חורים שחורים בעלי מסה בינונית (IMBHs) מהווים חידה קוסמית, עצם קיומם ומנגנוני היווצרותם אפופי המסתורין
מחקר שנערך לאחרונה בהובלת וקר מכון המדע גראן סאסו, מנואל ארקה סדה, ופורסם בכתב העת Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), שופך אור על המנגנונים המובילים להיווצרותם של חורים שחורים בעלי מסה בינונית (IMBHs). מדובר בעצמים בעלי מסות של כמה מאות עד עשרות אלפי מסות שמש, שיכולים להוות את החוליה המקשרת בין קרוביהם הקטנים יותר, חורים שחורים כוכביים, לבין הענקים הסופר-מאסיביים המאכלסים את מרכזי הגלקסיות.
ספקטרום החורים השחורים
ישנם סוגים שונים של חורים שחורים: על אף שכולם בעלי צפיפויות כה גבוהות שאפילו אור אינו יכול להימלט מכוח המשיכה שלהם, המסה של גופים שמימיים אלה יכולה להשתנות על פני טווח רחב מאוד והם נבדלים במנגנון היווצרותם. אנו יכולים לזהות שלוש קטגוריות עיקריות של חורים שחורים: כוכבי, בינוני וסופר-מסיבי.
החורים השחורים שבקבוצה הראשונה, כפי שהשם מרמז, נוצרים כאשר כוכב בעל מסה גדולה מספיק (כלומר, לפחות פי עשרים יותר מסיבי מהשמש שלנו) מכלה את הדלק שלו וקורס לתוך עצמו: הם מייצגים את הסוג בעל המסה הנמוכה ביותר של חור שחור, ויש לנו הבנה תיאורטית ברורה על התהליך המוביל להיווצרותם.
בקצה הנגדי נמצאים חורים שחורים סופר-מאסיביים עצומים, בעלי מסות הגדולות פי מיליונים או מיליארדים מהכוכב שלנו. על-פי ההערכות, כל גלקסיה מארחת חור שחור סופר מסיבי אחד במרכזה ובשנת 2019, הודות לטלסקופ אופק האירועים, ניתן היה לקבל את התמונה הישירה הראשונה של אחד מהם.
לגבי קבוצת החורים השחורים בעלי המסה הבינונית, הייוצרותם והצטברותם של עצמים אלה עדיין מהווים תעלומה מרתקת לאסטרונומיה המודרנית, בעיקר בשל היעדר עדויות חד משמעיות למנגנון היווצרם וקיומם של חורים שחורים אלה.
התמונה מתארת הדמייה של צביר כוכבים כפי שהופק בהדמיות Dragon-II. נקודות כתומות וצהובות מייצגות כוכבים דמויי שמש, בעוד שהנקודות הכחולות מציינות כוכבים בעלי מסה של פי 20 עד 300 מזו של השמש. העצם הלבן הגדול במרכז מייצג כוכב בעל מסה של כ-350 מסות שמש, אשר בקרוב יקרוס וייצור חור שחור בעל מסה בינונית. קרדיט: © M. Arca Sedda (GSSI)
החורים השחורים החמקמקים בעלי המסה הבינונית
“חורים שחורים בעלי מסה בינונית קשים לצפייה”, מסביר החוקר מ-GSSI, “מגבלות התצפית הנוכחיות אינן מאפשרות לנו לומר דבר על אוכלוסיית ה-IMBHs בעלי המסות שבין 1,000 ל-10,000 מסות שמש, והם גם מהווים כאב ראש למדענים מבחינת המנגנונים האפשריים המובילים להיווצרותם”.
אחת ממטרות המחקר הייתה דווקא לנסות להבין כיצד נוצרים חורים שחורים אלה. הרצנו מודלים ממוחשבים חדשים שיכולים לדמות את היווצרותם של עצמים מסתוריים אלה, וגילינו כי IMBHs כאלה יכולים להיווצר בצבירי כוכבים באמצעות שילוב מורכב של שלושה גורמים: מיזוגים בין כוכבים גדולים בהרבה מהשמש שלנו, הצטברות של חומר כוכבי על חורים שחורים כוכביים, ולבסוף, מיזוגים בין חורים שחורים כוכביים. האחרון הוא תהליך שמביא לאפשרות ‘לראות’ את התופעות הללו באמצעות גילוי גלי כבידה”, מסביר ארקה סדה.
המחקר גם משער מה קורה לאחר שנולדים חורים שחורים בינוניים: הם נזרקים מהצבירים שבהם נוצרו באמצעות אינטראקציות כבידה מורכבות או כתוצאה מתהליך המכונה רתיעה יחסותית, ובכך נמנע המשך צבירת המסה שלהם.
“המודלים שלנו מראים שעל אף שIMBH נוצרים באופן טבעי מאינטראקציות כוכביות אנרגטיות בצבירי כוכבים, לא סביר שהם יהיו כבדים יותר מכמה מאות מסות שמש, אלא אם צביר האב צפוף מאוד או מסיבי”, אומר חוקר מ-GSSI.
עם זאת, תעלומה מדעית חשובה עדיין לא נפתרה: האם חורים שחורים בינוניים מהווים את החוליה המקשרת בין חורים שחורים כוכביים וסופר-מאסיביים. זו שאלה פתוחה, אבל המחקר נותן מקום לספקולציות מסוימות.
“אנו זקוקים לשני מרכיבים על מנת להגיע להבנה טובה יותר”, מסביר ארקה סדה, “תהליך אחד או יותר המסוגלים ליצור חורים שחורים בטווח המסה של IMBHs, והאפשרות לשמור IMBHs כאלה בסביבה המארחת. המחקר שלנו מציב אילוצים מחמירים על המרכיב הראשון, נותן לנו סקירה ברורה של אילו תהליכים עשויים לתרום להיווצרות IMBHs. התחשבות בצבירים מסיביים יותר המכילים יותר מערכות כוכבים בינאריות (מערכות המורכבות משני כוכבים המקיפים זה את זה) בעתיד עשויה להיות המפתח להשגת המרכיב השני גם כן. אבל זה ידרוש מאמצים אדירים מבחינה טכנולוגית”.
למאמר המדעי https://academic.oup.com/mnras/article/526/1/429/7281010
עוד בנושא באתר הידען:
