سیاه‌چاله چیست؟ – به زبان ساده

سیاه‌چاله‌ ها جزء فراوان‌ترین اجسام در کیهان هستند. آن‌ها در عین سادگی یکی از پیچیده‌ترین اجسام موجود در این جهان هستند. سیاه‌چاله‌ ها در ظاهر نسبت به ستاره‌ها تاریک هستند اما بسیار قدرتمندتر و عجیب‌تر هستند. سیاه‌چاله‌ ها به نظر جزء ضروری تحول کیهان هستند و از بیگ‌بنگ تاکنون وجود دارند. همچنین احتمالا وجود آن‌ها تأثیر قابل توجهی در پیدایش حیات در کهکشان ما داشته است.

در این مقاله می‌خواهیم با سیاه‌چاله‌ها و جنبه‌های مختلف آن‌ها و آن‌چه را که تاکنون می‌دانیم به اختصار با هم مرور کنیم.

تاریخچه مختصر سیاه‌چاله

داستان از سال ۱۶۶۵ آغاز شد، زمانی‌که طبق داستان مشهور نیوتن از افتادن یک سیب بر زمین یک جرقه در ذهنش زده شد. و دو دهه بعد نیوتن به این نتیجه رسید که باید نیرویی جهانی بر حرکت سیب و توپ و سیارات حاکم باشد. این نیرو گرانش نام گرفت.

نیوتن پی برد که هرچه جرم جسم بیشتر باشد کشش گرانشی آن شدیدتر خواهد بود. و برای گریز از گرانش یک جسم نیاز به «سرعت فرار» کافی دارید. بطور مثال برای رهایی از گرانش زمین نیاز به سرعت فرار تقریبا ۱۱ کیلومتر بر ثانیه دارید.

کشف نیوتن درباره گرانش و حرکت اجسام تحت گرانش، ۱۰۰ سال بعد ریورند جان میچل ریاضیدان بریتانیایی را به این نتیجه رساند که اگر یک ستاره آن‌قدر پرجرم و سنگین و فشرده باشد ممکن است سرعت فرار از سطح ستاره بیش از سرعت نور شود. وی این‌گونه از ستاره‌ها را «ستاره‌های تاریک» نامید. ۱۲ سال بعد، دانشمند و ریاضیدان فرانسوی، پیر سیمون دو لاپلاس از یک اثبات ریاضی به نتیجه‌ای مشابه از آن‌چه که امروزه «سیاه‌چاله» می‌نامیم رسید.

در ۱۹۱۵، آلبرت اینشتین نظریه انقلابی نسبیت عام را که در آن فضا و زمان به صورت اجسام چهار-بعدی خمیده‌ای تصور می‌شوند را مطرح کرد. اینشتین به جای این‌که گرانش را به عنوان یک نیرو تصور کند، آن را به صورت خمیدگی و انحنای فضا و زمان در نظر گرفت. در دیدگاه اینشتین یک جسم سنگین مثل خورشید، موجب انحنای فضای اطرافش می‌شود و سیارات و اجرام و نور در اطراف خورشید مسیری منحنی را طی می‌کنند.

یک ماه پس از انتشار نظریه نسبیت عام اینشتین، فیزیکدان آلمانی کارل شوارزشیلد چیزی جالب در معادلات اینشتین کشف کرد. شوارزشیلد جوابی برای این معادلات یافت که دانشمندان را به این نتیجه رساند که توصیف کننده‌ی ناحیه‌ای از فضا است که آن‌چنان بر اثر گرانش خمیده می‌شود که هیچ چیز نمی‌تواند از آن بگریزد.

تا سال ۱۹۶۷، این نواحی اسرارآمیز از فضا-زمان عنوان فراگیری نداشتند. نام‌هایی مثل «رمبنده» (collapsar) یا «ستاره منجمد» برای آن استفاده می‌شود. در کنفرانسی در نیویورک، فیزیکدان جان ویلر نام «سیاه‌چاله» (black hole) را برای آن مطرح کرد.

یکی از کاندیدهای سیاه‌چاله‌ها نیز توسط پروفسور جلال صمیمی، اختر فیزیکدان ایرانی کشف شد. این جرم که GX 339-4 نام دارد در یک سیستم دوتایی پرتوی ایکس کم جرم (LMXB) قرار دارد که یکی از جفت‌ها احتمالا سیاه‌چاله است. جلال صمیمی به همراه همکاران نتایج این مشاهده را در ۱۹۷۹ در نشریه Nature به چاپ رساندند.

سیاه‌چاله چیست؟

سیاهچاله‌ها عجیب‌ترین و جذاب‌ترین اجسامی هستند که در پهنه کیهان وجود دارند. سیاه‌چاله‌ها اجرامی بسیار فشرده و چگال هستند که دارای میدان گرانشی بسیار قوی هستند بطوری که اگر به آن خیلی نزدیک شویم حتی نور نیز نمی‌تواند از آن بگریزد.

آلبرت اینشتین اولین بار بر اساس نظریه نسبیت عام خود وجود سیاه‌چاله‌ها را در ۱۹۱۶ پیش‌بینی کرده بود. واژه‌ی «سیاه چاله» بعدها توسط فیزیکدان امریکایی جان ویلر در ۱۹۶۷ به این موجودات اطلاق شد. و پس از این‌که چندین دهه این اجسام به لحاظ تئوری در بین فیزیکدانان مطرح بود، اولین بار در ۱۹۷۱ به لحاظ رصدی شناخته شدند.

در سال ۲۰۱۹ تیم تلسکوپ افق رویداد (EHT) اولین تصویر از سایه سیاه‌چاله را منتشر کرد. تیم تلسکوپ EHT توانست سایه‌ای از افق رویداد سیاه‌چاله‌ی عظیمی که در مرکز کهکشان M87 قرار دارد را بدست آورد.

نسبیت عام و سیاه‌چاله

سیاه‌چاله‌ها پیش‌بینی مهمی از نسبیت عام هستند یعنی همان نظریه بی‌همتای اینشتین که با این وجود، این نظریه را تا سر حد شکست خوردن پیش می‌برند. نسبیت عام می‌گوید که حضور ماده و انرژی در یک جا فضا و زمان را خمیده می‌کند؛ سیاه‌چاله‌ها بطور ساده تجمع بسیار متراکمی از ماده هستند. اما مسأله به همین سادگی نیست. معادلات نسبیت عام بطرز فاجعه‌باری در مرکز سیاه‌چاله که تکینگی نام دارد دچار شکست می‌شوند، در تکینگی انحنای فضا-زمان به بی‌نهایت میل می‌کند. حتی اینشتین تصور می‌کرد که این اجرام کیهانی بسیار بی‌معنا هستند و وجود ندارند. اگرچه ما نمی‌توانیم سیاه‌چاله‌ها را بطور مستقیم ببینیم، اما وجود آن‌ها را از روی تأثیرشان روی ماده اطرافشان و بلعیدن گاز و ستارگان اطراف که موجب تابش‌هایی الکترومغناطیسی می‌شود می‌توانیم درک کنیم. در سال ۲۰۱۵ نیز، یکی دیگر از پیش‌بینی‌های نسبیت عام اینشتین یعنی وجود امواج گرانشی برای اولین بار تأیید شد که این امواج ناشی از برخورد دو سیاه‌چاله بودند که در حال حرکت مارپیچی به سوی یکدیگر و ادغام بودند و دریچه‌ای دیگر برای شناخت سیاه‌چاله‌ها گشوده شد.

چگونگی تشکیل سیاه‌چاله

برخی از سیاه‌چاله‌ها از فروریزش و رمبش یک ستاره پرجرم تشکیل می‌شوند. اما منشاء برخی دیگر چندان روشن نیست. شناخته شده‌ترین مکانیزم خلق یک سیاه‌چاله حاصل پایان یافتن عمر یک ستاره سنگین و پرجرم است که پس از انفجاری هسته‌ی آن دچار رمبش می‌شود و تمام جرم باقی مانده درون ناحیه کوچکی متراکم می‌شود. یک سیاه‌چاله تقریبا فضایی به اندازه صفر را در بر می‌گیرد اما دارای جرم است که بیشتر جرم آن ناشی از همان ستاره‌ی اولیه است. سیاه‌چاله‌ها با بلعیدن جرم اطرافشان بزرگتر می‌شوند و سنگین‌تر می‌شوند. هر چه سیاه‌چاله بزرگتر شود، ناحیه‌ی اطراف آن که نقطه‌ی «بدون بازگشت» است و هر آن‌چه که درون آن ناحیه وارد شود دیگر بیرون نمی‌آید بزرگتر می‌شود. این منطقه اطراف سیاه‌چاله که به شکل کروی حول تکینگی تشکیل می‌شود را «افق رویداد» می‌نامند. اما در مورد برخی سیاه‌چاله مانند سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در مرکز کهکشان‌ها سؤالات بی‌پاسخی مطرح است. اگر فرض کنیم که سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم مرکز کهکشان‌ها که میلیون‌ها برابر خورشید جرم دارند حاصل مرگ ستارگان پرجرم باشند و توسط فرآیند بلعیدن جرم اطراف رشد کرده و بزرگ شده باشند برای یک سیاه‌چاله حاصل مرگ ستاره بیش از سن فعلی کیهان طول خواهد کشید تا به اندازه سیاه‌چاله‌های مرکز کهکشان رشد کنند. در نتیجه ستاره‌شناسان تصور می‌کنند که ممکن است کیهان در لحظات نخستین تحول خود فرآیندی را طی کرده باشد که سیاه‌چاله‌های نخستین پدید آمده و منتج به سیاه‌چاله‌های غول پیکر فعلی شده باشند. نکته دیگر آن‌که شواهد مستقیم بسیار کمی برای وجود سیاه‌چاله‌های میان‌جرم وجود دارد. منظور از سیاه‌چاله‌های میان‌جرم آن‌هایی هستند که بین ابعاد سیاه‌چاله‌های ستاره‌وار (حاصل رمبش ستاره) و سیاه‌چاله‌های کهکشانی (مرکز کهکشان‌ها) هستند. اخترشناسان انتظار دارند که تعدادی سیاه‌چاله‌های میان‌جرم مشاهده کنند که در راه تبدیل شدن به سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم هستند اما تاکنون مدرک محکمی مبنی بر وجودشان نیافته‌اند.

