גלי הכבידה המאסיביים ביותר אי פעם

מיזוג של חור שחור בינארי כנראה יצר גלי כבידה ששווים לאנרגיה של שמונה שמשות * “בנג” בגלאים של ליגו ווירגו הוא אות למקור של גלי הכבידה המסיביים ביותר אי פעם

למרות הריקנות העצומה שלו, היקום רוחש פעילות בצורת גלי כבידה. ההדהודים האלה, שנוצרים על ידי תופעות אסטרו פיזיות קיצוניות, נעים באדוות קדימה ומרעידים את מארג החלל זמן, כמו צלצול של פעמון קוסמי.

עכשיו חוקרים גילו אות ממה שיכול להיות המיזוג של החורים השחורים הכי מסיביים שנצפה עד היום בגלי כבידה. התוצר של המיזוג הוא הגילוי הברור הראשון של חור שחור עם “מסת ביניים”, שהיא בין פי 100 ופי 1000 מהשמש.

הם גילו את האות, שתויג בשם GW190521, ב-21 במאי 2019, באמצעות מצפה גלי הכבידה באמצעות אינטרפרומטר לייזר (LIGO) של הקרן הלאומית למדע, זוג אינטרפרומטרים זהים באורך 4 ק”מ בארצות הברית, ווירגו, גלאי באורך 3 ק”מ באיטליה.

המשך של הסיגנל, שדומה לכארבע תנודות קצרות, מאוד קצר, פחות מעשירית שנייה. ממה שהחוקרים מבינים, GW190521 נוצר על ידי מקור שנמצא במרחק של בערך 5 גיגה פארסק, כשגיל היקום היה בערך מחצית מגילו כיום, ולכן הוא מהמקורות הכי מרוחקים של גלי כבידה שהתגלו עד כה.

לגבי מה הפיק את האות הזה, על סמך קבוצה חזקה של כלי חישוב ומידול הכי מתקדמים, המדענים חושבים שסביר מאוד ש-GW190521 נוצר על ידי מיזוג של חור שחור בינארי עם תכונות לא רגילות.

כמעט כל אות מאומת של גלי כבידה עד היום היה ממיזוג בינארי, בין שני חורים שחורים או שני כוכבי ניטרונים. נראה שהמיזוג האחרון הזה הוא הכי מסיבי עד היום, מעורבים בו שני חורים שחורים שנעים במסלול ספירלי הדדי עם מסות של בערך פי 85 ופי 66 מהשמש.

הצוות של ליגו-וירגו גם מדד את הסחריר של כל אחד מהחורים השחורים וגילה שכשהחורים השחורים חגו יותר ויותר קרוב, ייתכן שהם הסתחררו סביב הצירים שלהם, בזוויות שלא היו משוורות עם הציר של המסלול שלהם. הסחרירים הלא משוורים של החורים השחורים כנראה גרמו למסלולים שלהם לנוע מצד לצד, או “לנקוף”, כששני הענקים נעו במסלול ספירלי אחד לעבר השני.

האות החדש מציין כנראה את הרגע שבו שני החורים השחורים התמזגו. המיזוג יצר חור שחור מסיבי אפילו יותר, בערך 142 מסות שמש, ושחרר כמות עצומה של אנרגיה, שוות ערך לכ-8 מסות שמש, שהתפשטה ברחבי היקום בצורת גלי כבידה.

“זה לא כל כך דומה לציוץ, שזה מה שאנחנו מגלים בדרך כלל”, אומר חבר צוות וירגו נלסון כריסטנסן, חוקר במכון הצרפתי הלאומי למחקר מדעי (CNRS), כשהוא משווה את האות לפעם הראשונה שליגו גילה גלי כבידה ב-2015. “זה יותר כמו משהו שעושה “בנג”, וזה הסיגנל הכי חזק שנראה בליגו ובווירגו”.

צוות המדענים הבינ”ל, שכולל את שיתוף הפעולה המדעי של ליגו ושיתוף הפעולה של ויגו, דיווח על ממצאיו בשני מאמרים שהתפרסמו היום. אחד, שמופיע ב-Physical Review Letters, מפרט את התגלית, והשני, ב-The Astrophysical Journal Letters, דן בתכונות הפיזיות של האות ובהשלכות האסטרו פיזיות.

