سیاه‌چاله‌ها همیشه موضوع جالب و رازآلودی برای ستاره‌شناسان و دیگر دانشمندان بوده‌اند. ناسا ۱۲ تا ۱۶ آوریل (۲۳ تا ۲۷ فروردین)را هفته‌ی سیاه‌چاله نامگذاری کرده است و به این مناسبت نگاهی به تاریخچه‌ی کشف این اجرام می‌اندازیم.

به گزارش ایسنا، اساس و پایه‌ی آن‌چه که در مورد سیاه‌چاله‌ها می‌دانیم به جنگ جهانی برمی‌گردد. در دسامبر سال ۱۹۱۵، اروپا و سایر مردم جهان، دوران تاریک جنگ جهانی اول را می‌گذراندند. جایی در جبهه‌ی شرقی یک ستوان آلمانی در توپخانه در کُت خود فرو رفته بود و سعی می‌کرد درون سنگر، گرم و خشک بماند. او آخرین بسته‌ای که از خانه برایش رسیده بود را باز کرد و یک بسته توجهش را به خود جلب کرد. در آن شب او خطر روشن کردن نور را به جان خرید و شروع به خواندن گزارشی طولانی و با جزئیات کرد. گزارشی که نمی‌دانست تبدیل به مهم‌ترین اثر قرن بیستم خواهد شد.

نویسنده‌ی آن گزارش یک فیزیکدان نظری به نام آلبرت اینشتین بود و کسی که این گزارش را دریافت کرد همکارش، کارل شوارتزشیلد(Karl Schwarzschild)، مدیر رصدخانه‌ای در پوستدام(Potsdam)، نظریه‌پرداز و ریاضی‌دان برجسته‌ای بود که برخلاف شغل مربوط به نجومش در دهه‌ی پنجم زندگیش به جنگ رفته بود.

تنها چند هفته قبل‌تر، اینشتین ۱۰ سال کار خود را با موفقیت به پایان رسانده بود و نظریه‌ی نسبیتش را گسترش داده بود تا شامل نیروی جاذبه، الکتریسته و مغناطیس شود.

اینشتین با انتشار چهار مقاله‌ی برجسته در فرهنگستان علوم "پروس" اساس ریاضیات و نظریه‌ی کلی نسبیت را بنیان نهاد که هنوز یکی از زیباترین و ظریف‌ترین نظریات علمی کل تاریخ است.

استدلال دایره‌وار معادلات اینشتین، حل کردن آن‌ها را در عین زیبایی، دشوار می‌کند. ریشه این دشواری در معادله‌ی مشهور E=mc۲ اوست که بیان می‌کند انرژی و ماده قابل جابه‌جایی با یکدیگر هستند. از آن‌ جایی که جاذبه نوعی انرژی است می‌تواند مانند ماده نیز رفتار کند و باعث گرانش بیشتر شود. از نظر ریاضیاتی، نسبیت عام یک دستگاه(تابع) غیرخطی است و حل کردن این‌گونه دستگاه‌ها دشوار است.

هنگامی که شوارتزشیلد تنها چند روز بعد پاسخی به اینشتین نوشت و اولین راه حل را برای معادله‌ی اینشتین ارائه داد، او را بسیار شوکه کرد. او برای اینشتین نوشت: همانطور که می‌بینی جنگ با من به اندازه‌ی کافی مهربان بوده که به رغم شلیک گلوله‌ها، مدتی از همه‌چیز دور شوم و در دنیای ایده‌های خودم قدم بزنم.

اینشتین نیز پاسخ داد: من مقاله‌ی تو را با نهایت علاقه خواندم و توقع نداشتم یک نفر بتواند راه حل دقیق این مسئله را با روشی به این سادگی به دست آورد. من از ریاضیاتی که استفاده کردی بسیار خوشم آمد.

به طرز غم‌انگیزی در کمتر از یک‌ سال شوارتزشیلد تسلیم یک بیماری پوستی شد و جانش را از دست داد و به میلیون‌ها جان باخته‌ی جنگ‌جهانی اول در اثر این بیماری پیوست. او از خود راه‌حلی به جا گذاشت که به طور کامل توضیح می‌دهد چگونه "فضازمان" اجسام کروی مثل سیارات و ستاره‌ها را در بر گرفته است. "فضازمان" یک مدل ریاضی است که در آن سه بُعد فضا و یک بعُد زمان جهان در یکدیگر ادغام شده و یک محیط چهار بعدی ایجاد می‌کند. با ترکیب فضا و زمان فیزیکدانان توانستند نظریه‌های فیزیکی را ساده‌سازی کنند. یکی از ویژگی‌های بیان شده در این راه‌حل ریاضیاتی این است که در ستاره‌های فشرده با چگالی زیاد، فرار از گرانش دشوارتر می‌شود تا جایی که هر ذره‌ای، حتی نور در دام گرانش آن‌ها می‌افتد. به این نقطه که هیچ فراری از گرانش امکان پذیر نیست افق رویداد گفته می‌شود و هر جسمی که به افق رویداد نزدیک شود زمان برایش کند شده و سپس متوقف می‌شود.

