«سیاه چاله» به زبان بسیار ساده و علمی: داستان این کشف حیرت انگیز چیست؟!
در سال 1666 ایزاک نیوتن به این نتیجه رسید که نیروی شگفت‌انگیزی در سراسر عالم وجود دارد که وی آن را گرانش (جاذبه) نامید. خود نیوتن گفته است که مشاهدۀ سقوط سیب از درخت، نخستین تلنگر به وی برای کشف نیروی گرانش بود.
نیوتن اندیشید که اگر آن سیب از بالای کوهی مرتفع هم رها می‌شد، باز سقوط می‌کرد و به زمین می‌خورد. یعنی آن نیروی اسرارآمیز چنان نیرومند بود که سیب را نه فقط از بالای درختی دو متری، بلکه از بالای کوهی دوهزار متری هم به زمین می‌کشاند.
از این‌جا توجه نیوتن به ماه جلب شد و حدس زد که همان نیرویی که سیب را به سمت زمین میکشد، با ماه نیز چنین می‌کند. پس چرا ماه به زمین سقوط نمی‌کند؟ حدس دوم نیوتن این بود که ماه با حرکتی سریع به سمت بیرون، یعنی به سمت فضا، کشش آن نیروی شگفت‌انگیز زمین را خنثی می‌کند.
حدس بعدی نیوتن این بود که همین نیرو زمین را در مداری گرد خورشید نگه می‌دارد. نیوتن این نیرو را «گرانش» (جاذبه) نامید و آن را جهانی دانست. یعنی گفت چنین نیرویی در تمام هستی وجود دارد. بنابراین ایزاک نیوتن نظریۀ خود را «قانون گرانش عمومی» نامید.
مطالعات و تاملات بعدی نیوتن وی را به این نتیجه رساند که علاوه بر فاصله، جرم نیز نقش مهمی در کشش گرانشی میان اجسام دارد. یعنی هرچه اجسام بزرگ‌تر و پرجرم‌تر باشند، کشش گرانشی آنها بر سایر اجسام بیشتر و اندازه‌گیری آن امکان‌پذیرتر است.
همچنین فاصلۀ بیشتر میان دو جسم، علت کشش گرانشی کمتر میان آن‌هاست و هرچه فاصلۀ دو جسم کمتر شود، این کشش بین آنها بیشتر می‌شود. بنابراین گرانش خورشید نسبت به زمین، به مراتب بیشتر از گرانش خورشید در قبال سیارات دورتر است.
مطابق معادلۀ نیوتن، سرعت دور شدن زمین از خورشید با کشش گرانشی خورشید در قبال زمین مطابقت دارد و به همین دلیل این کشش نمی‌تواند زمین را به کلی به سمت خورشید بکشاند و موجب سقوط کرۀ زمین بر خورشید و ذوب شدن همۀ ما در خورشید شود. پس در برابر مفهوم کشش گرانشی، مفهوم دیگری پدید آمد به نام «سرعت فرار».
اگر سرعت فرار زمین از میدان گرانش خورشید ناگهان بیشتر از حد کنونی‌اش شود، ما از خورشید دور می‌شویم و احتمالا این‌بار در اثر دور شدن از خورشید، از سرما می‌میریم.
سرعت فرار در واقع سرعت یک جسم برای فرار از گرانش جسم دیگر است. وقتی می‌گوییم سرعت فرار زمین فلان قدر است، در واقع عدد سرعت فرار اشیا از گرانش زمین را ذکر کرده‌ایم.
مثلاً سرعت فرار زمین یازده کیلومتر بر ثانیه است. این یعنی موشک‌ها باید چنین سرعتی داشته باشند تا بتوانند از گرانش زمین بگریزند و وارد فضا شوند. اما با چنین سرعتی نمی‌توان از گرانش مشتری یا زحل فرار کرد. این سیارات بزرگ‌تر و پرجرم‌تر از زمین‌اند و سرعت فرار اشیا از آنها، باید بیشتر از یازده کیلومتر بر ثانیه باشد.
