تاریخچه نظریه سیاه چاله و بیگ بنگ
تاریخچه نظریه سیاه چاله و بیگ بنگ
اصطلاح ( سیاهچال ) در همین اواخر قدم به صحنه علم گذاشته است و آنرا در سال 1969 دانشمندی آمریکایی بنام جان ویلر بعنوان نموداری از نظریه ای برگزید که دستکم به دیست سال پیش بر می گشت ، یعنی زمانی که برای نور دو نظریه وجود داشت یکی نیوتونی که آن را مرکب از ذرات می دانست و دیگری نظریه ای که نور را ساخته و پرداخته امواج می شناخت و ما اکنون به صحت هر دو نظریه وقوفی واقعی داریم. بر طبق دوگانگی موجی/ ذره ای در مکانیک کوانتوم ، نور می تواند هر دو خصیصه را داشته باشد یعنی همسان یک موجو و همراز یک ذره.
نظریه ذره ای بودن نور چگونگی پاسخ بخ نیروی جاذبه را روشن نکرده بود و نظریه بودن آنهم انتظار پیروانش را در متاثر شدن نور از نیروی جاذبه به همان طریق که گلوله های توپ ، راکتها و سیارات از آن برخوردار می شدند بر نیاورده بود. در آغار مردم گمان می کردند که ذرات نور با سرعتی جنان نامتناهی سیر وسفر می کنند که نیرو جاذه به گردشان هم نمی رسد تا از سرعت آنها بکاهد ، لیکن اکتشافات رومر مشعر بر متناهی بودن سرعت نور معنایش این بود که نیروی گرانش باید واجد اثری مهم باشد.
بر پایه این فرض ، یک غضو برجسته کمبریج بنام جان میچل در سال 1783 در مکتوبی مندرج در خلاصه مذاکرات مجمع سلطنتی لندن خاطر نشان ساخته بود که اگر ستاره ای بقدر کفایت سنگین و متراکم باشد میدان جاذبه آن بقدری توامند است که نور در آن به تله افتاده و راهی برای رهایی ندارد یعنی : هر نوری که از سطح آن ستاره ساطع شود پیش از آنکه خیلی از آن دور شود در دام جاذبه گرانشی آن ستاره افتاد و به پایین کشیده می شود . جان میچل بر این باور بود که باید ستاره های بسیاری نظیر این ستاره وجود داشته باشند. باوجودی که چون نور این ستاره به ما نمی رسند کا قادر بدیدن آنها نیستیم اما جاذبه گرانشی آنها را حس می کنیم . چنین اعجوبه هاییی همانها هستند که ما اکنون آنها را سیاهچال می نامیم و این اسمی است با مسمی یعنی خلوتگاه های سیاه در فضای بی انتها.
چند سال بعد اظهار عقیده ای مشابه و ظاهرا مستقل از جان میچل از طرف مارکی دولاپلاس عنوان شد. جالب توجه این است که لاپلاس این موضوع را فقط در چاپ اول و دوم کتاب خود موسوم به منظومه جهانی درج کرد و در چاپ های بعدی از آن صرف نظر کرد. شاید به دلیل این که او بر سست بودن این نظریه فتوی داده بود.( همچنین نظریه ذره ای بودن نور هم در طول مدت سده نوردهم از چشم افتاده وبه نظر می رسید که هر چیز را می توان با نظریه موجی بودن نور توجیه کرد و به هیچ وجه معلوم نبود که نور از نیروی گرانش متاثر باشد.)
در حقیقت رفتاری همانند آنچه که در مورد گلوله توپ در نطریه گرانشی نیوتن انجام می گرفت با مزاج نور سازگاری نداشت زیرا سرعت نور ثابت بود در صورتی که پرتاب یک گلوله توپ به سمت بالا سرعت گلوله در اثر نیرو جاذبه متدرجا کاستی گرفته و سرانجام آن گلوله متوقف و به زمین بر می گردد و حال آنکه یک فوتون با سرعتی ثابت همواره به حرکت خود به سم بالا ادامه می دهد ( پس جاذبه نیوتونی چگونه می تواند بر نوذ موثر باشد؟) از آن به بعد نظریه ای سازگار مشعر بر چگونگی اثر نیروی جاذبه بر نور ارائه نشد تا اینکه در سال 1915 انیشتین نظریه نسبیت را مطرح ساخت و حتی پس از آن هم مدت ها طول کشید تا اشارات این نظریه در مورد ستارگان جسیم به تفهیم در آمد.
برای استنباط اینکه چگونه ممکن است یک سیاهچال شگل گرفته باشد نخست نیازمند آنیم که بدانیم سر گذشت دوران زندگی یک ستاره ، از تولد تا مرگ چه می باشد. ستاره وقتی شکل می گیرد که مقدار عظیمی گاز ( که اساسا ئیدروژن است ) در اثز جاذبه گرانشی درهم فرونشیند. با آغاز این همفرونشینی و تراکم گاز ، اتمهای آن بیشتر و بیشتر و با سرعت های زیادتر و زیادتر بهم برخورد کرده و باین ترتیب گرمای گاز افزایش می یابد و سرانجام ، گاز به حدی داغ می شود که وقتی اتمهای ئیدروژن به یکدیگر بر می خورند نه تنها دیگر واپرشی انجام نمی دهند بلکه در همدیگر فرورفته و به هلیم تبدیل می شوند. گرمائی که دراین واکنش آزاد می شود همانند حرارت کنترل شده یک بمب ئید روژنی است و این همان حرارتی است که موجب فروزش آن ستاره می شود این حرارت اضافی همچون فشار گاز تا حد هم ترازی با جاذبه گرانش افزایش داده و سبب توقف انقباض گاز می شود این تا اندازه کمی شبیه به عمل بالنی است که فشار هوای درون آن که می کوشد تا بالن را متسع ساز با تلاش کششی لاستیک بدنه بالن که سعی دارد آن را در حجم کوچک تری نگه دارد تعادل بر قرار میکند ، ستاره ها هم به همین نحو با بهره مندی از حرارت حاصله از فعل و انفعالات هسته ای با جاذه گرانشی که متعادل می شود مدتی مدید پایدار باقی می مانند.
