سياه چاله چيست؛ هرآنچه بايد درباره سياه چاله‌ها، اسرارآميزترين اجرام جهان بدانيم

به‌جرئت مي‌توان سياه چاله‌ها را يكي از اسرارآميز‌ترين و عجيب‌ترين اجرام شناخته‌شده دانست؛ به‌خصوص با ثبت اولين تصوير سياه‌چاله در سال ۲۰۱۹ و اثبات فرضيه‌هاي متعدد مربوط به آن علاقه مردم و دانشمندان به اين اجرام افزايش يافت؛ اما چه ويژگي‌هايي سياه چاله‌ها را تا اين اندازه جذاب و هيجان‌انگيز ساخته است؟ در اين مقاله سعي مي‌كنيم به اين پرسش پاسخ دهيم.

بر‌‌‌اساس تعريفي ساده سياه‌چاله به نقطه‌اي از فضا با جاذبه‌ و چگالي بسيار بالا گفته مي‌شود كه حتي نور هم نمي‌تواند از آن فرار كند. اين جاذبه به‌قدري قوي است كه تمام مواد را در فضايي كوچك فشرده مي‌كند. آلبرت اينشتين براي اولين با در سال ۱۹۱۶ با انديشه متخصصينيه نسبيت عام احتمال وجود سياه‌چاله‌ها را مطرح كرد. عبارت «سياه چاله» هم چند سال بعد در سال ۱۹۶۷ توسط ستاره‌شناسي آمريكايي به نام جان ويلر ابداع شد. بر‌‌‌اساس انديشه متخصصينيه نسبيت عام، جرمي كه به‌اندازه كافي فشرده شود مي‌تواند فضا زمان را خم كرده و سياه چاله را تشكيل دهد. به مرز بي‌بازگشت سياه‌چاله افق رويداد گفته مي‌شد. سياه‌چاله‌ها هيچ نوري را منعكس نمي‌كنند؛ اما بر‌‌‌اساس آثاري كه بر مواد و اجرام اطراف خود مي‌گذارند قابل شناسايي هستند.

متداول‌ترين راه تشكيل سياه چاله مرگ ستاره‌ها است. اغلب ستاره‌ها با رسيدن به پايان عمر خود متورم مي‌شوند و جرم خود را از دست مي‌دهند و در نهايت به شكل كوتوله‌هاي سفيد سرد درمي‌آيند؛ اما ستاره‌هاي بزرگي كه جرم آن‌ها به ده الي بيست برابر جرم خورشيد مي‌رسد در پايان عمر به ستاره‌هاي نوتروني يا سياه‌چاله تبديل مي‌شوند.

وقتي ستاره‌اي كلان‌جرم كل سوخت هسته‌اي خود را مصرف مي‌كند، هسته اين ستاره ناپايدار شده و دچار درون‌ريزي گرانشي مي‌شود در نهايت لايه‌هاي بيروني ستاره از بين مي‌روند. اين ستاره‌ها در پايان عمر در طي انفجاري عظيم به نام ابرنواختر منفجر مي‌شوند و سياه‌چاله‌ها يا ستاره‌هاي نوتروني را از خود به جا مي‌گذارند. ستاره‌شناسان تاكنون سه دسته سياه‌چاله را شناسايي كرده‌اند: سياه‌چاله‌هاي ستاره‌اي، سياه‌چاله‌هاي كلان‌جرم و سياه‌چاله‌هاي جرم متوسط.

وقتي سوخت ستاره‌اي تمام مي‌شود دچار فروپاشي گرانشي مي‌شود. اين فرايند در ستاره‌هاي كوچك‌تر (با جرمي سه برابر جرم خورشيد)، باعث مي‌شود هسته جديد به ستاره نوتروني يا كوتوله سفيد تبديل شود؛ اما با فروپاشي ستاره‌هاي بزرگ‌تر سياه‌چاله ستاره‌اي به وجود مي‌آيد.

سياه‌چاله‌هاي ستاره‌اي معمولاً بسيار متراكم هستند. اين سياه‌چاله‌ها در فضايي به قطر يك شهر جرمي سه برابر جرم خورشيد را جاي مي‌دهند. بدين‌ترتيب نيروي گرانشي ديوانه‌واري به وجود مي‌آيد. سياه‌چاله‌هاي ستارهاي مي‌توانند گاز و غبار اطراف خود را جذب كنند و بزرگ‌تر شوند. به نقل از مركز اخترفيزيك اسميتسونين هاروارد، راه شيري داراي چند ميليون سياه‌چاله ستاره‌اي است.

سياه‌چاله‌هاي كلان جرم با اينكه از انديشه متخصصين ابعاد هم‌اندازه با خورشيد هستند، چند ميليون يا چند ميليارد برابر سنگين‌ترند. به گمان دانشمندان اين سياه‌چاله‌ها در مركز كهكشان‌ها از جمله راه شيري قرار دارند.

دانشمندان هنوز از چگونگي تشكيل اين سياه‌چاله‌ها مطمئن نيستند. اين غول‌ها پس از شكل‌گيري، مقدار زيادي از ماده و گاز و غبار اطراف خود را جذب مي‌كنند. وجود مقدار زيادي ماده در مركز كهكشان‌ها باعث شدند اين اجرام بسيار غول‌آسا شوند.

سياه‌چاله‌هاي كلان‌جرم ممكن است حاصل ادغام صدها يا هزاران سياه‌چاله كوچك باشند. همچنين ممكن است ابرهاي گازي بزرگ دچار فروپاشي شده و مواد را به سرعت جذب خود كرده‌اند. گزينه سوم براي تشكيل اين سياه‌چاله‌ها مي‌تواند فروپاشي خوشه‌هاي ستاره‌اي و گزينه چهارم مي‌تواند تشكيل سياه‌چاله‌هاي كلان جرم از خوشه‌هاي بزرگ ماده تاريك باشد. اين ماده را مي‌توان ازطريق آثار گرانشي بر اجرام ديگر شناسايي كرد بااين‌حال دانشمندان هنوز از ماهيت و عناصر‌ تشكيل‌دهنده آن اطلاعي ندارند زيرا اين ماده نوري از خود منتشر نمي‌كند و نمي‌توان به صورت مستقيم به رصد آن پرداخت.

شبيه‌سازي سياه‌چاله‌اي كلان‌جرم. جوردي ديولار و همكاران او با استفاده از واقعيت مجازي سياه‌چاله‌ها را شبيه‌سازي كردند. در اين شبيه‌سازي سياه چاله‌اي با مواد درخشان احاطه شده است. اين ماده به شكلي گرداب مانند در سياه‌چاله نامپديد مي‌شود و پلاسماي درخشان توليد مي‌كند. سپس نور بر اثر گرانش قوي سياه‌چاله دچار انحراف و اعوجاج مي‌شود.

دانشمندان زماني تصور مي‌كردند سياه‌چاله‌ها تنها به دو طيف بزرگ و كوچك تقسيم مي‌شوند؛ اما پژوهش‌هاي جديد نشان دادند سياه‌چاله‌هاي جرم متوسط يا IMBH هم وجود دارند. اين اجرام ممكن است بر اثر برخورد خوشه‌اي مجموعه‌اي از ستاره‌ها شكل گرفته باشند. تعدادي از IMBH-هايي كه در يك منطقه شكل مي‌گيرند در نهايت در مركز كهكشان به يكديگر پيوسته و سياه‌چاله‌هاي كلان جرم را تشكيل مي‌دهند. ستاره‌شناسان در سال ۲۰۱۴ سياه‌چاله‌اي جرم متوسط را در بازوي يك كهكشان مارپيچي پيدا كردند. به‌گفته تيم رابترت از دانشگاه دورهام بريتانيا:

ستاره‌شناسان سخت در تلاش بودند تا اين سياه‌چاله‌هاي متوسط را كشف كنند. نشانه‌هايي از آن‌ها وجود داشت؛ اما اين سياه‌چاله‌ها علاقه‌اي به كشف‌شدن نداشتند.

بر‌‌‌اساس پژوهشي در سال ۲۰۱۸ ممكن است سياه‌چاله‌هاي جرم متوسط در قلب كهكشان‌هاي كوتوله (كهكشان‌هاي بسيار كوچك) وجود داشته باشند. رصد ده نمونه از اين كهكشان‌ها (كه پنج مورد آن قبل از اين مطالعه ناشناخته بودند) نشان داد كه فعاليت‌ پرتوي ايكس متداول در سياه‌چاله‌ها مي‌تواند مدركي براي وجود سياه‌چاله‌هايي با ۳۶ هزار تا ۳۱۶ هزار جرم خورشيدي باشد. اين اطلاعات از مطالعه Sloan Digital Sky به دست آمد كه به مطالعه يك ميليون كهكشان اختصاص دارد.

فرضيه نوعي سياه‌چاله غيرستاره‌اي هم توسط استيون هاوكينگ، فيزيكدان بريتانيايي ارائه شد. بر‌‌‌اساس انديشه متخصصينيه هاوكينگ، سياه‌چاله‌هاي كوچك آغازين هم جرم يا كوچك‌تر از يك سيارك هستند كه ممكن است در طول بيگ‌بنگ تشكيل شده باشند. بيگ‌بنگ به وضعيتي از چگالي و دماهاي بالا گفته مي‌شود كه جهان از آن در حدود ۱۳.۸ ميليارد سال پيش آغاز شد. به اين سياه چاله‌ها ريزسياه‌چاله هم گفته مي‌شود كه مانند سياه‌چاله‌هاي پرجرم‌تر به‌مرورزمان جرم خود را ازطريق تابش هاوكينگ از دست داده و ناپديد مي‌شوند. اگر انديشه متخصصينيه‌هاي جهان با ابعاد بيشتر صحيح باشد، شتاب‌دهنده ذرات بزرگ مي‌تواند تعدادي از ريزسياه‌چاله‌ها را توليد كند.

بر‌‌‌اساس انديشه متخصصينيه‌هاي ستاره‌شناسي اگر سياه‌چاله‌اي داراي حركت مداري باشد، فضا زمان را به دور افق رويداد خود مي‌كشد. اين گردش فضا به دور افق رويداد را كاركره مي‌گويند كه بيضي شكل است. در كاركره اجسام مي‌توانند به درون سياه‌چاله سقوط نكنند چراكه اين كره بيرون از افق رويداد قرار دارد. همچنين سياه‌چاله‌ها از انديشه متخصصين بار الكتريكي به دو دسته داراي بار و بدون بار و از انديشه متخصصين تكانه زاويه‌اي كه چرخش سياه‌چاله را مشخص مي‌كند به دو دسته چرخان و غيرچرخان تقسيم مي‌شوند. سياه‌چاله‌هاي چرخان منطبق با معادله ميدان اينشتين هستند.

سياه‌چاله‌ها سه لايه دارند: افق رويداد خارجي و داخلي و تكينگي.

• افق رويداد: افق رويداد سياه‌چاله به مرز اطراف دهانه سياه‌چاله گفته مي‌شود كه حتي نور هم نمي‌تواند از آن بگريزد. وقتي ذره‌اي از افق رويداد عبور كند ديگر نمي‌تواند از سياه‌چاله خارج شود. جاذبه در افق رويداد ثابت است. افق رويداد سياه‌چاله رابطه مستقيمي با سرعت گريز شئ دارد. سرعت گريز به سرعت مورد نياز براي فرار از كشش گرانشي سياه‌چاله گفته مي‌شود. هرچقدر شخصي به سياه‌چاله نزديك‌تر شود به سرعت بيشتري براي فرار از كشش گرانشي عظيم آن نياز پيدا مي‌كند. در افق رويداد سرعت گريز از سرعت نور فراتر مي‌رود.

بر‌‌‌اساس انديشه متخصصينيه نسبيت عام اينشتين هيچ چيز در فضا سريع‌تر از نور حركت نمي‌كند. درنتيجه افق رويداد را نقطه بي‌بازگشت مي‌نامند. وقتي شيئ به افق رويداد نزديك مي‌شود، يك شاهد فرضي مي‌تواند محو‌شدن تصوير را مشاهده كند. اين محو‌شدن به‌دليل خم‌شدن نور بر اثر جاذبه به وجود مي‌آيد. در افق رويداد تصوير شيء به‌سمت نامرئي‌شدن مي‌رود. اندازه افق رويداد به جرم سياه‌چاله وابسته است. اگر زمين به‌قدري فشرده شود كه به سياه‌چاله تبديل شود، قطر آن به ۱۷.۴ ميلي‌متر مي‌رسد؛ اما اگر خورشيد به سياه‌چاله تبديل شود قطر آن ۵/۸۴ كيلومتر خواهد بود كه تقريباً هم اندازه با يك روستا يا شهري كوچك است.

• تكينگي: بخش داخلي سياه‌چاله كه جرم آن را تعريف مي‌كند، تكينگي ناميده مي‌شود. نقطه‌اي واحد در فضا و زمان كه جرم سياه‌چاله در آن متراكم شده است. بافت فضا زمان در اطراف تكينگي به شكلي نامتناهي خم مي‌شود درنتيجه قوانين فيزيكي كه مي‌شناسيم در اين نقطه نقض مي‌شوند.

دانشمندان نمي‌توانند مانند ستاره‌ها و ديگر اجرام فضايي سياه‌چاله‌ها را رصد كنند؛ بلكه مشاهدات آن‌ها به كشف پرتوهاي منتشرشده از سياه‌چاله‌ها و همچنين گاز و غبار اطراف آن‌ها وابسته است؛ اما سياه‌چاله‌هاي كلان جرم مركز كهكشان معمولاً با ابري ضخيم و گاز و غبار احاطه شده‌اند كه رصد پرتوهاي ديگر را دشوار مي‌سازند.

لايه‌هاي دروني سياه‌چاله

• قرص برافزايشي: اغلب سياه‌چاله‌ها با ديسك‌هاي بسيار جديدي از ماده احاطه شده‌اند كه بخش زيادي از آن‌ها را گاز و غبار اجرام ديگري مثل ستاره‌ها و سياره‌ها تشكيل مي‌دهند. اين مواد در سياه‌چاله سقوط مي‌كنند. اين ديسك‌هاي جديد و متلاطم «قرص برافزايشي» ناميده مي‌شوند.
• سايه سياه چاله: سايه سياه چاله منطقه‌اي تاريك و دوبعدي در كره‌اي سماوي است كه بر اثر گرانش قوي سياه‌چاله شكل مي‌گيرد. در اين منطقه مجموعه‌اي از مسيرهاي فوتوني قرار دارند كه نتوانستند از سياه‌چاله فرار كنند و به دام آن افتادند.
• كره فوتوني: در كره فوتوني جاذبه به‌قدري قوي است كه نور مي‌تواند در مسيرهاي دايره‌اي حركت كند. فوتون‌ها در فاصله كره فوتوني در اطراف سياه‌چاله مي‌چرخند. اگر شاهدي فرضي در اين نقطه حضور داشته باشد مي‌تواند پشت سر خود را ببيند.
• جت نسبيتي: گاهي ماده پس از ورود به سياه‌چاله از افق رويداد كمانه كرده و به‌سمت بيرون پرتاب مي‌شود. در اين شرايط جت‌هاي درخشاني از ماده به وجود مي‌آيند كه با سرعتي نزديك به سرعت نور حركت مي‌كنند. گرچه سياه‌چاله‌ها نامرئي به انديشه متخصصين مي‌رسند اين جت‌هاي قدرتمند را مي‌توان از فواصل دوردست رصد كرد.