چند نوع سیاه‌چاله داریم؟

چهار نوع سیاه‌چاله به لحاظ دسته‌بندی جرمی وجود دارد: ستاره‌وار، میان‌جرم، کلان‌جرم و ریزمقیاس.

سیاه‌چاله‌های ستاره‌وار

وقتی یک ستاره آخرین سوخت خود را مصرف می‌کند، ممکن است بر روی خودش برمبد و به شدت متراکم شود. برای ستاره‌های کوچکتر (تا ۳ برابر جرم خورشید) هسته متراکم باقی‌مانده تبدیل به ستاره نوترونی یا کوتوله سفید می‌شود. اما وقتی یک ستاره بزرگتر رمبش می‌نماید، به فشرده شدن تا آن‌جا ادامه می‌دهد که تبدیل به یک سیاه‌چاله‌ی ستاره‌وار شود. سیاه‌چاله‌هایی که از رمبش ستاره‌ها ایجاد می‌شوند نسبتا کوچک هستند اما بی‌نهایت چگال می‌باشند. هر یک از این اجسام جرمی بیش از ۳ برابر جرم خورشید را در ابعادی کمتر از ابعاد یک شهر فشرده می‌کنند. این فشردگی منجر به نیروی گرانشی دیوانه‌وار جسم بر روی دنیای اطرافش می‌شود. سیاه‌چاله‌های ستاره‌وار گاز و غبار اطرافشان را که در کهکشان پراکنده است مصرف کرده و از نظر ابعاد رشد می‌نمایند. طبق مطالعه‌ای که مرکز اختر فیزیک هاروارد-اسمیتسونین انجام داده کهکشان راه شیری شامل چند صد میلیون سیاه‌چاله‌ی ستاره‌وار است.

سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم

سیاه‌چاله‌های کوچک از نظر تعداد در کیهان فراوان‌ترند اما پسرعموهای آن‌ها یعنی سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم غالب هستند. این سیاه‌چاله‌های عظیم میلیون‌ها یا حتی میلیاردها برابر خورشید جرم دارند، اما از نظر اندازه در همان حدود هستند. این سیاه‌چاله‌ها در مرکز اغلب کهکشان‌ها نظیر راه شیری وجود دارند. دانشمندان درباره این‌که چطور این سیاه‌چاله‌ها به چنین مقادیر عظیمی از جرم دست یافته‌اند هنوز مطمئن نیستند. وقتی این غول‌های کیهانی تشکیل شده‌اند، جرم و گاز را از اطرافشان بلعیده‌اند، ماده در کهکشان آن‌قدر زیاد است که امکان رشد بیشتر این سیاه‌چاله‌های غول آسا را می‌دهد. سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم ممکن است نتیجه ترکیب صدها یا هزاران سیاه‌چاله‌ی کوچکتر باشند. ابرهای گازی عظیم نیز ممکن است رمبش کرده و به سرعت جرم را برافزایش کرده باشند. گزینه سوم این است که رمبش خوشه‌های ستاره‌ای، یعنی گروهی از ستاره‌ها که به صورت خوشه هستند رمبش کرده باشند. امکان چهارم این است که سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم از خوشه‌های عظیمی از ماده تاریک برآمده باشند. ماده تاریک نوعی از ماده است که ما صرفا از طریق گرانشی می‌توانیم اثرات آن را ببینیم.

سیاه‌چاله‌های میان‌جرم

زمانی دانشمندان تصور می‌کردند که سیاه‌چاله‌هات نها در اندازه‌های کوچک و بزرگ می‌توانند پدیدار شوند اما تحقیقات اخیر نشان داده است که امکان وجود سیاه‌چاله‌های میان‌جرم یا IMBH وجود دارد. چنین اجرامی می‌توانند زمانی پدید آیند که ستاره‌های یک خوشه ستاره‌ای به صورت واکنش زنجیره‌ای با یکدیگر برخورد نمایند. تعدادی از این سیاه‌چاله‌های میان‌جرم که در همان محیط خوشه تشکیل می‌شوند می‌توانند با هم ادغام شوند و در مرکز کهکشان تشکیل یک سیاه‌چاله‌ی کلان‌جرم را دهند. در سال ۲۰۱۴، اخترشناسان چیزی را در بازوی یک کهکشان مارپیچی یافتند که به نظر سیاه‌چاله‌ی میان‌جرم بود. پژوهشی جدیدتر در سال ۲۰۱۸ پیشنهاد کرد که IMBH ها ممکن است در قلب کهکشان‌های کوتوله (کهکشان‌های بسیار کوچک) وجود داشته باشند.

سیاه‌چاله‌های میان‌جرم حلقه مفقود دسته‌بندی جرمی سیاه‌چاله‌ها هستند.

سیاه‌چاله‌های ریزمقیاس (میکرو سیاه‌چاله)

سیاه‌چاله‌هایی که از نظر جرمی کوچکتر از سیاه‌چاله‌های ستاره‌وار هستند را مینی سیاه‌چاله‌ یا سیاه‌چاله‌های ریز مقیاس می‌نامند. جرم این سیاه‌چاله‌ها کمتر از ۳ برابر جرم خورشید است و در فشار ابرهای میان‌ستاره‌ای ممکن است تشکیل شوند. از آن‌جا که بسیار کوچک هستند برای تشکیل آن‌ها مشکلاتی وجود دارد. کم بودن جرم به معنای گرانش ضعیف‌تر است و به این معناست که این اجرام مینیاتوری نمی‌توانند بطور کامل رمبش کنند. در مقام مقایسه سیاه‌چاله‌های با بیش از ۳ برابر جرم خورشید پس از پایان عمر ستاره می‌توانند تحت گرانش خود رمبش کنند و همه چیز را خرد نمایند. برای تشکیل سیاه‌چاله‌های ریزمقیاس نیازمند مقادیر عظیمی از فشار خارجی هستید. حدس زده می‌شود که این سیاه‌چاله‌ها در دوران‌هایی از کیهان که همه چیز بسیار آشوبناک بوده و برخوردهای شدیدی رخ می‌داده است بر اثر فشار بالای برخوردها شکل گرفته باشند. بطور غیر معمولی محتمل است که این سیاه‌چاله‌ها بسیار سنگین باشند اما در ابعاد بسیار کوچکی (کوچکتر از یک پروتون) تشکیل شده باشند. طبق مکانیک کوانتومی این سیاه‌چاله پس از تبخیر باید انرژی قابل توجهی در کیهان منتشر کنند. و ممکن است این نوع از سیاه‌چاله مثل سیاه‌چاله‌های سنگین‌تر کاملا سیاه نباشند. همچنین برخی مشاهدات در حرکت سیارات بیرونی منظومه شمسی وجود دارد که توجیه مشخصی برایشان فعلا نداریم و یکی از فرضیه‌ها برای توضیح این حرکت‌ها در مدار سیارات، وجود سیاه‌چاله‌های ریزمقیاس در مرز منظومه شمسی است.

سیاه‌چاله‌های نخستین و ماده تاریک

استیون هاکینگ ایده‌ای را مطرح کرده بود که شاید سیاه‌چاله‌های نخستین دیده نشده بتوانند نقش ماده تاریک را ایفا کنند. این ایده پس از مدتی کنار گذاشته شد. اما در سال‌های اخیر برخی مشاهدات ممکن است دلالت بر این داشته باشد که تمامی یا حداقل بخشی از ماده تاریک توسط سیاه‌چاله‌ها ساخته می‌شود. در سپتامبر ۲۰۱۵ رصدخانه تداخل‌سنج لیزری امواج گرانشی یا همان LIGO امواج گرانشی حاصل از برخورد دو سیاه‌چاله را کشف کرد. سیاه‌چاله‌های ستاره‌وار که پیش‌تر کشف شده بودند حدود ۲۰ برابر جرم خورشید بودند. اما این سیاه‌چاله‌ها که امواجشان توسط LIGO کشف شد حدود ۳۰ برابر خورشید جرم داشتند که عجیب است. همچنین با آغاز شناسایی امواج گرانشی اخترفیزیکدانان پی بردند که باید تعداد بسیار بیشتری سیاه‌چاله در کیهان وجود داشته باشد.

