טיול אל חור שחור

- מתחת לסרטון תמצאו את הוידאו כמאמר -

חורים שחורים, מרכזי גרוויטציה אפלים שבולעים את כל מה שבדרכם. תופעה המציתה את הדמיון, בכוחם לשנות את המרחב והזמן כפי שאנו מכירים אותם, ותיאורטית, הם יכולים לאפשר פנטזיות כמו מסע בזמן, וקפיצות דרך "חורי תולעת" לעולמות רחוקים.

מה הייתם רואים אם ​​היית מתקרבים ונופלים אל נקודת האל-חזור, לעולם אחר של מרחב וזמן מפותלים? אילו סודות נוכל ללמוד על היקום במסע אל מרכזו של חור שחור מפלצתי?

דמיינו לעצמכם מסע למרכז הגלקסיה שלנו, במרחק 26,000 שנות אור, לנקודת תצפית בשמי הלילה. הייתם רואים מיליוני כוכבים ובאופק כדור כהה ומוזר. זהו חור שחור, אובייקט כל כך צפוף, ששום דבר לא יכול לברוח מכח הכבידה שלו, אפילו לא אור. המפלצת הזו גדולה פי עשרה מהשמש שלנו, וכבדה פי מיליונים ממנה. והוא לא היחיד שם, כמעט בכל גלקסיה גדולה, אסטרונומים מצאו עדויות לחורים שחורים, בעלי מסה גדולה במיליונים ואפילו במיליארדים ממסת השמש.

כיצד הם נוצרו? ואיך הם כל כך גדולים?

כל הכוכבים מאירים ע"י שריפת אלמנטים קלים כמו מימן. אצל הגדולים שבהם, חום אינטנסיבי מתיך את היסודות הללו לכבדים יותר כמו פחמן, סיליקון ולבסוף ברזל. החום והאור מהשריפות הגרעיניות הללו יוצר לחץ כלפי חוץ שמונע מהשכבות החיצוניות המסיביות של הכוכב להתמוטט פנימה. כשנגמר הדלק הגרעיני בליבה של כוכב, הגז קורס פנימה בתהליך אלים שפולט החוצה חומר ואנרגיה בכמויות אדירות.

אם הכוכב מסיבי מספיק, הוא מתפוצץ בתהליך שנקרא סופרנובה. לשארית הגז שנותרת במקום שבו היה פעם כוכב, כבר אין מקור אנרגיה שיחזיק אותה נגד הכבידה של עצמה והיא קורסת לגודל מזערי. אם המסה שנותרת גדולה דיה, יקרסו השאריות לכוכב נייטרונים. אם המסה של הליבה הזו גדולה מדי אפילו בשביל הדחייה בין הנייטרונים, הכוכב קורס פנימה. בשלב זה שום כוח המוכר למדע אינו יכול להתנגד למשקל העצמי של הגז. המסה מתרכזת לנקודה, ונוצר חור שחור.

חור שחור הוא כוח כבידה שנלקח עד הקצה, המסה שלו ארוזה בנקודה אחת, עטופה בכדור אפל הנקרא אופק האירועים. כל מה שנמצא בתוך אופק האירועים, ובכלל זה גם פוטונים, לא רק שאינו יכול להגיע לאופק האירועים אלא גם שכל מסלולו יסתיים בהכרח בסינגולריות שבלב החור השחור. חלקיקים הנמצאים מחוץ לאזור זה יכולים ליפול פנימה ולחצות את אופק האירועים, אך לעולם לא יוכלו לחזור החוצה ויסיימו את דרכם במרכז החור השחור. התחום הזה הוא נקודת האל חזור, כל גז, שמש או כוכב לכת שיפול פנימה יעלם לנצח, אך ישאיר אחריו ירושה עוצמתית, את כח הכבידה שלו.

.

לפי אלברט איינשטיין כוח הכבידה הוא לא רק הכוח המושך של כוכבי לכת ושמשות, אלא הוא גם כח המעוות מרחב וזמן. זמן הוא דבר יחסי. הוא מושפע בין היתר מהמהירות שבה נמצא הגוף ומכוחות הכבידה הפועלים עליו. ככל שגוף נתון לכבידה חזקה יותר, הזמן שלו נע לאט יותר. חור שחור הוא בעל כוח כבידה כה עז, עד כי הוא מעקם את עצם המרחב סביבו. אחת ההשלכות של כך היא שאילו יכולנו להתקרב לגבולו של חור שחור, הזמן שלנו היה נע יותר ויותר לאט. לו הגענו ממש לגבולו של החור השחור – הזמן היה עוצר מלכת, ומי שהיה צופה בנו מהצד היה רואה אותנו קפואים בזמן.

לחורים שחורים, הידועים בהסתתרותם באפלה, יש היסטוריה של התפרצויות שהגיעו לכל רחבי הקוסמוס ועיצבו את היקום המוכר לנו. חורים שחורים על-מסיביים אורבים במסלולי האבק וענני גז המסתחררים, במרכז של כמעט כל גלקסיה גדולה. ככל שהגלקסיה גדולה יותר, החור השחור גדול יותר. זהו רמז שהם כנראה התפתחו יד ביד, כל אחד עיצב את סיפור חייו של האחר.