“ליגו מפתיע אותנו שוב לא רק עם הגילוי של חורים שחורים בגדלים שקשה להסביר, אלא גם בעשותו זאת באמצעות טכניקות שלא נועדו ספציפית למיזוגים של כוכבים”, אומר פדרו מרונטי, מנהל תוכנית הפיזיקה הכבידתית בקרן הלאומית למדע. “יש לכך חשיבות עצומה כי זה מציג את היכולת של המכשיר לגלות אותות מאירועים אסטרו פיזיים בלתי צפויים לחלוטין. ליגו מראה שהוא יכול לצפות גם בבלתי צפוי”.

בפער המסות

המסות הגדולות באופן ייחודי של שני החורים השחורים שנעים במסלול ספירלי הדדי, וגם החור השחור הסופי, מעלים המון שאלות בנוגע להיווצרות שלהם.

כל החורים השחורים שנצפו עד היום מתאימים לאחת משתי קטגוריות: חורים שחורים כוכביים, שגודלם מכמה מסות שמש עד לעשרות מסות שמש וחושבים שהם נוצרים כשכוכבים מסיביים מתים, או חורים שחורים על-מסיביים, כמו זה שבמרכז גלקסיית שביל החלב, שגודלם מפי מאות אלפים עד פי מיליארדים מהשמש שלנו.

אבל החור השחור הסופי של 142 מסות שמש שנוצר על ידי המיזוג GW190521 נמצא בתחום ביניים של מסות בין חורים שחורים כוכביים לעל מסיביים – הראשון מסוגו שהתגלה אי פעם.

גם שני החורים השחורים היוצרים שיצרו את החור השחור הסופי נראים ייחודיים בגודל שלהם. הם כל כך מסיביים שהמדענים חושדים שאחד מהם או שניהם אולי לא נוצרו מכוכב קורס, כפי שנוצרים רוב החורים השחורים הכוכביים.

לפי הפיזיקה של התפתחות כוכבים, לחץ כלפי חוץ מפוטונים וגז בליבה של כוכב תומכים בו כנגד כוח הכבידה שדוחף פנימה, כך שהכוכב יציב, כמו השמש. אחרי שהליבה של כוכב מסיבי ממזגת גרעינים כבדים כמו ברזל, היא כבר לא יכולה ליצור מספיק לחץ כדי לתמוך בשכבות החיצוניות. כשהלחץ הזה כלפי חוץ הוא פחות מהכבידה, הכוכב קורס מהמשקל שלו, בפיצוץ שנקרא סופרנובה של קריסת ליבה, שיכול להשאיר אחריו חור שחור.

התהליך הזה יכול להסביר איך כוכבים מסיביים עד כדי 130 מסות שמש יכולים ליצור חורים שחורים של עד 65 מסות שמש. אבל לגבי כוכבים כבדים יותר, חושבים שפועלת תופעה שנקראת “אי-יציבות זוגות”. כשהפוטונים של הליבה נעשים אנרגטיים באופן קיצוני, הם יכולים להפוך לזוג של אלקטרון ואנטי אלקטרון (פוזיטרון). הזוגות האלה יוצרים פחות לחץ מפוטונים, וזה גורם לכוכב להיות לא יציב נגד קריסה כבידתית, והפיצוץ כתוצאה מכך כל כך חזק שלא נשאר אחריו כלום. אפילו כוכבים יותר מסיביים, מעל 200 מסות שמש, יקרסו בסופו של דבר ישירות לחור שחור של לפחות 120 מסות שמש. כוכב קורס, לכן, לא אמור ליצור חור שחור בין בערך 65 ו-120 מסות שמש — תחום שנקרא “פער המסות של אי-יציבות זוגות”.

אבל עכשיו, הכבד יותר משני החורים השחורים שיצרו את האות GW190521, עם 85 מסות שמש, הוא הראשון שהתגלה עד היום בתוך פער המסות של אי-יציבות זוגות.