با این همه ، ستاره سرانجام از ئیدروژن و دیگر مواد سوختی خود خالی می شود. نکته ای که ظاهرا متناقض جلوه می کند این است که هر چه مقدار سوختی که ستاره با آن آغاز به تشکل می کند بیشتر باشد ستاره زود تر به خاموشی می گراید. این برای آن است که هر چه ستاره جسیم تر باشد برای تعادل با جاذبه گرانشی به گرمای خیلی بیشتری نیازمند است و هر چه حرارت زیادتری داشته باشد زود تر سوخت خود را به مصرف می رساند شاید سوخت خورشید ما برای یک پنچ هزار میلیون سال دیگر یا چیری در این حدود کافی باشد ولی بیشتر ستارگان تنومند ممکن است سوخت خود را در کمتر از یکصد میلیون سال به مصرف برسانند یعنی در مدت زمان خیلی کمتر از عمر مجموعه کیهان. هنگامی که سوخت ستاره ای ته می کشد آن ستاره آغاز به سرد شدن کرده و منقبض می شود حال آنچه که بر سر این چنین ستاره ای در می آید چیزی است که فقط برای نخستین بار دردهه 1920 استنباط گردد و داستان آن از این قرار است: در سال 1928 یک دانشجوی فارق التحصیل هندی به نام سوبر همنیان چندرا سخار برای تلمذ در محضر منجمی انگلیسی موسوم به سر ارترادینکتن که از خبرگان نظریه نسبیت عام بود با کشتی عازم انگلستان و ورانه کمبریج شد.
( بر طبق روایاتی چند ، روزنامه نگاری در اوایل دهه 1920 نظر ادینگتن رفت و به او گفت : من شنیده ام که در جهان فقط سه نفر هستند که از نظریه نسبیت عام سر در می آورند ، ادینگتن درنگی کرد و سپس پاسخ داد که – دارم می اندیشم که نفر سوم کیست ؟ - ).
چندراسخار در طول مدت سفرش از هند به انگلستان در این فکر بود که اندازه ستاره ای که با وجود به پایان رسیدن سوختش هنوز هم قادر به تحمل نیروی جاذبه خویش است چه مقدار باید باشد. مبسوط این نظر چنین بود: وقتی که ستاره کوچک می شود ،ذرات ماده آن خیلی به هم دیگر نزدیک ترمی شود و آن گاه به موجب اصل نا همانندی پاولی چنین ذراتی باید دارای سرعت های خیلی متفاوتی بشوند. این اختلافات سرعت موجب دور شدن آن ذرات از یکدیگر و در نتیجه سبب انبساط آن ستاره می شود. در این انبساط شعاع کره ستاره تا آن حد افزایش می یابد که بین نیروی جاذبه و نیرو دافعه ناشی از اصل ناهمانندی پاولی تعادلی بر قرار شده و شعاع کره ستاره در این حد تثبیت شود یعنی به عینه شبیه همان وقایع دوران زندگی ستاره که نیرو جاذبه اش با حرارت حاصله در آن متعادل می شد.
بهر حال چاندراسخار به این نتیجه رسید که در نیرو های دافعه ای که اصل ناهمانندی مبین آنست حد وحصری برقرار است. نظریه نسبیت عام بیشترین اختلاف بین سرعتهای ذرام مادب موجود در ستاره را به سرعت نور محدود کرده است، این به معنای آن است که وقتی ستاره به اندازه کافی چگال شد ، نیروی دافعه ناشی از اصل ناهمانندی ، کمتر از نیروی جاذبه خواهد شد . چاندراسخار حساب کرده بود که ستاره سردی که جرمش تقریبا از یک و نیم برابر خورشید بیشتر باشد نمی تواند متحمل جرم خود باشد ( این جرم اکنون به حد چاندراسخار معروف است ) تقریبا در همین اوقات نظیر چنین اکتشافی توسط دانشمند روسی بنام لف داویدوویچ لانداو بعمل آمد ، این اکتشاف اشارات ضمنی جدی در رابطه با سرنوشت نهایی ستارگان تنومند در برداشت.
اگر جرم ستاره ای کمتر از حد چاندراسخار باشد ، آن ستاره سرانجام می تواند به انقباض خود پایان داده و نهایتا در حالت ممکنه ای همانند ستاره – کوتوله سفید – باشد که با شعاعی در حدود چند هزار کیلومتر و چگالی ویژه ای برابر چند صد تن در سانتیمتر مکعب در خود فرو نشیند. ستاره کوتوله های سفید با نیروی دافعه ای که از اصل ناهمانندی بین الکترون های موجود در ماده خودش ناشی می شود پایدار و برقرار می ماند. ما شاهد بسیاری از این کوتوله های سفید هستیم و نخستین ستاره ای که از این نوع کشف شد ستاره ای است که در حول شعرای یمانی که درخشان ترین ستاره در آسمان شبانه است گردش می کند.
لانداو خاطر نشان ساخت که امکان وجود حالت نهایی دیگری هم برای ستاره هست که در آن جرم ستاره تقریبا در حدود یک با دو برابر خورشید است ولی حجم آن خیلی کوچکتر از حجم یک ستاره کوتوله سفید است این ستاره ها از طریق نیروی دافعه ناشی از اصل ناهمانندی که بین فوتون ها و پروتون ها بیشتر به وجود مِی آید تا بین الکترون ها ، خود را حفظ و نگهداری می کنند و به همین دلیل هم آنها را ستاره های نوترونی می نامند. شعاع کره این نوع ستاره ها فقط در حدود هفده کیلومتر و چگالی ویژه ای قریب به صد ها میلیون تن در هر سانتیمتر مکعب دارند ، در نخستین بار که وجود چنین ستارگانی پیش بینی شد راهی برای مشاهده ستارگان نوترونی وجود نداشت و عملا تا این اواخر به شناسایی در نیامده بودند.