ایزاک آسیموف، یکی از شارحان علم به زبان ساده، دربارۀ مفهوم «سرعت فرار» نوشته است: «سرعت فرار برای جهان‌های مختلف متفاوت است. جهانی با جرم کمتر از زمین، سرعت فرار از سطح کمتری دارد. از سوی دیگر جهان‌هایی که پرجرم‌تر از زمین هستند، سرعت‌های فرار بزرگ‌تری دارند. تعجب‌آور نیست که غول منظومۀ شمسی، مشتری، بیشترین سرعت فرار را دارد. سرعت فرار از سطح مشتری 4/5 برابر سرعت فرار از سطح زمین است.»
صد سال بعد از نیوتن، جان مایکل منجم انگلیسی درگیر این مسئله شد که حداکثر سرعت فرار یک ستاره چقدر می‌‌تواند باشد؟ مایکل این سوال را بر اساس این فرض طرح کرد که ستاره‌هایی بزرگ‌تر و پرجرم‌تر از آنچه ما می‌شناسیم، ممکن است در عالم وجود داشته باشند و در این صورت نیروی گرانش آنها بسیار عظیم خواهد بود. بنابراین سرعت فرار از این ستاره‌ها چقدر است؟
تامل در این موضوع، مایکل را به این سوال رساند که اگر سرعت فرار ستاره‌ای از سرعت نور – 300هزار کیلومتر بر ثانیه – بیشتر شود، چه اتفاقی می‌افتد؟ وی پاسخ داد که در این صورت حتی نور هم نمی‌تواند از این ستاره بگریزد.
جان مایکل گفت اگر واقعاً در طبیعت جسمی وجود داشته باشد که قطر آن بیش از 500 برابر قطر خورشید باشد، چنین جسمی گرانش و سرعت فرار بسیار زیادی خواهد داشت؛ بنابراین تمام نوری که از چنین جسمی ساطع می‌شود، به علت نیروی گرانش جسم، به سوی خود این جسم بازمی‌گردد؛ و چون نور ستاره را ترک نمی‌کند، ما نمی‌توانیم از راه «بینایی» اطلاعاتی درباره این جسم به دست بیاوریم.
مایکل این اجرام را «ستاره‌های تیره» نامید که با چشم انسان و تلسکوپ‌ها قابل مشاهده نیستند.
در اواخر قرن هجدهم پیر سیمون لاپلاس – فیزیکدان فرانسوی – هم مستقل از جان مایکل به این نتیجه رسید که ممکن است بزرگ‌ترین اجرام درخشان جهان هستی، به علت کشش گرانشی بالایی که دارند، نادیدنی باشند؛ چراکه این کشش بالا اجازه نمی‌دهد پرتوهای نور آنها به ما برسد.
تا پایان قرن نوزدهم هیچ نشانۀ مویدی برای حرف‌های مایکل و لاپلاس پیدا نشد. یعنی منجمان نتوانستند مدرک یا قرینه‌ای به دست آورند که دال بر وجود ستاره‌های تیره یا اجرام نامرئی باشد.
البته شمار دانشمندان کاوشگر در این زمینه نیز چندان زیاد نبود. در واقع اکثریت ستاره‌شناسان نظریات مایکل و لاپلاس را جدی نگرفته بودند. تا اینکه در اوایل قرن بیستم آلبرت اینشتین نظریۀ جدید گرانش را مطرح کرد.
اینشتین در نظریۀ نسبیت عمومی، قانون گرانش عمومی جهانی را – که نیوتن مطرح کرده بود – رد نکرد بلکه ماهیت فضا و شیوۀ عملکرد گرانش در فضا را به روشی متفاوت از نیوتن تبیین کرد.
نیوتن معتقد بود گرانش نیرویی است که اجسام به یکدیگر وارد می‌کنند و از مرکز اجسام نشأت می‌گیرد اما اینشتین توضیح داد که گرانش نیرویی مستقیم نیست، بلکه ویژگی خود فضاست.
اهمیت این رأی از این حیث بود که تا قبل از اینشتین، دانشمندان فکر می‌کردند فضا «خلأ» است و روی اجسامی که در درون آن حرکت می‌کنند، اثری ندارد. اما اینشتین گفت که فضا بافتی پنهان و کیفیتی کش‌سان یا خمش‌پذیر دارد.
همچنین اینشتین گفت که اجسام در فضا حرکت می‌کنند و با بافت پنهان آن، از طریق فرورفتن در آن و ایجاد فشردگی، تعامل دارند. دانشمندان این فشردگی را «چاه گرانشی» نامیدند.