تصوير بالا: شبيه‌سازي ناسا از سياه‌چاله . در اين تصوير قرص برافزايشي، سايه و كره فوتوني نشان داده شده‌اند. تصوير پائين: شبيه‌سازي جت نسبيتي سياه چاله‌ها

تابش هاوكينگ به پرتويي گفته مي‌شود كه به‌دليل آثار كوانتومي در نزديكي افق رويداد سياه‌چاله منتشر مي‌شود. اين پرتوها نشان مي‌دهند دماي سياه‌چاله‌ها متناسب با جرم آن‌ها است. تابش هاوكينگ گرچه تاكنون رصد نشده است داراي پشتوانه علمي قوي مدل‌هاي تركيبي نسبيت عام و مكانيك كوانتوم است. نام اين پديده از نام استيون هاوكينگ فيزيكدان گرفته شده است كه در سال ۱۹۷۴ مقاله‌اي را با عنوان انفجارهاي سياه‌چاله‌اي منتشر كرد. فرضيه تابش هاوكينگ به اين معني است كه سياه‌چاله‌ها مي‌توانند انرژي را منتشر كنند و درنتيجه از انديشه متخصصين اندازه كوچكتر مي‌شوند.

‌هر گاه ماده‌اي وارد سياه‌چاله شود نمي‌تواند دوباره از آن خارج شود. اين پديده مي‌تواند مقياس بي‌نظمي يا آنتروپي را حذف كند. ازآنجاكه حذف ماده باعث كاهش بي‌نظمي مي‌شود، تصور مي‌شد سياه‌چاله قانون دوم ترموديناميك را نقض مي‌كند. فرايند فيزيكي تابش هاوكينگ و نشر ذرات از نزديكي افق رويداد سياه‌چاله بسيار پيچيده و مستلزم دركي يكپارچه از رياضيات و انديشه متخصصينيه‌هاي كوانتومي است.

اما اخيراً انديشه متخصصينيه معروف هاوكينگ درباره آنتروپي سياه‌چاله‌ها اثبات شده و ابهامات زيادي را در اين باره برطرف كرد. استيون هاوكينگ انديشه متخصصينيه مساحت سياه‌چاله را در سال ۱۹۷۱ بر‌‌‌اساس انديشه متخصصينيه نسبيت عام اينشتين ارائه كرد. بر‌‌‌اساس اين انديشه متخصصينيه، غير ممكن است مساحت سطح يك سياه‌چاله به‌مرورزمان كاهش پيدا كند. اين انديشه متخصصينيه با رصد ادغام دو سياه‌چاله و امواج گرانشي حاصل از اين ادغام اثبات شد. بر‌‌‌اساس اين فرض، مساحت سياه‌چاله‌اي كه حاصل از ادغام دو سياه‌چاله‌ است افزايش مي‌يابد.

به‌عقيده بسياري قانون مساحت هاوكينگ در تضاد با ديگر انديشه متخصصينيه او يعني تبخير سياه‌چاله‌ها است. از طرفي بر‌‌‌اساس انديشه متخصصينيه نسبيت عام سياه‌چاله‌ها نمي‌توانند كوچك شوند درحالي‌كه بر‌‌‌اساس مكانيك كوانتوم مي‌توانند. در انديشه متخصصينيه تابش هاوكينگ، مهي از ذرات به‌دليل آثار كوانتومي لبه سياه‌چاله‌ها منتشر مي‌شوند و اين پديده به مرور منجر به كوچك‌شدن سياه‌چاله و در نهايت تبخير آن در بازه‌هاي طولاني‌تر از عمر جهان مي‌شود. ازآنجاكه اين تبخير در بازه‌هاي طولاني‌مدت رخ مي‌دهد مي‌توان گفت قانون مساحت را در كوتاه مدت نقض نمي‌كند. در هر صورت هنوز حدس و گمان‌هاي زيادي درباره سياه‌چاله‌ها وجود دارند؛ اما انديشه متخصصينيه مساحت تا اين جا منطبق بر قانون دوم ترموديناميك است.

بر‌‌‌اساس انديشه متخصصينيه هاوكينگ غيرممكن است مساحت سياه‌چاله به‌مرورزمان كاهش پيدا كند. اين انديشه متخصصينيه با رصد ادغام دو سياه‌چاله اثبات شد. مساحت سياه‌چاله حاصل از اين ادغام بزرگ‌تر از مساحت دو سياه‌چاله اوليه بود.

ازآنجاكه سياه‌چاله تنها داراي تعداد معدودي پارامتر داخلي است اغلب اطلاعات مربوط به ماده كه وارد سياه‌چاله مي‌شوند از بين مي‌روند. صرف انديشه متخصصين از نوع ماده ورودي، واضح است كه تنها اطلاعات مربوط به جرم كلي، بار و تكانه زاويه‌اي حفظ مي‌شوند. تا زماني كه فرض شود سياه‌چاله‌ها تا ابد دوام مي‌آورند اصل اتلاف اطلاعاتي اشكال‌ساز نيست زيرا اطلاعات درون سياه‌چاله باقي خواهد ماند و صرفاً از دنياي بيرون دسترسي به آن امكان‌پذير نيست. بااين‌حال سياه چاله‌ها به مرور و با انتشار تابش هاوكينگ تبخير مي‌شوند. به انديشه متخصصين مي‌رسد اين تابش هيچ اطلاعاتي ده ورودي به سياه‌چاله نمي‌دهد درنتيجه اطلاعات براي هميشه از بين رفته‌اند.

سياه‌چاله دوتايي (BBH) سيستمي شامل دو سياه‌چاله است كه در مدار نزديك به يكديگر قرار دارند. سياه‌چاله‌هاي دوتايي به دو دسته تقسيم مي‌شوند: سياه‌چاله‌هاي دوتايي ستاره‌اي كه باقي‌مانده ستاره‌ّهاي دوتايي هستند يا سياه‌چاله‌هايي كه نتيجه ادغام‌هاي كهكشاني هستند.

ازآنجاكه سياه‌چاله‌ها امواجي را از خود منتشر نمي‌كنند روش‌هاي اثبات آن‌ها دشوار و محدود است. با اين حا در صورت ادغام سياه‌چاله‌ها مقادير زيادي انرژي به شكل امواج گرانشي منتشر مي‌شود. اين امواج را مي‌توان با استفاده از انديشه متخصصينيه نسبيت عام اينشتين تخمين زد. امواج گرانشي توسط اجرام سنگين در خميدگي فضازمان توزيع مي‌شوند و با سرعت نور حركت مي‌كنند. اولين بار هنري پوينكر در سال ۱۹۰۵ فرضيه اين امواج را مطرح كرد و آلبرت اينشتين در سال ۱۹۱۶ بر‌‌‌اساس انديشه متخصصينيه نسبيت عام به پيش‌بيني آن‌ها پرداخت. در اواخر قرن بيستم و قرن بيست و يك توجه به سياه‌چاله‌ها‌ي دوتايي به‌دليل انتشار امواج گرانشي افزايش يافت.

