌ای است که در آن ماده تا چگالی نامحدود در هم فرو رفته است.
رایزنر- نورد شتروم

هم بار دارد وهم چرخش ، می تواند دو افق رویداد داشته باشد ، اما تنها یک فوتون کره دارد. شامل یک تکینگی نقطه ای است که وجود آن در طبیعت نامحتمل است، زیرا بارهای آن همدیگر را خنثی می کنند
ارگوسفراست

چرخش دارد، اما بار ندارد. بیضی و از بیرونی حد استاتیک است. منطقه تیره میان افق رویداد و حد استاتیک ، که می توان از آن انرژی استخراج کرد. می تواند دو افق رویداد و دو حد استاتیک داشته باشد. دو فوتون کره دارد. شامل یک تکینگی حلقه‌ای است.
کر- نیومان

هم باردارد و هم چرخش ، ساختارش شبیه ساختار سیاهچاله کر است. می‌توان از آن انرژی استخراج کرد. یک تکنیگی حلقه‌ای دارد به نظر پژوهشگران چهارنوع سیاهچاله همچنانکه ذکر شد می تواند وجود داشته باشند.
اعماق

مهمترین موضوع در باب سیاه چاله آنست که ، بدانیم ماده در داخل سیاهچاله‌ای که حاصل آمده است در نهایت به چه سرنوشتی دچار می شود؟ اختر فیزیکدانان می‌گویند اگر مقداری ماده به داخل حفره سیاه از قبیل آنچه که از یک ستاره وزین مرده بجای مانده بیندازید، نتیجه نهایی همواره الزاماً یک چیز خواهد بود و تنها جرم ، بار الکتریکی و اندازه حرکت زاویه ای که جسم با خود حمل می کند باقی خواهند ماند. اما اگر کل جهان به داخل حفره سیاه خود بیفتد، یعنی به شکل سیاهچاله در آید، دیگر حتی جرم ، بار الکتریکی و اندازه حرکت زاویه ای نیز ناپدید می گردند.
ARASH