פרס קוולי באסטרופיזיקה לשנת 2020 הוענק לפרופ' אנדרו פביאן מהמכון לאסטרונומיה של אוניברסיטת קיימברידג' באנגליה, על מחקרו בנושא זרימת גז בצבירי גלקסיות לתוך חורים שחורים על-מסיביים הנמצאים במרכז הצבירים. מהם צבירי גלקסיות, מהו הגז שבתוכם, ומה תפקידם של החורים השחורים?

הגלקסיה בה אנו חיים, שביל החלב, מכילה מאות מיליארדי כוכבים כמו השמש שלנו. גלקסיית שביל החלב היא חלק מקבוצת גלקסיות המכונה "הקבוצה המקומית", המכילה גם את גלקסיית אנדרומדה השכנה, ועוד מספר גלקסיות קטנות. הקבוצה המקומית היא חלק מצביר-על של קבוצות גלקסיות (בהן יש עשרות גלקסיות) וצבירי גלקסיות (בהם אלפי גלקסיות ויותר) בשם וירגו. לאחרונה הוצעה הגדרה חדשה לצביר-על לפיה אנו נמצאים בתוך מבנה גדול אף יותר בשם לניאקיאה, המכיל כמאה אלף גלקסיות, ומשתרע על פני כחמש מאות מיליון שנות אור [1]. כפי שאנו מבינים כיום, היקום מורכב ממבנים רבים כאלו של צבירי-על, וצבירי גלקסיות בתוכם, הנמצאים במרחקים עצומים מאיתנו.

הבדל משמעותי בין צביר גלקסיות לצביר-על הוא, שבעוד צבירי-על מתרחבים עם הזמן עקב התפשטות היקום, בתוך צבירי גלקסיות כוח המשיכה העצמי של הצביר מתגבר על המהירות הנובעת מהתפשטות היקום, ומונע מהצביר להתרחב. כלומר, צבירי גלקסיות, אשר מכילים בין מאות לאלפי גלקסיות כל אחד, הם המבנים הגדולים ביותר ביקום הידועים לנו, הקשורים בכוח הכבידה.

מה מחזיק את הצביר קשור? ישנן הגלקסיות עצמן, כמובן, אך הן אינן כבדות מספיק על מנת לשמור על מבנה כה עצום, כלומר אינן מייצרות מספיק כח משיכה. משוער כי קיים "חומר אפל" אשר מספק את כוח הכבידה הדרוש לשמירה על הצביר, אך לא ניתן לראותו באופן ישיר, ובכל מקרה זהו נושא אחר (מידע נוסף ניתן למצוא בפוסט קודם [2]). מרכיב חשוב נוסף בצבירי גלקסיות הוא גז דליל וחם, בטמפרטורה של מיליוני מעלות, וצפיפות של כחלקיק בודד לכל ליטר של חלל - צפיפות נמוכה בהרבה מהוואקום הטוב ביותר שניתן לייצר במעבדה על כדור הארץ. מרחבי החלל כל כך גדולים שאפילו גז כה דליל מצטבר בסופו של דבר לכמות חומר הכבדה פי עשרה מכל הגלקסיות בצביר יחד!

את הגז החם, הנקרא התווך התוך-צבירי (ICM - intra-cluster medium), לא ניתן לגלות באמצעות אור נראה. לכן, תמונות מטלסקופים כגון טלסקופ החלל האבל יציגו בעינינו רק אוסף של גלקסיות יפות (או מפוקסלות, בגלל המרחק הגדול). מה שמעיד על הימצאותו של הגז החם היא קרינת רנטגן. הגז החם פולט קרינה אלקטרומגנטית בתחום של קרינת רנטגן, או בשמה הנוסף קרינת איקס. ניתן למדוד את כמות הגז בעזרת מדידת עוצמת הקרינה (ראו תמונת הפוסט מטלסקופ החלל צ'אנדרה שמצלם קרינת רנטגן).