ادغام‌كنندگان سياه‌چاله‌اي دوتايي يكي از قوي‌ترين منابع امواج گرانشي در جهان هستند و فرصت خوبي را براي كشف مستقيم اين امواج فراهم كردند. سياه‌چاله‌هاي دوتايي تنها در صورتي كه به‌اندازه كافي به يكديگر نزديك شوند با هم ادغام مي‌شوند. پس از ادغام سياه‌چاله‌اي يكپارچه با شكلي ثابت به وجود مي‌آيد. وجود سياه‌چاله‌هاي دوتايي ستاره‌اي (و اموج گرانشي) در نهايت در سپتامبر ۲۰۱۵ اثبات شد. رصدخانه ليگو در اين تاريخ GW150914 را كشف كرد كه اثر موج گرانشي حاصل از ادغام دو سياه‌چاله ستاره‌اي بود كه هر كدام ۳۰ جرم خورشيدي داشتند و در فاصله ۱.۳ ميليارد سال نوري از زمين قرار دارند.

تصويري شبيه‌سازي‌شده از سياه‌چاله‌اي دوتايي

ساگيتاريوس A* منبع راديويي بسيار فشرده و درخشان در مركز كهكشان راه شيري است. اين جرم در نزديكي مرز صورت‌هاي فلكي ساگيتاريوس و اسكورپيوس (عقرب) قرار دارد. ساگيتاريوس A* موقعيت سياه‌چاله‌اي كلان‌جرم است كه به اجرام سنگين در مركز انواع كهكشان‌هاي مارپيچي و بيضوي شباهت دارد.

رصد ستاره‌هاي مختلف اطراف ساگيتاريوس A* به‌ويژه‌ ستاره S2 براي اندازه‌گيري جرم و كران‌هاي بالايي شعاع اين جرم به كار مي‌روند. ستاره‌شناسان بر‌‌‌اساس كران‌هاي شعاعي دقيق و اندازه‌گيري‌هاي جرمي به اين نتيجه رسيدند كه ساگيتاريوس A* سياه‌چاله‌اي كلان‌جرم در مركز راه شيري است.

رينهارد گنزل و آندره گز جايزه نوبل فيزيك ۲۰۲۰ را براي تطبيق ويژگي‌هاي Sgr A* با سياه‌چاله‌ّاي كلان جرم برنده شدند. كشف ساگيتاريوس A* در ۳۱ اكتبر ۲۰۱۸ اعلام شد. ستاره‌شناسان توده‌هاي گازي را در اطراف ساگيتاريوس مشاهده كردند كه با ۳۰ درصد سرعت نور حركت مي‌كردند.

در جولاي‌ي ۲۰۱۸ گزارش شد كه سرعت ستاره S2 در مدار ساگيتاريوس A* به ۷۶۵۰ كيلومتر بر ثانيه (۲.۵۵ درصد سرعت نور) مي‌رسد. با فرض اينكه نسبيت عام توضيح معتبري از گرانش در نزديكي افق رويداد است، پرتوهاي راديويي ساگيتاريوس A* در مركز سياه‌چاله قرار ندارند؛ بلكه از نقطه روشني در اطراف آن و نزديك به افق رويداد يا احتمالاً در قرص برافزايشي سرچشمه مي‌گيرند.

تعدادي ستاره در مدار نزديك به ساگيتاريوس A* قرار دارند كه به ستارگان گروه S معروف هستند. اين ستاره‌ها در طول موج‌هاي مادون قرمز باند K قابل رصد هستند زيرا غبار ميان‌ستاره‌اي به شكل چشمگيري طول‌موج‌هاي مرئي را محدود مي‌كند. ستاره‌هاي S62 و S4714 در مدارهاي نزديكي درمقايسه‌با ساگيتاريوس قرار دارند؛ اما بر‌‌‌اساس فرضيه‌اي جديدتر در سال ۲۰۲۱ ممكن است هيچ سياه‌چاله‌اي در مركز راه شيري وجود نداشته باشد و هسته كهكشاني از ماده تاريك متراكم تشكيل شده باشد. ويژگي‌هاي سياه‌چاله كلان‌جرم مركز راه شيري معروف به ساگيتاريوس A* يا بر‌‌‌اساس تأثير گرانشي آن بر اجرام ديگر مثل مدارهاي عجيب ستاره‌هاي اطراف مركز كهكشان استنتاج مي‌شود؛ اما اگر اين تشخيص اشتباه باشد، چه اتفاقي مي‌افتد؟

موقعيت Sgr *A در راه شيري. برخي فرضيه‌ها مي‌گويند شايد ساگيتاريوس A* اصلا يك سياه‌چاله نباشد.

طبق پژوهشي جديد، اگر مركز كهكشان درواقع هسته ماده تاريك باشد، توجيه بهتري براي توصيف مدارهاي مركز كهكشان و سرعت‌هاي اوليه مدار در مناطق بيروني‌تر كهكشان وجود دارد. در دو دهه گذشته، مدار ستاره S2 سوژه بسياري از پژوهش‌ها بوده است. اين ستاره روي مدار شانزده‌ساله‌اي در اطراف مركز كهكشان قرار دارد؛ حلقه‌‌اي بيضي‌شكل و طويل كه آزمايشگاهي بي‌نقص براي آزمايش‌هاي نسبيت عام به‌شمار مي‌رود.

در پژوهش‌هاي گذشته، دو تيم مجزا نشان دادند كه نسبيت نه‌تنها در محيط فضازماني مركز كهكشان صدق مي‌كند؛ بلكه نتايج آن با سياه‌چاله كلان‌جرمي با جرم چهارميليون برابر خورشيد سازگار است. سپس، مباحثه جرمي به نام G2 مطرح شد. G2 كه در مداري بيضوي قرار دارد، در نزديك‌ترين نقطه مدار به مركز كهكشان در سال ۲۰۱۴ رفتاري عجيب از خود نشان داد. اين جرم از جرمي فشرده و عادي به جرمي طويل و كشيده تبديل شد و سپس دوباره به حالت عادي بازگشت.

رفتار G2 بسيار عجيب بود و ماهيت آن هنوز ناشناخته است؛ اما هرچه باشد، حركت مداري آن در نزديك‌ترين نقطه به سياه‌چاله نوعي كشيدگي را نشان مي‌داد كه به‌گفته تيم اخترفيزيكي به رهبري ادوار آنتونيو بسرا وگارا از مركز بين‌المللي اخترفيزيك نسبيتي، اين يافته كاملاً با مدل سياه‌چاله ناسازگار است. سال گذشته، پژوهشگران نشان دادند S2 و G2 با مدل متفاوتي سازگار هستند: فرميون‌هاي ماده تاريك كه به آن‌ها داركنينو هم گفته مي‌شود. اين ماده به‌اندازه كافي سبك است و به سياه‌چاله تبديل نمي‌شود؛ در‌نتيجه به‌شكل حبابي متراكم و عظيم در مركز راه شيري باقي مي‌ماند و اطراف آن را مه پراكنده‌اي به‌سمت لبه‌ها احاطه كرده است.

S2 و G2 تنها اجرام موجود در مدار مركز كهكشان نيستند. پژوهشگران مدل خود را به هفده ستاره ديگر گروه S در مدار مركز كهكشان تعميم دادند و به نتايج جالبي رسيدند. يافته‌هاي آنان با اين ستاره‌ها هم منطبق بود. بر‌‌‌اساس محاسبات، ممكن است حبابي متراكم از ماده تاريك در مركز كهكشان وجود داشته باشد كه در دامنه‌هاي بيروني كهكشان از تراكم آن كاسته مي‌شود.