این کشف به ایده قدیمی هاکینگ جان تازه‌ای بخشید. می‌دانیم که ستاره‌های در حال مرگ می‌توانند سیاه‌چاله‌ ایجاد کنند. اما شاید سیاه‌چاله‌ها طی بیگ‌بنگ نیز خودشان ایجاد شده باشند. دسته‌ای از سیاه‌چاله که به عنوان «سیاه‌چاله‌های نخستین» شناخته می‌شوند، می‌توانند تشکیل دهنده‌ی ماده تاریک ناشناخته باشند. به علاوه، نظریه‌های مبتنی بر فیزیک ذرات برای توضیح ماده تاریک پس از چندین دهه هنوز موفق به یافتن هیچ ذره‌ای نشده‌اند. و این امکان که سیاه‌چاله‌های نخستین سازنده ماده تاریک باشند افق جدیدی برای توصیف ماده تاریک می‌گشاید.

تکینگی مرکز سیاه‌چاله

در مرکز سیاه‌چاله‌ یک تکینگی گرانشی وجود دارد، یک نقطه‌ی یک بعدی که حاوی جرم عظیم ستاره‌ای که تبدیل به سیاه‌چاله شده است که در حجم بسیار کوچکی فشرده گردیده است. در تکینگی چگالی و گرانش به بی‌نهایت میل می‌کنند و انحنای فضا-زمان نیز به سمت بی‌نهایت می‌رود. در تکینگی قوانین فیزیکی که می‌شناسیم درست کار نمی‌کنند. در تیکنگی گرانش آن‌چنان شدید است که فضا زمان بطرز فاجعه‌باری دچار فروشکست می‌شود. تکینگی طبق تعریف دیگر بخشی از فضا-زمان معمول نیست و نمی‌توان با «کجا» و «کی» آن را مشخص کرد. طبق تعریف نسبیت عام، تکینگی جایی است که انحنای ناوردای اسکالر، بی‌نهایت می‌شود و به بیان دیگر ژئودزی ناکامل می‌شود. وجود تکینگی دلیلی بر این است که نظریه نسبیت عام در برخی نقاط دچار شکست می‌شود. در واقع تکینگی جایی است که گرانش بسیار شدید است و پای نسبیت عام به میان می‌آید. از طرفی تکینگی نقطه‌ای کوچک و ریزمقیاس است و پای مکانیک کوانتومی نیز وسط کشیده می‌شود. اما نسبیت عام یک نظریه تعین‌گرا است در حالی که مکانیک کوانتومی دارای عدم قطعیت ذاتی است و تعینی نیست. در این‌جا تضاد بین این دو نظریه پیش می‌آید. در حقیقت برای فهم درست از تکینگی نیاز به توصیفی کوانتومی از گرانش داریم. در اصل نسبیت عام و مکانیک کوانتومی احتمالا نظریه‌های مؤثر هستند و نیاز به نظریه بنیادی‌تری برای ادغام دو نظریه کوانتومی و نسبیت عام داریم. طبق فرضیه «سانسور کیهانی» تکینگی سیاه‌چاله پشت مرزی به نام افق رویداد از باقی جهان همواره مخفی می‌ماند و ما نمی‌توانیم بطور مستقیم تکینگی را مشاهده نمائیم.

افق رویداد سیاه‌چاله

افق رویداد یک سیاه‌چاله مفهومی وابسته به سرعت فرار جسم است. منظور از سرعت فرار بیشترین سرعت لازم برای فرار از میدان گرانشی سیاه‌چاله است. هرچه به سیاه‌چاله نزدیک و نزدیکتر شویم، سرعت فرار بیشتری برای گریختن از گرانش عظیم آن نیاز خواهیم داشت. افق رویداد یک مرز فرضی است که در لبه‌ی آن سرعت فرار برابر با سرعت نور می‌شود و با عبور از آن مرز باید سرعتی فراتر از سرعت نور داشته باشید تا بتوانید از درون افق رویداد خارج شوید. اما طبق نسبیت خاص اینشتین هیچ چیز نمی‌تواند در فضا با بیش از سرعت نور حرکت کند. این بدان معناست که افق رویداد سیاه‌چاله الزاما نقطه‌ی بدون بازگشت است. از آن‌جا که نور نیز نمی‌تواند از مرز افق رویداد عبور کرده و به بیرون بیاید، در نتیجه ما نمی‌توانیم درون افق رویداد را ببینیم. مرز جایی که اطلاعات از سیاه‌چاله می‌تواند بیاید همان افق رویداد آن است. وقتی یک جسم بطور فرضی به افق رویداد نزدیک می‌شود، مشاهده‌گری که در دوردست قرار دارد خواهد دید که تصویر آن جسم به قرمز متمایل شده و کم نور می‌شود زیرا گرانش سیاه‌چاله باعث انتقال به سرخ نور و اعوجاج آن می‌شود. در روی مرز افق رویداد این تصویر بطور کامل محو و غیر قابل دیدن می‌شود. افق رویداد برای سیاه‌چاله‌های شوارتزشیلد (بدون چرخش) به صورت یک کره به مرکز سیاه‌چاله است. اندازه افق رویداد بستگی به جرم سیاه‌چاله دارد. اگر زمین آن‌قدر فشرده شود که تبدیل به یک سیاه‌چاله گردد، اندازه افق رویداد آن به اندازه ۱۷.۴ میلی‌متر خواهد بود، کمی کوچکتر از یک سکه؛ اگر خورشید تبدیل به سیاه‌چاله شود اندازه آن ۵.۸۴ کیلومتر خواهد بود، به اندازه یک روستا. سیاه‌چاله‌ی کلان‌جرمی که تلسکوپ افق رویداد تصویری از افق رویداد آن را ثبت کرد قطری به اندازه ۱۷.۷ میلیارد کیلومتر دارد.

سیاه‌چاله‌های چرخان

احتمالا بیشتر سیاه‌چاله‌ها در حال چرخش‌اند، زیرا ستاره‌ی اولیه‌ای که از رمبش آن سیاه‌چاله تشکیل شده در حال چرخش بوده است. و همچنین ماده‌ای که سیاه‌چاله از گازهای اطراف خود می‌بلعد نیز پیش از سقوط در افق رویداد در حال چرخش است. مطالعات اخیر نشان می‌دهد که برخی سیاه‌چاله‌ها تا سرعت‌هایی به اندازه ۹۰ درصد سرعت نور به دور خود می‌چرخند. مدل‌های اولیه برای سیاه‌چاله آن را ثابت و غیر چرخان در نظر می‌گرفت. سیاه‌چاله‌های غیر چرخان یا استاتیک مشهور به سیاه‌چاله‌های شوارزشیلد بودند. تکینگی سیاه‌چاله‌های غیر چرخان به صورت نقطه‌ای تصور می‌شود.

اما از آن‌جا که سیاه‌چاله‌ها در حال چرخش‌اند، در مدل‌های فعلی برای سیاه‌چاله‌های چرخان تصور بر این است که تکینگی در مرکز آن‌ها باید به صورت حلقه‌هایی بی‌نهایت نازک باشد. این امر منجر به افق‌های رویداد چرخان حول سیاه‌چاله‌ها می‌شود. سیاه‌چاله‌های چرخان به سیاه‌چاله‌های کِر (Kerr) مشهورند که به نام ریاضیدان نیوزلندی که در ۱۹۶۳ نظریه سیاه‌چاله‌های چرخان را مطرح کرد مشهور شده است. افق رویداد در سیاه‌چاله‌های کِر در قطب‌ها دچار پخی شده و در استوا به صورت برآمده است. افق رویداد سیاه‌چاله‌ی چرخان به دو بخش افق بیرونی و افق درونی تقسیم می‌شود. افق رویداد بیرونی چنین سیاه‌چاله‌هایی مانند افق رویداد سیاه‌چاله‌های غیر چرخان به صورت نقطه بدون بازگشت رفتار می‌کند. افق رویداد درونی سیاه‌چاله‌های چرخان، که به نام «افق کوشی» (Cauchy horizon) نیز مشهور است عجیب‌تر است. با عبور از مرز افق درونی، علت دیگر لزوماً بر اثر مقدم نیست، گذشته دیگر لزوما آینده را تعیین نمی‌کند و سفر در زمان ممکن است امکان پذیر شود. در سیاه‌چاله‌های غیر چرخان (شورازشیلد) افق‌های بیرونی و درونی بر هم منطبق هستند.

