به طور مختصر، سیاه چاله قسمتی از فضاست که جرم بسیار زیادی در آن متمرکز شده است و هیچ جرمی در مجاورت آن  نمی تواند از گرانش آن بگریزد. در حال حاضر بهترین نظریه در مورد گرانش، نظریه ی نسبیت عام اینشتین است. ما نیز برای درک بهتر جزئیات سیاه چاله ها باید به برخی نتایج نسبیت عام رجوع کنیم. اما بیایید با تفکر در مورد گرانش در محیط های عادی و در سطوح ساده شروع کنیم.

فرض کنید که بر روی سطح یک سیاره ایستاده اید و یک سنگی را به بالا پرتاب می کنید. فرض کنید که آن را زیاد پر قدرت پرتاب نکرده اید. سنگ برای مدت کوتاهی به بالا حرکت می کند، اما پس از مدتی شتاب گرانش سیاره آن را مجبور به سقوط می کند. اگر شما سنگ را آنچنان پر قدرت پرتاب کنید که از گرانش سیاره کاملا رها شود، برای همیشه به بالا رفتن خود ادامه می دهد. سرعتی که شما نیاز دارید تا به سنگ بدهید و از گرانش سیاره رهایش کنید سرعت گریز نامیده می شود. همان طور که می دانید سرعت گریز سیاره به جرم آن بستگی دارد. اگر سیاره چگال باشد، گرانش آن بسیار قوی خواهد بود، و سرعت گریز بالا می رود. اما یک سیاره ی سبکتر سرعت گریز کمی خواهد داشت. سرعت گریز همچنین به فاصله از مرکز سیاره نیز بستگی دارد. هر چقدر که به مرکز سیاره نزدیکتر باشید سرعت گریز شما بیشتر خواهد شد. سرعت گریز زمین 11.2 کیلومتر بر ثانیه است. در حالی که سرعت گریز ماه فقط 2.4 کیلومتر بر ثانیه است.

حال قسمتی از فضا را در نظر بگیرید که حاصل تمرکز عظیمی از جرم با شعاع کم است که سرعت گریز آن بالاتر از سرعت نور است. در حالی که هیچ چیز نمی تواند بالاتر از سرعت نور حرکت کند، هیچ چیزی نمی تواند از گرانش آن بگریزد. حتی یک باریکه ی نور نیز نخواهد توانست از گرانش آن بگریزد و به سوی آن برمیگردد.

ایده ی چنین تمرکز جرمی که آنقدر چگال باشد که حتی نور در آن گیر بیفتد مربوط به لاپلاس در قرن 18 می باشد. در حقیقت بلافاصله بعد از اینکه اینشتین نسبیت عام خود را بسط داد کارل شوارتز شیلد راه حلی ریاضی را که مربوط به معادله ی نظریه ای که این جرم را توضیح می داد کشف کرد. کمی بعد تلاش افرادی چون Oppenheimer، Volkoff و Synder در سال 1930 بود که باعث شد مردم جدی تر در مورد امکان وجود چنین جرمی در عالم فکر کنند. این تحقیقات نشان می دهد که موقعی که یک ستاره ی چگال سوخت خود را تمام می کند نمی تواند خود را در مقابل گرانش خود حفظ کرده به یک سیاه چاله تبدیل می شود.

در نسبیت عام، گرانش باعث ایجاد خمیدگی در فضا – زمان می شود. اجرام چگال باعث ایجاد خمیدگی در فضا و زمان می شوند. بنابراین قوانین معمولی هندسه را در این موارد نمیتوان به کار برد. در کنار یک سیاه چاله این خمیدگی فضا به مراتب بیشتر است و همین باعث می شود که سیاه چاله خواص عجیبی داشته باشد. یک سیاه چاله چیزی دارد که به خط افق اتفاق (event horizon) مشهور است. این سطحی کروی شکلی است که مرز سیاه چاله را تعیین می کند. شما می توانید وارد آن شوید اما دیگر نمی توانید برگردید. به محض اینکه وارد افق شوید محکوم به نزدیک شدن به مرکز سیاه چاله بدون هیچ توقفی خواهید بود.

