مقدمه
طبق نظریه ،
نسبیت عام ،
گرانش انحنا دهنده
فضا - زمان است. فضای حول
ستاره به نحو بارزی خم می‌شود، در لحظه‌ای که هسته ستاره تبدیل به
حفره سیاه می‌شود. این جرم خطوط فضا زمان را مانند پیله‌ای به دور خود می‌پیچد. امواج نوری کم تحت زوایای خاصی به سمت سیاهچاله روان می‌شود. در سطح کره‌ای که هم مرکز نقطه یکتایی سیاهچاله است، تجمع می‌کنند. در فاصله معینی از سیاهچاله که بسته به جرم
ستاره رمبیده دارد، جاذبه آنچنان زیاد است که نور نمی‌تواند فرار کند، به این فاصله
افق حادثه گفته می‌شود. نخستین و ساده‌ترین نوع سیاهچاله‌ها ، سیاهچاله‌ای است که از فرو ریزش یک ستاره کاملا کروی پدید می‌آید. آن را به افتخار
کارل شوارتس شیلد ، سیاهچاله شوارتس شیلد می‌نامند.
هنگامی که ماده
ستاره در هم فرو می‌رود تا
سیاهچاله پدید آید، بسیاری از ویژگیهای ستاره نیز از میان می‌رود. البته یک ویژگی که از میان نمی‌رود، جرم است. از روی اثر میدان گرانشی سیاهچاله بر
اجرام دیگر می‌توان
جرم ستاره را اندازه گرفت.
شدت میدان گرانشی به مقدار جرمی که پدید آورنده آن است بستگی دارد. از افق رویداد هیچ چیز نمی‌تواند بگریزد، اما گرانش می‌تواند. پس احتمال دارد نیروهای دیگری نیز در طبیعت وجود داشته باشند که آنها نیز چنین کنند. یکی از این نیروها میدان الکترومغناطیسی است که از
بار الکتریکی ناشی می‌شود. اگر ستاره پیش از فرو ریزش بار داشته باشد، پس از فرو ریزش نیز همان بار را خواهد داشت. جواب ریاضی معادلات میدان انیشتین برای سیاهچاله‌های باردار بین سالهای 1916 تا 1918 بوسیله
رایزنر ولفردشتروم کشف شدند، اما وجود چنین سیاهچاله‌های بارداری در طبیعت نمی‌تواند چندان محتمل باشد. در نتیجه فرآیند خنثی سازی بار خود را از دست خواهد داد.
نیروهای با برد بلند دیگری وجود ندارد، اما چیز دیگر هست که برد بلند دارد و آن عبارت است از اثرات چرخشی. اگر در نزدیکی یک جسم چرخان باشید، مانند آبی که در گرداب می‌چرخد، شما را نیز به چرخش با خود وا می‌دارد، این فرآیند را کشش چارچوب می‌نامند. پاسخ معادلات میدان انیشتین برای
سیاهچاله‌های چرخان در سال 1963 بوسیله روی که از دانشگاه تگزاس بدست آمد. اکنون سیاهجاله‌های چرخان را
سیاهچاله کر می‌نامند. اگر ترکیب سه ویژگی
جرم ،
بار و
چرخش را بررسی کنیم می‌بینیم که سیاهچاله‌ای می‌تواند وجود داشته باشد که هم چرخان و هم باردار باشد. پاسخ این مورد در سال 1965 بوسیله نیومان و چند تن از دانشجویان بدست آمد. این نوع سیاهچاله را
سیاهچاله کر - نیومان می‌گویند.
ساختار و بوجود آمدن سیاهچاله‌ها
با حل استاتیک غیر چرخشی با تقارن کروی برای معادلات میدان انیشتین این نکته مشخص می‌شود که سیاهچاله‌ها که از یک سمت به صورت چاه عمل می‌کنند، در سطح دیگری بصورت چشمه عمل می‌کند. یعنی می‌تواند دو سطح مختلف فضا زمان را از جهانهای گوناگون یا دو نقطه بسیار دور از جهان خودمان را به هم متصل کند. که به این حالت
کرم چاله یا
پل انیشتین رزن گفته می‌شود. هر چه
ستاره‌های نوترونی بزرگتر باشد کشش جاذبه‌ای داخلی آن نیز بیشتر خواهد بود. در سال 1939 اوپنهایمر فکر کرد که
نوترونها نمی‌توانند در برابر همه چیز مقاومت کنند. به نظر او اگر یک چیز در حال از هم پاشیدن بزرگتر از 2.3 برابر اندازه
خورشید بود، آنگاه نه تنها
الکترونها بلکه نوترونهای آن نیز در هم می‌شکست.
