بنابر نظريه نسبيت عام سياه‌چاله‌ ناحيه‌اي از فضا است که ميدان گرانشي فوق العاده بالايي دارد بطوريکه هيچ چيز حتي نور نمي‌تواند از ميدان گرانشي آن بگريزد. در سياهچاله ناحيه‌اي به نام افق رويداد وجود دارد که هيچ چيزي بعد از عبور از آن نمي‌تواند به بيرون برگردد و يا به عبارت ديگر بلعيده مي‌شود.اين يکي از اسرار سياهچاله هاست که دانشمندان روي چگونگي آن به پژوهش مي‌پردازند. سياه ناميده مي‌شود چون همه نوري که به داخل آن راه مي‌يابد را به دام مي‌اندازد دقيقا مانند مفهوم جسم سياه در ترموديناميک. يک سياهچاله برخلاف درون نامرئي اش مي‌تواند حضور خود را از راه کنش و واکنش با محيط پيرامون نشان دهد. ما از طريق ديدن حلقهٔ تجمعي و يا يک گروه از ستاره‌ها که به دور يک ناحيه تاريک و خالي در حال گردش اند مي‌توانيم به حضورشان پي ببريم.


◄   مقدمه:
يک سياهچاله اغلب شي‌اي تعريف مي‌شود که سرعت گريز آن حتي از سرعت نور بيشتر است. سرعت گريزحداقل سرعت ممکن براي يک جسم مي‌باشد تا بتواند از ميدان گرانشي جسمي ديگر فرار کند. براي درک بهتر موضوع تصور کنيد روي سطح يک سياره ايستاده‌ايد و سنگي را مستقيما به بالاپرتاب مي‌کنيد.. فرض کنيدکه سنگ را با قدرت زيادي پرتاب نکرده باشيد سنگ براي مدتي بالا خواهد رفت اما در نهايت به خاطر گرانش سياره پايين خواهد افتاد. اگر سنگ را به اندازه کافي محکم پرتاب کنيد سنگ ممکن است از گرانش سياره بگريزد در اين حالت سنگ براي هميشه به بالا رفتن ادامه خواد داد.سرعتي که نياز است با آن سنگ را پرتاب کنيد تا از گرانش سياره بگريزد سرعت گريز ناميده مي‌شود.سرعت گريز براي کره زمين تقريبا برابر ۱۱ کيلومتر بر ثانيه مي‌باشد و براي خورشيد ۶۶۰ کيلومتر بر ثانيه‌است. بدين ترتيب هر چه جرم افزايش مي‌يابد و يا شعاع کاهش مي‌يابد و به طور کلي هرچه جسم چگال تر باشد سرعت گريز نيز افزايش مي‌يابد. مي‌توان حدس زد که سرعت گريز براي يک سياهچاله با جرمي حدود چند ميليون برابر خورشيد چقدر است.! مطمئنا سرعت گريز سياهچاله‌ها بيشتر از سرعت نور مي‌باشد در نتيجه هيچ چيز نمي‌تواند از آن فرار کند.در نظريه نسبيت عام تمام جرم يک سياهچاله درتکينگي متمرکز مي‌شود که مي‌تواند يک نقطه يا يک حلقه يا يک کره باشد. در اطراف تکينگي کره فرضي به نام افق رويداد وجود دارد که نقطه بدون بازگشت را مشخص مي‌کند. مرزي که هرچيزي که از آن عبور کند به ناچار به سمت تکينگي هدايت مي‌شود. هم چنين محدوده يك سياه چاله تا جايي است كه جاذبه جرمي سياه چاله وجود دارد، به عنوان مثال محدوده سياه چاله كهكشان راه شيري از خود كهكشان راه شيري بزرگتر ميباشد.