می توان گفت که خط افق جایی است که در آن سرعت گریز برابر سرعت نور است. بیرون از افق سرعت گریز کمتر از سرعت نور خواهد بود. پس اگر شما موشک های خود را به سختی به کار بگیرید می توانید از آن رها شوید. اما اگر داخل افق باشید هر چقدر هم که موشک های شما قوی باشند نمیتوانید از آن بگریزید.

خط افق خواص هندسی عجیبی دارد. برای مشاهده کننده ای که جایی دور از سیاه چاله نشسته، خط افق مانند یک کره ی بسیار زیبا و ساکن و بدون هیچ حرکتی جلوه می کند. اما هنگامی که به آن نزدیکتر می شوید در می یابید که سرعت بسیار زیادی دارد. در حقیقت این افق با سرعتی برابر سرعت نور به بیرون حرکت می کند. این بیان می کند که چرا ورود به افق بسیار آسان است. اما خروج از آن ممکن نیست. در حالی که افق با سرعت نور به خارج حرکت می کند برای خارج شدن از آن باید با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کرد. اما چون نمیتوان بیش از سرعت نور حرکت کرد پس نمیتوان از آن خارج شد.

هنگامی که شما در افق هستید، فضا- زمان آنقدر منحرف می شود تا جایی که مختصاتی که فاصله ی شعاعی شما را نشان می دهد با زمان تغییر وظیفه می دهد. همان r که نشان می دهد چقدر از مرکز فاصله دارید مثل زمان کار خواهد کرد. یک پیامد آن این است که شما نمی توانید از نزدیک شدن به مرکز جلوگیری کنید. همانطور که در دنیای عادی نمی توانید جلوی آمدن آینده ی خود را بگیرید. (با این تفاوت که در سیاه چاله r کمتر می شود یعنی فاصله ی شما از مرکز کمتر می شود و در دنیای عادی t یا زمان زیاد تر می شود.) در حقیقت شما مجبورید که به مرکز یا r = 0 بروید . شاید سعی کنید که با روشن کردن موشک های خود ای کار را انجام بدهید اما این کار نیز بی فایده است: به هر طرف که بدوید نمی توانید از آمدن آینده ی خود جلوگیری کنید. تلاش برای برگشت بعد از وارد شدن به افق مانند تلاش برای جلوگیری از آمدن پنجشنبه ی بعد خواهد بود.  

منبع :http://cosmology.berkeley.edu/Education/BHfaq.html  

سامانه سفر های فضايي که نام رسمي برنامه شاتل است و توسط ناسا به اين عنوان نام گذاري شده است.به طور رسمي در ژانويه ي ۱۹۷۲آغاز به کار کرد. اين سامانه سرنشين دار حمل و نقل فضايي با توانايي استفاده دوباره و توانايي پرتاب و قرارگرفتن در مدار را دارا است و مي تواند مانند يک هواپيما به زمين بازگردد و با اندکي تعميرات دوباره مورد بهره برداري قرار گيرد.شاتل جايگزين سامانه هاي پرتاب يک بار مصرفي شد که ناسا براي اهداف علمي در مدار زمين از آنها استفاده مي کرد.

طراحي بينظير اين فضاپيما اين امکان را فراهم مي سازد تا به عنوان يک آزمايشگاه علمي يا مرکز خدمات رساني مورد بهره برداري گيرد.

 ۲-اجزاي تشکيل دهنده شاتل اين سامانه ي پرتاب که توسط موتورهاي مرکزي و موتورهاي پرتاب به مدار مي رسد که داراي سه بخش اصلي است.بخش اول فضاپيمايي با بالهاي مثلثي (شامل يک کابين بزرگ براي سرنشينان؛ فضايي به اندازه ۶/۴ در ۱۸ متر براي وسايل و سه موتور اصلي) بخش دوم دو موتور راکت سوخت جامد و بخش سوم يک مخزن خارجي سوخت مايع (براي ذخيره ي هيدروژن و اکسيد کننده ي مايع که در موتورهاي اصلي استفاده مي شوند) است. از اين مجموعه فضاپيما و دو راکت سوخت جامد قابل استفاده ي دوباره هستند و مخزن سوخت مايع يک بار مصرف است.

