ידענים: חורים שחורים | שביל החלב

מאת 2 בספטמבר 2010 28 תגובות

מרכז שביל החלב נמצא במרחק של 26,000 שנות אור מכדור הארץ. ממש כמעט מרחק נסיעה מכאן בחללית שנעה במהירות של …99.9999999999999 אחוז ממהירות האור.

מרכז שביל החלב, המכיל גם את החור השחור *Sagittarius A. החור השחור וכמה כוכבים צעירים מאסיביים באיזור זה יוצרים את האדים המחוממים של גז הנראים בתדרי קרינת X. צילום: הלווין צ'אנדרה, אוניברסיטת הארווארד ואוני' טוקיו

מרכז שביל החלב, המכיל גם את החור השחור *Sagittarius A. החור השחור וכמה כוכבים צעירים מאסיביים באיזור זה יוצרים את האדים המחוממים של גז הנראים בתדרי קרינת X. צילום: הלווין צ'אנדרה, אוניברסיטת הארווארד ואוני' טוקיו

מרכז שביל החלב נמצא במרחק של 26,000 שנות אור מכדור הארץ. ממש כמעט מרחק נסיעה מכאן בחללית שנעה במהירות של …99.9999999999999 אחוז ממהירות האור. מאידך, ישנם אסטרופיסיקאים כמו האסטרופיזיקאית מאוניברסיטת UCLA בקליפורניה פרופ' אנדראה גז, שמכירים מקרוב את המרכז הזה, כאילו בקרו בו אך אתמול. מאז אמצע שנות התשעים גז מדדה את תנועת הכוכבים בלב ליבה של הגלקסיה שלנו. היא אספה עדויות שמרכיבות פאזל לפיו שוכן חור שחור סופר מאסיבי בדיוק במרכז זה של שביל החלב (ראו סרט TED למטה).

חור שחור זה נראה כבעל מסה שהיא מעל פי שלושה מיליון ממסת השמש שלנו. מהו חור שחור סופר מאסיבי? חורים שחורים הם עצמים אקזוטיים בחלל. חור שחור הוא עצם בחלל הבולע כמות אדירה של מסה אל תוך נפח אפסי. כיוון שכך, ההבנה של מרכז החור השחור – הקרויה סינגולאריות – היא מחוץ לטווח יכולתו של האסטרופיזיקאי. ועל כך אמר ג'ון ויילר את המשפט המפורסם "לחורים שחורים אין שיער". חורים אסטרופיסיקאלים נקבעים על ידי מסתם, המטען והתנע הזוויתי שלהם. כל השאר הוא "שערות" שנעלמות מאחורי אופק האירועים, ולכן לא ניתן לצפות בהן.
הפיזיקאים מנסים לשלב בין מכניקת הקוונטים – שמתארת כיצד פועל העולם הזעיר – לתורת היחסות הכללית – שמתארת את הבנתנו את עולם הכבידה רחב הידיים – והכל כדי להבין מה מתרחש בלב לבו של החור השחור.

המצוד אחרי החור השחור במרכז שביל החלב

למעשה לפני 30 שנה בערך המדענים החלו חושבים על האפשרות שחורים שחורים עשויים להתקיים בגלקסיות בלתי רגילות בעלות גרעינים אקטיביים, דהיינו כאלה שמרכזן הוא אקטיבי. החלו אפוא לבחון את האפשרות, שיתכן ומצוי חור שחור סופר מסיבי במרכזן של אותן גלקסיות, כזה שמתדלק את הפעילות הבלתי רגילה של מרכזן. אולי מה שאנו למעשה רואים הוא לא אחר מאשר חומר הנופל היישר אל תוך המפלצות הענקיות האלה שנמצאות במרכז הגלקסיות האקטיביות האלה? המדענים שאלו את עצמם: האם לחורים השחורים האלה ישנה סעודה ענקית שמתדלקת אותם?
מכאן האסטרופיסיקאים הסיקו, שיתכן וישנם חורים שחורים נוספים בגלקסיות נוספות. התברר שכנראה במרכזן של כל הגלקסיות, גלקסיות רגילות, שוכן חור שחור סופר מאסיבי זללן. מחשבות אלה הובילו אסטרופיסיקאים לחשוב, שכנראה בגלקסיה שלנו – בשביל החלב – שוכן חור שחור סופר מאסיבי.