از سوی دیگر ستارگانی که جرم آنها بالاتر از حد چاندراسخار باشد وقتی که سوختشان به پایان برسد مواجه با مشکل بزرگی می شوند . در پاره ای از موارد ممکن است تمام شدن سوخت با انفجار آنها بیانجامد و یا آنقدر ماده از خود به بیرون پرتاب کنند تا جرمشان به زیر این حد کاهش یابد و به این ترتیب از وقوع در همفرونشینی جاذبه ای فاجعه آمیزی دوری گزینند ، لیکن اعتقاد به اینکه چنین امری بی توجه به اندازه جرم ستاره همیشه حتمی الوقوع می باشد مشکل است. حال باید دید ستاره چگونه بفهمد که باید وزن خود را کاهش دهد؟
وحتی اگر ستاره ای برای اجتناب از در همفرونشینی بقدر کافی از عهده کاهش وزن خود بر می آمد چه حادثه ای رخ میداد؟ اگر شما بقدری جرم یک ستاره کوتوله سفید را افزایش می دادید تا از حد مذکورپا فراتر گذارد آیا این ستاره ها الی غیر النهایه در هم فرو می نشستند ؟ ادینگتن از این اشاره ضمنی یکه خورد و از اعتقاد به دستاورد چاندراسخار سر باز زد. ادینگتن فکر می کرد که در همفرونشینی یک ستاره تا حد رسیدن به یک نقطه با سادگی امکان پذیر نیست. بیشتر دانشمندان نیز چنین نظری داشتند: حتی انیشتین شخصا رساله ای نوشت که در آن مدعی شده بود ستارگان تاحد صفر منقبض نخواهند شد.
دشمنی دانشمند دیگر ، بویژه عداوت و حسادت ادینگتن که مرجعی پیشرو در ساختار ستارگان و معلم سابق چاندراسخار بود او را ترغیب و وادار کرد تا تعقیب کار در این خط دست بردارد و به جای آن به مسایل ستاره شناسی مانند حرکت خوشه های ستاره ای بپردازد. با اینهمه ، وقتی که به او جایزه نوبل سال 1983 اعطا شد دستکم جزیی از موجباتش بخاطر کار پیشین او در تحدید جرم ستارگان سرد بود.
چاندراسخارا نشان داده بود که اصل ناهمانندی پاولی نتوانست در همفرونشینی ستاره ای را که جرمش از حد چاندراسخار بیشتر باشد تحمل کند اما مسئله استنباط اینکه، بر طبق نظریه نسبیت عام ، بر سر چنین ستاره ای چه خواهد آمد نخستین بار در سال 1939 بوسیله جوانی آمریکایی به نام رابرت اوپنهایمر حل شد. با وجود این ، دستاورد او مشعر بر این بود که هیچ گونه پیامدی مشاهداتی وجود ندارد که بتواند از طریق تلسکوپ های امروزی آشکار شود. در همین اوان جنگ جهانی دوم پیش آمد و اوپنهایمر خودش در طرح ساخت بمب اتمی گرفتار شد .
پس از پایان جنگ مسئله در همفرونشینی جاذبه ای تا حد زیادی به دست فراموشی سپرده شده زیرا بیشتر دانشمندان به رویدادهایی در مقیاس اتم و هسته اش روی آورده بودند. با این وصف ، در اوایل دهه 1960 با افزایش چشمگیری که در تعداد و حیطه مشاهدات ستاره شناسی با بهره گیری از تکنولوژی نوین حاصل شد توجه به مسایل بلند مقیاس نجومی قوت گرفت و علم هییت و دانش کیهانی رونقی تازه یافت و به دنبال آن دوباره کار اوپنهایمر بوسیله تعدادی از علاقمندان طرف توجه قرار گرفت و در طریق گسترش افتاد.
تصویری که هم اکنون ما از کار اوپنهایمر داریم به شرح و تفسیری است کع می خوانید:
میدان جاذبه ای ستاره مسیر های اشعه نور را در فضا – زمان از امتداد اصلی خود یعنی از امتدادی که بی حضور آن ستاره میباید داشته باشد تغییر می دهد.میدان جاذبه ای ستاره مخروط های نوری را که مسیر های افشانه های نور صادره از رئوسشان در فضا – زمان تعیین می کنند اندکی به سمت داخل سطح ستاره متمایل می سازند ، این عمل را می توان به هنگام کسوف خورشید عینا در خمیدگی نور ساطعه از ستارگان دور دست مشاهده کرد. به محض اینکه ستاره منقبض می شود میدان جاذبه ای در سطح آن قوی تر شده و خمش مخروط نور به طرف آن بیشتر می شود این عمل رهایی نور را از آن ستاره دشوار تر ساخته و نور به نظر ناظری که از فاصله دور آنرا می نگرد تارتر و سرختر می نماید.
سر انجام پس از اینکه شعاع کره ستاره در اثر انقباض آن تا رسیدن به مقداری بحرانی کاهش یافت میدان جاذبه در سطح آن بقدری قوی می شود که مخروط های نور را آنقدر به سمت سطح ستاره خم می کند که دیگر نور نمی تواند از آن بگریزد به موجب نظریه نسبیت عام هیچ چیز دیگری هم نخواهد توانست از چنگ آن رهایی یابد و هر چیزی با کمند میدان جاذبه ای ستاره به پس کشیده شود.از اینرو در ناحیه ای از فضا – زمان مجموعه عوارضی وجود دارد که خلاصی از آن برای رسیدن به ناظری دور مکان امکان پذیر نیست. این همان ناحیه ای است که ما اکنون آنرا سیاهچال می نامیم و مرز آن با محیط پیرامونش را که در حقیقت حریمی بی امنیت است – افق عارضه ای می خوانیم که بر پوشه مسیر های اشعه نوری که اکنون از نجات خود از این سیاهچال عاجزند منطبق است.
برای استدراک اینکه اگر شما ناظر بر در همفرونشینی ستاره ای درجریان تبدیل آن به سیاهچال بودید چه می دیدید باید بیاد بیاورید که در نظریه نسبیت زمان مطلقی وجود ندارد و هر ناظری زمان را انطور که اقتضای او است می سنجد. زمان برای کسی که در ستاره ای مکان گرفته با زمان برای آنکه در فاصله دوری نسبت به او قرار گرفته فرق دارد. زیرا میدان جاذبه ای آن ستاره در این سنجش و اندازه موثر می باشد. فرض کنید فضانورد جسور و بی باکی بر سطح ستاره ای که درحال همفرونشینی است ایستاده و به اتفاق آن به سوی درون مشغول در هم فرونشینی بوده و در سر هر ثانیه از روی ساعت خود علامتی به سفینه فضایی خود که در حول آن ستاره می گردد مخابره کند. اکنون فرض کنید مثلا در ساعت 00/11 به ساعت او ستاره منقبض شده باشد که شعاع کره آن به حد بحرانی رسیده و میدان جاذبه ای آن آنقدر قوی شده باشد که هیچ چیز نتواند از آن بگریزد و علامتی هم دیگر به سفینه فضایی مخابره نشود.