کشش چارچوب موجب پدید آمدن یک گرداب کیهانی به نام ارگوسفر (ergosphere) یا انرژی‌سپهر می‌شود که خارج از افق رویداد بیرونی سیاه‌چاله چرخان رخ می‌دهد. هر جسمی درون ارگوسفر مجبور است که در همان راستای چرخش سیاه‌چاله حرکت کند و خلاف آن حرکت ممکن نیست. ماده‌ای که به درون ارگوسفر سقوط می‌کند می‌تواند سرعت کافی برای فرار از کشش گرانشی سیاه‌چاله بدست آورده و در نتیجه مقداری از انرژی سیاه‌چاله را با خود خارج کند. در چنین حالتی سیاه‌چاله می‌تواند اثرات قابل توجهی بر روی محیط اطراف خود داشته باشد. همچنین چرخش می‌تواند سیاه‌چاله‌ها را به ماشینی مؤثر برای تبدیل هر نوع ماده به انرژی بدل کند. یک سیاه‌چاله غیر چرخان حدود ۵.۷ درصد از جرم ماده سقوط کننده را به انرژی تبدیل می‌کند. اما در عوض یک سیاه‌چاله چرخان می‌تواند بازدهی تبدیل ماده به انرژی را تا ۴۲ درصد بالا ببرد.

تبخیر سیاه‌چاله و تابش هاکینگ

در تابش هاکینگ ما با ذرات فرضی سر و کار داریم که در مرز افق رویداد سیاه‌چاله تولید می‌شوند. این تابش دلالت بر این دارد که سیاه‌چاله‌ها دما دارند و این دما با جرم آن‌ها رابطه عکس دارد. یعنی هرچه سیاه‌چاله کوچکتر و کم‌جرم‌تر باشد، داغ‌تر خواهد درخشید. اگرچه تابش هاکینگ تاکنون بطور مستقیم مشاهده نشده است، اما تابش هاکینگ حاصل مدل‌هایی است که هم نسبیت عام و هم مکانیک کوانتومی را در بر می‌گیرند. استیون هاکینگ فیزیکدان مشهور در ۱۹۷۴ در مقاله‌ای با عنوان “Black hole explosions” اولین بار این تابش را مطرح کرد. اگر این تابش به صورت تجربی تأیید شود، بدین معنا خواهد بود که سیاه‌چاله‌ها می‌توانند انرژی تابش کنند و کوچکتر شوند، و کوچکترین سیاه‌چاله‌ها به صورت یک انفجار عظیم می‌توانند منفجر شوند اما سیاه‌چاله‌های بزرگتر به آرامی طی تریلیون‌ها سال تبخیر می‌شوند.

یک دانشجوی فیزیک از دانشگاه پرینستون به نام یاکوب بکنشتاین مطرح کرد که وقتی جسمی وارد سیاه‌چاله می‌شود، سطح افق رویداد می‌بایست رشد کند و بزرگتر شود. وی نشان داد که سطح افق رویداد معیاری از انتروپی است و با افزایش مساحت سطح می‌توان به طریقی به پارادوکس پاسخ داد. اما هاکینگ چندان مطمئن نبود. زیرا انتروپی یک راه دیگر برای توصیف انرژی گرمایی است، که لزوما باید به صورت تابش باشد. اگر افق رویداد دارای انتروپی است، باید به طریقی تابش کند و در نتیجه سیاه‌چاله‌ها کاملا سیاه نخواهند بود. اما هاکینگ مکانیزمی برای تابش پیشنهاد کرد. فرآیند فیزیکی پشت این تابش ذرات از افق رویداد سیاه‌چاله بسیار پیچیده است و مبتنی بر درک عمیقی از ریاضیات نظریه میدان کوانتومی است. اما بطور متداول به صورت پیامد جفت ذرات «مجازی» توصیف می‌شود که به طور ذاتی از خلاء کوانتومی نزدیک افق رویداد پدید می‌آیند و توسط گرانش از هم جدا می‌شوند. بطور معمول آن جفت ذرات باید به هم ملحق شده و مجدد تبدیل به انرژی شوند، اما در افق رویداد یکی از جفت‌ها به دلیل گرانش وارد سیاه‌چاله شده و نیم دیگر به صورت تابشی واقعی از سیاه‌چاله می‌گریزد. در واقع تفسیر خود هاکینگ از ریاضیات این نظریه این است که ذرات مجازی تحت گرانش شدید، یکی از جفت‌ها جرم را از سیاه‌چاله می‌رباید و ذره‌ای با جرم منفی ایجاد می‌شود.

پارادوکس اطلاعات در سیاه‌چاله

طبق نسبیت عام اینشتین سیاه‌چاله موجوداتی بسیار ساده هستند. اگر جرم، بار و اسپین آن‌ها را بدانید همه چیز را درباره آن‌ها خواهید دانست. اما این سادگی منجر به یک پارادوکس در فیزیک می‌شود. در دهه ۱۹۷۰ فیزیکدان مشهور استیون هاکینگ متوجه شد که سیاه‌چاله‌ها کاملا سیاه نیستند. بلکه از طریق فرآیندی کوانتومی به مقدار بسیار کمی در افق رویدادشان تابش می‌کنند. از آن‌جا که سیاه‌چاله‌ها بسیار ساده هستند و تنها با سه عدد توصیف می‌شوند، تمام اطلاعات ماده‌ای که به درون آن سقوط می‌کند در ظاهر برای همیشه در سیاه‌چاله گیر می‌افتد. مهم نیست که سیاه‌چاله از بقایای یک ستاره مرده ساخته شده باشد یا از توده‌ای گربه؛ تا زمانی که بار و جرم و اسپین یکسانی دارد با هم تفاوتی ندارند.

در فرمول‌بندی اولیه‌ی هاکینگ از این فرآیند، این تابش هیچ اطلاعاتی با خود خارج نمی‌کرد. اما وقتی سیاه‌چاله تابش می‌کند، تبخیر می‌شود و سرانجام از بین می‌رود- در نتیجه اطلاعات نیز از بین می‌رود و منجر به پارادوکس اطلاعات می‌شود. اگر مشتی اطلاعات به درون سیاه‌چاله سقوط کند، و اطلاعات نمی‌تواند نابود شود، پس وقتی سیاه‌چاله محو شود، اطلاعات کجا می‌رود؟ در طی چند دهه اخیر تلاش‌های بسیاری برای حل کردن پارادوکس اطلاعات مطرح گردیده‌اند. برخی از آن‌ها مستلزم گسترش دانش ما در نسبیت عام بوده‌اند. برخی تلاش‌هایی برای مزدوج کردن نسبیت عام با مکانیک کوانتومی بوده‌اند. اما تاکنون تمام تلاش‌ها برای حل پارادوکس اطلاعات اثبات نشده‌اند. مشاهده مستقیم سیاه‌چاله بسیار دشوار است و تنها وقتی با محیط اطراف برهمکنش می‌کند یا امواج گرانشی تابش می‌کند می‌توانیم ببینیم.

سیاه‌چاله‌ها بی‌مو هستند؟

جان ویلر فیزیکدان مشهور، زمانی بیان کرد که سیاه‌چاله‌ها بی‌مو هستند. منظور از این اصطلاح آن است که سیاه‌چاله‌ها را می‌توان تنها با سه ویژگی اساسی توصیف کرد:

• جرم
• بار (الکتریکی یا مغناطیسی)
• تکانه زاویه‌ای

این مسأله به «قضیه بی‌مو» یا No Hair Theorem برای سیاه‌‌چاله مشهور است که بیان می‌کند برای سیاه‌چاله‌های غیر چرخان تقارن کاملا کروی داریم و هیچ برآمدگی و افت و خیزی نباید در آن وجود داشته باشد. در واقع این قضیه سیاه‌چاله‌ها را به عنوان موجوداتی ساده در نظر می‌گیرد که مستقل از آن که چه چیزی به درون آن‌ها سقوط می‌کند، تنها با سه پارامتر: جرم، بار و تکانه زاویه‌ای می‌توان توصیفشان کرد. یعنی اگر شما دو سیاه‌چاله با اندازه یکسان، بار الکتریکی یکسان و نرخ اسپین دقیقا یکسان داشته باشید، قادر به تمیز دادن میان این دو سیاه‌چاله نخواهید بود. این مسأله باعث این تصور می‌شود که اطلاعات درون سیاه‌چاله از بین می‌رود و شما زیر افق نمی‌توانید بفهمید که چه چیز سقوط کرده است و آن بخش از جهان غیر قابل دسترس خواهد بود. جان ویلر معتقد بود که سیاه‌چاله‌ها هیچ اطلاعات اضافی ندارند و فقط بار و جرم اسپین دارند. هر چیزی که به ورای افق سقوط کند برای همیشه از جهان خارج جدا می‌افتد و دیگر به آن دسترسی نخواهیم داشت. اما برخی مطالعات اخیر دلالت بر آن دارد که شاید سیاه‌چاله‌ها دارای «موی نرم» باشند و کاملا بی‌مو نباشند. در این ایده افق رویداد سیاه‌چاله می‌تواند در برخی نواحی دارای ناپایداری باشد و کشیده شده باشد. این ناپایداری‌ها موجب می‌شود که افق سیاه‌چاله در برخی نواحی کشش گرانشی بیشتری نسبت به بقیه جاها داشته باشد. اما معادلات نشان می‌دهد که چنین حالتی برای سیاه‌چاله‌های افراطی ممکن است که جرم و اسپین و یا بار در حد بیشینه خود قرار دارد. و چنین سیاه‌چاله‌هایی نمی‌توانند در دنیای واقعی وجود داشته باشند. اما مطالعات نشان می‌دهد که ممکن است در سیاه‌چاله‌های نزدیک به حد بیشینه نیز بتوان آثاری از تمایز بین سیاه‌چاله‌ها مشاهده کرد. سیاه‌چاله‌های نزدیک به بیشینه می‌توانند در دنیای ما وجود داشته باشند. پژوهشگران امیدوارند که در اندازه‌گیری‌های امواج گرانشی بتوانند آثاری از این ناپایداری در افق رویداد سیاه‌چاله را شناسایی کنند.