۳-ساخت شاتل هاي فضايي کار روي نخستين فضاپيما بانام مدارپيماي ۱۰۱ در نيمه ي سال ۱۹۷۴ ميلادي و براساس قراردادي با شرکت راکول آغاز شد. کارخانه هاي تيوکل و مارتين ماريتا؛ ساخت راکت هاي پرتاب سوخت جامد و مخزن خارجي سوخت مايع رابر عهده گرفتند. نخستين فضاپيما {اينتر پرايز} نام گرفت که تنها به عنوان يک فضاپيماي آزمايشي براي پرتاب و فرود بکار رفت. ساخت اين نوع فضاپيما چالش هاي جديدي به دنبال داشت.شايد مهمترين پرسش پس از شکل ظاهري فضاپيما اين بود که آيا موتورهاي راکت بايد داراي سوخت مايع يا سوخت جامد باشند. پرسش مهم ديگر بررسي روش بازگشت به زمين بود. آيا فضاپيما براي بازگشت به زمين و عبور از جو بايد با زاويه حمله بالا از يونيسفر عبور کند که اين امر باعث بالا رفتن دماي پوشش فضاپيما براي مدت کوتاه مي شود يا از روشي بهره گيرد که کپسول هاي فضايي قبلي مورد استفاده قرار مي دادند. سرانجام ناسا تصميم گرفت از روش اول استفاده کند. به اين منظور پوشش سراميکي ويژه اي به کار برد که زير دماغه فضاپيما قرار مي گرفت و حرارت ناشي از بازگشت به جو زمين را تحمل مي کرد. چهار سفر نخست شاتل از ۲۱ آوريل ۱۹۸۱ تا ۴ ژوئيه ۱۹۸۲ اجرا شد. اين پروازهاي آزمايشي نشان دهنده ي چگونگي کار فضاپيما در شرايط واقعي سفرهاي فضايي بود. رسيدن شاتل به مدار انجام کارهاي مورد نظر و بازگشت بدون خطر به زمين مواردي بود که تحت آزمايش قرار گرفت. پس از فضاپيماي آزمايشي اينترپرايز *کلمبيا* نخستين فضاپيماي کاربردي بود. در چهار پرواز کلمبيا ناسا شاتل را به عنوان يک وسيله پرتاب و اقامتگاهي براي سرنشينان و انتقال محموله به مدار مورد آزمايش قرار داد. در ژوئن ۱۹۸۳ دکتر سالي رايد دانشمند فضانورد ناسا نخستين زن آمريکايي بود که با فضاپيماي اس تي اس-۷ به فضا سفر کرد.

 ۴-شاتل فضايي کلمبيا کلمبيا قديمي ترين نوع مدارپيما در مجموعه شاتل است. در آگوست ۱۹۹۱ بعد از تکميل ماموريت اس تي اس-۴۰ اين فضاپيما به دست کارشناسان بين المللي شاتل در راک ول کاليفرنيا سپرده شد. قديمي ترين مدارپيما در مجموع در معرض ۱۵۰ اصلاح و تغيير قرار گرفت که شامل افزايش قدرت ترمزها و بهبود گاز چرخ دماغه و حذف ابزارهاي اضافه و پرواز و همچنين افزايش سامانه حفاظتي گرمايي بود.