همچنین باید بدانیم که وقتی نوترونها در هم شکستند، دیگر هیچ چیز مطلقا وجود ندارد که از در هم پاشیدن ستاره جلوگیری کند. اگر شما خود را روی سطح یک توده در حال از هم پاشیدن تصور کنید، آنگاه شما با فرو ریختن آن جسم به مرکز آن نزدیکتر و نزدیکتر خواهید شد. و بنابراین نیروی جاذبه بیشتر و بیشتری را حس خواهید کرد. تا هنگامی که ستاره به مرحله
کوتوله سفید برسد، شما بیش از 1.016 تن وزن پیدا خواهید کرد.
سیاهچاله‌های شواترتس شیلد (Schwartz Schild Black Holes)
این نوع سیاهچاله از ساده‌ترین نوع سیاهچاله‌هاست. به محض اینکه یک
ناو فضایی از افق رویداد سیاهچاله می‌گذرد به طرف تکینگی که در مرکز سیاهچاله است کشیده می‌شود. اگر بلافاصله به عقب یعنی افق رویداد نگاه کنیم به نظر خواهد رسید که با سرعت نور از ما می‌گذرد. پس برای رسیدن به آن ما نیز باید با سرعت نور حرکت کنیم که طبق
نظریه نسبیت خاص ، حرکت با چنین سرعتی غیر ممکن است، از این رو هیچگاه نمی‌توانیم دوباره به افق رویداد بازگردیم. در درون این افق رویداد امید گریز از آن ، یکباره از میان می‌رود. طبق نظریه انیشتین تکینگی جایی است که تمام ماده ستاره در آن فرو ریخته شده است.
حال برای کاوش اطراف یک سیاهچاله شوارتس شیلد بهره می‌بریم. فرض کنید که یک ستاره پر جرم با جرم کافی که سرانجام به سیاهچاله تبدیل شود، فرو ریزش نهایی خود را آغاز کرده و شما بر روی سطح آن هستید و چراغ قوه‌ای در دست دارید (در عمل ستاره در کسری از ثانیه فرو می‌ریزد). با شروع
فرو ریزش ستاره ، چراغ قوه را روشن کرده و به اثرات انحنای افزایش یابنده
فضا - زمان بر پرتوها می‌پردازیم. شاید در وهله اول مشاهده می‌کنیم که پرتوهای نور همچنان که در مجاورت
خورشید منحرف می‌شوند بوسیله میدان گرانش ستاره نیز خمیده می‌شوند.
با بیشتر شدن فرو ریزش به نقطه‌ای می‌رسد که نور را موازی سطح ستاره بگیرید، پرتوها در یک مدار دایروی بر گرد ستاره می‌افتند. این منطقه سیاهچاله
فوتون کره نامیده می‌شود. هر پرتوی که به لبه ستاره نشانه می‌روید بسوی ستاره کشیده می‌شود. در واقع منطقه‌ای مخروطی شکل وجود دارد که عمود بر سطح ستاره است و پرتوها از درون آن می‌توانند رو به بیرون بگریزند، اما پرتوهای بیرون مخروط گرفتار می‌شوند. این ناحیه را
منطقه خروج می‌نامند. هر چه ستاره به فرو ریزش خود ادامه دهد مخروط باریکتر می‌شود، تا اینکه نهایتا به محض گذر از افق رویداد بسته می‌شود.