سیاه‌چاله‌های چرخان، باردار

همان‌طور که گفته شد سیاه‌چاله‌ها می‌توانند بار و اسپین داشته باشند. وجود این ویژگی‌ها به لحاظ نظری سیاه‌چاله‌ها را به ۴ دسته تقسیم‌بندی می‌کند:

اگر سیاه‌چاله به صورت ساده دارای چرخش نباشد و بار هم نداشته باشد از نوع شوازشیلد خواهد بود که ساده‌ترین نوع سیاه‌چاله می‌باشد. در صورتی که همین سیاه‌چاله اگر دارای چرخش و بدون بار باشد از نوع سیاه‌چاله کِر خواهد بود. سیاه‌چاله‌های باردار به صورت فرضی مطرح شده‌اند و تاکنون در طبیعت مشاهده نشده‌اند. اما اگر سیاه‌چاله‌ی غیر چرخانی دارای بار الکتریکی یا مغناطیسی باشد، با متریک رایسنر نوردشتروم (Reissner–Nordström) توصیف می‌شود. این متریک توسط هانس رایسنر، هرمان وایل و گانر نوردشتروم و همچنین جورج جفری کشف شده است. اما اگر سیاه‌چاله تمام ویژگی‌ها را داشته باشد و همزمان بار و اسپین نیز داشته باشد از نوع کِر-نیومان خواهد بود و از متریک کِر برای توصیف آن استفاده می‌شود. سیاه‌چاله‌های باردار چرخان نیز تاکنون در طبیعت مشاهده نشده‌اند.

تکینگی عریان و سانسور کیهانی

سیاه‌چاله‌ها در پشت افق رویداد پنهان هستند و ظاهرا هیچ اطلاعاتی از آن‌ها بیرون نمی‌آید. افق یک سیاه‌چاله امکان پنهان کردن شرم‌ ناشی از پیش‌بینی نظریه‌ها را فراهم می‌آورند. به بیان دیگر افق رویداد مانع از مشاهده تکینگی عریان می‌شود، یعنی جایی که معادلات نسبیت عام واگرا شده و نمی‌توانند پیش‌بینی درستی دهند. خوشبختانه، ناتوانی ما در تعیین سرنوشت ماده سقوط کننده در تکینگی توسط افق رویداد از باقی جهان دور می‌ماند. تکینگی‌های عریان به لحاظ نظری می‌توانند در برخی سیاه‌چاله‌های افراطی چرخان بوجود آیند. وقتی که اسپین سیاه‌چاله بسیار زیاد شود و سیاه‌چاله با سرعت وحشتناکی بچرخد، افق رویداد درونی و بیرونی با هم ادغام شده و محو می‌شوند و تکینگی حلقه‌ای شکل در مرکز برای باقی جهان نمودار خواهد شد. اگر تکینگی به صورت عریان خود را نشان دهد ما قادر به پیش‌بینی آینده توسط نسبیت عام نخواهیم بود. برای اجتناب از چنین بحرانی، فیزیکدان و ریاضیدان مشهور راجر پنروز در ۱۹۶۹ «فرضیه‌ی سانسور کیهانی» را مطرح کرد که طبق آن حدس زده می‌شود که شاید قیدهایی در کیهان وجود داشته باشد که از ظهور تکینگی عریان در طبیعت اجتناب می‌کند. اگر چنین باشد، نسبیت عام راهی برای متعین باقی ماندن و دوری از تأثیر نواحی از فضا-زمان که رفتار آینده‌شان قابل پیش‌بینی توسط نسبیت عام نیست خواهد داشت. اما برخی معتقدند که شاید با کامل شدن فیزیک نیازی به فرضیه سانسور کیهانی نداشته باشیم. در واقع عدم درک تکینگی‌ها و اجتناب از مواجهه با آن‌ها ناشی از ناقص بودن توصیف ما از گرانش است. در حقیقت ما نیاز به توصیفی کوانتومی از گرانش داریم که شاید مسأله‌ی تکینگی‌ها را حل کند و امکان تعین‌گرایی معمول در سرتاسر فضا-زمان را بدهد. در چنین نظریه‌ای، نیازی به سانسور ناحیه‌ای از فضا زمان که فراتر از اصول فیزیک بنیادی است نخواهد بود.

روش‌های شناسایی و مشاهده سیاه‌چاله

دانشمندان سیاه‌چاله‌ها را از روی اثرات گرانشی آن بر محیط اطراف خود می‌توانند شناسایی کنند. با مشاهده حرکت ستارگان و گاز در مجاورت سیاه‌چاله و همچنین برافزایش جرم در دیسک برافزایشی می‌توان وجود سیاه‌چاله را آشکار کرد. ماده‌ای که حول سیاه‌چاله می‌چرخد، یک دیسک تخت به نام دیسک برافزایشی تشکیل می‌دهد. ماده هنگام چرخش و پیش از سقوط به درون افق رویدادِ سیاه‌چاله، انرژی را به صورت تابش‌های پرتوی ایکس و دیگر تابش‌های الکترومغناطیسی از دست می‌دهد. در ۱۰ آوریل ۲۰۱۹ تصویری از یک سیاه‌چاله منتشر شد که به صورت بزرگ‌نمایی شده و خمیده شده توسط گرانش سیاه‌چاله بود. سایه تاریک در وسط تصویر در نتیجه نورهای جذب شده توسط سیاه‌چاله هستند که دیگر نمی‌توانند خارج شوند. این تصویر توسط امواج رادیویی که توسط تلسکوپ افق رویداد (EHT) بدست آمد، ساخته شده بود.

روش دیگر برای شناسایی سیاه‌چاله‌ها توسط امواج گرانشی است. در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ رصدخانه امواج گرانشی LIGO اولین مشاهده مستقیم امواج گرانشی را انجام داد. سیگنال دریافت شده با نظریه‌های موجود از امواج گرانشی تابش شده از دو سیاه‌چاله‌ی در حال ادغام سازگار بود. سیاه‌چاله‌های منبع این موج گرانشی یکی به جرم حدود ۳۶ برابر خورشید و دیگری ۲۹ برابر بودند. این مشاهده یک مدرک قطعی برای وجود سیاه‌چاله‌ها است. حرکات خاصه ستارگان در نزدیکی سیاه‌چاله مرکز راه شیری یک مدرک مشاهدتی قوی برای این است که ستاره‌ها حول یک جرم سنگین و چگال حرکت می‌کنند. از ۱۹۹۵ تاکنون، ستاره‌شناسان حرکات ۹۰ ستاره در حال چرخش حول یک جسم نامرئی را حول منبع *Sagittarius A زیر نظر دارند. با تطبیق این حرکات با مدارهای کپلری، ستاره‌شناسان در ۱۹۹۸ دریافتند که جرم جسم نامرئی باید بیش از یک میلیون برابر جرم خورشید در شعاعی به اندازه ۰.۰۲ سال نوری باشد. شواهد رصدی موجود به شدت از این ایده که جسم مرکزی باید یک سیاه‌چاله کلان‌جرم باشد حمایت می‌کنند. برخی مشاهدات دلالت بر وجود یک افق رویداد حول جسم مرکزی دارند که این یک ویژگی منحصربفرد سیاه‌چاله است. یک روش دیگر برای شناسایی سیاه‌چاله‌ها در آینده می‌تواند همگرایی گرانشی قوی حول سیاه‌چاله باشد. میدان گرانشی قوی سیاه‌چاله می‌تواند نقش عدسی گرانشی را ایفا کند و با خمیدگی شدید فضا-زمان حول خود موجب انحراف قابل توجه نور شود. تاکنون عدسی گرانشی بطور مستقیم برای سیاه‌چاله رصد نشده است. علاوه بر دیسک‌های برافزایشی، سیاه‌چاله‌ها بادها و جت‌هایی از ذرات پر انرژی دارند که در امتداد محور چرخش پرتاب ماده وتابش را با سرعت نزدیک به نور تابش می‌کنند. این جت‌ها هنوز به درستی درک نشده‌اند و دانشمندان در حال مطالعه بر روی آن هستند.

بزرگترین و کوچک‌ترین سیاه‌چاله کشف شده

کوچکترین سیاه‌چاله کشف شده تاکنون بیش از ۳ برابر خورشید جرم دارد. بطور مثال سیستم دوتایی XTE J1650-500 دارای سیاه‌چاله‌ای فقط به اندازه ۳.۸ جرم خورشید است. در مقام مقایسه، سیاه‌چاله کلان‌جرم مرکز راه شیری ۴.۵ میلیون برابر خورشید جرم دارد.

