مقاله در مورد سیاهچاله

بخشی از مقاله

سیاهچاله

مقدمـه
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 دویست سال پیش برمی 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 موج و همراز یک ذره.
نظریه ذره ای بودن نور چگونگی پاسخ به نیروی جادبه را روشن نکرده بود و نظریه بودن آن

هم انتظار پیروانش را در متأثر شدن نور از نیروی جاذبه به همان طریق که گلوله های توپ راکتها و سیارات از آن برخوردار می شدند برنیاورده بود. در آغاز مردم گمان می کردند که ذرات نور با سرعتی چنان نامتناهی سیر و سفر می کنند که نیروی جاذبه 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 عضو برجسته کمبریج بنام جان میچل در سال 1783 در مکتوبی مندرج در خلاصه مذکرات مجمع سلطنتی لندن خاطر نشان ساخته بود که اگر ستاره ای به قدر کفایت سنگین و متراکم باشد میدان جاذبه آن به قدری توانمند 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 آن که خیلی از آن دور شود در دام جاذبه گرانشی آن ستاره افتاده و به پایین کشیده می شود.
جان میچل بر این باور بود که باید ستاره های بسیاری نظیر این ستاره وجود داشته باشند. با وجودی که چون نور این ستاره به ما نمی رسند که قادر به دیدن آنها نیستیم اما جاذبه گرانشی آنها را حس می کنیم. چنین اعجوبه هایی 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 ظاهراً مستقل از جان میچل از طرف مارکی دولاپلاس عنوان شد. جالب توجه این است که لاپاس این موضوع را فقط در چاپ اول و دوم کتاب خود

مرسوم به منظومه جهانی درج کرد ودر چاپ های بعدی از آن صرفنظر کرد. شاید به دلیل این که او بر سست بودن این نظریه فتوا داده بود. (همچنین نظریه ذره ای بودن نور هم در طول مدت سده نوزدهم از چشم افتاده و به 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 متأثر باشد).
در حقیقت رفتاری همانند آنچه که در مورد گلوله توپ در نظریه گرانشی نیوتن انجام می گ

رفت با مزاج نور سازگاری نداشت زیرا سرعت نور ثابت بود. در صورتی که پرتاب یک گلوله توپ به سمت بالا سرعت گلوله در اثر نیروی جاذبه تدریجاً کاستی گرفته و سرانجام آن گلوله متوقف و به زمین برمی گردد و حال آنکه یک فوتون با سرعت ثابت همواره به حرکت خود به سمت بالا ادامه می دهد. ( پس جاذبه نیوتنی چگونه می تواند بر نور 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 درآمد.
برای استنباط اینکه چگونه ممکن است یک سیاهچال شکل گرفته باشد نخست نیازمند آنیم که بدانیم سرگذشت دوران زندگی یک ستاره از تولد تا مرگ چه می باشد.
ستاره وقتی شکل می گیرد که مقدار عظیمی گاز ( که اساساً ئیدروژن است) در اثر جاذبه گرانشی در هم فرو نشیند. با آغاز این همفرونشینی و تراکم گاز اتمهای آن بیشتر و بیشتر و با سرعتهای زیادتر و زیادتر بهم برخورد کرده و به این ترتیب گرمای گاز افزایش می یابد و سرانجام گاز به حدی داغ می شود که وقتی اتمهای ئیدروژن به یکدیگر برمی خورند نه تنها دیگر واپرشی انجام نمی دهند، بلکه در همدیگر فرو رفته و به هلیوم تبدیل می شوند.
گرمایی که در این واکنش آزاد می شود همانند حرارت کنترل شده یک بمب ئیدروژنی 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 مستمع سازد با تلاش کششی لاستیک بدنه بالن که سعی دارد آن را در حجم کوچکتری نگه دارد تعادل برقرار می کند ستاره ها هم به همین نحو با بهره مندی از حرارت حاصله از فعل و انفعالات هسته ای با جاذبه گرانشی که متعادل می شود مدت مدید پایدار باقی می مانند. با اینهمه ستاره سرانجام از ئیدروژن و دیگر مواد سوختی خود خالی می شود. نکته ای که ظارهاً متناقض جلوه می کند این است که هر چه مقدار سوختی که ستاره با آن آغاز تشکل می کند بیشتر باشد ستاره زودتر 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 زودتر سوخت خود را به مصرف می رساند شاید سوخت خورشید ما برای یک پنج هزار میلیون سال دیگر یا چیزی 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 اینچنین ستاره ای در می آید چیزی است که فقط برای نخستین بار در دهه انبساط گردید و داستان آن از این قرار است : در سال 1928 یک دانشجوی فارق التحصیل 1920 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 روانه کمبریج شد. ( بر طبق روایتی چند روزنامه نگاری در اوایل دهه 1920 نزد ادینگتن رفت و به او گفت : من

شنیده ام که در جهان فقط سه نفر هستند که از نظریه نسبیت عام سر درمی آورند. ادینگتن درنگی کرد و سپس پاسخ داد که دارم می اندیشم که نفر سوم کیست؟) .
چندر اسخار 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 چنین بود : وقتی که ستاره کوچک می شود ذرات ماده آن خیلی به