هنگامی که ساعت به 00/11 نزدیک می شود همکاران این فضانورد که از سفینه فضایی مراقب او هستند متوجه می شوند که فاصله زمانی بین علائم خبری متوالی که از سوی فضانورد صادر می شود طولانی تر و طولانی تر می شود ولی آن اثر قبل از لحظه 5959/10 بسیار کوچک است و آنها باید بین 5958/10و 5959/10 فقط تعداد بسیار اندکی بیشتر از یک ثانیه برای دریافت خبری از فضانورد صبر کنند اما برای دریافت علامتی در ساعت 00/11 باید تا ابد صبر کنند از نظر ناظرانی که در سفینه فضایی قرار دارند امواج نوری که از سطح ستاره به وسیله ساعت فضانورد بین لحظات 5959/10 و 00/11 فرستاده می شوند در دوره ای نامتناهی از زمان به خارج انتشار می یابد و فاصله زمانی بین ورود امواج متوالیه به سفینه فضایی طولانی و طولانی تر شده و نوری که از ستاره ساطع می شود سرخ تر و سرخ تر و تیره وتیره تر می شود و سر انجام آن ستاره آنقدر تیره و تار خواهد شد که دیگر از سفینه فضایی دیدار پذیر نخواهد بود یعنی : آنچه که از آن باقی می ماند سیاهچالی است در فضا ، با اینهمه ستاره به اعمال همان نیروی جاذبه ای به سفینه فضایی ادامه می دهد تا گردش آنرا درحول سیاهچالی که بدست خود ساخته است تداوم بخشد.
با این اوصاف این صحنه سازی به دلیل مسئله زیر کاملا واقع بینانه نیست : هر چه شما از ستاره دورتر باشید اثر نیرو جاذبه آم بر شما ضعیف تر می شود بنابراین نیروی جاذبه وارد بر پاهای فضانورد جسور ما همیشه بیش از نیروی جاذبه وارد بر سر او خواهد بود این اختلاف فشار فضانورد ما را پیش از انقباض ستاره تا شعاع بحرانی خود و تشکیل افق عارضه همانند اسپاگتی کش داده و یا اورا از هم جر می دهد!
با وجود این ما بر این باوریم که در این عالم کبیر اجسام بزرگتری نطیر ناحیه مرکزی کهکشان ها وجود دارند که می توانند انقباض جاذبه ای را تاحد سیاهچال ها تحمل کنند و فضانوردی که برروی یکی از اینها قرار گرفته باشد پیش از شکل گرفتن سیاهچال از هم دریده نخواهد شد و در واقع در موقع حصول شعاع بحرانی ، او چیز ویژه ای را احساس نخواهد کرد و می تواند بی دیدن لحظه ای که دیگر گریزی از آن محل برایش میسر نیست آنرا از سر بگذراند. با این وصف ، در ظرف فقط چند ساعتی که از ادامه در همفرونشینی آن ناحیه گذشت آنگاه اختلاف بین نیرو های جاذبه وارد بر پاها و سر او آنقدر قوی خواهد شد که باز هم او را خواهد درید.
کاری که راجر پن روز و ن بین سال های 1965 و 1970 انجام دادیم نشان داد که به موجب نظریه نسبیت عام بایستی در رابطه با نامتناهی بودن چگالی و بینهایت بودن خمیدگی فضا – زمان ، درون یک سیاهچال یک تکینگی وجود داشته باشد که تا اندازه ای شبیه به حالت انفجار بزرگ در آغاز زمان است فقط با این تفاوت که این تکینگی پایانی از زمان برای همفرونشینی ستاره و فضانورد می باشد.در این تکینگی قوانین علمی و توانایی ما برای پیشگویی آینده دستخوش از هم فروپاشی می شود. با وجود این هر ناظری که در بیرون سیاهچال باشد از نقیصه ای که درقابلیت پیشگویی ما پدید آمده است متاثر نخواهد شد زیرا نه نور و نه هیچ علامت خبری دیگری نمی تواند از این تکینگی به او برسد.
تاریخچه نظریه سیاه چاله و بیگ بنگ
این حقیقت شایان تامل و در خور توجه راجرپن روزا به آنجا رهنمون شد تا پیش فرض سانسور صفتی کیهانی را عرضه بدارد که می شود آنرا به این گونه تاویل کرد : خداوند از تکینگی عریان و بی پرده متنفر و بیزار است. به دیگر سخن تکینگی هایی که از طریق در همفرونشینی جاذبه ای بوجود می آیند فقط در مکان های شبیه سیاهچال ها بوقوع می پیوندند که درآنجا آنها بوسیله افق عارضه ای از چشمرس بیرون به نحو شایسته ای پنهان هستند. دقیقا این همان چیزی است که به پیش فرض سانسور صفتی بودن ضعف کیهانی شناخته شده است : این خصیصه ناظرانی را که در بیرون سیاهچال باقی می مانند از عواقب لغو قابلیت پیشگویی که در موقع تکینگی رخ می دهد حفظ و حراست می کند ولی برای فضانورد بدبخت فلک زده که در آن چاله افتاده به هیچ وجه کاری انجام نمی دهد.
برای معادلات نسبیت عام که در آنها برای فضانورد ما امکان دید یک تکینگی بی پوشش و عریان میسر باشد راه حلهای چندی وجود دارند تا : شاید او بتواند از برخورد با این تکینگی دوری گزیند و بجای آن با افتادن در یک راه مارپیچ در نقطه دیگری از کیهان سر بیرون آورد. این امر امکاناتی بزرگی را برای مسافرت های فضا – زمانی فراهم خواهدساخت اما بدبختانه چنین به نظر می رسد که تمام این راه حلها ممکن است بسیار ناپایدار باشند و کمتر ین اختلالی مانند حضور یک فضانورد ممکن است طوری آنها را تغییر دهد که فضانورد نتواند تکینگی را تاوقتی که به آن برخورد نکرده مشاهده کند یعنی وقتی که کار از کارگذشته وزمان برای اوبه پایان رسیده است.