از نظر دانشمندان به طور کلي به دو دسته سياهچاله‌هاي چرخشي و غيرچرخشي تقسيم مي‌شوند. اما دسته بندي معمول بر اساس جرم آنان مي‌باشد. وقتي سياهچاله‌ها براساس فروپاشي گرانشي يک ستاره شکل مي‌گيرند سياه چاله هاي ستاره وار ناميده مي‌شوند.سياهچاله‌هايي که در مرکز کهکشان‌ها يافت شده‌اند جرمي چند ميليون برابر جرم خورشيد دارند و در نتيجه سياه چاله هاي پر جرم ناميده مي‌شوند.دانشمندان معتقدند بين اين دو اندازه سياهچاله‌هايي با جرم چندين هزار برابر جرم خورشيد نيز وجود دارند که سياه چالعه هاي جرم متوسط ناميده مي‌شوند و اما ميکرو سياه چاله ها که دانشمندان معتقدند در زمان انفجار بزرگ شکل گرفته‌اند و همچنين امکان ساخت چنين سياهچاله‌هايي در دستگاههاي شتاب دهنده ذرات روي زمين وجود دارد.با اين وجود تا کنون هيچ ميکروسياهچاله‌اي از سوي دانشمندان شناسايي نشده‌است.

◄   تاريخچه:
ابداع واژه کرم چاله و سياه‌چاله فضايي به جان ويلر نسبت داده شده است. با اينحال، اين مفهوم از مدت‌ها قبل به صور متفاوتي مطرح بوده است.مفهوم جسمي که آن قدر پرجرم است که حتي نور هم نمي‌تواند از آن بگريزدابتدا از سوي زمين شناسي به نام جان ميچل درسال ۱۷۸۳ مطرح شد که آن را در مقاله‌اي که به هنري کونديش فرستاد و از سوي انجمن سلطنتي به چاپ رسيد عنوان کرد. در آن زمان مفهوم نظريه گرانش نيوتن و مفهوم سرعت گريز شناخته شده بودند. طبق محاسبات ميچل جسمي با شعاعي ۵۰۰ برابر شعاع خورشيد و چگالي مشابه در سطح خود سرعت گريزي بيش از سرعت نور خواهد داشت و بنابر اين غير قابل مشاهده خواهد بود. به بيان او:
اگر شعاع کره‌اي با چگالي مشابه خورشيد قرار باشد که ۵۰۰ بار از آن بزرگ تر باشد جسمي که از ارتفاع بينهايت به سمت آن سقوط مي‌کند در سطح آن سرعتي بيش ازسرعت نور به دست مي‌آورد و اگر فرض کنيم نور با نيروي مشابهي به سمت ستاره کشيده شود آنگاه تمام نوري که از چنين جسمي ساطع مي‌شود به ناچار به وسيله گرانش آن به سمت خود ستاره بازمي گردد.

در سال ۱۷۹۶ پير سيمون لاپلاس رياضي دان فرانسوي نظريه مشابهي را در ويرايش اول و دوم کتاب خود به نام آشکارسازي نظام جهان مطرح کرد. اين مطالب در ويرايش‌هاي بعدي کتاب حذف شد. اين نظريه در قرن نوزدهم توجه چنداني را به خود جلب نکرد زيرا فيزيک دانان براين باور بودند که نور به صورت موج و فاقد جرم است و بنابراين تحت تاثير گرانش قرار نمي‌گيرد.