همدئیگر نزدیکتر می شوند و آنگاه به موجب اصل ناهمانندی پاولی چنین ذراتی باید دارای سرعتهای خیلی متفاوتی بشوند. این اختلافات سرعت موجب دور شدن آن ذرات از یکدیگر و درنتیجه سبب انبساط آن ستاره می شود. در این انبساط شعاع کره ستاره تا آن حد افزایش می یابد که بین نیروی جاذبه و نیروی دافعه ناشی از اصل ناهمانندی پاولی تعادلی برقرار شده و شعاع کره ستاره در این حد تثبیت شود یعنی به عینه شبیه همان وقایع دوران زندگی ستاره که نیروی جاذبه اش با حرارت حاصله در آن متعادل می شد.
به هر حال چاندر اسخار به این نتیجه رسید که در نیروهای دافعه ای که اصل ناهمانندی مبین آن است حدو حصری برقرار است. نظریه نسبیت عام بیشترین اختلاف بین سرعتهای ذرات مذاب 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.
چاندر اسخار حساب کرده که ستاره سردی که جرمش تقریباً از 5/1 برابر خورشید بیشتر باشد نمی تواند متحمل جرم خود باشد. ( این جرم اکنون به حد چاند اسخار معروف است). تقریباً در همین اوقات نظیر چنین اکتشافی توسط دانشمند روسی به نام لف داویدوویچ لانداو بعمل آمد، این اکتشاف اشارات ضمنی جدی در رابطه با سرنوشت نهایی ستارگان تنومند دربر داشت. اگر جرم ستاره ای کمتر از حد چاندر اسخار باشد آن ستاره سرانجام می تواند به انقباض خود پایان داده و نهایتاً 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 الکترونهای موجود در ماده خودش ناشی می شود و 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 خاطرنشان ساخت که امکان وجود حالت نهایی دیگری هم بای ستاره هست که در آن جرم ستاره تقریباً در حدود یک یا 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 می 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 قریب به صدها 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 عملاً تا این اواخر به شناسایی درنیامده بودند. از سوی دیگر ستارگانی که جرم آنها بالاتر از حد چاندر اسخار 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 بی انجامد 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 کاهش دهد؟ و حتی اگر ستاره ای برای اجتناب از همفرونشینی به قدر کافی از عهده کاهش وزن خود برمی آمد چه حادثه ای رخ می داد؟
اگر شما به قدری جرم یک ستاره کوتوله سفید را افزایش می دادید تا از حد مذکور پا فر

اتر 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 چاندر اسخار سر باز زد.
ادینگتن فکر می کرد که در هم فرو نشینی یک ستاره تا حد رسیدن به یک نقطه به سادگی امکان پذیر نیست. بیشتر دانشمندان نیز چنین نظری داشتند : حتی انیشتین شخصاً رساله ای نوشت که در آن مدعی شده بود ستارگان تا حد صفر منقبض نخواهند شد.
دشمنی دانشمند دیگر بویژه عداوت و حسادت ادینگتن که مرجعی پیشرو در ساختار ستارگان و معلم سابق چاندر اسخار بود او را تعقیب و وادار کرد تا از تعقیب کار در این خط دست بردارد و بجای آن به مسایل ستاره شناسی مانند حرکت خوشه های ستاره ای بپردازد. با این همه وقتی که به او جایزه نوبل سال 1983 اعطاء شد دستکم جزئی از موجباتش به خاطر کار پیشین او در تحدید جرم ستارگان سرد بود. چاندر اسخار نشان داده بود که اصل ناهمانندی پاولی نتوانست در هم فرونشینی ستاره ای را جرمش از حد چاندر اسخار بیشتر باشد تحمل کند اما مسئله انبساط 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 اوپن هایمر حل شد. با وجود این دستاورد او مشعر بر این بود که هیچگونه مشاهداتی وجود ندارد که بتواند از طریق تلسکوپ های امروزی آشکار شود. در همین اوان جنگ جهانی دوم پیش آمد و اوپن هایمر خودش در طرح ساخت بمب اتمی گرفتار شد. پس از پایان جنگ مسئله در هم فرونشینی جاذبه ای تا حد زیادی بدست فراموشی سپرده شد. زیرا

بیشتر دانشمندان به رویدادهایی در مقیاس اتم و هسته اش روی آورده بودند. با این وصف در اوایل دهه 1960 با افزایش چشم گیری 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 اوپن هایمر بوسیله تعدادی از علاقمندان طرف توجه قرار گرفت و در طریق گسترش افتاد. تصویری که هم اکنون ما از کار اوپن هایمر داریم به شرح و تفسیری است که می خوانید :
میدان جاذبه ای ستاره مسیرهای اشعه نور را در فضا زمان از امتداد اصلی خود یعنی از امتدادی که بی حضور آن ستاره می باید داشته باشد تغییر می دهد. میدان جاذبه ای ستاره مخروط های نوری را که مسیرهای افشانه های نور صادره از رئوسشان در فضا زمان تغییر می کنند اندکی به سمت داخل سطح ستاره متمایل می سازند این عمل را می توان به هنگام کسوف خورشید عیناً در خمیدگی نور ساطعه از ستارگان دوردست 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 دشوارتر ساخته و نور به نظر ناظری که از آن فاصله دور آن را می نگرد تارتر و سرخ تر می نماید. سرانجام پس از اینکه شعاع کره ستاره در اثر انقباض آن تا رسیدن به مقداری بحرانی کاهش یافت میدان جاذبه در سطح آن به قدری قوی می شود که مخروط های نور را آنقدر به سمت سطح ستاره خم می کنند که دیگر نور نمی تواند از آن بگریزد.
به موجب نظریه نسبیت آن 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 این رو 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 آن را سیاهچال می نامیم و مرز آن با محیط پیرامونش را که در حقیقت حریمی بی اهمیت است افق عارضه ای می خوانیم که بر پوشه مسیرهای اشعه نوری که اکنون از نجات خود از این سیاهچال عاجزند منطبق است برای استدراک اینکه اگر شما ناظر بر در ه