به عبارت دیگر ، این تکینگی همیشه در آینده او وجود خواهد داشت و هرگز در گذشته او موجود نبوده است . تاویل محکم و میتن پیش فرض سانسور صفتی جهان هستی شارح آنست که درراه حلی واقع بینانه ، تکینگی ها همواره یا کاملا در آینده قرار دارند ( مانند تکینگی های در همفرونشینی جاذبه ای ) و یا کاملا در گذشته وقوع یافته بوده اند ( مانند تکینگی انفجار بزرگ ) باید امید بسیار داشت که برخی از تفسیر های پیش فرض سانسور صفتی جهان هستی تحقق یابد زیرا شاید مسافرت به گذشته همدوش با تکینگی های آشکار و برهنه امکان پذیر باشد. با اینکه چنین تفسیری برای نویسندگان افسانه های علمی- تخیلی ، نغز و زیبا است ولی معنای آن این است که زندگی هیچ کس همیشه ایمن نیست چرا که : ممکن است کسی به درون گذشته برود و پیش از آنکه شما آگاه شوید پدر و مادرتان را به قتل برساند!
افق عارضه و یا مرز ناحیه ای از فضا – زمان که گریز از آن امکان پذیر نیست تا اندازه ای همانند سراپرده ای با راه یک طرفه در پیرامون سیاهچال عمل می کند یعنی : در آن افتادن همان و تا ابد در آنجا ماندن همان ، چیزهایی مانند فضانورد بی تدبیر می توانند از طریق افق عارضه بدرون سیاهچال فروروند لیکن هرگز چیزی نمی تواند از طریق افق عارضه از این سیاهچال به خارج فرار کند.( بیاد داشته باشید که افق عارضه مسیر نوری است در فضا – زمان که در تلاش رهایی از سیاهچال می باشد و ضمنا هیچ چیز تندتر از نور حرکت نمی کند . ) ممکن است کسی افق عارضه را باگفته دانته در مدخل جهنم هم مضمون بداند که گفت : هر کس که وارد این جا شود همه امیدش را از دست می دهد. هر چیز یا هر کسی که از طریق افق عارضه در این چاه ویل فرو افتاد بزودی به ناحیه ای خواهد رسید که در آن چگالی به بی نهایت و زمان به غایت رسیده است.
نظریه نسبیت عام پیشگویی می کند که اجسام سنگین و متحرک موجب انتشار امواج جاذبه ای و چین خوردگی های در خمیدگی فضا می شوند که با سرعت نور حرکت می کنند. اینها هم مانند امواج نورانی هستند که چین خوردگی های در میدان الکترو مغناطیسی می باشند. ولی آشکار ساختن آنها به مراتب مشکل تر است ، آنها هم مانند نور انرژی اجسام ناشر خودشان را به یغما می برند.
بنابراین ممکن است کسی انتظار این را داشته باشد که منظومه از اجسام جسیم سرانجام در هم فرو نشسته و به حالت سکون در آید ، زیرا انرژی آنها به وسیله امواج جاذبه ای تاراج می شود. ( این تا اندازه ای شبیه سقوط چوب پنبه ای به درون آب است یعنی : در ابتدا مدتی بر روی سطح آب پایین و بالا می رود ولی سرانجام پس از اینکه چین خوردگی های سطح آب انرژی انرا چپاول کردند بی رمق وناتوان بر روی سطح آب ساکن می شود ).مثلا حرکت زمین در مدار خود به دور خورشید مولد امواج جاذبه ای است و اثر از بین رفتن انرژی آن سبب تغییر مدار حرکت زمین می شود به قسمی که این مدار به تدریج به خورشید نزدیک تر و نزدیک تر شده و سرانجام به آن تصادم کرده و به حالت سکون در می آید شدت افت انرژی برای خورشید و زمین بسیار کم و به اندازه ای است که برای کار اندازی یک نجاری برقی کافی باشد.
این به معنی آن است که تقریبا یک هزار میلیون میلیون میلیون میلیون سال به درازا می کشد تا زمین در مسیری حلزونی به خورشید به پیوندد. بنابراین موجبی آنی برای نگرانی موجود نیست. تغییر مدار زمین بسیار به کندی انجام می گیرد و قابل مشاهده نیست لیکن همین اثر در چند سال گذشته در مورد منظومه ای موسوم به PSR1913+16 در حال وقوع بوده است. این منظومه دارای دو ستاره نوترونی است که هر یک به دور دیگری می گردد و مقدار انرژی که آنها از طریق انتشار امواج جاذبه ای از دست می دهند موجب گردش آنها در مسیر مارپیچی به سوی یکدیگر می شود.
در طول مدت در هم فرونشینی یک ستاره برای تشکیل یک سیاهچال ، حرکات بسیار تندی خواهند شد و به این ترتیب شدت انرژی بر باد رفته خیلی بیشتر می شود بنابراین زمان رسیدن آن ستاره به حالت سکون طولانی نخواهد بود. حال ببینیم این مراحل پایانی شبیه چیست؟ ممکن است کسی تصور کند که شباهت این مرحله به همه کمیت ها و کیفیت های پیچیده ستاره بستگی دارد که در شکل گرفتن سیاهچال دخالت داشته اند یعنی نه تنها به جرم و سرعت دوران ستاره بلکه همچنین به چگالی های مختلف اجزاء گوناگون آن و حرکت های پیچیده گازهای درون ستاره وابسته می باشد. و اگر سیاهچال ها هم به گوناگونی همان اجسامی بودند که با در همفرونشینی خود آنها را تشکیل داده اند آنگاه هر گونه پیشگویی درباره سیاهچال ها به طور کلی شاید دشوار باشد.
با اینهمه در سال 1967 دانشمندی کانادایی بنام ورنراسرائیل در مطالعه و بررسی سیاهچال ها انقلابی پدید آورد . او نشان داد که بر طبق نظریه نسبیت عام سیاهچالهای غیر دوار باید خیلی ساده باشند. شکل این نوع سیاه چال ها باید کاملا کره بوده و ابعادشان بستگی به جرمشان داشته و هر زوج از آنها که جرمشان با هم برابر باشد یکسان می باشند.در حقیقت می توان این سیاه چالها را با راه حل ویژه ای از معادلات انیشتن که از سال 1917 معروفیت یافته اند توجیه کرد. این راه حل ، کوتاه زمانی پس از عرضه نظریه نسبیت عام ، به وسیله کارل شوارتزشیلد کشف شد.