درسال ۱۹۱۵ آلبرت اينشتين که قبلا نشان داده بود که گرانش نور را تحت تاثير قرار مي‌دهد نظريه گرانش خود به نام نسبيت عام را مطرح کرد.چند ماه بعد کارل شوارتسشيلد راه حلي براي ميدان گرانشي يک جرم نقطه‌اي و يک جرم کروي ارائه داد که نشان مي‌داد سياهچاله‌ها مي‌توانند به صورت تثوري وجود داشته باشند. شعاع شوارتسشيلد امروزه به عنوان شعاع افق رويداد يک سياهچاله غيرچرخشي شناخته مي‌شود. در سال ۱۹۳۰ سابراهمانيان چاندراسخاراختر فيزيک دان هندي ادعا کرد که يک جسم غير تابنده با جرمي معادل ۴۱/۱ برابر جرم خورشيد به اين دليل که تا آن زمان چيزي که بتواند جلوي فروپاشي آن را بگيرد شناخته نشده بودفرو مي‌پاشد.
رابرت اوپنهايمرپيش بيني کرد که ستارگان پرجرم ممکن است فروپاشي گرانشي تاثيرگذاري را تجربه کنند.اصولا سياهچاله‌ها مي‌توانند در طبيعت شکل بگيرند. از ديد يک ناظر خارجي فروپاشي به سرعت در حال کند شدن است و در نزديکي شعاع شوارتسشيلد انتقال به قرمز بسيار زيادي پيدا مي‌کند به همين علت چنين اجسامي تا مدت‌ها ستارگان منجمد ناميده مي‌شدند.در سال۱۹۶۷ پيشرفت‌هاي نظري و تجربي علاقهٔ اخترفيزيک‌دانان را به سياهچاله‌ها برانگيخت. استيفن هاوکينگ ثابت کرد سياهچاله‌ها يک خصوصيت عمومي در نظريه گرانشي اينشتين هستند و با فروپاشي برخي اجسام به ناچار سياهچاله به وجود مي‌ايد. جامعهٔ ستاره شناسي با کشف تپ اخترها علاقه دوباره‌اي به سياهچاله‌ها پيدا کرد. پس از مدتي اصطلاح سياهچاله (حفره سياه) از سوي فيزيک داني به نام جان ويلرمطرح شد. او نخستين بار در سخنراني عمومي خود با عنوان جهان ما شناخته‌ها و ناشناخته‌ها در دسامبر سال ۱۹۶۷ از اين نام استفاده کرد.براي تشخيص سياهچاله‌هاي نسبيت عام از ديگر اجرام نيوتني که از سوي لاپلاس و ميچل مطرح شده بودند غالبا آن اجرام را ستارگان تاريک مي‌نامند.

◄   ويژگي‌ها:
نظريه بدون موي جان ويلر بيان مي‌دارد تنها سه ويژگي سياهچاله‌ها قابل تشخيص هستند که عبارتند از : جرم و بار الکتريکي و اندازه حرکت زاويه‌اي. اين ويژگي‌ها خاص هستند چون از بيرون سياهچاله قابل تشخيص اند.آن چه بين دانشمندان متداول است دسته بندي سياهچاله هابر اساس جرم آنان مي‌باشد.

      +   سياهچاله‌هاي پرجرم:
جرمي بين چندصدهزار تا چند ميليون برابر جرم خورشيد دارند و پيش بيني مي‌شود که در مرکز همه کهکشان‌ها از جمله کهشکان راه شيري وجود داشته باشند. بزرگترين سياهچاله پرجرم شناخته شده در محل OJ ۲۸۷ قرار دارد و جرمي معادل ۱۸ ميليارد برابر جرم خورشيد دارد.

      +   سياهچاله‌هاي جرم متوسط:
اين سياهچاله‌ها جرمي هزاران برابر جرم خورشيد دارند و گمان مي‌رود که اين سياهچاله‌ها نيروي منابع پرتو ايکس را در فضا تامين مي‌کنند. هيچ راه مستقيمي براي شکل گيري آنان شناخته نشده‌است اما محتمل است اين نوع از برخورد سياهچاله‌هاي با جرم کمتر شکل مي‌گيرد. البته منبع پرتو ايكس صادره ناشي از سقوط اجسام به سياه چاله است، نه خود سياه چاله.

      +   سياهچاله‌هاي ستاره‌وار:
اين سياهچاله‌ها جرمي بين سه تا پانزده برابر جرم خورشيد دارند و از دو طريق تشکيل مي‌شوند. يکي فروپاشي گرانشي ستاره‌هاي منفرد و ديگري برخورد ستاره‌هاي دودويي نوتروني.

      +   ريزسياهچاله‌ها:
جرم اين سياهچاله‌ها به اندازه‌اي است که در آنها اثرات مکانيک کوانتومي اهميت زيادي پيدا مي‌کند. به طور کلي سياهچاله‌هايي که جرمي کمتر از جرم خورشيد دارند ريزسياهچاله ناميده مي‌شوند.