م فرونشینی ستاره در جریان تبدیل آن به سیاهچال بودید چه می دیدید؟ باید به یاد بیاورید که در نظریه نسبیت زمان مطلقی وجود ندارد و هر ناظری زمان را آن طور 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 ر این سنجش و اندازه موثر می باشد.
فرض کنید فضانورد جسور و بی باکی بر سطح ستاره ای که در حال همفرونشینی است ایستاده و به اتفاق آن به سوی درون مشغول درهمفرونشینی بوده و در هر ثانیه از روی ساعت خود علامتی به سفینه فضایی خود که در حول آن ستاره می گردد مخابره کند. اکنون فرض کنید مثلاً 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 5958/10 و 5959/10 فقط تعداد بسیار اندکی بیشتر از یک ثانیه برای دریافت خبری از فضانورد صبر کنند اما برای 10 دریافت علامتی در ساعت 00/11 باید تا ابد صبر کنند. از نظر ناظرانی که در سفینه فضایی قرار دارندامواج نوری که از سطح ستاره بوسیله ساعت فضانورد بین لحظات 5959/10 و 00/11 فرستاده می شوند در دوره 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 و تیره می شود و سرانجام آن ستاره آنقدر تیره و تار خواهد شد که دیگر از سفینه فضایی دیدارپذیر 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 آن را در حول سیاهچالی که بدست خود ساخته است تداوم بخشد.
با این اوصاف این صحنه سازی بدلیل مسئله زیر کاملاً واقع بینانه نیست : هر چه شما از ستاره دورتر باشد اثر نیرو و جاذبه آن 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 او را از هم جر می دهد! با وجود این ما بر این باوریم که در این عالم کبیر اجسام بزرگتری نظیر ناحیه مرکزی کهکشان ها وجود دارند که می توانند انقباض جاذبه ای را تا حد سیاهچال ها تحمل کنند و فضانوردی که بر روی یکی از اینها قرار گرفته باشد پیش از شکل گرفتن سیاهچال از هم دریده نخواهد شد و درواقع در موقع حصول شعاع بحرانی او چیز ویژه ای را احساس نخواه

د 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 هم فرونشینی آن ناحیه گذشت انگاه اختلاف بین نیروهای جاذبه وارد بر پاها و سر او آنقدر قوی خواهد شد که باز هم او را خواهد درید.
کاری که راجر پنروز ون بین سال های 1965 و 1970 انجام داد نشان داد که به موجب نظریع نسبت عام بایستی در رابطه با نامتناهی بودن چگالی و بی نهایت 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 هم فرونشینی ستاره و فضانورد می باشد. در این تکینگی قوانین علمی و توانایی ما برای پیشگویی آینده دستخوش ازهمفروپاشی می شود.
با وجود این هر ناظری که در بیرون سیاهچال باشد از نقیصه ای که در قابلیت پیشگویی ما پدید آمده است متأثر نخواهدشد زیرا نه نور و نه هیچ علامت خبری دیگری نمی تواند از این تکینگی به او برسد.
این حقیقت شایانی تأمل و درخور توجه راجر پن روزا به آنجا رهنمون شد تا پیش فرض سانسور صفتی کیهانی را عرضه بدارد که می شود آنرا به این گونه تأویل 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 به وقوع می پیوندند که درآنجا آنها بوسیله افق عارضه ای از چشمرس بیرون به نحو شایسته ای پنهان هستند. دقیقاً این همان چیزی است که به پیش فرض سانسور صفتی بودن 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 مسیر باشد راه حلهای چندی وجود دارند تا شاید او بتواند از برخورد با این تکینگی دوری گزیند و بجای آن افتادن در یک راه مارپیچ در نقطه دیگری از کیهان سر بیرون آورد. این امر امکانات بزرگی را برای مسافرت های فضا زمانی فراهم خواهد ساخت اما بدبختانه چنین به نظر می رسد که تمام این راه حلها ممکن است بسیار ناپایدار باشند و کمترین اختلافی مانند حضور یک فضانورد ممکن است طوری آنها را تغییر دهد که فضانورد نتواند تکینگی را تا وقتی که به آن برخورد نکرده مشاهده کند یعنی وقتی که کار از کار گذشته و زمان برای او به پایان رسیده است به عبارت دیگر، این تکینگی همیشه در آینده او وجود خواهد داشت و هرگز در گذشته او موجود نبوده است.
تأویل محکم و متین پیش فرض سانسور صفتی جهان هستی شارح آن است که راه حلی واقع بینانه، تکینگی ها همواره یا کاملاً در اینده قرار دارند ( مانند تکینگی های در همفرونشینی جاذبه ای ) و یا کاملاً در گذشته وقوع یافته بوده اند ( مانند تکینگی انفجار بزرگ ). باید امید بسیار داشت که برخی از تفسیرهای 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 چراکه : ممکن است کسی به درون گذشته برود و پیش از آنکه شما آگاه شوید پدر و مادرتان را به قتل برسانند.
افق عارضه ای 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 به درون سیاهچال فرو روند. لیکن هرگز چیزی نمی تواند از طریق افق عارضه از این سیاهچال به خارج فرار کند. ( به یاد داشته باشید که افق عارضه مسیر نوری است در فضا زمان که در تلاش رهایی از سیاهچال می باشد و ضمناً هیچ چیز تندتر از نور حرکت نمی کند). ممکن است کسی افق عارضه را با گفته دانته در مدخل جهنم هم مضمون بداند که گفت :
هر کس که وارد اینجا شود همه امیدش را از دست می دهد. هر چیز یا هر کسی که از طریق افق عارضه در این چاه طویل 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 هایی در خمیدگی فضا می شوند که با سرعت نور حرکت می کنند. اینها هم مانند امواج نوری هستند که چین خوردگی هایی در میدان الکترومغناطیسی می باشند. ولی اشکار 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 فرونشسته و به حالت سکون درآید، 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 آنرا چپاول کردند بی رمق و ناتوان بر روی سطح آب ساکن می شوند.
مثلاً حرکت زمین در مدار خود به دور خورشید مولد امواج جاذبه ای است و اثراز بین رفتن انرژی آن سبب تغییر مدار حرکت زمین می شود به قسمی که این مدار به تدریج به خورشید نزدیکتر و نزدیکتر شده و سرانجام به آن تصادم کرده و به حالت سکون درمی آید. شدت افت انرژی برای خورشید و زمین بسیار کم و به اندازه ای است که برای کاراندازی یک نجاری برقی کافی باشد این به معنی آن است که تقریباً یک هزار میلیون میلیون میلیون میلیون سال به درازا می کشد تا زمین در مسیری حلزونی به خورشید بپیوندد. 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 ط