سیاهچاله‌های رایزنز - نوردسترم (Reisner Nordshtrom Black Hole)
سیاهچاله باردار یا سیاهچاله رایزنور - نورداشترم کاملا متفاوت از سیاهچاله شوارتس - شیلد است. از آنجا که جزئیات این نوع سیاهچاله به بار خالص آن بستگی دارد بررسی خود را از یک سیاهچاله فرضی که از نظر الکتریکی خنثی است شروع کرده و بعد اندکی بار به آن می‌افزاییم. در مرحله بار اولیه تنها یک افق رویداد وجود دارد، اما به محض اضافه کردن بار به آن اتفاق شگفتی روی می‌دهد. افق رویداد نخستین در هم فرو می‌رود و افق دیگری نزدیکتر به تکینگی ظاهر می‌شود. اگر به افزودن بار ادامه دهیم، افق رویداد بیرونی به انقباض ادامه می‌دهد، در حالی که افق درونی همواره از جهان بیرون پنهان خواهد بود (چرا که در درون رویداد بیرونی است)، هر یک از دو افق همان ویژگیهایی را خواهند داشت که افق رویداد سیاهچاله شوارتز شیلد دارد. اگر باز هم بار بیشتری به سیاهچاله بیفزاییم، افق رویداد منقبض می‌شود و با اضافه کردن بار افق نیز به انقباض ادامه می‌دهد، تا اینکه سرانجام درست در بالای تکینگی بصورت سطحی نازک در می‌آید. در این حالت اگر به افزودن بار ادامه دهیم، افق رویداد بطور ناگهانی ناپدید می‌شود، تنها تکینگی باقی می‌ماند که دیگر با افق رویداد پوشانده نشده است، که
تکینگی برهنه نامند. هیچ کس هنوز در مورد چند و چون آن مطمئن نیست.
سیاهچاله‌های کر (Kerr Black Holes)
سیاهچاله‌های کر شگفت انگیزترین نوع سیاهچاله‌ها هستند، زیرا مشخصه های گوناگونی را به نمایش می‌گذارند. مشابه حالت بیش بررسی خود را از یک سیاهچاله ناچرخان شروع کرده و به تدریج به چرخش در می‌آوریم. در اینصورت افق رویداد منقبض می‌شود و افق رویداد دیگری در درون نزدیک به تکینگی ظاهر می‌شود. با افزودن به چرخش ، افق بیرونی رو به درون حرکت می‌کند و افق درون رو به بیرون. اما میان این مورد و مورد سیاهچاله‌های باردار ، تفاوتی وجود دارد که به حد ایستایی مربوط می‌شود. حد ایستایی موضعی در پیرامون سیاهچاله است که در آن ذره نمی‌تواند در حال سکون باشد. در سیاهچال شوارتس- شیلد این حد ایستایی در افق رویداد است.
حال یک ناو فضایی را در نظر می‌گیریم که به یکی از این سیاهچاله‌ها نزدیک می‌شود. به سبب کشش چارچوب ناو در راستای چرخش سیاهچاله خواهد چرخید. ناو هر چه قدر تلاش کند که بی حرکت مانده و چرخش نکند عاقبت بر گرد سیاهچاله کشیده خواهد شد. در این نقطه در حد ایستایی بوده که سطحی در پیرامون سیاهچاله و درست بیرون از افق رویداد است. حد ایستایی در قطبها با افق رویداد مماس است و در استوای سیاهچاله به بیشترین فاصله از آن می‌رسد. میان حد ایستایی و افق رویداد منطقه‌ای عجیب وجود دارد به نام
ارگوسفر که به نظر می‌توان از آن برای استخراج انرژی از سیاهچاله استفاده کرد. برای مثال اگر جسمی به درون ارگوسفر پرتاب شده و در آنجا به دو قطعه بشکند و یکی از آنها بر تکینگی سقوط کند و دیگری بیرون آید، قطعه بیرون آمده انرژی بسیار بیشتری از جسم اولیه خواهد داشت. هر چه انرژی بیشتر و بیشتری از سیاهچاله استخراج شود، چرخش آن آرامتر و آرامتر می‌شود تا نهایتا به یک سیاهچاله شوارتز شیلد تبدیل شود.
با اضافه کردن چرخش به سیاهچاله کرد و افق رویداد شکل می‌گیرد. از آنجا که در سیاهچاله‌های چرخان این افقهای رویداد با حدهای ایستایی احاطه شده‌اند، پس در این صورت دو حد ایستایی و دو ارگوسفر خواهیم داشت. هر چه چرخش بیشتر شود، دو ارگوسفر به هم نزدیکتر می‌شوند تا سرانجام یکی شوند. با افزایش بیشتر چرخش هم افق رویداد و هم حد ایستایی به طرف تکینگی حرکت می‌کنند و سرانجام همچون سیاهچاله باردا رایزنر – نورد اشترم افق رویداد ناپدید می‌شود و تنها یک تکینگی برهنه بر جای می‌گذارد.
سیاهچاله کر - نیومان (Kerr- naoman Black Holes)
هم باردار و هم چرخش. همان سیاهچاله کر است جز اینکه بار دارد. ساختارش شبیه سیاهچاله کر است. می‌توان از آن انرژی استخراج کرد، یک تکینگی حلقه‌ای دارد.
مباحث مرتبط با عنوان