عمق چاه گرانشی به جرم جسم بستگی دارد. هر چه جرم جسم بیشتر باشد، جسم عمیق‌تر در بافت فضا فرو می‌رود و چاهی که ایجاد می‌کند نیز عمیق‌تر است. اینشتین گفت که اجرام پرجرم بافت کش‌سان فضا را خمیده می‌سازند و این انحنا همان چیزی است که مردم به عنوان گرانش احساس می‌کنند.
هر چه جرم یک جسم بیشتر باشد، فضای بیشتری در اطراف آن جسم خم می‌شود یا کش می‌آید.
در واقع مطابق این نظریه، جرم در فضا انحنایی ایجاد می‌کند و با حرکت اجرام در امتداد این انحنا، حرکت گرانشی روی می‌دهد.
آرنی، یکی از شارحان علم، در توضیح نظریۀ اینشتین نوشته است: «تشکی آبی را تصور کنید که روی آن یک توپ بیس‌بال قرار داده‌اید. توپ روی سطح تخت تشک فرورفتگی کوچکی ایجاد می‌کند. اگر اکنون مرواریدی را در نزدیکی توپ بیس‌بال قرار دهید، با حرکتی مارپیچی در امتداد سطح خمیده در فرورفتگی خواهد غلتید. بنابراین خم کردن محیط توسط توپ، میان توپ و سنگ “جاذبه یا کششی” ایجاد کرده است. اکنون فرض کنید به جای توپ بیس‌بال، توپ بولینگ {بر روی تشک آبی} قرار داده‌ایم. این توپ فرورفتگی بزرگ‌تری ایجاد خواهد کرد و مروارید بیشتر و سریع‌تر در آن خواهد غلتید. بنابراین از این تشبیه نتیجه می‌گیریم که شدت جاذبه میان اجرام به میزانی که سطح به واسطه آنها خمیده می‌شود، بستگی دارد.»
در عالم واقع هم چنین وضعی برقرار است. یعنی وقتی دو سیاره در فضا با اندازه‌های متفاوت به یکدیگر نزدیک می‌شوند، سیارۀ کوچک‌تر با خمیدگی چاه گرانشی سیاره بزرگ‌تر روبه‌رو می‌شود و به سوی جسم بزرگ‌تر می‌غلتد (نیوتن می‌گفت سیارۀ بزرگ‌تر سیارۀ کوچک‌تر را «به سوی خود میکشد»).
مطابق نظر اینشتین، اگر سیارۀ کوچک‌تر با سرعت فرار کافی حرکت کند به زودی از چاه گرانشی سیارۀ بزرگ‌تر بیرون می‌رود و به راه خود ادامه می‌دهد اما اگر با سرعت فرار کافی حرکت نکند، در چاه گیر خواهد افتاد که در این حالت یا در مداری به دور سیاره بزرگ‌تر قرار خواهد گرفت یا در آن سقوط خواهد کرد.
نظریۀ «فضای خمیده» انقلابی در محافل علمی ایجاد کرد. اکثر دانشمندان با این نظریۀ اینشتین همدلی پیدا کردند و درصدد اثبات آن برآمدند. آنها معتقد بودند اگر فضا واقعا خمیده باشد و اجرام پرجرم، چاه‌های گرانشی در فضا ایجاد کنند، چاه‌های گرانشی بسیار عمیق باید پرتو نور را خمیده سازند.
یعنی هرچند که نور با سرعت کافی حرکت می‌کند و از چنین چاهی بیرون می‌رود، اما این چاه گرانشی پرتو را آنقدر خمیده می‌سازد که دانشمندان بتوانند آن را اندازه‌گیری کنند.
برای اثبات این نظریه، خورشید به عنوان جسمی بسیار پرجرم انتخاب شد و در خورشیدگرفتگی ماه مِی سال 1919 در ساحل غربی آفریقای مرکزی، نظریۀ اینشتین آزمون شد.
آسیموف دربارۀ این آزمایش نوشته است: «ستاره‌های درخشان در آسمان نزدیک خورشید گرفته دیده می‌شدند و نور آنها در مسیر خود به سوی زمین، از کنار خورشید می‌گذشت. نظریۀ اینشتین پیش‌بینی کرده بود که این نور هنگام عبور از کنار خورشید، به مقداری بسیار اندک به سمت خورشید کشیده می‌شود.»