ریق انتشار امواج جاذبه ای از دست می دهند موجب گردش آنها در مسیر مارپیچی به سوی یکدیگر می شود.
در طول مدت در همفرونشینی 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 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 حرکتهای پیچیده گازهای درون ستاره وابسته می باشد. و اگر سیاهچالها هم به گوناگونی همان اجسامی بودند که با درهم فرونشینی خود آنها را تشکیل داده اند آنگاه هر گونه پیشگویی درباره سیاهچالها بطور کلی شاید دشوار باشد. با این همه در سال 1967 دانشمندی کانادایی به نام ورنر اسرائیل در مطالعه و بررسی سیاهچالها انقلابی پدید آورد. او نشان داد که بر طبق نظریه نسبیت عام سیاهچالهای غیر دوار باید خیلی ساده باشند. شکل این نوع سیاهچالها باید کاملاً کره بوده و ابعادشان بستگی به جرمشان داشته و هر زوج از آنها به جرمشان با هم برابر باشد یکسان می باشند. در حقیقت این سیاهچال ها را با راه حل ویژه ای از معادلات انیشتین که از سال 1917 معروفیت یافته اند توجیه کرد. این راه حل کوتاه زمانی پس از عرضه نظریه نسبیت تام به وسیله کارل شوارتز شیلد کشف شد. در آغاز افرا بسیاری از جمله خود اسرائیل معتقد بودند که چون سیاهچال ها باید کاملاً کروی باشند پس سیاهچال ها فقط می توانند از درهم فرونشینی یک جسم کاملاً کروی تشکیل شوند. بنابراین هر ستاره حقیقی که هر گز نمی تواند کره کاملی باشد تنها می تواند در شکل یک تکینگی عریان درهم فرو نشیند. با این همه تأویل متفاوتی از دستاورد اسرائیل وجود داشت که مورد حمایت راجز پنروز، بویژه جان ویلر قرار گرفت. آنان بر این باور بودند که حرکات سریعی که مستلزم درهم فرونشینی یک ستاره می باشند به معنای این است که امواج جاذبه ای که این ستاره منتشر می کند کرویت آن را به طور مستمر افزایش می دهند و زمانی که آن ستاره به حالت سکون برسد کرویتی کامل خواهد داشت. بر طبق این نظر هر ستاره غیر دواری با وجود شکل پیچیده و ساختار درونی غامض خود پس از هم فرونشینی جاذبه ای به سیاهچال کاملاً کروی تبدیل می شود که اندازه اش تنها به جرمش بستگی دارد.
محاسبات بعدی موید این نظر بودند و بطور کلی مورد پذیرش قرار گرفت.
دستاورد ورنر اسرائیل سیاهچال هایی را در بر می گرفت که فقط از اجسام غیر دوار شکل گرفته بودند. یکی از شهروندان زلاندنو به نام روی کرا در سال 1963 موفق به کشف مجموعه ای از راه حل های معادلات نسبیت عام شد که سیاهچالهای دوار را تشریح میکردند.
سیاهچال های کروی با سرعت ثابتی دوران می کنند و اندازه و شکل آنها تنها به جرم و نرخ دوران آنها بستگی دارد. اگر این نرخ صفر باشد آن سیاهچال کاملاً 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. (عیناً مانند شکم دادن خورشید یا زمین در نتیجه دوران به دور خورشان ) و

هر چه تندتر بهچرخد 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 در هم فرونشیند سرانجام به حالت سکونی که راه حل (کروی ) آنرا تشریح کرده درمی آید .
در سال 1970 یکی از دانشجویان و همکاران پژوهشی من در دانشگاه کمبریج بنام براندون کارتر نخستین گام را در راه ایقان و اثبات چنین گمانی برداشت . او نشان داد به شرطی که یک سیاهچال دوار و ساکنی دارای محور متقارنی نظیر محور یک فرفره چرخان باشد اندازه و شکلش