◄   افق رويداد:
محدوده‌اي از سياهچاله‌است که هيچ چيز حتي نور نمي‌تواند به خارج از آن بگريزد. افق رويداد يک سطح جامد نيست و مانع ورود ماده يا تابشي که به سمت ناحيه داخل آن در حرکت است نمي‌شود. در واقع افق رويداد يک ويژگي تعريف شده سياهچاله‌است که حدود سياهچاله را مشخص مي‌کند.علت سياه بودن افق رويداد هم اين است که هيچ پرتوي نور يا تابش ديگري نمي‌تواند از آن بگريزد. از اين رو افق رويداد هر آنچه را که درون آن اتفاق مي‌افتد از ديد ديگران پنهان نگه مي‌دارد. در حال حاضر بهترين نظريه‌اي که مي‌توان با استفاده از آن اتفاقات درون افق رويداد را پيش بيني کرد نظريه نسبيت عام اينشتين است.

◄   تکينگي:
براساس نسبيت عام جرم يک سياهچاله به طور کامل در داخل ناحيه‌اي با حجم صفر فشرده شده‌است. اين ادعا بدين معناست که چگالي و گرانش اين نقطه بي نهايت است.علاوه بر اين خميدگي فضا-زمان در اين نقطه بي نهايت خواهد بود. اين مقادير بي نهايت باعث مي‌شوند که بيشتر معادلات فيزيکي از جمله معادلات نسبيت کارايي خود را در مرکز سياهچاله از دست بدهند. از اينرو فيزيک دانان اين ناحيه بي نهايت چگال با حجم صفر در مرکز سياهچاله را تکينگي مي‌نامند.
تکينگي در يک سياهچاله غيرباردار غيرچرخشي يک نقطه‌است به عبارت ديگر ناحيه‌اي است که طول عرض و ارتفاع آن صفر است.امادر مورد اين تعريف ترديدهايي وجود دارد.براساس مکانيک کوانتمي هيچ جسمي نمي‌تواند داراي اندازه صفر باشد.بنابر تعريف مکانيک کوانتومي مرکز يک سياهچاله تکينگي نيست. بلکه ناحيه‌اي است که در آن مقادير زيادي ماده در کوچک ترين حجم ممکن فشرده شده‌است.

◄   فوتون کره:
فوتون کره يک سياهچاله غيرچرخشي محدوده‌اي است کروي با ضخامت صفر و فوتون‌هايي که در طول مسير مماس بر اين کره حرکت مي‌کنند در مداري دايره‌اي گرد آن به دام مي‌افتند. در سياهچاله‌هاي غيرچرخشي شعاع فوتون کره يک و نيم برابر شعاع افق رويداد است.

◄   آرگوسفر:
هر جسم فوق چگال و بزرگ در حال چرخش اثري ايجاد مي‌کند که به کشش چارچوب معروف است. کشش چارچوب باعث مي‌شود که فضا- زمان اطراف جسم در راستاي چرخش آن کشيده شود. آروگسفر يکي از ويژگي‌هاي سياهچاله‌هاي چرخشي است اين کره با اين نواحي هم مرز است:
از بيرون با سطح کروي شکل پهني که در قطب‌هايش بر افق رويداد منطبق است و به طرز قابل توجهي در ناحيه استوايي خود پهن تر است. اين محدوده را معمولا ارگوسرفس يا سطح کار مي‌نامند.

◄   روش‌هاي شناسايي سياهچاله‌ها:
در بعد تئوري هيچ چيز نمي‌تواند از درون افق رويداد يک سياهچاله به بيرون آن راه يابد.با اين وجود سياهچاله‌ها را مي‌توان با مشاهده پديده‌هاي نزديک آنها يا حلقهٔ تجمعي وعدسي گرانشي وفوران‌هاي کهکشاني.

      +   حلقه‌هاي تجمعي و فوران‌هاي پر انرژي:
حلقهٔ تجمعي بسيار داغ و چرخان پيرامون سياهچاله که متشکل از مواد در حال سقوط به درون سياهچاله‌است آشکارترين نشانه براي شناسايي سياهچاله‌ها است. غلظت داخلي حلقه باعث مي‌شود حلقه داغ شده و مقادير زيادي پرتوي ايکس و تابش فرابنفش از خود ساطع کند. با اين همه حلقه‌هاي تجمعي و فوران‌هاي پرانرژي تنها به سياهچاله هااختصاص ندارند بلکه در اطراف اجسام ديگري از قبيل ستارگان نوتروني نيز يافت مي‌شوند.