 ۵-شاتل فضايي چلنجر چلنجر در ژوئيه ۱۹۸۲ به جرگه ي سفينه هاي فضايي بالدار قابل استفاده ي دوباره ناسا پيوست. فضاپيما ۹ ماموريت فضايي رابا موفقيت پشت سر گذاشت تا اينکه در ۲۸ ژانويه ۱۹۸۶ ناسا تلخ ترين حادثه انهدام را تجربه کرد. در آن روز فضاپيماي اس تي اس-۵۱ ال چانجر منفجر شد و تمامي سرنشينان از جمله يک معلم مدرسه که طبق برنامه تصميم داشت کلاسش را از فضا اداره کند کشته شد. خاطره ي اين تراژدي تا مدت ها در ذهن مردم آمريکا باقي ماند و عملا دستاوردها را تحت الشعاع قرار داد. تلفات به ويژه مرگ انسان هايي که فضانورد نبودند دردناک بود. يک گروه کارشناسي کاوش بلند مدتي را در مورد حادثه برعهده گرفت. پس از بررسي کامل برنامه شاتل که شامل طراحي دوباره موتورهاي پرتاب سوخت جامد بود که عامل فاجعه بود پرواز شاتل با فضاپيماهاي اس تي اس-۲۶ در سپتامبر ۱۹۸۸ از سر گرفته شد. اين پرواز امنيت موتورهاي پرتاب سوخت جامد را اثبات کرد. شاتل خيلي زود موقعيت قبلي خود را به عنوان وسيله اي سودمند براي کاوش در فضا به دست آورد. هرچند که براي پرتاب ماهواره هاي نظامي و تبليغاتي استفاده نشد. از سال ۱۹۸۵ ميلادي فضاپيماي ماژلان را به ونوس و فضاپيماي گاليله را به مشتري و همچنين فضاپيماي يوليسس را براي کاوش هاي خورشيدي پرتاب کرد. شاتل ماهواره هاي تحقيقاتي بالاتر از جو و رصدخانه ي اشعه ي گاما را که متعلق به تلسکوپ فضايي هابل بود وارد مدار کرد. سرنشينان شاتل هم فعاليت هاي بسياري انجام دادند که از جمله مي توان به راهپيمايي فضايي در چهار ماموريت حساس براي مرمت و افزايش توانايي هاي تلسکوپ فضايي هابل اشاره کرد. به خاطر پيروزي ۹۸ درصدي در ماموريت ها شاتل قابل اعتماد ترين سامانه پرتاب گر در خدمات رساني به همه جاي دنيا است. با وجود اين روبرو شدن با واقعيت ها در مورد توانايي ها و کاستي هاي شاتل بسيار ضروري است. پروازهاي شاتل بسيار پر هزينه است. هزينه ي هر پرواز ۴۰۰ ميليون دلار تا يک ميليارد دلار است. بسياري بر اين باورند که يک سامانه ي پرتابگر مقرون به صرفه تر بايد جايگزين سامانه ي شاتل شود.

۶-شاتل فضايي ديسکاوري ديسکاوري سومين فضاپيمايي است که در مرکز فضايي کندي آماده ي بهره برداري شد. اين فضاپيما به خاطر تجربياتي که در ساخت و آزمايش فضاپيماهاي اينترپرايز و کلمبيا و همچنين چلنجر به دست آورد موقعيت بهتري داشت. وزن آن ۳۰۹۱ کيلوگرم کمتر از فضاپيماي کلمبيا بود. اين اصطلاحات شامل وزنه ي سربي اضافي براي تخليه ي بار نيروي محرکه برودتي و کنترل هاي عقب فضاپيما بود.

۷-شاتل فضايي آتلانتيس آتلانتيس چهارمين فضاپيمايي بود که در مرکز فضايي کندي آماده بهره برداري شد. سفينه فضايي آتلانتيس چندين سفر انجام داد که شامل ماموريت کاوش گر سياره اي گاليله در سال ۱۹۸۹ و استقرار آزمايشگاه رصد اشعه ي گاما در سال ۱۹۹۱ بود. وزن تهي و خالص آن ۶۸ تن و هنگام نصب موتورهاي اصلي حدود ۵/۷۲ است. فضاپيماي آتلانتيس از تجربياتي که در ساخت و آزمايش فضاپيماي ديسکاوري به دست آوردبهره مي برد. تجربياتي که در فرآيند مدارپيماها به دست آمد باعث صرفه جويي ۵/۴۹ درصدي در وقت انسان شد (در مقايسه با کلمبيا) . بيش تر اين کاهش به خاطر استفاده ي بيش تر از پوشش حفاظتي گرمايي در قسمت بالايي بدنه فضاپيما تا دم آن است. در حين ساخت ديسکاوري و آتلانتيس ناسا تصميم گرفت کارشناسان متعددي داشته باشد تا يک سري قطعات يدکي بسازد و فضاپيما را به تجهيزات متفاوت مجهز کند و هنگام صدمات برخوردي به فضاپيما آن ها را به کار برد. اين قرار داد ۳۸۹ ميليون دلار ارزش داشت و شامل قطعات يدکي عقب بدنه ي فضاپيما و وسط بدنه ي فضاپيما و همچنين دو نيمه ي جلويي فضاپيما و دم و سکان عمودي؛ باله ها و قطب هاي فضايي بود. اين قطعات بعدا به فضاپيماي اندور وصل شدند. در کل ۱۶۵ تغيير در مدت ۲۰ ماه بر روي آتلانتيس در کاليفرنيا انجام گرفت.