לחקור עצם בלתי נראה אשר נמצא במרחק מאות מיליוני שנות אור מאתנו עשוי להישמע בלתי אפשרי. אך בשנים האחרונות נוספה לארגז הכלים של האסטרופיזיקאים תופעה שיכולה לחשוף את אוכלוסיית החורים השחורים המסיביים ביותר ביקום. אם רק נדע לפרש אותה.

מאת יאיר הרכבי, חבר סגל בחוג לאסטרופיזיקה של אוניברסיטת תל-אביב

לא קל להביט אל מרכז הגלקסיה שלנו, שביל החלב. לא רק כי צריך לחדור את ה״אבק״ הבין כוכבי שבולע אור בתחום הנראה, אלא כי מסתתרת שם מפלצת. פרס נובל בפיזיקה לשנת 2020 ניתן בין היתר לשני חוקרים, אנדריאה גז וריינהארד גנזל, שהצליחו לחשוף את המפלצת הזו ולהסתכל לה ישר בעיניים [1]. הם פיתחו מכשירים ושיטות כדי להפיק תמונה ברורה וחדה של הנעשה בלב שביל החלב. שם הם מצאו קבוצה של כוכבים ועקבו אחרי התנועה שלהם במשך יותר מעשור. הכוכבים נצפו מקיפים נקודה במרחב בצורה שבה גופים אמורים להקיף עצם עם כוח משיכה של כ-4 וחצי מיליון שמשות. אבל מנקודה זו, שתחומה לאזור מאד קטן במרחב, לא נפלט אור כלל. איזה גוף יכול גם לייצר כוח משיכה של 4 וחצי מיליון שמשות, גם להיות קטן, וגם לא להפיק אור? חור שחור. ולא סתם חור שחור, אלא חור שחור על-מסיבי.

גלקסיית שביל החלב אינה היחידה שמסתירה כזו מפלצת במרכזה. למעשה, חור שחור על-מסיבי ככל הנראה שוכן במרכזה של כל גלקסיה גדולה דיה [2], ובמקרים מסוימים יכול להיות בעל מסה של כמה עשרות מיליארדי או אפילו מאה מיליארד שמשות [3]. לא ברור איך ומתי המפלצות הללו נוצרות, ולאחרונה מגלים אותן גם ביקום הצעיר, אפילו כשגיל היקום קטן יותר מהזמן שאמור לקחת לחורים שחורים כאלו להיווצר [4]. האתגר בחקר חורים שחורים, הוא שהם, כמובן, שחורים – לא פולטים אור – ולכן קשה מאד לראות אותם. את השיטה ששימשה לגילוי החור השחור העל-מסיבי בשביל החלב – מדידת התנועה של כוכבים סביבו – אפשר ליישם רק בגלקסיות הקרובות ביותר אלינו. מעבר אליהן, גם הטלסקופים הכי משוכללים לא יכולים להבחין בתנועה של כוכבים בודדים במרכזי גלקסיות.

מסלולי תנועת הכוכבים במרכז שביל החלב (סימונים של מיקום הכוכב אחת לשנה) מראים שהם מקיפים עצם בלתי נראה בעל כוח משיכה של 4 וחצי מיליון שמשות. קרדיט: A .Ghez

קיימת שיטה נוספת ״לראות״ חורים שחורים למרחקים גדולים יותר. כ-10% מהחורים השחורים שרויים בתוך מצבור של גז. הגז מקיף את החור השחור, ולאט ולאט נופל עליו [5, 6]. כמו מים המתנקזים באמבטיה, ככל שהגז מתקרב לחור השחור, כך הוא מסתובב מהר יותר. אך בניגוד למים באמבטיה, הגז סביב חור שחור מגיע למהירויות כל כך גבוהות שהוא מתחמם ופולט אור. על רקע אור כזה, צולמה לאחרונה [7] ה״צללית״ של החור השחור העל-מסיבי שבמרכז הגלקסיה M87. למעשה, באופן אירוני, גז שנמצא רגע לפני היעלמות לחור שחור הוא מקור האור הבהיר ביותר ביקום. באמצעות האור הזה ניתן לא רק לזהות חורים שחורים, אלא גם להעריך את המסה שלהם ולפעמים אפילו את קצב הסיבוב שלהם סביב עצמם.

צללית החור השחור העל-מסיבי במרכז הגלקסיה M87 על רקע הגז שמקיף אותו, אשר מתחמם ומאיר. קרדיט: Event Horizon Telescope.

אולם, שיטה זו תקפה רק לאותם 10% מהחורים השחורים ה״פעילים״. מעבר לגלקסיות השכנות של שביל החלב, 90% מהחורים השחורים בלתי-נראים לחלוטין. אלא אם, וזה ״אם״ מאד נדיר (פעם בכמה עשרות אלפי שנים בגלקסיה), כוכב חסר מזל מתקרב לחור השחור ונופל קורבן לאירוע של ״קריעה גאותית״ [8].