طبق يافته‌هاي قبلي، ماده تاريك به‌طور انكارناپذيري يكي از رازهاي بزرگ جهان است. دليل نام‌گذاري اين ماده اسرارآميز آثار گرانشي آن است كه با ماده معمولي توصيف‌شدني نيست. ماده معمولي همان ستاره‌ها و غبارها و كهكشان‌ها هستند. براي مثال، اگر كهكشان‌ها صرفاً تحت‌تأثير ماده معمولي بودند، با سرعت بيشتري به‌چرخش درمي‌آمدند. لنز گرانشي يا خميدگي فضازمان اطراف اجرام سنگين بسيار قوي‌تر از حد تصور است. اين پديده جاذبه‌اي مضاعف توليد مي‌كند كه كشف مستقيم آن فراتر از توانايي‌هاي انسان است.

فقط مي‌دانيم ماده تاريك بر اجرام ديگر تأثير گرانشي مي‌گذارد. هسته فعال كهكشان مانند سياه‌چاله كلان‌جرم كهكشان M87* كه حدود ۶/۵ ميليارد برابر جرم خورشيد است، سازگاري بيشتري با مدل سياه‌چاله دارند. به پيشنهاد پژوهشگران، توده ماده تاريك فراتر از جرم بحراني مي‌تواند به سياه‌چاله‌اي كلان‌جرم تبديل شود. اين پديده به توصيف شكل‌گيري سياه‌چاله‌هاي كلان‌جرم كمك مي‌كند؛ زيرا هيچ ايده‌اي از ميزان بزرگي آن‌ها و چگونگي شكل‌گيري تعداد زيادي از آن‌ها در جهان آغازين وجود ندارد.

ماده تاريك نزديك به ۸۰ درصد از ماده جهان را تشكيل مي‌دهد. تعداد سياه‌چاله‌هاي كلان‌جرم و انواع ديگر براي قرارگيري در اين دسته كافي نيستند؛ اما پژوهشگران نشان نمي‌دهند اين مواد از كجا آمده‌اند. روش آن‌ها كانديدي از ماده تاريكي را ارائه مي‌دهد كه به توصيف ماهيت سياه‌چاله‌هاي كلان‌جرم هم كمك مي‌كند. تحليل‌هاي بعدي مي‌توانند ما را بيشتر به حقيقت نزديك كنند.

سفر در زمان هميشه يكي از موضوعات جديد و هيجان‌انگيز هم براي دانشمندان و هم براي عامه مردم بوده است. گرچه بسياري از افراد تحت تأثير ايده‌ّهايي مثل تغيير دادن گذشته يا ديدن آينده قرار دارند هيچ كس تاكنون نتوانسته به اين هدف برسد و اين رويا تنها در داستان‌ها و فيلم‌هاي علمي تخيلي محقق شده است. استيون هاوكينگ در جزوه رايگان خود با عنوان «سياه‌چاله‌ها و جهان‌هاي نوزاد» (۱۹۹۴) مي‌گويد:

«بهترين مدركي كه نشان مي‌‌دهد سفر در زمان ممكن نيست و هرگز ممكن نخواهد شد اين است كه مورد تهاجم توريست‌هايي از آينده قرار نگرفتيم.»

فرضيه‌هاي متعددي مانند كرمچاله‌ها يا سفر با سرعت نور و خميدگي فضا زمان درباره سفر در زمان وجود دارند كه از مباحثه اين مقاله خارج هستند. درباره سياه‌چاله‌ها هم فرضيه‌هاي متعددي درباره زمان و سفر درزمان وجود دارد كه در ادامه آن‌ها را مطالعه مي‌كنيم.

به‌گفته پروفسور هاوكينگ سياه‌چاله‌اي تقريباً هم‌اندازه با سياه‌چاله مركز كهكشان تأثير چشمگيري بر زمان دارد و مي‌تواند باعث كندي چشمگيري آن شود. درواقع سياه‌چاله‌ها مي‌توانند به‌دليل جرم بالا مانند يك ماشين طبيعي زمان عمل كنند. از طرفي اطراف سياه‌چاله به‌قدري جديد است كه با فناوري كنوني نمي‌توان به آن نزديك شد؛ اما اگر حتي بتوان به سياه‌چاله نزديك شد با سقوط درون آن چه اتفاقي رخ خواهد داد؟

به‌گفته پروفسور استيون هاوكينگ اگر سفر در زمان ممكن بود امروز بايد مورد تهاجم مسافراني از آينده قرار مي‌گرفتيم

جانا لوين، استاد فيزيك و نجوم، با آثارش نقش مؤثري در درك سياه‌چاله‌ها دارد. او در جزوه رايگانش با عنوان «راهنماي بقا در سياه‌چاله»، مخاطب را به سفري خيالي در فضا و مركز سياه‌چاله مي‌برد. سقوط در سياه‌چاله به‌معني عبور از افق رويداد يا به‌عبارت‌ديگر، افق بي‌بازگشت آن است. در جزوه رايگان لوين، مخاطب به افق رويداد مي‌رسد. سياه‌چاله ديسكي يكپارچه و تاريك است. با عبور از افق رويداد، هنوز مي‌توانيد بيرون را ببينيد. به‌بيان‌بهتر، در تاريكي نمي‌مانيد. افق رويداد مانعي براي بارش نور ايجاد نمي‌كند؛ اما سياه‌چاله‌اي كه از بيرون تاريك است، از درون مي‌تواند بسيار هم درخشان باشد.

در پنجره يك‌طرفه افق رويداد مي‌توانيد جهان ماوراي آن را ببينيد. با اينكه نمي‌توانيد سقوط خود را متوقف كنيد، مي‌توانيد تكامل جهان را ببينيد. نور كهكشان كه از افق رويداد مي‌گذرد، نسخه‌‌اي سريع‌ از هزاران يا ميليون‌ها و حتي ميلياردها سال روي زمين را ترسيم مي‌كند. نوري كه با چشمتان برخورد مي‌كند، همه‌چيز از سقوط تمدن‌ها تا دوربين پاپاراتزي‌ها و حتي يون‌هاي ستاره‌هاي درحال‌انفجار را نمايش مي‌دهد. هر چقدر بيشتر سقوط كنيد، گلوگاه سياه‌چاله باريك‌تر شده و تمام نورها را در نقطه‌اي درخشان متمركز مي‌كند. درست مانند تجربه نزديك به مرگ، نوري را در انتهاي تونل خواهيد ديد.

بر‌اساس انديشه متخصصينات فيزيكي و رياضي و انديشه متخصصينيه نسبيت عام، خميدگي بي‌حد‌و‌حصر فضا زمان به ايجاد تكينگي منجر مي‌شود كه تمام مسيرها به آن ختم مي‌شوند. تكينگي مي‌تواند برشي در فضا زمان باشد. شما به‌طور اجتناب‌ناپذير وارد تكينگي مي‌شويد. با سقوط در تكينگي از هم خواهيد پاشيد. بخشي از بدن كه در نزديكي تكينگي قرار دارد، به‌طور چشمگيري بيشتر از بخش دورتر بدن شتاب مي‌گيرد؛ درنتيجه به‌شكلي رقت‌انگيز كش مي‌آييد. به‌طور هم‌زمان آناتومي در نقطه‌اي همگرا و بدن دچار فروپاشي مي‌شود. تنها در يك ميكروثانيه كه حتي از يك چشم‌برهم‌زدن كمتر است، هم‌زمان تكه‌تكه و پاره‌پاره مي‌شويد تا اينكه در‌نهايت مي‌ميريد.