فقط به جرم و نرخ دورانش بستگی دارد. سپس در سال1971 من ثابت کردم که هر سیاهچال دوار ساکنی در واقع دارای چنین محور تقارنی هست. سرانجام در سال1973 دیوید رابینسون از دانشکده پادشاهی لندن از دستاوردهای کارتر و من برای اثبات صحت آن گمان بهرمند شد : یک چنین سیاهچالی در حقیقت باید پیرو راه حلی کروی باشد. از این قرار یک سیاهچال پس از در همفرونشینی جاذبه ای باید به حالتی درآید که بتواند در آن دوران کند اما نه ضربان افزون بر این 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 شده که سیاهچال زلف ندارد. قضیه بی زلفی واجد اهمیت علمی بزرگی است زیرا تنوع سیاهچالها را به شدت محدود می کند بنابراین امکان ساختن مدل های اجسامی که ممکن است شامل سیاهچال ها باشند میسر می شود و مقایسه پیشگویی های این مدل ها با مشاهدات انجام پذیر می شود. این قضیه همچنین گویای 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 چیزهای 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 محایبات نظریه ترددآمیز و پرسش برآنگیز نسبیت عام استوار باشد ؟با این وصف مارتن اشمیت ستاره شناس رصد خانه پالومر کالیفرنیا در سال 1963 سرخ گرایییک اندازه گرفت . او C273 جسم شبه ستاره تیره رنگ را در راستای منبع انواج رادیویی موسوم به 3 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 فهماند که سبب این سرخ گرایی انبساطعالم هستی است که آن هم به نوبه خود اشاره بر این داشت که چنین جسمی باید در فاصله بسیار دوری قرار داشته و برای این که از این فاضله بعید قابل دید باشد بایستی بسیار درخشان و فروزان بوده و به عبارت دیگر در حال انتشار مقدار عظیمی انرژی بزرگی باشد. به نظر می آمد که تنها مکانیسمی که مردم می توانستند در مورد منبع و علت چنین انرژی بزرگی به آن بیاندیشند نه فقط در همفرونشینی یک ستاره بلکه در همفرونشینی کل ناحیه مرکزی کهکشان باشد. تعداد اجسام دیگر موسوم به

کواز ار 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 سیاچال ها حاصل شد از طریق اکتشافی در اجسام آسمانی بود که ناشر ضربان های منظمی از امواج رادیویی بودند و کاشف آن یک دانشجوی تحقیقاتی کمبریج بنام جاسلیم بل بود که در سال 1967 یافته خود را غرضه کرد . بل و سرپرست او بنام 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 جهار گانه ای را که کشف کرده بودند (LGH1-4) گذاشته بودند (مخفف آدم کوچولو های سبز می باشد )با این وصف در پایان 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 نوترونی دواری هستند که به دلیل فعل و انفعالی پیچیده بین میدان مغناطیسی خودشان و مواد پیرامونشان در حال انتشار امواج رادیویی نی باشند. این دستاورد برای نویسندگان و سترن 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 یک ستاره ای تبدیل به یک سیاهچال می شود . اگر ستاره ای بتواند تا به این حد کوچکی در هم فرونشیند توقع اینکه ستارگان دیگری هم بتوانند حتی تا اندازه ای کوچکتری در هم فرونشینه و به سیاهچال تبدیل شوند غیر منطقی نخواهد بود.
ما چگونه می توانیم به آشکار ساختن سیاهچالی امیدوار با شیم که همان گونه که از نامش پیدا ست هیچ نوری از آن ساطع نمی شود ؟ این تا اندازه ای شبیه جستجوی گربه سیایی در ذغالدونی است. اما راهی برای آن وجود دارد. همانطور که جان میچل در سال1783در رساله راهگشای خود خاطرنشان ساخت یک سیاهچال هنوز هم به اجسام مجاور خود یک نیروی 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 سوی یکدیگر کشیده می شوند آنان همچنین منظومه هایی را دیده اند که درآنها 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 با یک سیاهچال است زیرا شاید : آن صرفاً

یک ستاره خیلی کم نوری باشد که به دیده درنیاید . با این همه برخی از این منظومه ها مانند منظومه معروف به صورت فلکی غرنوق نیز منبع سرشاری از اشعه ایکس هستند بهترین توضیح برای این پدیده این است که بگوییم ماده درون این ستاره نامرئی از سطح آن به بیرون فوران کرده است و هنگامی که این ماده به دنبال همبازی نامرئی خود می افتد حرکتی مارپیچی پدیدار کرده (تا اندازه ای شبیه جهش آب از یک آبپاش یا فوراه ) و بسیار داغ و سوزان شده و شروع به انتشار اشعه ایکس می کند . برای این که چنین مکانیسمی به تحقیق بپیوندد آن جنس نامرئی باید همانند