בשנות השמונים הופיע הרמז הראשון להופעת ריכוזי מסה גבוהים יותר במרכז הגלקסיה שלנו. בתחילה כמובן ניתן היה להסביר את התופעה על ידי זה שהניחו את הריכוז הנורמאלי של הכוכבים והגז המצויים בסביבות מרכז הגלקסיה שלנו. התצפיות עדיין לא רכזו את המסה הרגילה לנפח קטן מספיק, כדי שהדבר ידגים את הקיום של חור שחור במרכז הגלקסיה. כיוון שכך, מדענים מסוימים הציעו שאולי במרכז הגלקסיה שוכן אוסף של דברים שהם אינם זורחים. לדוגמא, כוכבים מתים. זו הייתה בהחלט אפשרות סבירה לנוכח הניסויים שבוצעו באותה תקופה. עדיין נותרו רמזים לכך שניתן היה בכל זאת להסביר את התצפיות טוב יותר באמצעות מודל החור השחור הסופר מאסיבי במרכז הגלקסיה. אולם העדויות לא היו מספיקות דיין לתסריט זה.

כיצד לבסוף יכלו בכל זאת להוכיח את קיומו של חור שחור סופר מאסיבי במרכז שביל החלב? המפתח להוכחה היה מונח בהדגמת כמות מסה עצומה בנפח זעיר. ההדגמה בוצעה בעזרת התנועה של הכוכבים. האופן שבו הכוכבים נעים סביב מרכז הגלקסיה הוא במידה רבה זהה לאופן שבו הפלנטות נעות סביב השמש. כלומר, באופן בסיסי מדובר בחוקי קפלר. משתמשים במודל של תנועת הפלנטות סביב השמש ובאופן שבו מודדים את מסת השמש. בדיוק באותו האופן מודדים את תנועת הכוכבים שמסתובבים סביב מרכז הגלקסיה ומכאן מנסים למדוד מהי המסה בתוך המסלול הפנימי שלהם. לשם כך יש למדוד את הכוכבים הפנימיים ביותר סביב למרכז הגלקסיה במטרה להראות שיש מסה רבה בתוך נפח קטן מאוד. זהו המפתח להוכחת חור שחור סופר מאסיבי.

המחשבה האינטואיטיבית הראשונה שעולה, בעודנו חושבים על חור שחור סופר מאסיבי, היא שחור כזה הוא בעל משיכה כבידתית סופר חזקה. מכאן מדוע שלא ישאב את כל שביל החלב ואולי גם את כדור הארץ המרוחק שלנו? כידוע לנו, לפחות מניסיוננו בפינה הנקודתית והזעירה שלנו, תסריט אפוקליפטי זה לא מתרחש. מרבית העצמים הסמוכים לחור השחור הסופר מאסיבי מסתובבים סביבו ולא נשאבים לתוכו. הסיבה היא המהירות העצומה – כעשרים אחוז לערך מזו של האור – שבה הם נעים. הם נופלים סביב ולא אל תוך החור הסופר מסיבי. עליהם להיות מאוד קרובים לחור השחור או לאופק האירועים שלו כדי להישאב פנימה ולהיות ארוחה טעימה עבורו. למעשה הם צריכים להיות במרחק שהוא קרוב יותר מהמרחק בין כדור הארץ לשמש. עד כדי כך; ומסיבה זו הכוכבים, שהם אמנם קרובים לחור הסופר מסיבי, סובבים את החור בשלווה ובאין מפריע עד לדעיכתם, בדיוק כמו שהשמש תסתובב סביב מרכז הגלקסיה כל חייה.

כיצד לצפות במרכז הגלקסיה?

הבעיה שנותרה אפוא היא כיצד ניתן לצפות בכוכבים – המכונים S – שממוקמים מאוד קרוב למרכז הגלקסיה? באיזה מכשיר אסטרונומי נצפה בהם? כמובן שבעזרת טכניקה רגילה לא ניתן לראותם וגם לא ניתן למודדם מכיוון שהאטמוספרה של כדור הארץ מגבילה את המדידות. כיצד מתגברים על הגבלה זו? ראשית, ניתן לעשות זאת על ידי טלסקופ האבל, שנמצא מחוץ לאטמוספרה בחלל. שנית, ניתן להשתמש בטלסקופים על כדור הארץ ולהם האפשרות לחדור דרך האטמוספרה. זקוקים לטלסקופ מיוחד ולטכניקות מיוחדות. אנדראה גז וקבוצתה מקליפורניה השתמשו בטלסקופ קק Keck, הטלסקופ הגדול בעולם על כדור הארץ – טלסקופ משוכלל יותר מטלסקופ האבל. אומנם הוא לא ממוקם מעל לאטמוספרה, אבל קוטרו הוא פי ארבעה גדול יותר מהאבל, ופירושו שניתן לראות פי ארבע יותר פרטים משניתן לצפות בהאבל. כל זאת אם יודעים כיצד להשתמש בטכניקה ולחדור מבעד לאטמוספרה.

