בלב לבה של כמעט כל גלקסיה שוכן חור שחור על-מסיבי שאינו יודע שובע. חור שחור מרכזי כזה גדל כל העת על ידי בליעת גז מסביבתו, אבל נראה שקצב גידול החור השחור תלוי בצורה לא צפויה במסת הגלקסיה המארחת. חוקרים מהאוניברסיטה העברית ומהמכון לאסטרופיזיקה בפריז מציעים הסבר לתעלומה זו.

קשה לדבר על גלקסיות מבלי לדבר על החור השחור שבמרכזן. חוקרים מעריכים שבלב רוב רובן של הגלקסיות שוכן חור שחור על-מסיבי, שמסתו נעה בין מאות אלפי עד מיליארדי פעמים מסת השמש (לצורך השוואה, מסתו של חור שחור "רגיל", שנוצר מקריסת כוכב מסיבי, היא לכל היותר כמה עשרות מסות שמש [1]). גם גלקסיית הבית שלנו, גלקסיית שביל החלב, מאכלסת במרכזה חור שחור על-מסיבי (שעל גילויו הוענק אשתקד פרס נובל בפיזיקה [2]). הגלקסיה והחור השחור העל-מסיבי שבמרכזה מתפתחים יחד, ויחסי הגומלין ביניהם אחראים לכמה מהתופעות הדרמטיות (יש שיאמרו, האלימות) ביותר ביקום [3].

מרכזי גלקסיות נוטים להיות מקום שוקק פעילות - ככה זה כשיש חור שחור על-מסיבי בסביבה. החור השחור גדל על ידי ספיחת גז מסביבתו, שנע בתנועה ספירלית פנימה תחת השפעת הכבידה ומצטרף למעין פיתה, או בעגה המקצועית, דיסקת ספיחה (למה דיסקה? חִשבו על בצק פיצה שנזרק לאוויר בתנועה סיבובית). בדיסקת הספיחה, חלקיקי הגז הדחוס מתנגשים זה בזה ומאבדים אנרגיה ותנע זוויתי, מה שגורם להם ליפול קרוב יותר ויותר אל החור השחור. ככל שהגז מתקדם פנימה הוא נע מהר יותר, מתחמם בעקבות החיכוך ופולט קרינה אדירה [4]. בנוסף, מחלק מדיסקות הספיחה בוקעים שני סילונים רבי עוצמה, שזורקים גז הרחק מהחור השחור בניצב לדיסקה. מרכזי גלקסיות שבהם כל האקשן הזה מתרחש מכונים גרעיני גלקסיות פעילים.

אם כן, אמנם חור שחור הוא בלתי נראה בפני עצמו [5], אך החגיגה שסביבו מסנוורת למרחקים. אכן, תצפיות אסטרונומיות מתעדות קרינה וסילונים הנפלטים ממרכזי גלקסיות. ככל שהגז מזין את החור השחור מהר יותר, עוצמת הקרינה והסילונים גדולה יותר. כך ניתן להסיק, מהתצפיות שנאספו, קשר מעניין בין קצב גידול החור השחור העל-מסיבי לבין מסת הגלקסיה המארחת אותו. ניתן היה לצפות שמסת החור השחור המרכזי תגדל מתכונתית למסת הגלקסיה, אבל בפועל קצב הגידול של החור השחור מזדחל בגלקסיות שמתחת למסה מסוימת, ואז עולה בחדות. לא ידוע על מנגנון שמסביר תופעה זו במסגרת פיזיקה של חורים שחורים, ולכן החשד מופנה לתהליכים שקורים בגלקסיה המארחת. השאלה היא, אם כן: מהם המנגנונים האחראים על עיכוב או האצת ספיחת הגז אל החור השחור המרכזי במסות השונות, ומה הקשר שלהם להתפתחות הגלקסיה כולה?

מחקר חדש [6][7] של פיזיקאים מהאוניברסיטה העברית ומהמכון לאסטרופיזיקה בפריז עוסק בשאלות אלו. בעזרת ניתוח סימולציות מחשב מתקדמות עקבו החוקרים אחר התפתחות גלקסיות במקביל להתפתחות החור השחור שבמרכזן. מעבודות קודמות עולה שקיימת מסה קריטית עבור גלקסיות המכונה "מסת הזהב", שערכה בסביבות המסה המוערכת של גלקסיית שביל החלב, והיא מעין סף מבחינת התהליכים המתרחשים בגלקסיה, הרכבה והמבנה שלה. בפרט, משני צִדי מסת הזהב קיימים מנגנונים שמעכבים את יצירת הכוכבים בגלקסיה, והמשחק בין שני המנגנונים הוא שמכתיב את המסה המיוחדת הזו.