یک کوازار یا شبه ستاره نوترونی یا یک سیاهچال کوچک باشد. کمترین جرم یک 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 چاندر اسخار برای جسمی نامرئی که به صورت کوازار باشد این مقدار بسیار زیاد به نظر می رسد و نیز برای ستاره نوترونی جرمی عظیمی به می رود بنابراین این جسم پرده نشین باید یک سیاهچال باشد.
برای توضیح صورت فلکی غرنوق مدلهای دیگری وجود دارند که سیاهچالها را برنمی گیرند لکن همگی تا اندازه ای بلا تشبیه می باشند، به نظر می رسد که یک سیاهچال 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 مشی 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 بر باد خواهد رفت ولی در آن صورت مایه دلداری من ارمغانی است که از برنده شدن در این شرط بندی عایدم می شود یعنی دریافت چهار سال مجلهPrivate Eye .
اما اگر وجود سیاهچالی محقق شود سازمان کیپ برنده یک سال مجلهPent House خواهد شد .وقتی که ما در سال 1975 این شرط را می بستیم تا هشتاد درصد یقین داشتیم که صورت فلکی غرنوق یک سیاهچال است و در حال حاضر باید بگوییم که ما به نود و پنج درصد رسیده است. لیکن آن شرط هنوز باقی و برقرار است .
ما اکنون هم مدارکی برای سیاهچال های متعددی در منظومه های نظیر صورت فلکی غرنوق داریم که در کهکشان خودمان و در دو کهکشان همسایه ما ( ابرهای ماژلان ) وجود دارند، با این حال تعداد سیاهچالها تقریباً بطور 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 سیاهچال ها باید افزونتر از ستارگان مرئی باشد که تعدادشان فقط در کهکشان ما تقریباً بالغ بر صد هزار میلیون است. نیروی جاذبه خارق العاده چنین تعداد عظیمی از سیاهچال ها می تواند گویای این باشد که چراکهکشان 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 سیاهچالی 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 و بقایای آنها و گازی که از ستارگان دیگر متصاعد می شود به سوی این سیاهچال کشیده شد و همانند صورت فلکی غرنوق این گازها 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 گروانند برای همین منبع متراکم امواج رادیویی و پرتوهای فروتر از سرخی که از مرکز کهکشانها صادر 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 در مراکز کوازارها قرار دارند. ماده ای که درون چنین سیاهچالهای مافوق سنگینی فرو می فاتد 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 به دوران درآورد 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 میدان آهن ربایی حاصل به اندازه ای توانمند است که می تواند این ذرات را به صورت افشانه هایی درآورد که از دو انتهای محور تعدادی از کهکشان ها و کوازارها واقعا مشاهده شده اند.
همچنین می توان سیاهچال هایی را مشاهده کرد که جرمی بسیار کمتر از جرم خورشید دارند. چنین سیاهچال هایی نمی توانند از طریق در همفرونشینی جاذبه ای شکل گرفته باشند زیرا جرم آنها پایین تر از حد جرمی چاندر اسخار است و ستارگانی با این جرم کم حتی با پایین رسیدن سوخت هسته ایشان هم می توانند در برابر نیروی جاذبه ای حافظ خود باشند. تشکیل سیاهچال کم جرم فقط در صورتی امکان پذیر است که ماده آنها تحت فشارهای بسیار زیاد تارسیدن به چگالی فوق العاده بالا در هم فشرده شوند چنین فشار هایی در بمب های هیدروژنی خیلی حادث می شود و جان ویلر فیزیک دان معروف یک بار حساب کرده بود که اکر کسی تمام آبهای سنگین اقیانوس های روی زمین را گرد آوری 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 آن است که یک چنین سیاهچالهای کم جرمی ممکن است در همان اوایل آفرینش کیهان که بران در جه حرارت وفشار زیادی حاکم بوده است تشکیل شده باشند سیاهچال فقط در صورتی می توانند تشکیل شده باشند که کیهان در اوایل بوجود آمدنش کاملاً 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 بیانجامد فقط ما می دانیم که در آن 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 به روی هم تل انبار شده باشد به گونه ای یکنواخت رد 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 سیاهچالهای 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. سیاهچال های ابتدایی را که دارای جرمی بیشتر از یک هزار میلیون تن باشند ( یعنی برابر با جرم یک کوره بزر

گ ) می توان فقط از طریق اثر جاذبه ای آنها بر دیگران بر ماده مرئی یا انبساط جهان به شناسایی درآورد.

فصل اول

سرگذشت مختصری از مرگ یک ستاره

مسلماً تا کنون هر یک از انسان ها تا حدی با قوانین گازها حتی در حد تجربی سر و کار داشته اند. یکی از این قوانین که با استناد به آزمایش در آزمایشگاه ثابت می شود این است که یک گاز هرگاه در فضای ظرفی قرار گیرد به طور یکنواخت در آن ظرف پخش می شود. این اثر را می توانیم بعینه در فضای اطراف خود مشاهده کنیم. اما این قانون به ظاهر ساده فقط در محیط ما صادق است. اگر کمی از محیط زمین تجاوز کنیم و به محدوده ی گازهای میان ستاره ای در فضای بیکران پای بگذاریم متوجه خواهیم شد که این قانون دیگر برای ابرهای عظیم درست نیست. زیرا آنها از قانون دیگری پیروی می کنند.
در این ابرها دما به قدری است که دیگر انرژی جنبشی مولکول های گاز به حدی نیست که بتوانند از ابر بگریزند در این شرایط آنها تحت تأثیر گرانش ابر به کانون آن که عمدتاً در مرکز ابر است سقوط می کنند.
در این صورت ابر در خود جمع خواهد شد البته باید برای این حرف یک تبصره نیز بیاوریم. ابر مورد نظر ما باید دارای شرایطی باشد از جمله اینکه باید شعاع آن از مقداری معین که با توجه به جرم مولکول های گاز، چگالی و دمای آن تعیین می شود تجاوز کند. در مرکز این ابر آنقدر مولکول های بر روی همدیگر سقوط می کنند تا اینکه آن ابر عظیم گذشته تبدیل به یک توده می شود در این شرایط آن قدر این مولکول ها با هم برخورد می کنند که ابر گرم می شود. میزان این برخوردها به حدی افزایش می یابد که گرمای حاصل از آن بسیار زیاد می شود. این گرما به حدی است که به اتم های هیدروژن که بخش اعظم ابر را تشکیل داده اند، اجازه می دهد که با یکدیگر واکنش گداخت هسته ای را انجام دهند. حاصل این واکنش تبدیل چهار اتم هیدروژن به یک اتم هلیم و یک نوترینو و مقداری انرژی است :
4H = He + neutrinos + energy
حال ممکن است در ذهن شما یا هر انسانی این سوال تداعی شود که چگونه ممکن است جرم به انرژی تبدیل شود در این شرایط باید فرمول معروف آلبرت اینشتین دانشمند بزرگ همه ی دوران فیزیک را به یاد آوریم که سرعت نور c می گوید جرم و انرژی با هم، هم ارز هستند. این رابطه به صورت زیر است.
در این رابطه است که برابر 000/300 کیلومتربر ثانیه است : E = mc2
با محاسباتی ساده به نتایج زیر می رسیم :
جرم چهار اتم هیدروژن = 27- 10 נ6.693 کیلوگرم

جرم یک اتم هلیم = 27- 10 נ6.645 کیلوگرم
جرم گم شده = 27- 10 נ0.0048 کیلوگرم
جرم گم شده تبدیل به انرژی شده است.

