כיצד חורים שחורים הפכו למעבדה הגדולה ביותר לחיפוש אחר החומר האפל

הצל של חור שחור הוא המקום האפל ביותר ביקום, אבל מה אם הוא מחזיק את המפתח לתעלומה הגדולה ביותר במדע? מחקר חדש חושף כיצד אסטרונומים מתכננים להציץ לתוך הצללים הללו כדי לצוד את החומר האפל. מה שהם ימצאו - או לא ימצאו - עשוי לשנות את כל מה שאנחנו יודעים על הקוסמוס.

באפריל 2019, ההיסטוריה האנושית השתנתה. לראשונה, ראינו במו עינינו את הבלתי נראה. רשת של טלסקופים ברחבי העולם, שפעלה בתיאום מושלם תחת השם "טלסקופ אופק האירועים" (Event Horizon Telescope, או EHT), כיוונה את מבטה המשותף אל לב הגלקסיה M87, במרחק של 55 מיליון שנות אור, וחשפה תמונה שהפכה לאייקון מיידי: צללית אפלה ומושלמת, מוקפת בטבעת אש כתומה ומהפנטת. זה היה הצל של חור שחור סופר-מסיבי, אישור ויזואלי עוצר נשימה לתיאוריות של איינשטיין, וחלון הצצה אל סף התהום של המרחב-זמן.

חור שחור במרכז הגלקסיה הענקית M87

התמונה הזו סיפרה לנו על כבידה קיצונית, על אור שכופף עד כדי כך שהוא מקיף את עצמו, ועל נקודת האל-חזור שממנה דבר, אפילו לא אור, יכול להימלט. אך כעת, קבוצת חוקרים מציעה שהחלק המעניין ביותר בתמונה אינו טבעת האור הבוהקת, אלא דווקא החושך שבמרכזה. הם מאמינים שדווקא שם, בתוך הצל האפל ביותר ביקום, עשוי להסתתר המפתח לפענוח התעלומה הגדולה והמתסכלת ביותר בפיזיקה המודרנית: מהו החומר האפל?

כדי להבין את הרעיון המהפכני הזה, עלינו תחילה להבין מהו בעצם אותו "צל". בניגוד לאינטואיציה, הצל אינו תמונה של החור השחור עצמו, שכן הוא אינו פולט או מחזיר אור. הצל הוא תוצר של משחקי אור וכבידה קיצוניים. האור שאנו רואים מגיע מגז לוהט המסתחרר סביב החור השחור במהירות הקרובה למהירות האור. חלק מקרני האור הללו נמלטות ומגיעות אלינו, ויוצרות את הטבעת הבוהקת. קרניים אחרות, קרובות מדי לחור השחור, נלכדות במסלולו ונופלות פנימה. הצל הוא האזור בשמיים שממנו אף קרן אור לא הצליחה לברוח; זוהי טביעת הרגל של אופק האירועים על רקע הגז הלוהט. אך גם בתוך האזור הזה יש רמות שונות של חושך. ישנו ה"צל החיצוני", שבו עדיין עשוי להיות אור חלש מסילוני הגז הנפלטים מהחור השחור, וישנו ה"צל הפנימי", אזור קטן וכהה עוד יותר במרכז, המוגדר על ידי צלליתו של קו המשווה של אופק האירועים עצמו לאחר שעבר עידוש כבידתי. זהו המקום האפל ביותר שניתן לצפות בו ביקום, נקודה שבה כל מקור אור אסטרופיזיקלי רגיל חסום לחלוטין. ודווקא אל הנקודה הזו, אל לב החשכה, המדענים מפנים כעת את מבטם.

במקביל למסע לחקר חורים שחורים, מתנהל כבר עשרות שנים מסע אחר, מסתורי לא פחות: החיפוש אחר החומר האפל. אנו יודעים שהוא קיים. אנו רואים את השפעתו הכבידתית בכל מקום - הוא מחזיק את הגלקסיות שלנו שלא יתפרקו, הוא מכופף את אורן של גלקסיות רחוקות, והוא היווה את הפיגום הבלתי נראה שעליו נבנה המבנה הכולל של היקום. הוא מהווה כ-85% מכלל החומר ביקום, אך אין לנו מושג ממה הוא עשוי. הוא אינו פולט, מחזיר או בולע אור, ומכאן שמו. במשך שנים, פיזיקאים בונים גלאים ענקיים במעמקי מכרות נטושים, בניסיון נואש לתפוס חלקיק חומר אפל בודד שיתנגש באחד האטומים בגלאי. עד כה, כל הניסיונות עלו בתוהו.