גז החלה במדידות ב-1995 ואת הרמז הראשון היא קבלה ב-1997. גז צפתה ב-2003 בכוכב הראשון שעשה את מסלולו סביב כאילו הוא נמשך סביב על ידי חור שחור סופר מאסיבי במרכז, זאת במקום לנוע רק חצי מסלול סביב. אותו כוכב, שאליו שמו לב האסטרופיסיקאים מאז שנת 1995, קרוי בשם S2. הכוכב הזה קרוי כוכב מסוג ספקטראלי B והוא כוכב במיוחד חם ומאוד בהיר וצבעו כחול. מאז שטלסקופ קק החל לצפות בכוכב S2 הוא הספיק לסובב את החור השחור הסופר מאסיבי במשך 15.9 שנים לאורך מסלול שלם.

החור השחור הסופר מאסיבי והכוכב הקטן שסביבו

חוקר מאיטליה בחן את החור הסופר מאסיבי הממוקם במרכז גלקסיית שביל החלב שלנו במקור הרדיו סג'יטריוס A* ואת הכוכב .S2 לא זקוקים לטלסקופ, אלא לחישובים מתמטיים ואנליזה של ההפרעות. מסתבר שהחור השחור הסופר מאסיבי והכוכבים הסובבים אותו הם מעבדה מקומית אידיאלית, שיכולה להוות בדיקה לתורת היחסות הכללית.
הדינמיקה של מסלולו של הכוכב S2 אמורה להיות מאוד שונה מהחוק השלישי הידוע של קפלר – האליפסה המפורסמת של קפלר – ומחוק הכבידה של ניוטון. המחקר בוחן בתחילה חור שחור מטיפוס שוורצשילד וגם חור שחור מטיפוס קר, מסתובב. וישנם גורמים נוספים, שלא ניכנס אליהם.

החור השחור הסופר מסיבי משרה שתי סוגי הפרעות כבידתיות-אלקטרומגנטיות (GEM) על סביבת הכוכב S2: ההפרעה הגדולה ביותר היא הפרעה כבידתית-חשמלית gravitoelectric (GE) האחראית לאנומליה של הזזת הפריהליון של מרקורי ב-43.98 ארק שניות בשדה הכבידה של השמש. ואילו ההפרעה השנייה, הקטנה יותר, הכבדיתית-מגנטית gravitomagnetic (GM) – אפקט לנס-תירינג (נתגלה ב-1918). חור שחור מסתובב, משנה את המרחב-זמן סביבו – ובמעט את כיוון ציר הסיבוב של הכוכב S2.

בהינתן שתי הפרעות אלה, התוצאה שהתקבלה מהחישובים היא, שיש לצפות לאנומליה במסלול של S2, והיא בשלושה סדרי גודל גדולה יותר מאשר האנומליה אותה רואים במסלולו של כוכב חמה (מרקורי). גם במקרה של מרקורי וגם במקרה של הכוכב S2 האפקטים של האנומליות האלה מנובאים על ידי תורת היחסות הכללית של אינשטיין. ניתן להסביר אפקטים אלה כתוצאה מהתעקמות המרחב-זמן גם בסביבת החור השחור הסופר מאסיבי במרכז הגלקסיה, במקרה של הכוכב S2, וגם בסביבות השמש, במקרה של כוכב חמה.

לידיעה בנושא ביוניברס טודיי

לסרטון TED של החוקרת אמדראה גז על החיפוש אחר החור השחור הסופר מאסיבי

28 תגובות ל “המעבדה לבדיקת תורת היחסות הכללית: החור השחור הסופר מאסיבי והכוכב”

  1. שרית

    התכתובת מהנה וכך גם המאמר – גם אם אולי לוקה בחסר, לטעמם של בודקי ציציות – השאלה היא בכלל – למה לדקדק בקוצו של יוד? טוב שנכתב וטוב שכותבת הכותבת המוכשרת ב – כ', כמובן

הוספת תגובה

  • (will not be published)