      +   عدسي گرانشي:
جزو آن پديده‌هايي است که پيدايش آن مي‌تواند دلايل ديگري به جز وجود سياهچاله‌ها داشته باشد. يک عدسي گرانشي مي‌تواند با خميده کردن پرتوهاي نور که در عدم حضور آن هرکدام به سويي مي‌رفتند به سمت تلسکوپ‌هاي ما تصاوير چندگانه‌اي از اجرام بسيار دور به ارمغان آورد.

◄   آشکارسازي سياهچاله‌ها:
يکي از راههاي کشف سياهچاله‌ها استفاده از امواج گرانشي است که هنگام فروپاشي گسيل مي‌دارند. هر جرم اختري از حيث شکل نامتقارن تششع ممکن است يک منبع قابل اکتشاف مشخص به وجود آورد. جوزف وبر از دانشگاه مريلند، پيش کسوت رشته تشعشع گرانشي، رويدادهاي زيادي را کشف کرده‌است که حاکي از ويراني وسيع ماده در جهان، از راه فروپاشي گرانشي است. کارافزاراو عبارت است از آنتن هاي آلومينيومي، ابزاري که به‌وسيله سيمهايي در داخل اتاقهاي حفاظ داري آويزانند. اين کار افزار او قادر به کشف سياهچاله است، اما متاسفانه اين کار را نمي‌تواند به دقت انجام دهد.

◄   تبديل ستارگان بزرگ به سياه‌چاله‌ها:
ابتدا براي فهم بهتر سياهچاله‌ها بد نيست اين را بدانيد سياهچاله‌ها به قدري متراکمند که اگر کل کرهٔ زمين قطرش به ۰/۹ سانتيمتر تقليل يابد اما جرمش ثابت بماند به يک سياهچاله تبديل مي‌گردد.
بر سر ستاره در حال مرگي که بيش از ۱٫۴ برابر خورشيد است چه مي‌ايد؟ حتي نيروي قوي نيز نمي‌تواند سرعت فرو پاشي دروني آن را متوقف سازد. و اين ستاره کاملاً فرو مي‌پاشد و از مرحله ستاره نوتروني فراتر رفته و حتي به يک شي کوچک‌تر و چگال تر يعني سياهچاله تبديل مي‌شود.اگر هر جسم را به اندازه شعاع شوارتز شيلد منقبض کرد ان به يک سياه چاله تبديل مي‌شود شعاع شوارتز شيلد زماني ايجاد مي‌شود که سرعت گريزه از جاذبه به سرعت نور برسد
فروپاشي کامل به معناي آن نيست که سياهچاله از روي صفحه جهان محو مي‌شود. همان طور که به‌وسيله اينشتين توصيف شده‌است ساختار فضا- زمان فرو پاشي بي پايان را منتفي مي‌کند و به جاي آن يک انحناي غير مادي، نامرئي و واقعي فضا را به وجود مي‌آورد. يک سياهچاله را مي‌توان به مرد نامرئي سنگين وزني تشبيه کرد که روي يک نيمکت نشسته‌است. او ديده نمي‌شود ولي وزن او در نيمکت فرورفتگي ايجاد مي‌کند.
سياهچاله براي فيزيکدانان نظري چيز تازه‌اي نيست. در سال ۱۹۳۹ج. اوپنهايمرو هارتلند و اس. اشنايدر براي نخستين بار سياهچاله‌ها را به عنوان نتيجه‌اي از نسبيت عمومي پيشنهاد کردند ولي در آن زمان براي تشخيص آنها هيچ راه معلومي وجود نداشت. اما با پيشترفت اخير اخترشناسي راديويي و کشف علائم راديويي توضيح ناپذير از اعماق فضا، سياهچاله‌ها به صورت موضوع بسيار مهم اخترشناسي درآمده‌اند. دانشمندان معتقدند که اين اشياي نظري پديده‌هاي با انرژي فوق العاده چون اختر نماها و تپ اخترها مي‌توانند نقشي داشته باشند. سياهچاله‌ها و ستارگان نوتروني تنها اشياي شناخته شده در فيزيک هستند که براي انجام مشاهده‌هاي اخترشناختي روي چنان فرستنده‌هاي بسيار نيرومند تشعشع، به اندازه کافي فشرده و پر جرمند.