در فاصله ۱۱ میلیون سال نوری از زمین نزدیکترین کهکشان فعال به نام Centaurus A قرار دارد. این کهکشان از برخورد کهکشان‌های کوچکتر بوجود آمده است. این برخورد از نظر زمانی آن‌قدر به ما نزدیک است که هنوز ادغام کهکشان‌ها ادامه دارد. سیاه‌چاله کلان‌جرم مرکز این کهکشان حدود یک میلیارد برابر خورشید جرم دارد.

تفاوت سفیدچاله با سیاه‌چاله

همان‌طور که ذکر شد، سیاه‌چاله یکی از پیش‌بینی‌های نسبیت عام اینشتین است و موجودی است که همه چیز را به درون مرز خود می‌کشد. با عبور از مرز افق رویداد، هیچ چیز حتی نور نیز نمی‌تواند از سیاه‌چاله بگریزد و سرنوشت محتوم آن برخورد با تکینگی مرکز سیاه‌چاله است. اما سفیدچاله چیزی تقریبا معکوس سیاه‌چاله است، همه چیز را به بیرون پرتاب می‌کند. سفیدچاله نیز یکی از پیامدهای نسبیت عام اینشتین است اما همه چیز از سفیدچاله بیرون می‌آید و هیچ چیز نمی‌تواند وارد آن شود. همان‌طور که سیاه‌چاله دارای افق رویدادی است که اگر از آن نزدیکتر شوید دیگر هرگز بیرون نمی‌آیید، سفیدچاله نیز دارای یک افق رویداد است که شما هرگز نمی‌توانید از آن نزدیکتر شوید. سفیدچاله نیز یک تکینگی در مرکز دارد. برخی شباهت‌های تکینگی سفیدچاله با تکینگی بیگ‌بنگ موجب شده تا بعضی تصور کنند شاید تکینگی ابتدای کیهان نیز در واقع یک سفیدچاله بوده است. اما ایراداتی به این ایده وارد است؛ تفاوتهایی بین سفیدچاله و جهان ما وجود دارد از جمله تورم کیهانی ابتدای عالم که موجب پیدایش ساختارها شده است.

برخورد سفیدچاله با سیاه‌چاله

سفیدچاله تاکنون در جهان ما مشاهده نشده است و احتمالا هم وجود نداشته باشد اما اگر فرض کنیم در جهانی زندگی کنیم که هم سفیدچاله و هم سیاه‌چاله وجود داشته باشند، می‌توان شبیه به برخورد دو سیاه‌چاله، برخورد یک سفیدچاله و یک سیاه‌چاله را نیز تصور کنیم. در برخورد بین دو سیاه‌چاله که رویدادی عادی در کیهان است و ما اکنون توسط امواج گرانشی آن‌ها را مشاهده می‌کنیم، دو سیاه‌چاله با یکدیگر ادغام شده و یک سیاه‌چاله بزرگتر را پدید می‌آورند. در این فرآیند افق رویداد سیاه‌چاله حاصل از ادغام بزرگتر شده و جرمی برابر با مجموع جرم دو سیاه‌چاله قبلی را دارد. اما همان‌طور که گفتیم سفیدچاله معکوس سیاه‌چاله است و همه چیز از آن رو به بیرون می‌آید. با نزدیک شدن یک سیاه‌چاله به یک سفیدچاله، جرم سفیدچاله به عنوان منبع تغذیه برای سیاه‌چاله خواهد شد و توسط سیاه‌چاله بلعیده خواهد شد. در نتیجه برخورد سفیدچاله با سیاه‌چاله منجر به تشکیل یک سیاه‌چاله بزرگتر و با مجموع جرم سفیدچاله و سیاه‌چاله خواهد شد.

کرمچاله و سفر در زمان

سیاه‌چاله‌ها و کرم‌چاله‌ها هر دو جواب‌های خاصی از معادلات اینشتین هستند، که زمانی پدید می‌آیند که ساختار فضا-زمان توسط گرانش به شدت خمیده شود. بطور مثال وقتی ماده در یک نقطه به شدت متراکم شود، بافتار فضا زمان آن‌چنان خمیده می‌شود که حتی نور نیز نمی‌تواند بگریزد و تشکیل سیاه‌چاله می‌دهد. همچنان که نسبیت عام اجازه خمیدگی و کشیدگی بافت فضا-زمان را می‌دهد، می‌توان حالت‌های دیگری را نیز تصور کرد. در سال ۱۹۳۵، اینشتین و همکارش نیتان روزن (Nathan Rosen) در مقاله‌ای چگونگی اتصال دو صفحه از فضا زمان توسط یک پل بین دو جهان را توصیف کردند. این یک نوع از کرم‌چاله که به آن پل اینشتین-روزن نیز می‌گویند یک نوع از کرم‌چاله است و از آن زمان انواع متفاوتی کرم‌چاله مطرح گردیده‌اند. یک کرم‌چاله از لحاظ نظری می‌تواند دو نقطه بسیار دور در در ابعاد میلیاردها سال نوری یا بسیار کوتاه در حد چند متر را در یک فضا-زمان به هم متصل کند. همچنین کرم‌چاله می‌تواند پلی بین دو نقطه زمانی متفاوت باشد و امکان رفتن به گذشته یا آینده را فراهم سازد. ایده دیگر آن است که کرمچاله ممکن است پلی برای ورود به یک جهان دیگر باشد. در اوایل طرح ایده کرم‌چاله به زودی دو چالش برای وجود و تشکیل چنین موجوداتی مطرح شد: ناپایداری و ریزمقیاس بودن. اگر کرم‌چاله از ماده معمولی تشکیل شود به زودی پیش از آنکه کسی بتواند از آن عبور کند توسط گرانش در هم فرو می‌پاشد و از بین می‌رود. ساخت یک کرمچاله پایدار نیازمند نوعی ماده «غیر عادی» است که بتواند در نقش دافعه عمل کرده و گرانش را خنثی کرده مانع از رمبش کرمچاله شود. مانع دوم بر سر راه کرمچاله‌ها، میکروسکوپی بودن آن‌ها است که مانع از عبور موجودات بزرگ-مقیاس مانند انسان می‌شود. چالش این است که سیاه‌چاله و ماده غیر عادی بتوان ایجاد کرد که برای عبور پایدار باشد و ماده غیر عادی چندان از فیزیک شناخته شده دور نباشد. برای عبور پذیر بودن کرم‌چاله (عبور انسان) نیازمند مقادیری از انرژی منفی هستیم. هم اکنون دانشمندان در آزمایشگاه مقادیر بسیار کمی انرژی منفی ایجاد کرده‌اند که البته برای ساخت کرمچاله عبورپذیر کافی نیست. اخیرا برخی از اخترشناسان مطرح کرده‌اند که شاید در مرکز برخی از درخشان‌ترین کهکشان‌ها در واقع کرم‌چاله‌هایی وجود داشته باشد. در حقیقت ایده بر این اساس است که چه رخ خواهد داد اگر ماده‌ای که در یک دهانه کرم‌چاله وارد شده است از سمت دیگر بیرون بیاید و با ماده خارجی برخورد نماید. محاسبات نشان می‌دهد که چنین برخوردی منجر به تابش پرتوهای گامایی می‌شود که می‌توان با تلسکوپ‌ها آن را مشاهده کرد. این تابش می‌تواند نکته کلیدی تفاوت بین یک کرمچاله و یک سیاه‌چاله باشد که پیش‌تر تصور می‌شد از هم غیر قابل تمیزند. طبق محاسبات، سیاه‌چاله‌ها پرتوی گامای کمتری تولید می‌کنند و جت‌هایی به بیرون پرتاب می‌کنند، در حالی‌که تابش تولید شده توسط کرمچاله درون یک کره عظیم محصور خواهد بود.

درون سیاه‌چاله چه چیزی است؟

اگر شما به درون سیاه‌چاله سقوط کنید، بدن شما در فرآیندی به نام «اسپاگتی شدن» از هم متلاشی خواهد شد. اما این‌که دقیقا چه بر سر شما می‌آید بستگی به نوع سیاه‌چاله‌ای دارد که درون آن می‌افتید. البته بر خلاف فیلم‌های علمی-تخیلی، در سفر به درون یک سیاه‌چاله زنده نخواهید ماند. و اگر مثل متیو مک‌کانهی در فیلم «Interstellar» سعی کنید روی تکینگی بپرید پیش از آن‌که به آن برسید و طرف دیگر را ببینید از هم پاره خواهید شد. سیاه‌چاله‌های ستاره‌وار اگرچه جرم کمتری در مقایسه با سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم دارند اما نیروهای کشندی بی‌نهایت شدیدی دارند. اگر شما سعی کنید به درون یک سیاه‌چاله ستاره‌وار سقوط کنید به دلیل افق کوچک آن‌ها همه چیز خیلی سریع رخ خواهد داد. سیاه‌چاله مرز ملموس مشخصی ندارد و با نزدیک شدن به افق رویداد اگر اجسام دیگری نزدیک سیاه‌چاله نباشد تنها از روی همگرایی گرانشی نور ستاره‌های پس‌زمینه حول افق متوجه عبور از افق رویداد خواهید شد.

