שיפור ביכולת הצפייה בחור השחור במרכז הגלקסיה יאפשר לבחון את תורת היחסות הכללית של איינשטיין

כך אומר ד”ר שחר הדר, אסטרופיזיקאי תיאורטיקן מאוניברסיטת חיפה ומכללת אורנים שעובד גם בפיתוח הדור הבא של טלסקופ אופק האירועים. הוא גם מסביר למה לקח חמש שנים להפיק את הצילום שפורסם השבוע ומה מתוכנן לביצוע למטרת שיפור הרזולוציה

“שיפורים ביכולות קליטת אותות הרדיו והקדשת טלסקופי רדיו ייעודיים יאפשרו לנו לקבל תמונה ברזולוציה גבוהה של החור השחור במרכז הגלקסיה ובעתיד אפילו וידאו, ולבחון את תורת היחסות בתנאי הקצה הקשים ביותר ביקום. כך אומר ד”ר שחר הדר,  אסטרופיזיקאי תיאורטיקן מאוניברסיטת חיפה בקמפוס אורנים,מסביר למה לקח חמש שנים להפיק את הצילום שפורסם השבוע ומה מתוכנן לביצוע למטרת שיפור הרזולוציה. 

התמונה המרהיבה של החור השחור במרכז שביל החלב – סגיטיריוס A*  שפורסמה בסדרת מאמרים בכתב העת אסטרופיזיקל ג’ורנל ב- 12 במאי 2022, צולמה בכלל ב- 6 באפריל 2017.

למה לקח כל כך הרבה זמן לפענח את הנתונים ולייצר את התמונה? מהי בדיוק טבעת האור המקיפה את החור השחור באיזור המכונה אופק האירועים?

ד”ר שחר הדר, מרצה לפיזיקה באוניברסיטת חיפה – קמפוס אורנים הוא אסטרופיזיקאי תיאורטיקן.  אמנם ללא תפקיד רשמי בצוות אך כמי שחוקר את הנושא, עוד מתקופת שהותו כפוסט דוקטורט באוניברסיטת הארווארד הוא מתמחה בחורים שחורים, ועומד לדבריו בקשר הדוק עם החוקרים של “שותפות אופק האירועים.”

למעשה ד”ר הדר כבר עובד בפרויקט ההמשך – הדור הבא של טלסקופ אופק האירועים  שיכלול הרחבה משמעותית. אנטנות טלסקופי הרדיו ייועדו לפרויקט אופק האירועים. במחקר הנוכחי למעשה המדענים קיבלו זמן תצפית מוגבל בשמונה טלסקופים ברחבי העולם. הם היו צריכים לבצע את התצפיות בו זמנית בכולם, ולכן נאלצו להמתין למועד שבו גם הטלסקופים יעמדו לרשותם וגם בכל האתרים בהם הם מוצבים ישרור מזג אוויר טוב.

אנטנה אחת לא יכולה ליצור תמונה. הדרך ליצור תמונה כמו זו שראינו היא לשלב את מה שנמדד בכמה צלחות כאלה ולעשות קורלציה בין כל זוג צלחות וכך להרכיב רקונסטורקציה (שחזור) לתמונה. בעיה נוספת שעיכבה את פרסום המחקר היא כמות הנתונים האדירה שכל טלסקופ רדיו כזה מפיק   (ככל הנראה היה צורך להמתין עד שיכולות ניתוח ביג דטה יבשילו א.ב.), והצורך להעביר אותה למקום אחד (פיזית, באמצעות דיסקים קשיחים, בכל זאת 2017, א.ב.)

איך משפרים? דרך אחת היאה לקחת את אחת הצלחות ולהעלות אותה למסלול סביב כדור הארץ –  צלחת אחת תספיק כי היא תהיה בקשר עם הצלחות על כדור הארץ. כעיקרון לא שלחו טלסקופ רדיו לחלל אין בכך צורך כי תדרי הרדיו הם נמוכים והאטמוספירה לא מפריעה להם. אבל זה עוד חזון רחוק.