در آغاز افراد بسیاری از جمله خود اسرائیل معتقد بودند که چون سیاه چالها باید کاملا کروی باشند پس سیاه چالها فقط می توانند از در همفرونشینی یک جسم کاملا کروی تشکیل شوند. بنابراین هر ستاره حقیقی که هرگز نمی تواند کره کاملی باشد – تنها می تواند درشکل یک تکینگی عریان در همفرونشیند.
با اینهمه ، تاویل متفارتی از دستاورد اسرائیل وجود داشت که مورد حمایت راجرپنروز بویژه جان ویلر قرار گرفت. آنان بر این باور بودند که حرکات سریعی که مستلزم در همفرونشینی یک ستاره می باشند به معنای این است که امواج جاذبه ای که این ستاره منتشر می کند کرویت آنرا به طور مستمر افزایش می دهند و زمانی که آن ستاره به حالت سکون برسد کرویتی کامل خواهد داشت. برطبق این نظر هر ستاره غیر دواری با وجود شکل پیچیده و ساختار درونی غامض خود پس از همفرونشینی جاذبه ای به سیاهچال کاملا کروی تبدیل می شود که اندازه اش تنها به جرمش بستگی دارد. محاسبات بعدی موید این نظر بودند و به طور کلی مورد پذیرش قرار گرفت.
دستاورد ورنر اسرائیل سیاهچالهایی را در بر می گرفت که فقط از اجسام غیر دوار شکل گرفته بودند.یکی از شهروندان زلاندنو به نام روی کرا در سلا 1963 موفق به کشف مجموعه ای از راه حلهای معادلات نسبیت عام شد که سیاهچالهای دوار را تشریح می کردند. سیاهچالهای کری با سرعت ثابتی دوران می کنند و اندازه و شکل آنها تنها به جرم و نر دوران آنها بستگی دارد. اگر این نرخ صفر باشد آن سیاهچال کاملا مدور بوده و راه حل مربوط به آن با راه حل شوارتز شیلد یکسان است.
اگر دوران مخالف صفر باشد سیاهچال از نزدیک خط استوایش به بیرون شکم می دهد ( عینا مانند شکم دادن خورشید یا زمین در نتیجه دوران به دورخودشان ) و هر چه تندتر به چرخد بیشتر شکم می دهد. به این ترتیب برای تعمیم دستاورد اسرائیل به اجسام دوار کمان بر این است که هر جسم دواری که برای تشکیل سیاهچالی درهم فرونشیند سرانجام به حالت سکونی که راه حل ( کری ) آنرا تشریح کرده درمی آید.
در سال 1970 یکی از دانشجویان و همکاران پژوهشی من در دانشگاه کمبریج بنام براندون کارتر نخستین گام را درراه ایقان و اثبات چنین گمانی برداشت. او نشان دا به شرطی که یک سیاهچال دوار و ساکنی دارای محور متقارنی نظیر محور یک فرفره چرخان باشد اندازه و شکلش فقط به جرم ونرخ دوارنش بستگی دارد. سپس در سال 1971 من ثابت کردم که هر سیاهچال دوار ساکنی در واقع دارای چنین محور تقارنی هست. سرانجام در سال 1973 دیوید رابینسون از دانشکده پادشاهی لندن از دستاورد های کارتر و من برای اثبات صحت آن گمان بهرمند شد: یک چنین سیاهچالی در حقیقت باید پیرو راه حل کری.
از این قرار یک سیاهچال پس از در همفرونشینی جاذبه ای باید به حالتی در آید که بتواند در آن دوران کند اما نه ضربان افزون براین شکل و اندازه آن وابسته به جرم و نرخ دورانش باشد نه به جنس جسمی که با آن در هم فرونشینی خود را آغاز کرده است.این نتیجه به این قضیه معروف شد که : سیاهچال زلف ندارد. قضیه بی زلفی واجد اهمیت عملی بزرگی است زیرا تنوع سیاهچالها را به شدت محدود می کند بنابراین امکان ساختن مدل های اجسامی که ممکن است شامل سیاهچال های باشند میسر می شود و مقایسه پیشگویی های این مدل ها با مشاهدات انجام پذیر میشود. این قضیه همچنین گویایی آن است که هنگامی که سیاهچالی شکل گرفت باید مقادیر بسیار زیادی اطلاعات مربوط به جسمی را که در همفرونشسته است از دست داده زیرا پس از آن تمام چیز های قابل اندازه گیری آن جسم شاید جرم و سرعت دوران آن باشد که مراد از آن را در بخش بعدی کتاب خواهیم دید.
سیاهچالها در تاریخ علم یکی از موارد بسیار نادری هستند که در آن یک نظریه ای همانند یک مدل ریاضیاتی پیش از وجود هر گونه و مدرک مشاهداتی که دال بر صحت آن باشد با طول و تفسیر زیاد بسط و گسترش یافت. و در حقیقت همین به عنوان دلیلی اصلی مورد استفاده مخالفان وجود سیاهچالها قرار گرفت که می گفتند: چگونه ممکن است کسی به اجسامی معتقد باشد که تنها سند وجودی آنها بر اساس محاسبات نظریه تردد آمیز و پرسش بر انگیز نسبیت عام استوار باشد؟ با این وصف ، مارتن اشمیت ستاره شناس رصدخانه پالومر کالیفرنیا در سال 1963 سرخ گرایی یک جسم شبه ستاره تیره رنگ را در راستای منبع انواج رادیوی موسم به 3C273 اندازه گرفت. او کشف کرد که این سرخ گرایی از نوع گرانشی باشد آنگه آن شبه ستاره باید به اندازه ای تنومند و بقدری به ما نزدیک باشد که موجب اختلال در مدارات سیارات منظومه شمسی گردد اما این قضیه در عوض به ما چنین می فهمانید که سبب این سرخ گرایی انبساط عالم هستی است که آن هم به نوبه خود اشاره بر این داشت که چنین جسمی باید در فاصله بسیار دوری قرارداشته وبرای این که از این فاصله بعید قابل دید باشد بایستی بسیار درخشان و فروزان بوده و به عبارت دیگر در حال انتشار مقدار عظیمی انرژی باشد.