کارل شوارتزشیلد

به همین علت اولین فیزیکدانانی که این اجرام عجیب را مطالعه می‌کردند آن‌ها را "ستاره‌های یخ‌زده" نامیدند. امروزه ما آن‌ها را با اسمی می‌شناسیم که اولین بار ویلر(Wheeler) در سال ۱۹۶۷ به آن‌ها اطلاق کرد: سیاه‌ چاله

اگرچه افق رویداد نقشی اساسی در راه‌حل شوارتزشیلد داشت اما سال‌ها طول کشید تا سیاه‌چاله‌ها به عنوان چیزی بیش از یک کنجکاوی ریاضیاتی شناخته شوند. اکثر متخصصان برجسته جهان در زمینه‌ی نسبیت عام در نیمه‌ی اول قرن بیستم باور داشتند که سیاه‌چاله‌ها هرگز نمی‌توانند در واقعیت شکل بگیرند.

آرتور ادینگتون(Arthur Eddington) اصرار داشت که حتما قانونی در طبیعت برای جلوگیری از چنین اتفاقی وجود دارد. توسعه‌ی همزمان مکانیک کوانتومی نیز باعث پیچیده شدن این مسئله می‌شد. یک رشته‌ی جدید که براساس مواردی از رفتارهای نامعمول در طبیعت ایجاد شده بود.

فیزیکدانانی که در دو رشته‌ی مکانیک کوانتومی و نسبیت عام کار می‌کردند دریافتند که هر دوی این زمینه‌ها برای درک ستاره‌های بزرگ و متراکم اهمیت زیادی دارند. اما ماهیت عجیب این شاخه‌های جدید فیزیک حتی با استعدادترین افراد را تحت فشار قرار می‌داد به همین دلیل تا ۵۰ سال بعد از مقاله‌ی شواتزشیلد دانشمندان هیچ اتفاق نظری بر روی وجود سیاه‌چاله‌ها نداشتند.

یافتن غیرقابل مشاهده‌ها

یک موضوع واضح بود، اگر سیاه‌چاله‌ها وجود داشته باشند به احتمال زیاد در اثر فروپاشی ستاره‌های عظیم شکل‌ گرفته‌اند. ستاره‌هایی که پس از اتمام سوخت هسته‌ای‌شان نتوانستند حتی وزن خودشان را تحمل کنند. سوالی که اکثر ستاره‌شناسان روی آن تمرکز داشتند این بود که چگونه آن‌ها را پیدا کنیم؟ زیرا سیاه‌چاله‌ها هیچ نوری منتشر نمی‌کردند برای ستاره‌شناسی نور احتیاج است و برای داشتن نور باید ماده وجود داشته باشد. هرچه داغ‌تر و پرنورتر بهتر.

خوشبختانه اواخر دهه‌ی ۱۹۶۰ آغاز ستاره‌شناسی با اشعه‌ی ایکس بود که با ارسال چندین موشک ژرفاسنج و ماهواره که می‌توانستند بالای جو زمین قرار بگیرند همراه بود.

در طول پرواز کوتاه یک موشک در سال ۱۹۶۴، ستاره‌شناسان یکی از بزرگترین منابع اشعه‌ی ایکس در آسمان را یافتند که در صورت فلکی ماکیان(Cygnus) قرار داشت و آن را "Cygnus X-۱" نامیدند.

با این حال از آن‌جا که هیچ منبع نوری بصری و رادیویی نداشت منبع فیزیکی آن یک راز باقی‌ماند. هنگامی که ماهواره‌ی "Uhuru X-ray Explorer" ناسا در سال ۱۹۷۰ پرتاب شد، مشاهدات دقیق‌تری با جزئیات بیشتر امکان پذیر شد.

