همه چیز درباره سیاه چاله ها
سیاه چاله چیست؟
فرض کنید، دوستتان تصمیم گرفته است به‌سوی یک «سیاه چاله» سفر کند. با شما قرار می‌گذارد هر ۵ ثانیه بر پایه‌ی ساعت همراهش، چراغ قوه‌ی نور آبی‌اش را روشن و خاموش کند. فکر می‌کنید چه خواهید دید؟ پیش از پاسخ به جواب بد نیست درباره‌ی این جرم‌های شگفت و عجیب اخترفیزیکی کمی بدانیم.
شاید شنیده باشید، سیاه چاله از دل نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین بیرون آمده و این نظریه هم سال ۱۹۱۶ میلادی/۱۲۹۵ خورشیدی متولد شده است. اما باید بدانید سیاه چاله قدیمی‌تر از آن چیزی است که فکرش را می‌کنید. دانشمند انگلیسی، جان میچل، ۲۳۵ سال پیش کنجکاوی‌اش درباره‌ی ستارگان، نور و سرعت فرار(در پاورقی بیاید: فرض کنید سنگی در دست دارید، آن را به بالا بیندازید، یکی دو ثانیه دیگر به پایین برمی‌گردد، حالا سعی کنید با سرعت بیشتری پرتابش کنید، کمی بیشتر طول می‌کشد بازگردد. درنهایت فرض کنید زور هرکول را دارید، در این صورت اگر روی کره‌ی زمین باشید، سرعت سنگتان را به نزدیک ۱۲ کیلومتر بر ثانیه برسانید، در این صورت سنگ شما بر نخواهد گشت، این سرعت خاص را سرعت فرار می‌نامند. هر چه جرم چیزی بیشتر باشد، گرانش آن بیشتر است، پس حتما سرعت فرار بزرگ‌تری دارد.) برانگیخته شد.
با خود فکر کرد: «آیا ممکن است، ستاره‌ای آن‌قدر سنگین باشد که سرعت فرار بزرگ آن مانع از انتشار نور خودش شود؟ یا اگر نوری از نزدیکی آن گذر کرد، به سمت خودش جمع کند؟» محاسباتی هم انجام داد و به این نتیجه رسید، بله، ستاره‌ای اگر ۵۰۰ برابر خورشید باشد (عدد میچل خیلی دور از واقعیت است.) حتی نور هم از آن نخواهد گریخت! او آن را «ستاره‌ی تاریک» نامید.
پیرسیمون لاپلاس
۱۲ سال پس از میچل، پی‌یر-سیمون لاپلاس، ریاضی-فیزیکدان فرانسوی، در مقاله‌ای و همچنین کتاب مشهورش این ایده را بررسی کرد. وی هم محاسبات میچل را تصحیح کرد و هم به لحاظ ریاضیاتی نشان داد، چطور ممکن است چنین ستاره‌ای وجود داشته باشد. به‌نظر می‌رسد، مسئله جدی است ولی این ایده به فراموشی سپرده شد تا…
حدود ۱۲۱ سال بعد از لاپلاس، یعنی ۱۰۲ سال پیش از امروز، سال ۱۹۱۷ م/۱۲۹۶خ کسانی درباره‌ی نسبیت عام کنجکاو شدند و به معادلاتی که اینشتین پیدا کرده بود، هجوم بردند، آن را واکاوی و حل کردند. معادلات اینشتین می‌گوید، نیروی گرانش، خمیدگی فضازمان است و هر چیزی جرم و انرژی دارد، اطراف خود را خمیده می‌کند. این معادلات کاملا هندسی‌اند و معماهای بی‌پاسخ متعددی را پاسخ می‌گویند. یکی از کسانی‌که اولین حل را یافتند کارل شوارتس‌شیلد بود، سرباز دواطلب آلمانی که در توپخانه آلمان در شرق روسیه در جنگ جهانی اول خدمت می‌کرد، و دیگری یوهان دورسته، فیزیکدان دانمارکی که متأسفانه کمتر به او توجه می‌شود.