באפריל 2017 הצליח טלסקופ אופק האירועים (Event Horizon Telescope) לספק את ההוכחה המצולמת הראשונה לחור שחור על-מסיבי, כשצילם את צללית החור השחור במרכז הגלקסיה M87 המרוחקת כ-55 מיליון שנות אור משביל החלב, בקבוצת הכוכבים בתולה. בתמונה אנו רואים את אור הכוכבים הסמוכים שמתעוותים סביבו ויוצרים מעין טבעת אור – ובמרכזה שטח שחור לגמרי, זהו אופק האירועים, מעטפת דמיונית המקיפה את החור השחור ומהווה את הגבול האחרון שאחריו, דבר לא יכול לחמוק מכוח הכבידה של החור השחור. סבב התצפיות הבא של טלסקופ אופק האירועים, שתוכנן למרץ-אפריל 2020, נדחה למרץ 2021 עקב התפרצות מגפת הקורונה.

הסרטון המדהים שלפניכם צולם באורכי גל בתחום האינפרה אדום. הוא מורכב מתמונות סטילס שצולמו לאורך כמעט עשרים שנות תצפית על Sagittarius A, לכן הסרטון מתחיל כשהוא מטושטש ומתחדד בהדרגה, עם השתפרות הטכנולוגיה. כוכב הסרטון הוא הכוכב S2 שבמרכז הפריים. הכוכב האומלל הזה מקיף את החור השחור במסלול אליפטי קרוב להפליא ומסוכן להחריד, הוא העדות התצפיתית הראשונה לקיומו של חור שחור על-מסיבי במרכז הגלקסיה שלנו, הוא נראה כפי שהוא היה לפני 26,000 שנה, הזמן שלקח לאור להגיע ממנו אלינו.

תצפית הרנטגן צ'נדרה (Chandra X-ray Observatory) סיפקה לאחרונה עדויות ממרכזי גלקסיות מהתקופה המוקדמת של היקום, תמונות אלו מראות את הממצאים המדהימים, זוג חורים שחורים על-מסיביים, שהתחילו את מה שאסטרונומים מאמינים שהוא ריקוד המוות. ברוב המקרים המומנטום הקדמי שלהם פשוט גורם להם להיכנס למסלול זה סביב זה, כמו כוכב לכת סביב השמש. מסלול כזה יכול להמשך מיליארדי שנים. כדי לגדול, אחד חייב למשוך את השני פנימה, קרוב מספיק כדי לבלוע אותו.

אלברט איינשטיין הראה כיצד הם עושים זאת, הוא חזה שכאשר גופים מאסיביים מאיצים זה סביב זה, הם יכולים לעוות את היריעה, החלקה בדרך כלל, של מרחב-זמן. זה כמו אבן הפוגעת במים, חלק מאנרגיית הפגיעה מועברת לגלים שנעים החוצה לאורך השטח. גם התנגשות של חורים שחורים יוצרת גלים, גלי כוח כבידה המתרוצצים ברחבי היקום.

סימולציה זו מראה מה קורה כששני חורים שחורים מתקרבים, הם הופכים את המרחב לים סוער של גלי כבידה, הגלים האלה נושאים אנרגיה מהמסלול עצמו, מה שמאפשר לזוג למשוך זה את זה ולהתמזג לאחד.

סימולציה זו מראה כיצד גלקסיה, כמו שלנו, יתכן שהתגבשה ועוצבה בעזרת התנגשויות והתמזגויות. בתחילת הדרך הכבידה גררה מקבצי כוכבים וגז יחד, ככל שגדלה משכה וגנבה עוד.

למעשה היקום מלא בגלקסיות שקרעו זו את זו והתמזגו יחד. במהומה של כל מיזוג חדש קורבן אחר מושלך אל לסתות החור השחור ההולך וגדל ובאזורים הצפופים ביותר ביקום אחוז קטן מהמפלצות הללו הצליח לגדול למימדים ומסה שאנחנו בקושי יכולים לדמיין. ועדיין בתוך כל האלימות הזו חבויים רמזים לאופן שבו היקום ואפילו מקומות כמו כדור הארץ הפכו להיות מה שהם.

אסטרונומים תמהים כבר תקופה ארוכה לגבי נקודות אור בהירות במיוחד מהיקום הרחוק שנקראות קוואזרים. כאשר החור השחור האימתני מפרק גז כוכבים הנופלים ברשתו, החומר הזה מתחמם לכדי פלזמה ומואץ למהירויות המתקרבות למהירות האור בדיסקת ההאצה המקיפה את החור השחור. אפקט הקוואזר נוצר כאשר חלק מהפלזמה נפלט משני קטבי הדיסקה בשני סילונים אדירים ומאירים במיוחד.

אלו התמונות החדות ביותר שצולמו עד כה של קוואזר, בתמונות אנו רואים את הקוואזר 279 3C המיוחס לחור שחור שמסתו כמיליון מסות שמש. החור השחור אורב במרכזה הגלקסיה האליפטית הענקית M87

כיום חורים שחורים הם חלק בלתי נפרד מההבנה שלנו של התפתחות גלקסיות ושל מחזור החיים של כוכבים. הם משמשים במה לתיאוריות חדשות על כבידה ומכניקת קוונטים, כאשר מגוון התופעות הסובבות אותם מקדם את הידע שלנו בפיזיקה במגוון תחומים.