یکی از اولین کشف‌های قابل توجه، کشف تغییرات سریع سیاه‌چاله‌ی Cyg X-۱ در بازه‌های زمانی کمتر از یک ثانیه بود. این موضوع نشان می‌داد که اندازه‌ی فیزیکی منطقه‌ای که اشعه‌ی ایکس منتشر می‌کرد بسیار فشرده و کوچک‌تر از یک ستاره‌ی معمولی است. چه چیزی چنین انرژی زیادی را در چنین فضای کمی نگه می‌دارد؟

در طول یک‌ سال یک همتا برای Cyg X-۱ یافت شد که به ستاره‌شناسان این امکان را داد تا آن را یک دستگاه باینری که در آن اعداد با ارقام ۰ و ۱ نشان داده می‌شوند تشخیص دهند و جرم آن را تخمین بزنند. اندازه‌ی آن ۱۵ برابر بزرگ‌تر از خورشید بود یعنی بیش از هر اندازه‌ای که برای کوتوله‌های سفید و ستاره‌های نوترونی در نظر گرفته شده بود. در مجموع تغییرات سریع، تابش بزرگ اشعه‌ی ایکس و جرم زیاد تخمین زده شده باعث شد که Cyg X-۱ تبدیل به گزینه‌ی مناسبی برای اولین سیاه‌چاله‌ باشد.

با ارسال تلسکوپ‌هایی با حساسیت بیشتر به اشعه‌ی ایکس در سال‌های بعد، این موارد قوت گرفت. ما اکنون تغییراتی در اشعه‌ی ایکس منتشر شده از Cyg X-۱ در بازه‌ی زمانی یک میلی‌ثانیه مشاهده می‌کنیم و محدوده‌ی انتشار آن را به چند صد کیلومتر محدود کرده‌ایم. تنها چند برابر بیشتر از اندازه‌ی افق رویداد. با مشاهده‌ی اشعه‌ی ایکس منتشر شده از سیاه‌چاله‌ها می‌توانیم مستقیما ویژگی‌های فضازمان را که توسط نسبیت عام پیش‌بینی شده بود بررسی کنیم.

خیره به افق رویداد

در حالی که سیاه‌چاله‌های ناشی از جرم ستاره‌ای یکی از بزرگ‌ترین منابع اشعه ایکس در آسمان هستند، بی‌ثبات نیز هستند. در بیش از ۴۰ سال پس از کشف Cyg X-۱، تنها چند ۱۰ سیاه‌چاله‌ی دیگر کشف شده است. بیشتر آن‌ها طی افنجارهای کوچک، غیرقابل پیش‌بینی قابل رویت شدند و به مدت چند ماه یا بیشتر باقی مانده و سپس دوباره برای دهه‌ها ناپدید شدند.

ستاره‌شناسان این سیاه‌چاله‌ها را به سه دسته تقسیم کردند: سخت، نرم و متوسط

این نام‌ها خصوصیات قابل مشاهده‌ی طیف‌های اشعه‌ی ایکس در هر مرحله را توصیف می‌کنند. ما هنوز دقیق نمی‌دانیم که چه مکانسیم‌های فیزیکی باعث ایجاد این رفتارها می‌شود اما به نظر می‌رسد به دو چیز مربوط باشد میزان گاز منتشر شده از سیاه‌چاله‌ها و میزان میدان مغناطیسی موجود درون گازها

در اصطلاح ستاره‌شناسی، طیف "سخت" به معنای میزان وجود اشعه‌های ایکس پر انرژی‌تر است و نوع "نرم" برعکس آن است.

البته "کم انرژی" یک اصطلاح نسبی است و فوتون‌هایی که از یک قرص برافزایشی(یک ساختار دیسک مانند از ماده است که به شکل حلقوی به دور یک جسم خاص می‌چرخد)می‌آیند، میلیون‌ها درجه دما دارند.

چرخش اصلی

با توجه به اینکه حل معادله‌ی اینشتین توسط شواتزشیلد کمتر از یک هفته به طول انجامید، به نظر می‌رسید یافتن راه‌حل بعدی که تقریبا نیم قرن زمان‌ برد، یک عمر طول کشیده است. این راه حل در سال ۱۹۶۳ توسط روی کر(Roy Kerr) کشف شد. کِر راه‌حلش را هنگامی که در دانشگاه تگزاس در آستن بود به دست آورد.

برخلاف سیاه‌چاله‌های شوارتزشیلد، سیاه‌چاله‌های کِر می‌چرخند. آن‌ها زاویه‌ی چرخش ‌ستاره‌هایی که از آن ایجاد شده‌اند را حفظ می‌کنند. از نظر ستاره‌شناسی این موضوع بسیار مهم است زیرا از آن‌جایی که می‌دانیم تمام اجرام آسمانی در چرخش هستند از ماه گرفته تا سیارات تا کهکشان‌ها. بنابراین طبیعی است که توقع داشته باشیم سیاه‌چاله‌ها نیز بچرخند. شواهد این چرخش نشان می‌دهد که چگونه سیاه‌چاله‌ها همه‌چیز را مانند یک گرداب به درون خود می‌کشند. و این موضوع به گازها این امکان را می‌دهد تا سریع‌تر حرکت کنند. طی چند سال اخیر پس از پرتاب تلسکوپ "NuSTAR" ناسا ما توانسته‌ایم از طیف‌های منتشر شده برای اندازه‌گیری چرخش سیاه‌چاله‌ها با دقتی بی‌سابقه استفاده کنیم.