به نظر می آمد که تنها مکانیسمی که مردم می توانستند در مورد منبع و علت تولید چنین انرژی بزرگی به آن به اندیشند نه فقط در هم فرونشینی یک ستاره بلکه در هم فرونشینی کل ناحیه مرکزی کهکشان باشد. تعداد اجسام دیگر موسوم به کوازار کشف شدند که همه آنها به مقدار زیاد سرخ گرا بودند لیکن همگی به اندازه ای از ما دور هستند که مشاهده آنها برای فراهم کردن مدرکی قاطع از سیاهچال ها بسیار دشوار است . دل گرمی دیگری که برای یافتن اثر از سیاهچال ها حاصل شد از طریق اکتشافی در اجرام آسمانی بود که ناشر ضربان های منظمی از امواج رادیوی بودند و کاشف آن یک دانشجوی تحقیقاتی کمبریج بنام جاسلیمبل بود که در سال 1967 یافته خود را عرضه کرد. بل و سرپرست او به نام انتونی هیوایش در آغاز خیال می کردند که شاید با تمدنی بیگانه در کهکشان تماس گرفته اند به یاد دارم که در سمیناری که آنها یافته خود را اعلام کردند نام نخستین منابع چهار گانه ای راکه کشف کرده بودند ( LGH1_4 ) گذشته بودند ( مخفف آدم کوچولو های سبز می باشد ) با این وصف درپایان این سمینار ، هم ایشان و هم دیگران به این نتیجه کمتر خیالی رسیدند که این اجسام که به آنها نام ستاره های طپنده داده شده بود در حقیقت ستاره های نوترنی دواری هستند که به دلیل فعل و انفعالی پیچیده بین میدان مغناطیسی خودشان و مواد پیرامونشان در حال انتشار امواج رادیوی می باشند.
این دستاورد برای نویسندگان وسترن های فضایی ، خبر بدی بود ولی برای تعداد اندکی از ما که در آن زمان به سیاهچال ها معتقد بودیم مژده ای امیدوار کننده بود یعنی : آن نخستین شاهد مثبت از ستاره های نوترونی بود یک ستاره با شعاعی در حدود 16 کیلومتر است یعنی فقط جند برابر شعاع بحرانی که به ازاء آن ستاره ای تبدیل به یک سیاهچال می شود اگر ستاره ای بتواند تا به این حد کوچکی درهم فرونشیند توقع اینکه ستارگان دیگری هم بتوانند حتی تا اندازه ای کوچکتری در هم فرو نشسته و به سیاه چال تبدیل شوند غیر منطقی نخواهد بود.
ما چگونه می توانیم به آشکار ساختن سیاه چالی امیدوار باشیم که همان گونه مه از نامش پیدا ست هیچ نوری از آن ساطع نمی شود؟ این تا اندازه ای شبیه جستجوی گربه سیاهی درذغالدونی است. اما راهی بر ای آن وجود دارد. همانطور که جان میچل در سال 1783 در رساله راهگشای خود خاطر نشان ساخت یک سیاه چال هنوز هم به اجسام مجاور خود یک نیرو جاذبه وارد می کند. ستاره شناسان، منظومه های بسیاری را مشاهده کرده اند که در آنها دو ستاره به دور یکدیگر گردش می کنند و با نیروی جاذبه به سوری یکدیگر کشیده می شوند، آنان همچنین منظومه های را دیده اند که در آنها تنها یک ستاره مرئی در حول یک همبازی نامرئی گردش می کند.
بدیهی است که کسی نمی تواند فی الفور داوری کند که آن همبازی یک سیاه چال استزیرا شاید: آن صرفا ییک ستاره خیلی کم نوری باشد که به دیده در نیاید. با اینهمه برخی از این منظومه ها مانند منظومه معروف به صروت فلکی غرنوق نیز منیع سرشاری از اشعه ایکس هستند بهترین توضیح برای این پدیده این است که بگوییم ماده درون این ستاره نامریی از سطح آن به بیزون فوران کرده است و هنگامی که این ماده بدنبال همبازی نامریی خود می افتد حرکتی مارپیچی پدیدار کرده ( تا اندازه ای شبیه جهش آب از یک آبپاش یا فواره ) و بسیار داغ و سوزان شده و شروع به انتشار اشعه ایکس می کند.برای این که چنین مکانیسمی به تحقق بپیوندد آن جسن نامریی باید همانند یک کوازار یا شبه ستاره نوترونی یا یک سیاهچال کوچک باشد.کمترین جرم این جسم ناپیدا را می توان به وسیله مدار مشهود آن ستاره مرئی تعیین کرد.این جرم در مورد صورت فلکی غرنوق تقریبا 6 برابر خورشید می باشد که بر طبق دستاورد چاندراسخار برای جسمی نامرئی که به صورت کوازار باشد این مقدار بسیار زیاد به نظر می رسد و نیز برای ستاره نوتذونی جرمی عظیمی به شمار می رودبنابراین این جسم پرده نشین باید یک سیاهچال باشد.
برای توضیح صورت فلکی غرنوق مدلهای دیگری وجود دارند که سیاهچال ها را در بر نمی گیرند لکن همگی تا اندازه ای بلا تشبیه می باشند ، به نظر می رسد که یک سیاهچال باید تنها توضیح طبیعی و راستین در این مشاهدات باشد. با وجود این من با انیسیتو تکنولوژی کیپ تورنه کالیفرنیا شرط بسته ام که صورت فلکی غرنوق شامل سیاهچالی نباشد! این نوع خط مشس به منزله بیمه ای برای من است .
من کارهای بسیاری بر روی سیاهچال ها انجام داده ام که اگر معلوم شود سیاهچالی وجود ندارد همه زحمات من برباد خواهد رفت ولی در آن صورت تنها مایه دلداری من ارمغانی است که از برنده شدن در این شرط بندی عایدم می شود یعنی دریافت چهار سال مجله Private Eye . اما اگر وجود سیاه چالی محقق شود سازمان کیپ برنده یکسال مجله Pent House خواهد شد. وقتی که ما در سال 1975 این شرط را می بستیم تا هشتاد در صد یقین داشتیم که صورت فلکی غرنوق یک سیاه چال است و در حال حاضر باید بگوییم که یقین ما به نود و پنج درصد رسیده است لیکن آن شرط هنوز باقی و بر قرار است.