سپس مواد زيستي بدن شما به عناصر كوچك‌تر تجزيه مي‌شوند تا اينكه درنهايت ذرات وجودتان به‌سمت برش فضا زمان هدايت مي‌شوند. تكينگي پايان راه و نقطه انتهاي فضا زمان يا نقطه انتهايي وجود است. هيچ آينده‌اي در پس تكينگي وجود ندارد. مرگ در تكينگي پايان راه وجودي شما است: مرگ ذرات بنيادي بدن و حذف واقعيت و حقيقت شما. نيستي واقعي. البته مانند بسياري از فرضيه‌هاي ديگر، لاخبار تخصصيي ندارد تكينگي را به‌طور قطعي بپذيريد. با وجود پايان شوم تكينگي، بايد با ديد شك به آن نگاه كرد. تكينگي مي‌تواند نفريني در الگوي جست‌وجوي علمي واقعيت باشد.

به‌بيان‌ديگر و بر‌اساس تعاريف رياضي، تعريف فيزيكي نسبيت در تكينگي از هم پاشيده مي‌شود. نسبيت عام نمي‌تواند بيانگر كل داستان كيهان باشد. شايد در اعماق سياه‌چاله به‌جاي تكينگي بتوان به بقاياي مواد كوانتومي رسيد كه با انرژي‌هاي مخرب سقوط كرده‌اند. بااين‌حال، اين فرضيه هنوز حاميان زيادي ندارد. بر‌اساس حدسيات فرضيه‌اي محبوب‌تر وجود دارد: درون سياه‌چاله، همه‌چيز در حفره‌اي سفيد در هم مي‌شكند، درست مانند بيگ‌بنگي جديد در بخش ديگري از جهان. افزون‌براين، درون سياه‌چاله مي‌تواند بزرگ‌تر از بيرون آن باشد؛ حتي ممكن است جهاني ديگر در آن وجود داشته باشد.

شخصيت اصلي فيلم ميان ستاره‌اي با ورود به سياه چاله‌اي مي‌تواند گذشته خود را ببيند؛ اما اين كار به‌دليل جديد‌بودن بيش از حد قرص برافزايشي اطراف سياه‌چاله غيرممكن است

براساس اطلاعات موجود، سياه‌چاله نقطه‌اي تاريك در فضازمان است و هنوز دانشمندان موفق نشدند به اين پرسش پاسخ دهند: اگر داخل سياه‌چاله سقوط كنيم، به كجا مي‌رسيم؟ راز داخل سياه‌چاله و افق رويداد، اين جرم را به موضوعي اسرارآميز تبديل كرده است. در‌هر‌صورت، قبل از وقوع بيگ‌بنگ خواهيد مُرد. تغيير مفهوم تكينگي شما را از مرگ نجات نخواهد داد. بدن شما دچار فروپاشي مي‌شود؛ اما ممكن است به بخشي از اكوسيستم بزرگ‌تر تبديل شود.

اگر ذرات بدن به‌طور‌كلي در تكينگي نابود نشوند، مي‌توانند به بقاياي كوانتومي در مركز سياه‌چاله تبديل شوند. اين بقايا مي‌توانند اميدي به آينده داشته باشند يا شايد عناصر شما به عناصري از جهاني جديد تبديل شوند و بخشي از آن‌ها در‌نهايت به زندگي و حيات ميكروبي بينجامند. درنتيجه با اينكه سياه‌چاله مانند يك ماشين زمان طبيعي عمل مي‌كند ايده سفر در زمان ازطريق سياه‌چاله در عمل ممكن نيست.

• احتمال وجود سياه‌چاله‌هاي فوق عظيم: پژوهشگرها در سپتامبر ۲۰۲۰ از احتمال سياه‌چاله‌هاي ابرغول‌آسا (SLAB) سخن گفتند. جرم اين اجرام به يك تريليون برابر جرم خورشيد مي‌رسد كه ده برابر بيشتر از بزرگ‌ترين سياه‌چاله شناخته‌شده به نام TON 618 است؛ جرم اين سياه‌چاله، ۶۶ ميليارد برابر خورشيد است. برخي از SLAB-ها در آغاز جهان شكل گرفتند؛ بنابراين سياه‌چاله آغازين هستند و مي‌توان اثر آن‌ها را در تابش پس‌زمينه مايكروويو كيهاني رصد كرد؛ تابش پس‌زمينه كيهاني به نور باقي‌مانده از جهان آغازين (در ۳۸۰ هزار سال اول) گفته مي‌شود. آثار ديگر اين سياه‌چاله‌ها را مي‌توان ازطريق انحراف نور ستاره‌هاي دوردست آشكار كرد. اين سياه‌چاله‌ها فعلا در حد انديشه متخصصينيه هستند؛ ولي توجه بسياري به خود جلب كرده‌اند.
• اسپاگتي‌شدن ستاره‌ها در اطراف سياه‌چاله: وقتي جرمي سنگين در فاصله مشخصي از يك سياه‌چاله قرار مي‌گيرد، نيروهاي گرانشي شديد مي‌توانند باعث كشيده‌شدن آن شوند. اين فرايند اصطلاحا «اسپاگتي‌سازي» گفته مي‌شود و بسيار نادر است؛ زيرا سياه‌چاله‌ها با ابري از گاز و غبار احاطه شده‌اند. در اكتبر ۲۰۲۰، ستاره‌شناسان رصدخانه جنوبي اروپا توانستند فرايند اسپاگتي‌سازي يك ستاره را با جزئياتي بي‌سابقه با استفاده از تلسكوپ NTT و تلسكوپ بسيار بزرگ (Very Large Telescope) رصد كنند. اين رويداد نادر كه به نام AT 2019qiz شناخته مي‌شود، انديشه متخصصينات‌هايي درباره چنين اتفاق‌هايي دراختيار ستاره‌شناس‌ها قرار داد و به آن‌ها در درك بهتر گرانش در محيط‌هاي كرانه‌اي كمك مي‌كند.
• سياه‌چاله‌ها مي‌توانند فازبال باشند: براي شكل‌گيري سياه‌چاله، بايد ماده و انرژي در نقطه‌اي كوچك با چگالي نامحدود دچار فروپاشي شوند. ازآنجاكه بي‌نهايت‌هاي اين‌چنيني از انديشه متخصصينات فيزيكي غير ممكن هستند، انديشه متخصصينيه‌پردازها مدت‌ها است به ‌دنبال راهي براي حل اين مسئله هستند. بر‌‌‌اساس انديشه متخصصينيه ريسمان كه تمام ذرات و نيروها را با رشته‌هاي لرزان زيراتمي جايگزين مي‌كند، سياه‌چاله‌ها مي‌توانند حتي عجيب‌تر باشند و به توپ نخ‌مانند فازي از رشته‌هاي بنيادي تبديل شوند. طبق پژوهشي در اكتبر ۲۰۲۰، اگر اتم‌هاي ستاره‌هاي نوتروني (بقاياي ستاره‌اي كه تراكم آن براي شكل‌گيري سياه‌چاله كافي نيست) به شكل مجموعه‌اي از رشته‌ها باشند، فشرده‌سازي اين رشته‌ها منجر به شكل‌گيري فازبال مي‌شود كه به توپ نخي شباهت دارد. اين ايده هنوز نياز به مطالعه بيشتري دارد؛ اما مي‌تواند جايگزيني براي حل مسئله بي‌نهايت باشد.