◄   تعداد سياهچاله‌ها در جهان:
ه عقيده‌اي.جي.دابليو. کامرون از دانشگاه يشيوا ممکن است جهان پر از سياهچاله باشد. نظريه کيهان‌شناسي پيش بيني مي‌کند که جهان شامل مقدار مشخصي ماده‌است. اما اخترشناسان از مشاهده‌هايشان استنباط کرده‌اند که تقريباً ماده به اندازه کافي وجود ندارد تا اين پيش بيني‌ها را عملي سازد. ماده مشاهده شده به اندازه قابل ملاحظه‌اي کمتر از ماده پيش بيني شده‌است. دکتر کامرون بر آن است که ماده گمشده ممکن است به وسيله شمار زيادي سياهچاله بلعيده شده باشد.
تاريخ شيميايي جهان نشان مي‌دهد که نخستين ستارگاني که تشکيل شده‌اند بسيار بزرگ بوده‌اند و انتظار مي‌رود به سياهچاله‌ها تبديل شوند. با قطعيت نمي‌توان گفت که همه ستارگان ناگزير به سياهچاله‌ها مبدل مي‌شوند. دانشمندان نشان داده‌اند که ستارگان نامتقارن ستارگاني که تقارن کروي تقريباً کامل ندارند به اين سرنوشت دچار مي‌شوند. اما به عقيده واي. ب. زلدوويچ فيزيکدانان شوروي و گروه انگليسي هاوکينگ، راجر بن روز و روبرت چراک، عدم تقارن شکلي کوچک، يک ستاره بزرگ را نجات نخواهند داد.

◄   جهان حفره‌ها:
سياهچاله، اين اجرام نادر و عجيب، را مي‌توان نتيجه تفکرات جوان باهوش آلماني که در سال ۱۹۱۹ در دفتر ثبت اختراعات سويس مشغول به کار بود دانست. انيشتين در سال 1919 تئوري نسبيت عام خود را که انقلابي عظيم در فيزيک نوين بود را ارائه کرد. انيشتين پي برده بود که جهان اساساً در مکانهاي متفاوت نسبت به قوانين نيوتن قابل توضيح نيست. او گفت که سه بعد از فضا نمي‌توانند به صورت مجزا از بعد چهارم يعني زمان باشند. او گفت که اينها باهم پيوسته هستند و آنها فضا - زمان ناميد. اين ساختار همانند يک ساختار نامرئي است که در واقع وجود دارد. او گفت که فضا نمي‌تواند مطلق باشد، بلکه پيوسته‌است. اين بافت فضا زماني مي‌تواند خميده شود و يا اينکه پيچ و تاب پيدا کند.
اين بافت که مي‌تواند جالب باشد فقط در صورتي مي‌تواند مسطح و صاف باشد که هيچ چيز در روي آن وجود نداشته باشد. اگر جسمي جرم دار در روي آن وجود داشته باشد گرانش نيز وجود دارد و هر جا که گرانش وجود داشته باشد اين بافت فضا - زمان خميده مي‌شود. اين خميدگي اين بافت براي اجرام حکم مي‌کند که چگونه حرکت کنند، در واقع مي‌گويد که گرداگرد اين فضا - زمان خميده به سير و سفر بپردازند. گرانش در تئوري نسبيت عام اثر هندسي جرم بر فضاي اطراف خود است. اگر بخواهيم کمي ساده‌تر توضيح دهيم همين خميدگي عامل ايجاد گرانش است.
انيشتين براي تصور اين واقعيت فرض کرد که کاغذي دارد و آن کاغذ را ساختار فضا - زمان فرض کرد. او جسمي سنگين را در روي آن کاغذ قرار داد (آن جسم را خورشيد در نظر گرفت) و ديد که در ساختار کاغذ خميدگي و فرورفتگي ايجاد شده‌است. او گفت که اين فضا زمان خميده گرانشي توليد مي‌کند که هر چه اين خميدگي بيشتر باشد گرانش نيز قوي‌تر خواهد بود. سرانجام در جهان اجرامي وجود دارند که اين خميدگي را به نهايت خود مي‌رسانند و تمام مسيرها را بسوي خود خم مي‌کنند و اين اجرام حقيقتاً سياهچاله‌هاي کيهاني هستند.