در مرکز هر ستاره در هر ثانیه واکنش های پیوسته گداخت انجام می گیرد که انرژی تولید شده توسط آنها میلیون ها برابر قدرتمندتر از انرژی زرادخانه های اتمی در زمین است. در طی

این واکنش گرمای عظیمی تولید می شود که ستاره را در برابر گرانش خودش محافظت می کند تا اینکه زیر این فشار منفجر شود. اما سرانجام هر اغازی پایانی خواهد داشت. سوخت یک ستاره ی معمولی مثل خورشید بعد از 10 میلیارد سال به اتمام خواهد رسید. هدف اصلی این بخش از این تحقیق بررسی زمانی است که سوخت یک ستاره به اتمام می رسد. در چنین شرایطی که ستاره چند میلیون سال پایانی عمر خود را می گذراند منبسط می شود و درجه حرارت آن افزایش می یابد. برای مثال وقتی ستاره ای چون خورشید به پایان عمرش نزدیک می شود چنان منبسط می شود که مدار عطارد و زهره را فرا می گیرد و به مدار زمین می رسد در این شرایط هر روز خورشید تقریباً سه چهارم آسمان زمین را فرا خواهد گرفت.
ولی در آن روزگار مسلماً هیچ انسانی زنده نخواهد بود. زیرا از آن حرارت وحشتناک هلاک خواهد شد. حتی سخت جانترین باکتری ها نیز که در شرایط نابسامان برای خود هاگ می سازند از بین خواهند رفت. به همین جهت در فکر است که بتواند برای سال های آتی خود پناهگاهی جز زمین بیابد.
حال چنین ستاره ای پس از آنکه منبسط شد سعی می کند تا هلیوم را به عناصر سنگین تر مانند کرین و اکسیژن تبدیل کند. ولی این واکنش ها انرژی زیادی مثل تبدیل هیدروژن به هلیوم تولید نمی کنند. به همین سبب این ستاره که غول سرخ نامیده می شود ناپایدار است. سرانجام این ستاره زیر بار گرانش تحمل نمی کند و رد یک انفجار نواختری یا نوایی پوسته خود را به دور می اندازد البته اگر ستاره جرمی بیش از سه برابر خورشید داشته باشد در یک انفجار ابر نواختری یا سوپر نوایی از بند حفاظ گازی خود رها می شود. این انفجار به طرز باورنکردنی درخشان و تابناک است به طوری که ممکن است روشنائی آن 100 میلیون برابر خورشید باشد البته آن بسیار کم است و فقط برای روزها و یا ماه های کمی قابل رویت است. این انفجار یکی از نادرترین واقعه های جالب نجومی است.
در این انفجار نهیب تنها چیزی که مکان دارد باقی بماند هسته ی ستاره است. در ستاره ای همچون خورشید هسته باقیمانده که تقریباً نصف جرمش را تشکیل می دهد تا پس از انفجار تا مرز 7-10 متر فشرده می شود در این شرایط بر اساس رابطه لوئی دوبروی انرژی جنبشی الکترون ها افزایش می یابد و برای آنها فضا ایجاد می کند ولی نیروی این فشار به حدی نیست که بتواند بر اوربیتال آنها بر گرداگرد هسته غلبه کند ولی تنها کاری که می کند آنها را تا یک صدم شعاع اتمی خود فشرده می کنند. در این صورت این ستاره فشرده گرانش قابل توجهی دارد برای درک بهتر آن خورشیدی را در نظر بگیرید که در این شعاع اندک فشرده شده باشد. در این وضعیت چگالی این جسم بسیار زیاد است به طوری که جرم یک قاشق چایخوری از آن همانند جرم یک کامی

ون 18 چرخ در روی زمین است. این جسم یک کوتوله نامیده می شود. اگر یک پرتو نور از کنار یکی از آنها به جرم 30-10 * 1.99 بگذرد در مسیرش چهار ساعت و یک دقیقه ( واحد درجه ) انحنا ایجاد می شود. حال اگر هسته ی باقیمانده پس از انفجار 1 تا 1.5 ( حد چاندرا اسکر برای کوتوله سفید ) برابر خروشید جرم داشته باشد وضعیت کاملاً فرق می کند. در این نوع از س