بر‌‌‌اساس انديشه متخصصينيه ريسمان، سياه‌چاله‌ها مي‌توانند مانند توپ‌هاي رشته‌اي تشكيل‌شده از رشته‌هاي بنيادي (فازبال) باشند

• سياه چاله‌هاي خطرناك: به‌عقيده فيزيك‌دان‌ها، هر سياه‌چاله داراي افق رويداد است؛ مرزي كه با سقوط در آن، هرگز قادر به خروج نخواهيد بود؛ اما آيا ممكن است سياه‌چاله‌اي بدون افق رويداد موسوم به سياه‌چاله عريان وجود داشته باشد؟ اين پديده در صورت وجود مي‌تواند بسيار خطرناك باشد؛ زيرا قوانين فيزيكي افق رويداد سياه‌چاله را در هم مي‌شكنند و سياه‌چاله عريان فاقد سد حفاظتي خواهد بود. اغلب انديشه متخصصينيه‌پردازها وجود سياه‌چاله عريان را غير ممكن مي‌دانند؛ اما بر‌‌‌اساس مقاله‌اي كه در ماه نوامبر منتشر شد، راهي براي اطمينان از اين مسئله وجود دارد. براي پي بردن به تفاوت اين سياه‌چاله‌ها بايد به قرص برافزايشي آن‌ها نگاه كرد؛ قرص برافزايشي حلقه‌اي از گاز و غبار است كه هنگام ورود مواد به سياه‌چاله شكل مي‌گيرد؛ اين قرص مي‌تواند تفاوت سياه‌چاله‌هاي عادي و سياه‌چاله‌هاي عريان را آشكار كند.

ما در عصر طلايي سياه‌چاله‌ها به سر مي‌بريم. پژوهشگرها از سال ۲۰۱۵ با رصدخانه موج گرانش تداخل‌سنج ليزري (LIGO)، موفق به دريافت‌ سيگنال‌ مستقيم از سياه‌چاله‌هاي در حال ادغام شدند و رصدخانه‌هايي مثل تلسكوپ ايونت هرايزن (EHT) اولين تصوير سايه سياه‌چاله را توليد كردند. ازآنجاكه سياه‌چاله‌ها هيچ پرتوي الكترومغناطيسي را از خود منتشر نمي‌كنند درنتيجه جست‌وجوي اخترفيزيك‌دان‌ها براي كشف اين اجرام به روش‌هاي مستقيم وابسته است. براي مثال وجود سياه‌چاله را مي‌توان بر‌‌‌اساس تأثير گرانشي آن بر مواد اطراف ثابت كرد.

در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵، رصدخانه موج گرانشي LIGO اولين رصد مستقيم از امواج گرانشي را ثبت كرد. اين سيگنال منطبق با پيش‌بيني‌هاي تئوري امواج گرانشي بود كه بر اثر ادغام دو سياه‌چاله به وجود آمده بود: يكي از سياه‌چاله‌ها برابر با ۳۶ جرم خورشيدي و ديگري برابر با ۲۹ جرم خورشيدي. اين رصد مدركي منسجم براي وجود سياه‌چاله‌ها تا اين تاريخ بود. از سال ۲۰۱۵ به بعد تعداد ديگري از رويدادهاي موج گرانشي ثبت شدند.

در سال ۲۰۲۰، ليگو و همتاي اروپايي آن ويرگو، ازطريق امواج گرانشي موفق به رصد امواج عظيمي در بافت فضا زمان شدند؛ اين امواج زماني منتشر مي‌شوند كه اجرام سنگين نوسان كنند. اين رصدخانه‌ها اكتشافات زيادي داشته‌اند؛ اما در ماه مي پژوهشگرهاي دو رصدخانه در اعلاميه‌اي مشترك از كشف بزرگ‌ترين برخورد سياه‌چاله‌اي خبر دادند كه جرم يكي از سياه‌چاله‌ها ۸۵ برابر و جرم ديگري ۶۶ برابر خورشيد بود. با برخورد اين دو سياه‌چاله، سياه‌چاله‌اي با جرم ۱۴۲ برابر خورشيد به وجود آمد. ستاره‌شناس‌ها قبلا موفق به كشف سياه‌چاله‌هايي هم‌اندازه با خورشيد شده بود و مي‌دانستند سياه‌چاله‌هاي عظيم معمولاً چند ميليون برابر سنگين‌تر از خورشيد در مركز كهكشان‌ها وجود دارند؛ اما در گذشته به هيچ‌گونه شواهدي درباره سياه‌چاله‌هاي متوسط دست نيافته بودند. شكل‌گيري دقيق سياه‌چاله‌ها هنوز به‌صورت يك راز باقي مانده است كه دانشمندان به‌ دنبال حل آن هستند. در اكتبر ۲۰۲۰، LIGO و ويرگو، كاتالوگ ده‌ها سيگنال موج گرانشي را منتشر كردند كه بين آوريل و سپتامبر ۲۰۱۹ كشف شده بودند. ۳۹ رويداد در اين كاتالوگ ثبت شده‌اند.

رصدخانه ليگو براي اولين بار در سال ۲۰۱۵ امواج گرانشي حاصل از ادغام دو سياه‌چاله را كشف كرد.

حركت‌هاي خاص ستاره‌هاي نزديك به مركز كهكشان مي‌توانند مدركي قوي براي وجود سياه‌چاله‌اي كلان جرم در مركز اين كهكشان باشند. ستاره‌شناسان از سال ۱۹۹۵ به رديابي حركت ۹۰ ستاره در اطراف جرم نامرئي ساگيتاريوس A* پرداختند. با تطبيق حركت اين ستاره‌ها با مدارهاي كپلري، ستاره‌شناس‌ها توانستند مدار نزديك‌ترين ستاره‌ها مركز كهكشان را شناسايي كنند.

سال ۲۰۱۹ سالي تاريخي براي علم نجوم بود. در اين سال تلسكوپ ايونت هرايزن (ETH) موفق به ثبت اولين تصوير مستقيم از سياه‌چاله شد. اين سياه‌چاله در مركز كهكشان M87 قرار دارد كه ۵۵ ميليون سال نوري با زمين فاصله دارد. اين تصوير حلقه درخشاني را در اطراف مركزي تاريك نشان مي‌دهد كه همان سايه سياه‌چاله است؛ اما دانشمندان چگونه توانستند از چنين فاصله‌اي از يك سياه‌چاله عكس بگيرند؟ راز اين تصوير در عظمت تلسكوپ نهفته است. درواقع تلسكوپ ايونت هرايزن شبكه‌اي از تلسكوپ‌هاي مستقر در سراسر دنيا است.

اشكالات زيادي بر سر ثبت عكس سياه‌چاله وجود داشت. در درجه اول سياه‌چاله‌ها اجرام سياهي هستند كه هيچ نور مرئي را از خود ساطع نمي‌كنند بنابراين نمي‌توان آن‌ها را به‌صورت مستقيم رصد كرد؛ اما اين تنها اشكال بزرگ سياه‌چاله نيست.

رصد اجرام با اندازه زاويه‌اي كوچك دشوار است؛ اما چگونه مي‌توان جرمي به كوچكي سياه‌چاله را در آسمان شب مشاهده كرد؟ وضوح زاويه‌اي تلسكوپ به دو معيار وابسته است: اندازه دهانه و طول‌موج نور. استفاده از طول‌موج‌هاي كوتاه‌تر (مثل فرابنفش يا اشعه ايكس)، وضوح بهتري را مي‌دهد؛ اما در مورد عكس سياه‌چاله، تلسكوپ از طول‌موج نور در طيف ميلي‌متري استفاده كرده است. اين طول‌موج در مقايسه با نور مرئي بسيار بزرگ است. نور مرئي در طيف ۵۰۰ نانومتر قرار دارد.