הרעיון בבסיסו  של NGEHT (next-generation Event Horizon Telescope )הוא להוסיף הרבה טלסקופים לשימוש שותפות אופק האירועים, ולעלות בתדר. כך ניתן יהיה לשפר את הרזולוציה, אולי לא בפקטור של אלף, אבל מספיק מכובד. האנטנות תהיינה מכוונות לחור השחור במרכז הגלקסיה במשך זמן ארוך (בניגוד כאמור למצב הנוכחי של קבלת זמני תצפית מוגבלים). תצפית לאורך זמן תאפשר לנו לייצר סטטיסטיקה טובה יותר. שידרוג זמן הצפיה יאפשר לשפר את הרגישות ואף “לצלם בוידאו” של החור השחור –  שזה חלק מהמחקר שלי.

טבעת הפוטונים

הגורם הבולט ביותר בתמונה הוא טבעת הפוטונים. כאשר שהפוטונים (חלקיקי האור) מתקרבים לחור השחור, כוח המשיכה העצום שלו גורם לחלק מהם להקיף אותו מספר שונה של פעמים – תלוי בכיוון ובזווית שמהם הם מגיעים. “וכך, החור השחור משמש כעדשה שמרכזת את האור החולף סביבו, והתמונה שמתקבלת מריכוז האור הזה היא טבעת בוהקת של אור. או, יותר נכון, המחקר הראה שבעצם מדובר באינספור טבעות בעובי שונה ומשתנה המונחות זו על זו”, מסביר ד”ר הדר שמוסיף כי מדידת האפקט של הפוטונים תאפשר לחקור טוב יותר את תורת היחסות הכללית של איינשטיין, ולכך יש צורך כאמור במדידה לאורך זמן.

הוכחת תורת היחסות בתנאי קצה

“כשקרני אור נכנסות לקרבת החור השחור הן אוספות עוד פוטונים. מה שיפה בטבעת הפוטונים הוא שהיא אוניברסלית. בניגוד לגז בדיסקת הספיחה המקיפה את החור השחור התנהגות מערבולתית שרגישה להרבה פרמטרים אסטרופיזיקליים, מה שמסבך את תבנית האור שהיא יוצרת. לעומת זאת, הצורה בה החור השחור מעקם את קרני האור, או מעדש (מלשון עדשה), התמונה פשוטה הרבה יותר והיא תלויה אך ורק במסה ובתנע הזוויתי של החור השחור, לפי תורת היחסות הכללית. עידוש אוניברסלי זה קובע את צורתה של טבעת הפוטונים.

בנוסף, כל שינוי (פלקטואציה) בחומר המקיף את החור השחור גורם לנקודות מסוימת התמונה להשתנות, המקומות וזמנים שונים. מכיוון שהפוטונים מקיפים פעמים רבות את החור השחור נראה נקודות לאורך טבעת הפוטונים “מנצנצות” בצורה מסובכת לכאורה. אך צילום לאורך זמן יאפשר לנו לראות למעשה שכבות של תמונות ותזוזת הנקודות הללו תאפשר להפיק הרבה תובנות אודות החור השחור – למשל מה התנע הזוויתי שלו. מידע זה אודות התנודות  הללו יאפשר לנסות לבחון את המשוואות של איינשטיין גם בתנאים הקיצוניים ביותר הקיימים ביקום”.

האם טלסקופ החלל ווב, שיכול לצפות לקצה היקום יוכל לסייע בצילום החור השחור במרכז שביל החלב?

ד”ר הדר: “טלסקופ החלל ווב פועל בתחום האור הנראה ובעיקר אינפרה אדום.אפשר לכוון את ווב להסתכל לכיוון מרכז הגלקסיה, אך הוא לא יוכל ״לדבר״ עם אנטנות הרדיו של EHT בזמן אמת.”

עוד בנושא באתר הידען:

• אסטרונומים חושפים לראשונה “צילום רדיו” של החור השחור בלב שביל החלב
• לראשונה צולם השדה המגנטי של חור שחור
• “ללא התצפיות של גנזל וגז (זוכי פרס נובל לשנת 2020), כל הנושא של חורים שחורים היה נשאר תיאורטי”
• רוג’ר פנרוז ושני מגלי החור השחור במרכז הגלקסיה זכו בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2020