לפי חישוב פשוט, כמות האנרגיה אשר נפלטת בקרינת רנטגן מהגז החם תביא לקירור משמעותי שלו בזמן של עשרות מיליוני שנים בלבד, לעומת גיל של מעל מיליארד שנים עבור רוב צבירי גלקסיות. כלומר, הגז החם "מבזבז" את מאגר האנרגיה שלו על ידי פליטת קרינה בקצב מהיר מדי בשביל להישאר חם ואנרגטי כפי שהוא נצפה. בהמשך של אותו קו מחשבה, ועם חישובים מפורטים יותר, אמורה להיווצר זרימה חזקה של גז קר למרכזו של צביר הגלקסיה [3]. אולם תופעה זו אינה נצפית, בעשרות צבירי גלקסיות בהן עוצמת קרינת הרנטגן הייתה אמורה לכאורה ליצור "זרמי קירור". תעלומה זו מעסיקה מדענים במשך עשרות שנים, ועל מנת לפתור אותה פותחו מודלים ונאספו תצפיות רבות.

כאן נכנס לסיפור פרס קוולי לשנת 2020, שהוענק על ידי האקדמיה הנורווגית למדעים לפרופ' אנדרו פביאן מהמכון לאסטרונומיה של אוניברסיטת קיימברידג' באנגליה, אשר חקר במשך עשרות שנים את התהליכים המתרחשים בצבירי גלקסיות [4].  במחקרו, מציג פביאן תרחיש של מנגנון משוב המתרחש בצבירי גלקסיות, שבו הגז המתקרר נשאב לתוך חור שחור על-מסיבי (חור שחור הכבד פי מיליונים עד פי מיליארדים מהשמש, לעומת חור שחור "רגיל" הכבד רק פי עשרה מהשמש), אשר מסביבתו נפלט חומר אנרגטי המחמם בחזרה את התווך התוך-צבירי. תצפיות, ברמת פירוט אשר הולכת ומשתפרת עם השנים ועם התפתחות הטכנולוגיה, מספקות עדויות לתרחיש הזה [5]. במרכז צביר הגלקסיות ישנה גלקסיה גדולה במיוחד, שבמרכזה חור שחור על-מסיבי אשר שואב את רוב הגז מסביבתו, אך חלק מהגז מואץ ובורח מסביבת החור השחור בצורת סילונים עם אנרגיה עצומה. תצפיות באמצעות טלסקופ החלל צ'אנדרה (טלסקופ המודד קרינת רנטגן) חושפות, כי בצביר הגלקסיות פרסאוס (תראו את זה!) ישנן אדוות של גלי קול בגז החם, המעידות על התפרצות אנרגטית מאזור החור השחור שבמרכז הצביר [6]. 

התמונה המתגבשת היא, שמתרחש מעין תהליך סימביוטי, בו חור שחור שואב גז המתקרר מהסביבה ובשל כך גדל, ובאותו זמן מפעיל את "מנוע החימום" אשר שומר על הגז של הצביר חם. הבנת התהליכים המקשרים בין צבירי גלקסיות לבין הגז והחורים השחורים שבתוכן חשובה לבניית תמונה ברורה לגבי היווצרות המבנים הגדולים ביותר המרכיבים את היקום שלנו. כיום, ישנה הסכמה כי תהליך מעין זה מתרחש בצבירי גלקסיות, אך כמו הרבה פעמים במדע הדעות חלוקות עדיין, למשל על מה הם בדיוק המנגנונים הפיזיקליים דרכם מתרחש החימום. אך את הפרטים האלו נשאיר לויכוחים האקדמיים (כן ירבו), מחוץ לפוסט הזה.

מקורות:

[1] לניאקיאה
[2] מהו חומר אפל?
[3] זרמי קירור בצבירי גלקסיות
[4] פרס קוולי באסטרופיזיקה לשנת 2020
[5] עדויות תצפיתיות למנגנון משוב בגלקסיות
[6] תצפיות בקרינת איקס של צביר הגלקסיות פרסאוס