ستاره‌شناسان پس از این آزمایش، با اطمینان گفتند که نور ستاره‌های دورتر هنگام عبور از کنار خورشید، اندکی به سوی خورشید منحرف شده است. در واقع پرتوهای نور تقریباً به همان اندازه‌ای که اینشتین پیش‌بینی کرده بود، خمیده شدند. در واقع نور ستاره‌ای که در پشت خورشید قرار دارد، پس از گذر از نزدیکی خورشید، منحرف می‌شود و تغییر مسیر می‌دهد. بنابراین ما در این شرایط ستاره را در جایی جز مکان اصلی‌اش می‌بینیم.
مکان واقعی ستاره در شمال غربی خورشید است ولی خم شدن نور آن هنگام عبور از خورشید، موجب می‌شود که ما آن را تقریبا در شمال یا بالای سر خورشید ببینیم
از 1919 تا به امروز، چندین آزمایش دیگر نیز نظریۀ فضای خمیده اینشتین را تایید کرده است. بعد از آزمایش سال 1919، این نظر برای دانشمندان ایجاد شد که اگر چاه گرانش خورشید، نور را اندکی خمیده کرده، اجرامی که نسبت به خورشید جرم و چگالی بسیار بیشتری دارند و چاه گرانشی بسیار عمیق‌تری در فضا ایجاد می‌کنند، شاید صرفاً نور را خم نکنند بلکه نور را مهار کنند. یعنی نور نتواند از چاه گرانشی این اجسام فرار کند.
در 1939 اپنهایمر وجود ستاره‌های ابَرچگالی را، که دارای چاه‌های گرانشی بسیار عمیق و شاید حتی بی‌انتها هستند، پیش‌بینی کرد. اما دلیل رصدی مستقیمی در تایید وجود این اجرام کیهانی در دست نبود.
تا سال‌ها بعد، مفهوم «ستاره‌های تیره» و اثرات عجیب احتمالی آنها بر روی فضا و نور، در قلمرو داستان‌ها و فیلم‌های علمی- تخیلی باقی ماند.
در 1967 در سریال تلویزیونی «پیشتازان فضا»، این مفهوم مطرح شد. کاپیتان کرک و خدمۀ وی به جسم عجیبی برخورد کردند و آن را «ستارۀ سیاه» نامیدند.
چند ماه پس از پخش این سریال تلویزیونی، جان ویلر فیزیکدان برجستۀ دانشگاه پرینستون، اصطلاح «سیاه‌چاله» را مطرح کرد. این نامِ گویا و گیرا، سریعاً رایج شد و از آن پس، مفهوم سیاه‌چاله توجه دانشمندان و نویسندگان داستان‌های علمی- تخیلی را به خود جلب کرده است.
خود ویلر بعدها دربارۀ این اصطلاح نوشت: «طرح اصطلاح سیاه‌چاله در سال 1967 از لحاظ واژه‌شناسی بی‌اهمیت اما از لحاظ روانی بسیار قدرتمند بود. پس از مطرح شدن این نام، ستاره‌شناسان و اختر فیزیکدانان هر چه بیشتری به این نتیجه رسیدند که شاید سیاه‌چاله‌ها ساخته خیال نباشند، بلکه اجرامی نجومی باشند که جست‌وجوی آنها ارزش صرف وقت و پول را داشته باشد. »
در واقع از نیمۀ دوم قرن هجدهم تا نیمۀ دوم قرن بیستم، دانشمندان حدس زده بودند که چیزی به نام سیاه‌چاله در کیهان وجود دارد.
از اواخر دهۀ 1960 به بعد، مطالعۀ جدی‌تر بر روی این پدیده یا جرم محتمل، بویژه درک نحوۀ شکل‌گیری این اجرام (سیاه‌چاله‌ها) و تلاش برای آشکارسازی آنها، جزو مسائل و اهداف مهم منجمان و اخترفیزیکدانان بوده است.
در پنجاه سال گذشته، مجموعه‌ای از تحقیقات و اکتشافات مهیج، که فهم بشری را از گیتی به وضوح تغییر داده و بهبود بخشیده‌اند، اهداف مذکور را تا حد زیادی برآورده ساخته‌اند.