“העובדה שאנחנו רואים חור שחור בפער המסות הזה יגרום להרבה אסטרו פיזיקאים לגרד את הראש ולנסות להבין איך החורים השחורים האלה נוצרו”, אומר כריסטנסן, שהוא המנהל של מעבדת ארטמיס במצפה ניס בצרפת.

אחת האפשרויות, שהחוקרים מעלים במאמר השני שלהם, היא של מיזוג הירארכי, שבו שני החורים השחורים היוצרים עצמם נוצרו ממיזוג של שני חורים שחורים קטנים יותר, לפני שנדדו ביחד ובסופו של דבר התמזגו.

“האירוע הזה מעלה יותר שאלות מהתשובות שהוא מספק”, אומר החבר בצוות ליגו אלאן וויינסטין, פרופסור לפיזיקה בקלטק. “מבחינת גילוי ופיזיקה, זה דבר מאוד מלהיב”.

“משהו בלתי צפוי”

נותרו עוד שאלות רבות לגבי GW190521.

כשהגלאים של ליגו ווירגו מאזינים לגלי כבידה שעוברים דרך כדור הארץ, חיפושים אוטומטיים סורקים את הנתונים הנכנסים ומחפשים אותות מעניינים. החיפושים האלה משתמשים בשתי שיטות שונות: אלגוריתמים שמוצאים תבניות גלים ספציפיות בנתונים שאולי נוצרו על ידי מערכות בינאריות קומפקטיות, וחיפושים כלליים יותר של “פרצים”, שלמעשה מחפשים כל דבר שהוא חריג.

החבר בצוות ליגו סלבטורה ויטאלה, מרצה לפיזיקה ב-MIT, משווה חיפוש מערכות בינאריות קומפקטיות ל”העברת מסרק דרך הנתונים, שיתפוס דברים בריווח מסוים”, לעומת חיפוש פרצים שהוא יותר גישה של “לתפוס הכל”.

במקרה של GW190521, היה זה חיפוש פרצים שמצא את האות קצת יותר בבירור, ופתח את הסיכוי המאוד קטן שגלי הכבידה נבעו ממשהו שהוא לא מיזוג בינארי.

“הרף לטענה שמצאנו משהו חדש מאוד גבוה”, אומר וויינסטין. “לכן אנחנו בדרך כלל מיישמים את תערו של אוקאם: הפתרון הפשוט יותר הוא הטוב יותר, ובמקרה הזה הוא חור שחור בינארי”.

אבל מה אם משהו חדש לגמרי יצר את גלי כבידה האלה? זאת אפשרות מפתה, ובמאמר שלהם המדענים דנים בקצרה במקורות אחרים ביקום שאולי יצרו את האות שהם גילו. למשל, אולי גלי הכבידה נפלטו על ידי כוכב קורס בגלקסיה שלנו. האות יכול להיות גם ממיתר קוסמי שנוצר מייד אחרי שהיקום התרחב ברגעים הכי ראשונים שלו — למרות שאף אחת מהאפשרויות האקזוטיות האלה לא מתאימה לנתונים באותה מידה כמו מיזוג בינארי.

“מאז שהפעלנו את ליגו, כל מה שהבחנו בו בביטחון היה התנגשות של חורים שחורים או כוכבי ניטרונים”, אומר וויינסטין. “זה האירוע היחיד שבו הניתוח שלנו מאפשר את האפשרות שהאירוע הזה הוא לא התנגשות כזאת. למרות שמתאים שהאירוע הזה מקורו במיזוג של חור שחור מסיבי באופן יוצא דופן, ויש הסתייגות מהסברים חלופיים, הוא דוחף את הגבולות של הביטחון שלנו. ולכן הוא פוטנציאלית מאוד מלהיב. בגלל שכולנו קיווינו למשהו חדש, משהו לא צפוי, שיכול לשנות את מה שכבר למדנו. לאירוע הזה יש פוטנציאל לעשות זאת”.

המחקר הזה מומן על ידי הקרן הלאומית למדע של ארה”ב.

להודעה של החוקרים

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

• חוקרים בת”א שפכו אור על התקופה בה גדלו החורים השחורים
• אור חדש על חורים שחורים
• 2016: שנה מדעית מרתקת – בזכות גילוי גלי הכבידה