اين يعني تنها راه‌حل اشكال انكسار، استفاده از تلسكوپ بزرگ‌تر است. ازاين‌رو EHT گزينه مناسبي براي ثبت اين عكس بود. براي اين كار، تلسكوپي به‌اندازه كره زمين لازم است كه در عمل غيرممكن است؛ اما با دريافت داده از تلسكوپ‌هاي راديويي متعدد در بخش‌هاي مختلف دنيا و تركيب آن‌ها در تلسكوپ غول‌آسايي مثل EHT مي‌توان به نتيجه رسيد. البته در اين روش هم اشكالاتي وجود دارد. گروه EHT از روش‌هاي تحليلي براي دستيابي به دقيق‌ترين تصوير از داده‌هاي جمع‌آوري شده استفاده كرده است.

تلسكوپ ايونت هرايزن (EHT)، آرايه‌اي متشكل از هشت تلسكوپ عظيم راديويي در مقياس كل كره زمين، اين تصوير را از سياه‌چاله‌اي كلان جرم و سايه آن در مركز كهكشان M87 ثبت كرده است.

از طرفي تصوير سياه‌چاله با نور مرئي ثبت نشده است؛ بلكه تصويري راديويي است. هر پيكسل موجود روي تصوير، نشان‌دهنده بخشي از يك طول‌موج راديويي است. وقتي به بخش‌هاي نارنجي تصوير نگاه مي‌كنيد، نمايش رنگي كاذبي از طول‌موج را مي‌بينيد؛ بنابراين تصوير دريافتي از سياه‌چاله اخير، تصويري عادي نيست كه بتوان با يك تلسكوپ معمولي به آن رسيد؛ اما بازهم قدمي خارق‌العاده در علم نجوم محسوب مي‌شود.

اين عكس گواه محكمي بر انديشه متخصصينيه نسبيت عام اينشتين است كه گرانش را نتيجه خميدگي فضا زمان مي‌دانست. عكس‌هاي آينده مي‌توانند به درك عملكرد سياه‌چاله‌ها كمك كنند و نقش سياه‌چاله‌هاي غول‌آسا، ازجمله سياه‌چاله كهكشان M87 را در تكامل كهكشان ميزبان خود نشان دهند. باوجوداين، اين به‌معني پايان پروژه نيست. به‌گفته شفرد دلمن، رئيس EHT از مركز اخترفيزيك هاروارداسميتسونين، مي‌توان وضوح تصاوير موجود را با الگوريتم‌هاي موجود افزايش داد.

تكشاخ يا يونيكورن (Unicorn) نزديك‌ترين سياه‌چاله شناخته‌شده به زمين تنها ۱۵۰۰ سال نوري فاصله دارد و سه برابر سنگين‌تر از خورشيد است. نام اين سياه‌چاله كوچك معنايي دوگانه دارد. اين سياه‌چاله نه‌تنها در صورت فلكي تك شاخ قرار دارد؛ بلكه با جرمي كم (تنها سه برابر جرم خورشيد) در نوع خود منحصر‌به فرد است.

سياه‌چاله يونيكورن داراي يك همراه از نوع غول سرخ است كه در پايان عمر خود به سر مي‌برد (غول سرخ زماني به وجود مي‌آيد كه ستاره‌هايي مثل خورشيد به پايان عمر خود برسند). اين ستاره همراه در طول سال‌هاي گذشته با ابزارهاي متعددي از جمله ASAS و ماهواره TESS ناسا رصد شد. دانشمندان با تحليل داده‌ها متوجه نكته جالبي شدند: شدت نور غول سرخ به صورت دوره‌اي تغيير مي‌كند و همين مسئله نشان‌دهنده وجود شيء ديگر و تأثير آن بر اين ستاره بود.

ازآنجاكه محيط گرانشي و مغناطيسي اطراف سياه چاله‌ها بسيار شديد است، حداقل بر‌‌‌اساس انديشه متخصصينيه نسبيت عام اينشتين مي‌توان خم‌شدن نور در اطراف سياه‌چاله و انعكاس آن از پشت سياه‌چاله را مشاهده كرد. بر‌‌‌اساس يكي از جديدترين اكتشافات ستاره‌شناسان براي اولين بار موفق شدند اين نور خميده را به صورت مستقيم به شكل پرتوهاي ايكس از سياه‌چاله‌اي كلان جرم در فاصله ۸۰۰ ميليون سال نوري كشف كنند. اين سياه‌چاله در كهكشان l Zw 1 قرار دارد.

سياه‌چاله فعالي مثل l Zw 1* داراي قرص بر‌افزايشي است. اين قرص به‌دليل ميدان مغناطيسي بالا به‌شدت جديد است به‌طوري‌كه الكترون‌ها از اتم‌ها خارج شده و پلاسماي مغناطيسي را تشكيل مي‌دهند. خارج از افق رويداد يك سياه‌چاله فعال و در لبه داخلي قرص‌ برافزايشي قسمتي به نام تاج قرار دارد. الكترون‌هاي جديد اين بخش بر اثر ميدان مغناطيسي سياه‌چاله تقويت مي‌شوند. ميدان مغناطيسي به گونه‌اي به خود پيچيده و تابيده كه به صورت مرتب قطع و وصل مي‌شود. اين فرايند در خورشيد باعث ايجاد فوران‌هاي قدرتمند مي‌شود؛ اما در سياه‌چاله قسمت تاج مانند يك سنكروترون براي شتاب دادن به الكترون‌ها عمل مي‌كند تا جايي كه اين الكترون‌هاي پرانرژي در طول موج‌هاي پرتوي X درخشش بالايي پيدا مي‌كنند.

بخشي از فوتون‌هاي پرتوي ايكس باعث درخشان‌شدن قرص برافزايشي شده و در فرآيندهايي مثل جذب فوتوالكتريك و فلوئورسنس بازيابي مي‌شوند و سپس دوباره به صورت انعكاسي در طيف پرتوي ايكس منتشر مي‌شود. از اين نشر بازتابي مي‌توان براي تصوير نزديك‌ترين مناطق به افق رويداد سياه‌چاله استفاده كرد.

ابزارهاي آينده مي‌توانند رصد سياه چاله‌ها را آسان كنند. تلسكوپ‌هاي ۳۰ متري در دست ساخت در شيلي و هاوايي مي‌توانند با دقت ۸۰ برابري درمقايسه‌با ابزارهاي فعلي مركز كهكشان را رصد كنند. از سوي ديگر پژوهشگران EHT (تلسكوپ ايونت هرايزن) هم بشقاب‌هاي راديويي بيشتري را به شبكه خود اضافه كرده‌اند و بدين‌ترتيب مي‌توانند با دقت بيشتري از سياه‌چاله M87 عكس‌برداري كنند. پژوهشگران اين پروژه همچنين به‌دنبال عكس‌برداري از ساگيتاريوس A*، سياه‌چاله مركز راه شيري هستند.

از طرفي پژوهشگران موج گرانشي در حال برنامه‌ريزي براي ساخت نسل بعدي آشكارسازهاي حساس از جمله آنتن فضايي تداخل سنج ليزري (LISA) هستند كه از سه ماهواره در فاصله ميليون‌ها كيلومتر از يكديگر تشكيل شده‌ است. LISA كه در دهه ۲۰۳۰ پرتاب خواهد شد به‌قدري حساس و دقيق است كه مي‌تواند سياه‌چاله‌هاي ستاره‌اي تا سياه‌چاله‌هاي كلان جرم در كهكشاني دوردست را رصد كند.