اندازه‌گیری چرخش سیاه‌چاله‌ها نه تنها به ما چیزهایی در مورد نسبیت عام می‌آموزد بلکه بینشی مهم در نحوه‌ی تشکیل ستاره‌های بزرگ و انفجار آن‌ها و ابرنواخترها فراهم می‌کند. از آن‌جا که این دستگاه‌های باینری جدید هستند(Cyg X-۱ تنها چندین میلیون سال قدمت دارد) بنابراین هر چرخشی که اندازه‌گیری می‌کنیم مشابه زمان آغاز تشکیل سیاه‌چاله است. از این منظر می‌توان گفت آن‌ها واقعا "ستاره‌های یخ‌زده" هستند.

میراثی متحیر کننده

نظریه‌ی نسبیت عام یکی از معدود حوزه‌ها در فیزیک مدرن است که برای حدود یک قرن آزمایشاتش ادامه داشته است. اینشتین استعداد منحصر به فردی نه تنها در بیان نظریات فوق‌العاده داشت بلکه آزمایشاتی را پیشنهاد می‌کرد که می‌توانستند آن نظریات را اثبات کنند. شاید معروف‌ترین پیش‌بینی او این بود که چگونه گرانش خورشید نور سایر ستاره‌ها را منحرف می‌کند. این اثر در سال ۱۹۱۹ طی یک خورشید گرفتگی اثبات شد و اینشتین را به شهرت جهانی رساند.

به گفته‌ی کیپ تورن(Kip Thorne)، فیزیکدان نظری، شاید حیرت‌آورترین پیش‌بینی او امواج گرانشی بودند که یک قرن پیش از آن‌ها سخن گفت و در سال ۲۰۱۹ توسط رصدخانه موج گرانشی تداخل سنج لیزری(LIGO) به اثبات رسید.

در سال ۱۹۷۳، ایگور نوویکو(Igor Novikov) و کیپ تورن از پایه‌ترین قوانین پایستگی انرژی و حرکت زاویه‌دار، توضیحی برای نحوه‌ی گردش گاز درون سیاه‌چاله و انتشار انرژی گرانشی به صورت گرما و اشعه با دمای میلیون‌ها سانتی‌گراد به دست آوردند.

این مدل‌ دو مشکل داشت: از نظر فرضیه‌ای و همچنین از نظر علمی درست نبود. مشکل آن از نظر فرضیه‌ای این بود که توضیح نمی‌داد چگونه گازها زاویه‌شان را از دست می‌دهند و از نظر علمی با مشاهدات اشعه ایکس پر انرژی مطابقت نداشت.

گازهای یونیزه شده هیچ اصطکاکی تجربه نمی‌کنند بنابراین می‌توانند تا ابد در مدار بمانند و هرگز به افق رویداد نزدیک نشوند.

نوویکو و تورن مشکل راه‌حلشان را ارزیابی کردند و یک فاکتور را وارد نظریه‌شان کردند. در نهایت ۲۰ سال زمان برد تا پاسخ را بیابند و در سال ۱۹۹۱ استیو بالبوس(Steve Balbus) و جان هاولی (John Hawley) یک بی‌ثباتی قدرتمند کشف کردند که ناشی از چرخش و کشش خطوط میدان‌ مغناطیسی درون یک قرص برافزایشی بود. گازهای یونیزه شده رساناهای خوبی هستند و می‌توانند میدان‌های قدرتمند مغناطیسی ایجاد کنند و باعث حرکت گازها به درون سیاه‌چاله شوند.

تا سال ۲۰۰۱، ابررایانه‌ها به اندازه‌ی کافی قدرتمند شدند تا بی ثباتی بالبوس-هاولی را شبیه‌سازی کنند و پیش‌بینی‌های آن‌ها را اثبات کنند. یک دهه دیگر طول کشید تا شبیه‌سازی‌ها شامل تاثیرات تابش‌ها شود. و سرانجام بشر به جایی رسید که توانست از بنیادی ‌ترین قوانین طبیعت برای توضیح نحوه‌ی تشکیل اشعه‌ی پرانرژی ایکس در اطراف سیاه‌چاله‌ها استفاده کند.

دقیقا ۱۰۰ سال قبل، سیاه‌چاله‌ها از یک کنجکاوی ریاضیاتی به موضوع نظریات فیزیکی تبدیل شدند و سپس تبدیل به تحقیقات اصلی ستاره‌شناسی شدند. طی سال‌های آینده ما انتظار داریم بیشتر در مورد تولد، زندگی و مرگ این اجرام منحصر به فرد بیاموزیم.