(پاورقی: محاسبات شوارتس‌شیلد غلط داشت و خوب تحلیل نشده بود، یوهان دورسته حل و تحلیل درست را عرضه کرد ولی مرگ غم‌انگیز شوارتس‌شیلد در جوانی و کمی پس از انتشار مقاله‌اش، او را مشهور کرد. ) حل شوارتس‌شیلد مبتکرانه و ساده است، فرض می‌شود پراکندگی و توزیع ماده و انرژی، تقارن کروی داشته باشد، یعنی مثل کره است که هر طور و هر قدر بچرخانیدش، همچنان همان‌طور دیده می‌شود. به بیان فیزیکی انگار داخل یک کره‌ایم و در آن هیچ نقطه‌ی خاصی وجود ندارد، نه جهت مهم است و نه نقطه یا نقاطی چگالی متفاوتی دارد (همه جا در کره همگن است).
مطلب پیشنهادی: انتشار نخستین تصویر از سیاهچاله
افق رویداد چیست؟
ستارگان تقریبا کروی‌اند، اگر چرخان نباشند یا با سرعت پایینی بچرخند، حل شوارتس‌شیلد، گرانش ستارگان و وضعیت‌شان را به‌خوبی توصیف می‌کند؛ رصدها هم خوبی و درستی این حل را نشان می‌دهد. در حل شوارتس‌شیلد طول شعاعی از مرکز جرم اجسام وجود دارد که آن را با نام کاشف آن می‌شناسم و مشخص‌کننده‌ی مرزی است که به «افق رویداد» معروف است. این مرز، شعاعی است که اگر هر جرمی را در حجمی به اندازه‌ی این شعاع یا کوچک‌تر فشرده کنیم، سرعت فرار آن جسم بیش از سرعت نور خواهد شد. این همان کشف میچل نیست؟ یعنی جرمی را معادلات اینشتین پیش‌بینی می‌کرد که حتی نور از آن نمی‌گریزد و تاریک است!
سیاه چاله مرکز راه شیری
اینشتین از این حل نه‌تنها خوشحال نبود، بلکه ناراضی بود و اظهار داشت که این حل نمی‌تواند توصیف‌کننده‌ی پدیده‌ای واقعی در آسمان باشد. اما اینشتین اشتباه می‌کرد، از حدود ۵۰ سال قبل تقریبا مطمئنیم که در مرکز کهکشان‌ها سیاه‌چاله‌ها وجود دارند. همچنین کاندیداهای فراوانی در سیستم‌های دوتایی آسمانی پیدا شده‌اند.(پاورقی: یعنی یک ستاره‌ی معمولی یا کوتوله‌ی سفید یا ستاره‌ی نوترونی همدمی دارد، با این‌که همدم دیده نمی‌شود بر آن ستاره بسیار اثر می‌گذارد. ) همچنین می‌دانیم باقی‌مانده‌ی بسیاری از ابرنواختران فقط می‌تواند سیاه چاله باشد، رصدها هم کمابیش این را تأیید کرده است. در این دو، سه سال اخیر هم امواج گرانشی کشف شده از سوی لایگو تایید دیگری بر وجود این اجرام جالب بودند. پروژه‌ی دیگری (تلسکوپ افق رویداد) نیز در جریان است که در دو، سه سال آینده خبرهای هیجان‌انگیزتری را از این اجرام خواهیم شنید.
چه خبر از دوستتان؟
حال بد نیست به سؤال نخست‌مان برگردیم. شما رفته‌رفته می‌بینید که میان هر دو پالس نوری دوستتان فاصله‌ی زمانی بیشتری می‌گذرد. همچنین در نهایت تعجب خواهید دید که نور رسیده به سوی قرمز می‌گراید. اولی را اتساع زمان گرانشی می‌نامیم، یعنی گذر زمان در نزدیکی میدان گرانشی کند می‌شود و دومی را انتقال به‌سرخ گرانشی می‌نامند. اکنون ممکن است بپرسید این‌ها یعنی چه؟ یا مثل من کنجکاو باشید، چه بر سر دوستتان می‌آید؟ برای پاسخ به این پرسش‌ها دنباله‌های مقاله‌ی حاضر و دیگر مقالات ما را دنبال کنید…