ما اکنون هم مدارکی برای سیاه چالهای متعدد ی در منظومه های نظیر صورت فلکی غرنوق داریم که در کهکشان خودمان و در دو کهکشان همسایه ما ( ابر های ماژلان ) وجود دارند، با این حال تعداد سیاهچال ها تقریبا به طور یقین باید خیلی بیشتر از اینها باشد ، در طول تاریخ دور و دراز کیهان باید سوخت هسته ای بسیاری از ستارگان به پایان رسیده باشد و گرفتار در همفرونشینی شده باشند.
حتی تعداد سیاهچالهاباید افزونتر از ستارگان مرئی باشد که تعدادشان فقط در کهکشان ما تقریبا بالغ بر صد هزار میلیون است. نیروی جاذبه خارق العاده چنین تعداد عطیمی از سیاهچال ها می تواند گویای این باشد که چرا کهکشان ما با چنین سرعتی که اکنون دارد دوران می کند؟ زیرا جرم ستارگان مرئی موجود در کهکشان ما برای محاسبه چنین سرعتی به تنهایی کافی نیست. ما همچنین دارای شواهد و مدارکی چند می باشیم مشعر بر اینکه سیاه چالی با جرم خیلی بیشتری در مرکز کهکشان ما وجود دارد که جرم آن در حدود یک صد هزار برابر جرم خورشید است.
ستارگان موجود در این کهکشان که زیاد به این سیاهچال نزدیک می شوند در نتیجه اختلاف حاصل در نیروهای جاذبه ای در دو سمت دور و نزدیکشان از هم دریده خواهند شد وبقایای آنها و گازی که از ستارگان دیگر متصاعد می شود به سوی این سیاهچال کشیده شد و همانند صورت فلکی غرنوق این گاز ها با هم در مسیری مارپیچی چرخزنان به درون آن فرو خواهند رفت و در این ضمن گرم هم می شوند ولی نه به درجه ای که در آن مورد گرم می شدند یعنی به آن اندازه گرم نمی شوند که بتوانند اشعه ایکس از خود منتشر سازند لیکن گرمای آن به حدی می رسد که بتوانند برای همین منبع متراکم امواج رادیویی و پرتو های فرو تر از سرخی که از مرکز کهکشانها صدار می شوند پاسخی فراهم سازند.
گمان می رود سیاهچال های مشابه ولی بزرگتری با جرمهایی نزدیک به یکصد میلیون برابر خورشید وجود داشته باشند که درمراکز کوازار ها قرار دارند. ماده ای که درون چنین سیاهچال مافوق سنگینی فرو می افتد یگانه منبع پر قدرتی را بوجود می آورد که بتواند آن مقادیر عظیمه انرژی را که این اجسام در حال انتشار آنها هستند تبیین و تشریح کند ، به محض آنکه ماده به درون سیاهچال تنوره می کشد آنرا در همان جهتی بدوران در آورد که موجب پیدایش یک میدان مغناطیسی شود که تا اندازه ای شبیه میدان مغناطیسی زمین است. ماده ساقطه در این سیاهچال در نزدیکی آن ذراتی بسیار پر انرژی تولید خواهند کرد و کیدان آهن ربایی حاصله به اندازه ای توانمند است که می تواند این ذرات را به صورت افشانه هایی در آورد که از دو انتهای محور دوران یعنی در امتداد قطبهای شمال و جنوب سیاهچال به بیرون فوران کنند چنین افشانه ای در تعدادی از کهکشانها و کوازار ها واقعا مشاهده شده اند.
همچنین می توان سیاه چال هایی رامشاهده کرد که جرمی بسیار کمتر از جرم خورشید دارند چنین سیاهچالهای نمی توانند از طریق در همفرونشینی جاذبه ای شکل گرفته باشند زیرا جرم آنها پایین تر از حد جرمی چاندراسخار است و ستارگانی با این جرم کم حتی با پایان رسیدن سوخت هسته ایشان نم می توانند در برابر نیروی جاذبه ای حافظ خود باشند. تشکیل سیاهچالهای کم جرم فقط در صورتی امکان پذیر است که ماده آنها تحت فشار های بسیاز زیاد تا رسیدن به چگالی های فوق العاده بالا در هم فشرده شوند چنین فشار هایی در بمب های هیدروژنی خیلی حادث می شود و : جان ویلر فیزیکدان معروف یک بار حساب کرده بود که اگر کسی تمام آب های سنگین اوقیانوس های روی زمین را گردآوری کند آنگاه می تواند از آنها بمب هیدروژنی بسازد که فشار حاصل از انفجار آن بقسمی ماده را به مرکزش فشار دهد که تبدیل به سیاهچال شود.
امکان عملی تر آنست که یک چنین سیاهچالهای کم جرمی ممکن است در همان اوایل آفرینش کیهان که بر آن درجه حرارت و فشار زیادی حاکم بوده است تشکیل شده باشند سیاهچالها فقط در صورتی می توانند تشکیل شده باشند که کیهان در اوایل بوجود آمدنش کاملا هموار و یکنواخت نبوده باشد زیرا فقط در صورتی که ناحیه کوچکی از آن چگالی از حد میانگین باشد می تواند با این شیوه در هم فشرده شود تا به تشکیل سیاهچالی بینجامد فقط ما می دانیم که درآن ازمنه باید بی نظمی هایی وجود می داشته است زیرا در غیر این صورت ماده موجود در عالم خلقت باید هنوز هم بجای اینکه در ستاره ها و کهکشانها بروی هم تل انبار شده باشدبکونه ای یکنواخت در سراسر عالم پخش شده باشد.
الزامی بودن وجود این ناهمگونی ها به عنوان خمیر مایه ای برای تشکیل سیاهچالها رهنمون این نکته است که تشکیل سیاهچال های ابتدایی بطور وضوح بستگی به جزییات شرایط و اوضاع و احوال اوایل کیهان دارد. به این ترتیب اگر ما بتوانیم تعیین کنیم که هم اکنون چند سیاهچال ابتدایی وجود دارد آنگاه می توانیم طلاعات بسیاری از همان مراحل اولیه کیهان فراگیریم. ساه چال های ابتدایی را که دارای جرمی بیشتر از یک هزار میلیون تن باشند ( یعنی برابر با جرم یک کوه بزرگ ) می توان فقط از طریق اثر جاذبه ای آنها بر دیگران برماده مرئی یا انبساط جهان به شناسایی در آورد .