נספר על מנגנונים אלו על קצה המזלג: מתחת למסת הזהב קיים מנגנון שנקרא משוב סופרנובות. בקצרה, סופרנובה היא פיצוץ אלים שבו כוכבים מסוימים מסיימים את חייהם [8]. הסופרנובה מניעה "רוח" (כלומר, זרם חלקיקים) אימתנית, ובכך מסלקת גז ביעילות מהגלקסיה ומפריעה להיווצרות כוכבים (שנולדים מענני גז [9]). תהליך זה אינו יעיל כאשר הגלקסיה מסיבית מספיק כדי "לנעול" בכוח משיכתה את רוח הסופרנובות ובכך למנוע את הסתלקות הגז. מהצד השני, מעל מסת הזהב מתקיים מנגנון חימום כבידתי שמדכא את אספקת הגז הקר לגלקסיה. גז קר הוא מרכיב קריטי ליצירת כוכבים [10], וכך מנגנון חימום הגז גורם לרוויה ביצירת הכוכבים בגלקסיה. הצטלבות טווחי המסות שבהם מנגנונים אלו פעילים מותירה - הפלא ופלא - את מסת הזהב, שבה היווצרות כוכבים בגלקסיה היא היעילה ביותר.

בחזרה לחור השחור העל-מסיבי: במסות נמוכות, המנגנון של משוב סופרנובות מעכב את גידול החור השחור על ידי דילול סביבתו מהגז המזין אותו. אבל זכרו - כשמגיעים למסת הזהב מנגנון זה מפסיק להיות אפקטיבי (כי עתה הגלקסיה מסיבית מספיק כדי שכוח משיכתה ימנע את העפת הגז), וגידול החור השחור על ידי ספיחת גז שב ומתאפשר. עתה, מה מזין את החור השחור וגורם לעלייה החדה שרואים בקצב גידולו בגלקסיות שמסתן באזור מסת הזהב?

כאן בא החידוש שבמחקר: הסימולציות מראות שבגלקסיות כאלו מתאפשרת דחיסה דרמטית של גז לכיוון מרכז הגלקסיה (בעקבות התמזגויות של גלקסיות, למשל). ככל הנראה, אותם המנגנונים שתיארנו קודם מפריעים לתהליך הדחיסה בגלקסיות שמסתן נמוכה או גבוהה מדי, וכך נשאר חלון מסות צר יחסית באזור מסת הזהב שבו דחיסת הגז יעילה. שלב הדחיסה הוא המניע את השינויים המשמעותיים בתכונות שהזכרנו קודם, המבדילות בין גלקסיות שמסתן מעל ומתחת למסת הזהב. בנוסף, דחיסת הגז המתרחשת במרכז הגלקסיה מתניעה מחדש את ספיחת הגז אל החור השחור, שמכאן ואילך יכול להמשיך ולתפוח במהירות באין מפריע.

כך, אותם המנגנונים שמכתיבים את מסת הזהב עבור היווצרות כוכבים בגלקסיות, שבים ומופיעים בתהליכי דחיסה ובקביעת קצב הגידול של החור השחור המרכזי. זוהי עוד דוגמה מעניינת לאופן שבו ההתפתחות של גלקסיה מטביעה את חותמה על החור השחור שבטבורה.

עריכה: אבישי גילקיס

מקורות וקריאה נוספת:

[1] חור שחור כוכבי, מתוך ויקיפדיה

[2] סקירת פרס נובל בפיזיקה לשנת 2020, באתר מדע גדול, בקטנה

[3] על סימביוזה של חורים שחורים וגלקסיות, באתר מדע גדול, בקטנה

[4] מצגת ברשת על תהליך הספיחה

[5] סקירה של תורת היחסות הכללית וחורים שחורים, באתר מדע גדול, בקטנה

[6] Compaction-driven black hole growth

[7] Origin of the Golden Mass of Galaxies and Black Holes

[8] על האופן בו כוכבים מסיימים את חייהם, באתר מדע גדול, בקטנה

[9] איך כוכב נולד, באתר מדע גדול, בקטנה

[10] כל מה שצריך זה גז קר