אחת התיאוריות המובילות גורסת שהחומר האפל מורכב מחלקיקים מסיביים בעלי אינטראקציה חלשה, המכונים WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). על פי תיאוריה זו, חלקיקי WIMP הם האנטי-חלקיקים של עצמם. משמעות הדבר היא שכאשר שני חלקיקי WIMP נפגשים, הם משמידים זה את זה בפרץ של אנרגיה, ויוצרים חלקיקים מוכרים לנו, כמו אלקטרונים ופוזיטרונים. ברוב המקומות ביקום, צפיפות החומר האפל נמוכה מכדי שמפגשים כאלה יקרו בתדירות גבוהה. אבל יש מקום אחד שבו חומר אפל צפוי להצטבר בצפיפות אדירה: מרכז הכבידה העצום של חור שחור על-מסיבי. כמו מים המתנקזים לכיור, חלקיקי חומר אפל אמורים להימשך ולהילכד סביב החור השחור, וליצור הילה צפופה ביותר. ובתוך ההילה הזו, ההתנגשויות והאיונים אמורים להתרחש בקצב מסחרר.

כאן שני הסיפורים - של החור השחור ושל החומר האפל - מתאחדים. המחקר החדש מציע שאותן השמדות של חומר אפל סביב החור השחור יפיקו זרם קבוע של אלקטרונים ופוזיטרונים באנרגיה גבוהה. החלקיקים הללו, בתנועתם דרך השדות המגנטיים החזקים המקיפים את החור השחור, יפלטו קרינת סינכרוטרון - סוג של אור בתדרי רדיו. הקרינה הזו אמורה ליצור מעין "ערפל" זוהר ועדין סביב החור השחור. רוב הערפל הזה יבלע בתוך האור הבוהק של טבעת האש, אך חלקו ייווצר בתוך האזור שאמור להיות חשוך לחלוטין. במילים אחרות, אם תיאוריית ה-WIMP נכונה, הצל הפנימי של החור השחור לא אמור להיות שחור לחלוטין. הוא אמור לזהור בזוהר חלש מאד, שמקורו בהשמדת החומר האפל.

החוקרים לקחו את הרעיון הזה צעד קדימה. הם השתמשו בסימולציות מחשב מורכבות של סביבת חור שחור, המבוססות על תורת היחסות הכללית, והוסיפו להן את הפיזיקה של השמדת חומר אפל. הם חישבו בדיוק כיצד הזוהר הזה ייראה, ומהי עוצמתו הצפויה עבור סוגים שונים של חלקיקי WIMP. התוצאות מראות שהאות הזה, על אף היותו חלש, עשוי להיות ניתן למדידה. טלסקופ אופק האירועים הנוכחי כבר מסוגל לקבוע גבול עליון לעוצמת האור המגיעה מתוך הצל. על ידי ניתוח התמונות הקיימות, החוקרים כבר הצליחו לשלול קיומם של סוגים מסוימים של חלקיקי חומר אפל, כאלה שהיו אמורים לייצר זוהר חזק יותר ממה שנצפה.

אך הפריצה האמיתית עוד לפנינו. הדור הבא של טלסקופ אופק האירועים (Next Generation EHT, או ngEHT), שנמצא בשלבי תכנון, יהיה רגיש ומדויק הרבה יותר. הוא יוכל למדוד את הזוהר בתוך הצל ברגישות גבוהה פי כמה, ולהציב גבולות חזקים באופן דרמטי על תכונות החומר האפל. למעשה, החוקרים מראים שהיעדר מוחלט של אות בתוך הצל בתצפיות עתידיות ישלול אזורים נרחבים במפת האפשרויות של חלקיקי WIMP, אזורים ששום ניסוי קרקעי לא יוכל להגיע אליהם בעתיד הנראה לעין.

הרעיון הזה הופך את פרדיגמת החיפוש על פיה. במקום לבנות גלאים גדולים יותר ויותר בתקווה שחלקיק חומר אפל בודד יתנגש בהם במקרה, אנו יכולים להשתמש בחורים שחורים כמעבדות קוסמיות טבעיות. החור השחור משמש כמגבר אדיר - הוא אוסף ומרכז את החומר האפל במשך מיליארדי שנים, ואז מאפשר לנו לחפש את תוצרי ההשמדה שלו. זהו ניסוי שהיקום מבצע עבורנו. היופי בשיטה הזו הוא שהיא אינה תלויה במציאת אות, אלא דווקא בהיעדרו. ככל שהצל של החור השחור יתגלה כאפל יותר, כך נוכל לשלול בביטחון רב יותר עוד ועוד מועמדים לתפקיד החומר האפל. זהו ציד בצללים, חיפוש אחר האור הקלוש ביותר בלב החשכה, מסע שבו חור שחור במרחק 55 מיליון שנות אור עשוי סוף סוף לגלות לנו ממה עשוי רוב היקום שלנו.

המחקר:

Illuminating Black Hole Shadow with Dark Matter Annihilation