תופעת הגאות על כדוה״א נגרמת בגלל כוח המשיכה של הירח, שמושך חזק יותר את מי האוקיינוס שנמצאים בצד של כדוה״א שקרוב לירח, לעומת מי האוקיינוס שנמצאים בצד השני [9]. כך גם הכוכב חסר המזל שהתקרב לחור השחור, ירגיש את כוח המשיכה של החור השחור באופן חזק יותר בצדו שפונה לחור השחור. אם הכוכב מתקרב לחור השחור מספיק, ההבדל בין המשיכה שהוא ירגיש בצדו האחד לעומת צדו השני יכול להיות גדול יותר מהכבידה העצמית של הכוכב, אשר מחזיקה אותו ביחד. כתוצאה מכך, הכוכב יעבור ספגטיפיקציה [10] ויקרע. מחציתו יכנס למסלול סביב החור השחור, ומחציתו יועף החוצה חזרה לחלל. כמו הגז הנע סביב חורים שחורים פעילים, חצי הכוכב המקיף את החור השחור יסתחרר קרוב יותר ויותר לחור השחור, יתחמם, ויפלוט אור. בניגוד לחורים שחורים פעילים שנהנים מאספקת גז עצומה שממשיכה להפיק אור ברצף, כאן עוצמת האור תחלוף תוך מספר שבועות או חודשים כאשר כל מחצית הכוכב תיפול על החור השחור. מבחינת החור השחור מדובר בנשנוש, במקום בארוחת מלכים.

התופעה של קריעה גאותית של כוכבים (או Tidal Disruption Events, TDEs), נחזתה כבר בשנות ה-70 [11]. אך רק בשנים האחרונות הצלחנו למצוא ולזהות אותה בטלסקופים בזמן אמת [12]. אחת הסיבות שלקח כל כך הרבה זמן להתחיל לגלות את האירועים האלו, היא שתכונות האור שנפלט מהם שונות ממה שציפינו. כאשר גז מתחמם לפני נפילה על חור שחור, הוא פולט אור אנרגטי מאוד בקרני רנטגן. אולם האירועים שאנו מוצאים היום פולטים אור בעיקר בתחום האופטי – בטמפרטורה ובבהירות נמוכים פי 10 עד פי 100 משצפו החישובים התיאורטיים. מדוע? אנחנו לא לגמרי יודעים.

תעלומה נוספת הקשורה באירועים הללו היא הגלקסיות שבהן אנו מוצאים אותם [13,14]. כמעט כל אירועי הקריעה הגאותית שמתגלים היום הם בגלקסיות שחוו התפרצות של יצירת כוכבים לפני כמה מאות מיליוני שנים. מדובר בסוג גלקסיות נדיר – בעוד הן מהוות אחוזים בודדים מהגלקסיות ביקום, הן אחראיות לכ-9 מתוך כל 10 אירועי קריעה גאותיים. כיצד פרץ יצירת כוכבים קשור להפקה מוגברת של אירועי קריעה גאותיים כמה מאות מיליוני שנים מאוחר יותר? גם את זה אנחנו לא לגמרי מבינים.

יצאנו לחפש אירועי קריעה גאותית של כוכבים סביב חורים שחורים על-מסיביים כדי שנוכל לזהות ולחקור את החורים השחורים עצמם. אכן מצאנו את האירועים שחיפשנו, אבל כמו שקורה פעמים רבות במדע, הם הציגו בפנינו תעלומות חדשות שלא ציפינו להן. בעוד אנו מוצאים וחוקרים עוד ועוד אירועים כאלו, אנחנו מקווים שנוכל גם לפתור את התעלומות שלהם, וגם ללמוד להשתמש בהם כדי לחקור את המפלצות השוכנות במרכזן של הגלקסיות.

קישורים לקריאה נוספת ומקורות:

[1] פוסט של "מדע גדול, בקטנה" על פרס נובל בפיזיקה לשנת 2020

[2] חורים שחורים על-מסיביים במרכזי גלקסיות

[3] הערכת מסת חורים שחורים על-מסיביים

[4] חור שחור על-מסיבי ביקום הצעיר

[5] מודלים למרכזי גלקסיות פעילים וקווזארים

[6] הדמוגרפיה של חורים שחורים על-מסיביים

[7] פוסט של "מדע גדול, בקטנה" על צילום צללית של חור שחור על-מסיבי

[8] קריעה גאותית של כוכב ע"י חור שחור

[9] פוסט של "מדע גדול, בקטנה" על גאות ושפל

[10] פוסט של ״מדע גדול, בקטנה״ על ספגטיפיקציה

[11] חיזוי התופעה של קריעה גאותית

[12] גילוי תצפיתי של תופעת קריעה גאותית

[13] מאפיינים של אירועי קריעה גאותית מתצפיות

[14] הגלקסיות בהן מתרחשים אירועי קריעה גאותית