تاره ها فوریزی حاصل از گرانش آن قدر ادامه می یابد که فشار الکترون ها قادر به مقابله با آنها نیست. در این شرایط بغرنج الکترون ها از اوربیتال های خود خارج شده و جذب پروتون ها می شوند در نتیجه نوترون ها زاده می شود. اگر بخواهیم کمی دقیق تر بررسی کنیم نوترون ها بر اثر متحد شدن الکترون ها و پروتن ها و هم چنین اثر معکوس فروپاشی بتا شکل می گیرند.
در هنگام فضایی در اختیار نوترون ها قرار گرفته است که در جای خود فشرده شوند. این ها به حدی فشرده می شوند که تقریباً در هر متر مکعب از ماده این ستاره 1017 کیلوگرم جرم دارد. این فشرده گی به حدی زیادی است که به ذهن هیچ انسانی خطور نمی کند یک قاشق چای خوری از ماده ی آنها تقریباً به اندازه ی یک میلیون کامیون 18 چرخ در روی زمین جرم خواهد داشت. این ستارگان در هنگام تولد دمای بالایی دارند و تابش میکنند اما پس از گذشت زمان به شدت دمایشان کاهش یافته و در نتیجه سرد می شوند.
این ستاره ها اغلب به صورت پالسار دیده می شوند. پالسار نوعی ستاره ی نوترونی است با این تفاوت که دارای اسپین و چرخش است. این ها در حوضه ی پرتوی ایکس اشعه ساطع می کنند که به صورت مخروطی سوسو زنان مشاهده می شود ایبن چرخش ها باعث می شود که میدان مغناطیسی آن نیز به موازات آن دارای اسپین باشد. موضوع جالب دیگر در زمینه ی این ستاره های نوترونی حرکت آنها در فضا است. دلیل این حرکت را با توجه به ابر نواختری که ستاره در آن زاده شده است توجه می کنند و می گویند که ضربات انفجار اولیه در همان یک ثانیه ی نخست است به آنها سرعت می دهد که تقریباً 500 کیلومتر بر ثانیه به سرعت آنها می افزاید این مطلب در سال2003 توسط دانشمندان آمریکایی و آلمانی تأیید شد.
نمایی از اثر و رد حرکت سریع یک ستاره نوترونی که مانند حبابی در پشت آن ایجاد شده است.
پالسارها دارای میدان مغناطیسی هستند که در گذشته ( پیش از سال 2001 ) به طور غیر مستقیم میدان آنها اندازه گیری می شد اما پس از آنکه در سال 2003 تلسکوپ XMM? Newton با کار دو ساله ی خود بر روی آنها میدان آنها را به طور مستقیم مشخص ساخت، معلوم شد که روش مستقیم میدان را 30 برابر شعیف تر از روش غیر مستقیم نشان می دهد. پالسارها با سرعتی باور نکردنی به دور خود می چرخند برای مثال پالسار ابر سرطان در هر ثانیه 33 مرتبه به دور خود می چرخد.
همانطور که ذکر شد این ستاره ها چگالی بسیار زیادی دارند در نتیجه باید جرمشان نیز بسیار باشد ( با توجه به حجمشان ) با تکیه بر این مطالب می توان گفت که یک ستاره ی نوترونی به جرم خورشید و شعاع 10 کیلومتر در مسیر یک پرتوی نور 46 درجه انحنا ایجاد می کند. در این فصل قصد نداریم به بحث در زمینه ی سیهچاله بپردازیم. زیرا موضوع اصلی این مقاله در زمنیه

سیاهچاله است و در یک فصل مجزا کامل شرح داده خواهد شد. ولی برای درک بهتر بد نیست که بدانیم سیاهچاله یکی از حالت رمبیده از ستاره ها است که از ستاره های نوترونی و کوتوله های سفید بسیار پر جرم تر است و هیچ چیزی حتی نور قادر به گریز از آن نیست. همچنین دو ستاره ی نوترونی کم جرم همان کوتوله سفید است زیرا بعضی از دانشمندان آن ها را یکی فرض می کنند و می گویند که کوتوله سفید حالتی از ستاره نوترونی است.

فصل دوم

مفاهیم مربوط به سیاهچاله

برای درک بهتر سیاهچاله لازم است نگاهی هر چند مختصر به دو نظریه ی انقلابی قرن حاضر یعنی نسبیت و مکانیک کوانتوم بیندازیم. هر دو نظریه از جنبه ای خاص در درک سیاهچاله به ما کمک می کنند ؛ اما به این دلیل که اصولاً خود سیاهچاله را می توان محصول نظریه نسبیت عام دانست به نسبیت عام در این بحث بیشتر بها داده خواهد شد. از سوی دیگر برای دانستن نظریه نسبیت عام لازم است تا جنبه هایی از نسبیت خاص را به رشته تحریر درآوریم. هرچند که امروزه گروهی از دانشمندان نسبیت خاص را صورت ویژه ای از نسبیت عام می دانند. همچنین برای شرح برخی از خواص سیاهچاله ها لازم است تا پیش زمینه ای از مکانیک کوانتوم بخصوص اصل عدم قطعیت ورنر هاینز برگ داشته باشیم تا بتوانیم خاصیتی از سیاهچاله چون تابش هاوکینگ را شرح دهیم.

بخش اول :
نسبیت خاص Special relativity
او تجسم خرد ناب بود، استادی که انگلیسی را با لهجه آلمانی تکلم می کرد، کسی که چهراه اش به عنوان یک کلیشه خنده دار در هزاران عکس و فیلم به نمایش درآمده است. سیمای منحصر به فرد او با آن موهای بلند و آشفته بلافاصله قابل تشخیص بود. درست 101 سال پیش بود که آلبرت اینشتین با انتشار چند مقاله به شهرتی جهانی رسید. یکی از این مقالات در رابطه با الکترو دینامیک اجسام متحرک بود که امروزه ما آن را نسبیت خاص می نامیم. نسبیت خاص نتایج بسیار و شگفت آوری را برای فیزیک رقم می زند. از جمله اتساع، زمان، کاهش طول خط کش و یا هم ارزی جرم و انرژی.

دو اصل اساسی نسبیت خاص عبارتند از :

1- قوانین فیزیک در تمام دستگاههای لخت یکسان است و هیچ دستگاه مرجع مطلقی در جهان وجود ندارد.
2- سرعت نور در فضای تهی و در تمام دستگاههای لخت ثابت است.
اما چیزی که به کار ما می آید و همچنین یکی از مهم ترین دستاوردهای نسبیت خاص نیز هست، این است که فضا را از سه بعد به چهار بعد ارتقاء می دهد. بعد چهارم که فضا زمان نامیده می شود از پیوند بین زمان و سه بعد فضایی حاصل می شود.