اما با نزدیک شدن به مرکز سیاه‌چاله به دلیل گرانش عظیم آن و اختلاف نیروی گرانش در بالا و پایین بدن‌تان، شما به شدت کِش خواهید آمد و دچار فرآیند اسپاگتی شدن خواهید شد. اگر با پا به درون افق رویداد وارد شوید، نیروی گرانشی روی پاهایتان قوی‌تر از نیروی روی سرتان خواهد بود و در نتیجه شما در یک راستا مانند یک رشته اسپاگتی کشیده خواهید شد. در یک سیاه‌چاله ستاره‌وار، اختلاف نیروی گرانشی بین سر و پای شما حدود ۱۰۰۰ میلیارد برابر است. مرگی دردناک اما بسیار سریع رخ خواهد داد. و این سناریو صرفا بر اساس نظریه یا حدس نیستند. اخترشناسان در سال ۲۰۱۴ شاهد «رویداد از هم‌پاشیدگی کشندی» بودند که چندین تلسکوپ تصاویر ستاره‌ای که به یک سیاه‌چاله بسیار نزدیک شده بود را ثبت کردند. ستاره از هم متلاشی شد و قسمتی از ماده آن به ورای افق رویداد سقوط کرد و قسمتی نیز بیرون ماند. اما برعکس سیاه‌چاله‌های ستاره‌وار، اگر به یک سیاه‌چاله کلان‌جرم یا میان‌جرم وارد شوید تجربه کمتر دردناکی خواهید داشت. اگرچه در پایان باز هم مرگ دردناکی خواهید داشت اما ممکن است در واقع در مسیر عبور از افق رویداد تا سقوط به تکینگی همچنان زنده باشید. در این مورد، حداقل به لحاظ نظری، می‌توانید فضای اطراف سیاه‌چاله را ببینید. اما هیچ‌کس قادر به دیدن شما از بیرون نخواهد بود. اگر با یک چراغ سعی کنید آن‌جا را روشن کنید، نور به سوی تکینگی همراه با شما باز خواهد گشت. هر آن‌چه شما درون سیاه‌چاله کلان‌جرم ببینید نمی‌توانید به بیرون گزارش کنید، هیچ چیز از سیاه‌چاله خارج نمی‌شود.

سیاه‌چاله به صورت هولوگرام

برخی از نظریه‌ها مدعی هستند که سیاه‌چاله‌ها مانند یک هولوگرام هستند. یعنی همه اطلاعات ثبت شده بر یک سطح ۲-بعدی می‌تواند یک تصویر ۳-بعدی را بازسازی نماید. بدین صورت، سیاه‌چاله‌ها این اجرام کیهانی، می‌توانند بسیار پیچیده باشند و مقادیر عظیمی از اطلاعات درون خودشان اندوخته باشند، شبیه به هارد دیسک‌های عظیم کیهانی در دو بعد. این ایده همسو با نظریه نسبیت اینشتین است که سیاه‌چاله را به صورت موجودات ساده‌ی کروی و سه بعدی و بدون افت و خیز توصیف می‌کند. سیاه‌چاله در ظاهر به صورت سه بعدی شبیه به هولوگرام پدیدار می‌شود.

مسأله این‌جاست که در توصیف نسبیت عامی از سیاه‌چاله‌ها، آن‌ها اجسام بسیار ساده‌ای هستند که از نظر ریاضیاتی تنها با جرم و اسپین و بار الکتریکی توصیف می‌شوند. و با سقوط یک جرم به درون آن تغییر قابل توجهی در سیاه‌چاله ایجاد نمی‌شود. اطلاعات جسم سقوط کننده از دست رفته است. اما اگر سیاه‌چاله را به صورت کوانتومی نگاه کنیم، سیاه‌چاله‌ها موجودات بسیار پیچیده‌ای هستند و حاوی مقادیر عظیمی از اطلاعات‌اند. در نظریه کوانتومی اطلاعات هرگز از بین نمی‌رود. همان‌طور که گفته شد، کارهای یاکوب بکنشتاین و استیون هاکینگ نشان داد که سیاه‌چاله‌ها تابش گرمایی دارند و در نتیجه دارای انتروپی هستند. برای این‌که بفهمیم چه مقدار اطلاعات در سیاه‌چاله داریم، می‌توان امقدار اطلاعات را به مساحت سطح افق رویداد مرتبط کرد که اطلاعات بر روی آن سطح ثبت می‌شود. اما از آن‌جا که افق رویداد یک سطح سه بعدی است، اطلاعات نمی‌تواند به صورت ماده معمولی ذخیره شود، بلکه افق رویداد یک هولوگرام را می‌سازد که با گذر ماده از افق رویداد، اطلاعات آن را به صورت هولوگرافی ذخیره می‌کند. وقتی ماده به صورت تابش هاکینگ به بیرون باز می‌گردد، اطلاعات بازیابی می‌شود. تنها هزینه این اتفاق این است که اطلاعات کاملا به هم ریخته خواهد بود.

اصل هولوگرافی

اصل هولوگرافی یک باور در نظریه‌های ریسمان است که بیان می‌کند که یک حجم از فضا را می‌توان به صورت کدگذاری شده در مرز با ابعاد پایین‌تر از این ناحیه توصیف کرد. این اصل اولین بار توسط خرارد تهوفت فیزیکدان هلندی پیشنهاد شد و توسط لئونارد ساسکیند تفسیر نظریه ریسمانی یافت. نظریه ریسمان یک توصیف ابعاد پایین‌تر دارد که گرانش از آن پدیدار می‌شود و به صورت هولوگرافی می‌تواند تفسیر شود. مثال مهم از کاربرد اصل هولوگرافی در فیزیک تناظر AdS/CFT است.

در تناظر AdS/CFT که خوان مالداسنا آن را پیشنهاد کرد، در یک طرف تناظر نظریه‌های فیزیکی قرار دارند که در یک فضای پاد-دوسیته (AdS) که معمولا نظریه‌های گرانش کوانتومی از چنین فضایی استفاده می‌کنند توصیف می‌شوند. و در طرف دیگر تناظر نظریه‌های میدان همدیس (CFT) قرار دارند که در واقع نظریه‌های میدان کوانتومی شبیه به نظریه‌های یانگ-میلز برای توصیف ذرات بنیادی هستند. تناظر AdS/CFT بین نظریه‌های با ابعاد بالاتر و ابعاد پایین‌تر امکان فرمول‌بندی غیر اختلالی از نظریه ریسمان با شرایط مرزی خاص را می‌دهد چرا که مثال موفقی از کاربرد اصل هولوگرافی است.

اما اصل هولوگرافی از ترمودینامیک سیاه‌چاله‌ها الهام گرفته شده است که حدس زده می‌شود که انتروپی بیشینه در هر ناحیه با مجذور شعاع مقیاس می‌شود نه با مکعب شعاع (آن‌چنان که انتظار می‌رود). در مورد سیاه‌چاله‌ها دیدگاه این بود که محتوای اطلاعاتی همه اجسامی که درون سیاه‌چاله سقوط می‌کنند بطور کامل در افت‌وخیزهای سطح افق رویداد ثبت می‌شود. اصل هولوگرافی، پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله را در چارچوب نظریه ریسمان حل می‌کند.

با این‌حال جواب‌های کلاسیکی از معادلات اینشتین وجود دارند که امکان مقادیر انتروپی بزرگتر از آن‌چه که توسط قانون مساحت مجاز است را می‌دهد، در نتیجه از مقادیر یک سیاه‌چاله بزرگتر می‌شود. وجود این قبیل جواب‌ها که «کیسه طلای ویلر» خوانده می‌شوند، با تفسیر هولوگرافی در تضاد است، و اثرات آن‌ها در نظریه گرانش کوانتومی که از اصل هولوگرافی استفاده می‌کند کاملا فهمیده نشده است.

آیا ما درون سیاه‌چاله زندگی می‌کنیم؟

اگر در زمان تا ۱۳.۸ میلیارد سال به عقب برویم به چیزی می‌رسیم که بیگ‌بنگ نام دارد. اما پیش از آن چه؟ بسیاری از فیزیکدانان می‌گویند که چیزی پیش از بیگ‌بنگ نبوده و زمان در لحظه بیگ‌بنگ آغاز شده است و پرسش از قبل از بیگ‌بنگ در محدوده علم نیست. اما برخی دانشمندان غیر عادی موافق نیستند. این فیزیکدانان زمان پیش از بیگ‌بنگ را نظریه پردازی می‌کنند که همه جرم و انرژی در یک چیز بی‌نهایت چگال و با ابعاد محدود فشرده شده بود. تصور می‌شود که این چیز فشرده ابعادی بی‌نهایت کوچک، احتمالا تریلیون‌ها برابر کوچکتر از هر ذره‌ای که تاکنون دیده‌ایم داشته است. و این ذره‌ی بسیار کوچک می‌‌تواند تمام دیگر ذرات و ساختارها و کهکشان‌ها و سیارات و ما را تولید نماید. سؤال این‌جاست که خود این بذر اولیه چگونه خلق شد؟ یک ایده که سال‌ها پیش توسط Nikodem Poplawski از دانشگاه نیو هیون مطرح گردید، پیشنهاد می‌کند که این بذر اولیه‌ی پیدایش جهان در واقع در یک محیط افراطی قرار داشته: درون یک سیاه‌چاله. دکتر پاپلاوسکی می‌گوید که ماده درون یک سیاه‌چاله به نقطه‌ای می‌رسد که دیگر بیشتر از آن نمی‌تواند فشرده شود. این «بذر اولیه» ممکن است بی‌نهایت کوچک با جرمی به اندازه میلیاردها برابر خورشید باشد، اما متفاوت از یک تکینگی، آن یک چیز واقعی است. سپس فشرده‌سازی به دلیل اسپین سیاه‌چاله متوقف می‌شود. آن‌ها با سرعت‌هایی نزدیک به نور می‌چرخند. و این اسپین بذر فشرده شده را با مقدار عظیم پیچش باقی می‌گذارد. این بذر فقط کوچک و سنگین نیست؛ بلکه همچنین فشرده و پیچ و تاب خورده است، شبیه به اسباب‌بازی مار فنری فشرده شده در قوطی است. که این بذر اولیه می‌تواند ناگهان فنرش بپرد و یک بیگ‌بنگ ایجاد کند. یا به قول دکتر پاپلاوسکی یک «واجهش بزرگ» (Big Bounce) ایجاد می‌شود. همچنین ممکن است یک سیاه‌چاله یک دروازه یک طرفه بین دو جهان باشد. به این معنی که اگر به درون مثلا سیاه‌چاله مرکز راه شیری سقوط کنید، ممکن است از جهان دیگری سر در بیاورید (اگر زنده بمانید!). این جهان دیگر، درون جهان ما نیست؛ سیاه‌چاله صرفا یک راه ارتباط است که بین دو جهان به اشتراک گذاشته شده است. و ممکن است ما پیامد یک جهان پیرتر باشیم. جهان پیرتری که مادر جهان ما است. و ممکن است آن جهان مادر خود از یک واجهش بزرگ پدید آمده باشد و گرچه جهان ما به سرعت منبسط می‌شود، ما ممکن است در پشت افق رویداد یک سیاه‌چاله پنهان شده باشیم.

برخورد سیاه‌چاله نخستین با زمین

برای ایجاد یک سیاه‌چاله نیاز به شرایط شدید و بی‌نهایتی می‌باشد، مثل رمبش یک ستاره پرجرم در مرحله پایانی زندگی خود. اما در لحظات نخستین پیدایش کیهان، ستاره‌ها هنوز بوجود نیامده بودند و دما و چگالی بسیار زیاد بود. یک ایده برای پیدایش سیاه‌چاله‌های نخستین در کیهان این است که در نخستین مراحل تکوین کیهان که ذرات بنیادی در حال تشکیل شدن بودند و فشار و دما و چگالی بسیار زیاد بود، ممکن است سیاه‌چاله‌هایی نیز بر اثر فشار و چگالی زیاد بوجود آمده باشند. در واقع ماده اولیه در کیهان به دلیل فشار زیاد در حجم کوچکی فشرده شده و تشکیل سیاه‌چاله داده باشد. همان‌طور که ذکر شد ممکن است تعداد کافی از سیاه‌چاله‌های نخستین در کیهان وجود داشته باشد تا بتواند نقش ماده تاریک در کیهان را ایفا کند. برخی پژوهشگران می‌گویند دسته عظیمی از سیاه‌چاله‌های نخستین کیهان را در کیهان پخش شده‌اند. طبق تابش هاکینگ هر چه سیاه‌چاله‌ای جرم کمتری داشته باشد سریع‌تر جرم خود را از دست می‌دهد. سیاه‌چاله‌هایی با جرم تقریبی ۱۰۰ میلیون تن کمی سبک‌تر از یک سیارک، نیمی از جرم خود را طی سن فعلی کیهان از دست می‌دهند. سیاه‌چاله‌های بزرگتر به واسطه تابش هاکینگ، در طی این زمان کسر کوچکی از جرم خود را از دست داده‌اند. اگر ماده تاریک از سیاه‌چاله‌ها ساخته شده باشد، شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که سرعت حرکت آن‌ها می‌تواند بیش از چند صد کیلومتر بر ثانیه باشد. اگر یک سیاه‌چاله با جرمی به اندازه یک سیارک با زمین برخورد کند، یک فاجعه رخ می‌دهد. سیاه‌چاله سطح سیاره ما را مانند یک چاقوی داغ که کره می‌برد سوراخ خواهد کرد، اما به زودی شروع به کند شدن می‌کند زیرا با گرانش زمین برهمکنش می‌کند. هر مولکول یا اتم یا شخصی که در مرز افق رویداد سیاه‌چاله قرار گیرد از جهان حذف خواهد شد. در یک سناریوی خوشبینانه، سیاه‌چاله از سمیت دیگر زمین خارج خواهد شد و نجات یافتگان باقی خواهند ماند. در بدترین سناریو، سیاه‌چاله در هسته‌ی زمین جا خوش خواهد کرد و شروع به بر افزایش جرم زمین به دور خواهد کرد و به تدریج تمام جرم زمین را خواهد بلعید. دکتر سهراب راهوار کیهان‌شناس ایرانی اخیرا در مقاله‌ای احتمال چنین برخوردی را محاسبه کرده‌اند و نشان داده‌اند که خوشبختانه در طی عمر زمین، احتمال برخورد یک سیاه‌چاله نخستین با زمین تقریبا صفر است. از آن گذشته سرعت سیاه‌چاله‌ها زیاد است و احتمال اینکه سیاه‌چاله در هسته زمین به دام افتاده و زمین را ببلعد تقریبا صفر است. از طرف دیگر، برخورد زمین با سیاه‌چاله منجر به پدیده ناخوشایند دیگری می‌شود: گرم شدن زمین. در طی عبور سیاه‌چاله از میان زمین، سیاه‌چاله ماده را به دور خود جمع خواهد کرد و برافزایش ماده موجب تولید گرما می‌شود (شبیه به انرژی تولید شده در هسته‌های کهکشانی فعال). برخورد یک سیاه‌چاله به جرم یک سیارک انرژی به اندازه برخورد یک سیارک یک کیلومتری با زمین آزاد خواهد کرد. در واقع برخورد سیاه‌چاله با زمین بسیار نامحتمل است. در برخی سناریوها با تعداد زیادی سیاه‌چاله ممکن است یک برخورد در هر یک میلیارد سال رخ دهد که احتمال ضعیفی است.

خلاصه و جمع‌بندی

سیاهچاله‌ها عجیب‌ترین و شگفت‌انگیزترین موجودات شناخته شده در این عالم هستند. با وجود این‌که پیش از قرن بیستم، ایده‌هایی درباره ستاره‌های تاریک مطرح شده بود اما این آلبرت اینشتین بود که با ارائه نسبیت عام در قرن بیستم، دریچه‌ای جدید به روی ما گشود و نوری بر فهم موجوداتی به نام سیاهچاله افکند. استیون هاکینگ نشان داد که سیاه‌چاله‌ها چندان هم تاریک نیستند و تابشی هرچند ضعیف منتشر می‌کنند که تابش هاکینگ نام دارد. اما نسبیت عام به ما می‌گوید که هیچ چیز نمی‌تواند از سیاه‌چاله خارج شود. از طرف دیگر در مکانیک کوانتوم اطلاعات پایسته است. و سؤال این است که اطلاعات جرم سقوط کرده به درون سیاه‌چاله کجا رفته است؟ سیاه‌چاله‌ها بر حسب جرم انواع مختلفی دارند. سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای به وفور در کهکشان یافت می‌شوند. سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم با جرم‌هایی بیش از میلیون‌ها برابر جرم خورشید اغلب در مرکز کهکشان‌ها یافت می‌شوند. و حلقه مفقوده در این بین سیاه‌چاله‌های میان‌جرم است که هنوز درباره وجودشان کاملا مطمئن نیستیم. همچنین سیاه‌چاله ممکن است بتوانند به عنوان ماده تاریک نقش ایفا کنند. نوعی از سیاه‌چاله‌ها به نام سیاه‌چاله‌های نخستین که در زمان بیگ‌‌بنگ ممکن است بوجود آمده باشند می‌توانند در نقش ماده تاریک ظاهر شوند. برخی ایده‌ها وجود دارد که سیاه‌چاله‌ها را به عنوان دروازه‌ای برای ورود به ابعاد دیگر یا جهان‌های دیگر مطرح می‌کند. ما در این‌‌باره چیز چندانی نمی‌دانیم و بیشتر ایده‌هایی است که مطرح می‌شوند و تا اثبات یا رد آن‌ها راه طولانی در پیش داریم. سیاه‌چاله‌ها موجودات پرقدرتی هستند که هر چیزی در نزدیکی خود را می‌بلعند و متلاشی می‌کنند. اما نشانه‌هایی وجود دارد که شاید وجود همین موجودات عجیب و پر قدرت برای تکامل و پیدایش شرایط حیات هوشمند در کیهان ضروری بوده باشند.

سؤالات متداول پیرامون سیاه‌چاله