תגלית מפתיעה מאתגרת מודלים קיימים של יצירת חורים שחורים וחושפת את גיל המערכת הכוכבית
רבים מהחורים השחורים שהתגלו עד היום מופיעים כחלק ממערכת זוגית. מערכות כפולות אלו כוללות חור שחור ועצם משני – כמו כוכב, כוכב ניטרונים דחוס או חור שחור נוסף – המקיפים זה את זה בשל הכבידה החזקה של החור השחור ויוצרים מערכת מסלולית הדוקה. כעת, תגלית מפתיעה מרחיבה את ההבנה לגבי חורים שחורים, העצמים שיכולים להיות חלק מהמערכת סביב החור השחור יצירתה של המערכת.
במחקר שהתפרסם בכתב העת Nature, מדווחים אסטרופיזיקאים מ-MIT ו-Caltech כי הם צפו במערכת משולשת סביב חור שחור בפעם הראשונה. המערכת החדשה כוללת חור שחור מרכזי שבולע כוכב קטן שמקיף אותו כל 6.5 ימים – תצורה הדומה למערכות כפולות רבות. אך במפתיע, כוכב נוסף נראה גם הוא מקיף את החור השחור, אך במרחק רחוק יותר. החוקרים מעריכים כי הכוכב הרחוק משלים סיבוב סביב החור השחור אחת ל-70,000 שנים.
העובדה שהחור השחור מצליח להחזיק כוח כבידתי על גוף כה רחוק מעוררת שאלות לגבי מקורו של החור השחור עצמו. ההשערה המקובלת היא שחורים שחורים נוצרים מהתפוצצות אלימה של כוכב גוסס – תהליך המכונה סופרנובה, שבו כוכב משחרר כמויות עצומות של אנרגיה ואור בהתפרצות סופית לפני קריסתו לחור שחור בלתי נראה.
עם זאת, התגלית של קבוצת המחקר מציעה שאם החור השחור שנצפה נוצר מסופרנובה טיפוסית, האנרגיה שהייתה משתחררת לפני קריסתו הייתה בעוצמה כזו שהיתה אמורה להעיף כל עצם רופף. הכוכב השני והמרוחק לא אמור היה להישאר במקומו. החוקרים משערים שהחור השחור נוצר בתהליך אלים פחות של "קריסה ישירה," שבו כוכב פשוט קורס אל תוך עצמו ויוצר חור שחור מבלי התפרצות דרמטית. תהליך פחות אלים שכזה לא היה מפריע לחפצים רופפים ומרוחקים.
המערכת המשולשת הכוללת כוכב רחוק מאוד, מצביעה על כך שהחור השחור נולד דרך קריסה ישירה אלימה פחות מסופרנובה. בעוד אסטרונומים צפו בסופרנובות אלימות במשך מאות שנים, החוקרים טוענים כי המערכת המשולשת החדשה עשויה להיות הראייה הראשונה לחור שחור שנוצר בתהליך אלים פחות.
"עד כה חשבנו שרוב החורים השחורים נוצרים מהתפוצצויות אלימות של כוכבים, אך תגלית זו מעמידה זאת בסימן שאלה," אמר מחבר המאמר קווין ברדג', עמית פפאלרדו במחלקה לפיזיקה ב-MIT. "המערכת הזו מרגשת מאוד עבור חקר התפתחות חורים שחורים, והיא גם מעוררת שאלות האם יש עוד מערכות משולשות כאלו."
תנועה משותפת
גילוי שלישיית החורים השחורים התרחש כמעט במקרההאסטרופיזיקאים גילו זאת בזמן שחיפשו אחר סימנים לחורים שחורים חדשים בגלקסיית שביל החלב במאגר התצפיות Aladin Lite, המאגד תצפיות אסטרונומיות מטלסקופים בחלל ומסביב לעולם. מתוך סקרנות, ברדג' בחן תמונה של V404 Cygni – חור שחור הנמצא כ-8,000 שנות אור מכדור הארץ ואחד האובייקטים הראשונים שאי פעם זוהו בוודאות כחור שחור, בשנת 1992. מאז, V404 Cygni הפך לאחד מהחורים השחורים הנחקרים ביותר, ותועד ביותר מ-1,300 מאמרים מדעיים. עם זאת, אף אחד מהמחקרים הללו לא דיווח על מה שברדג' ועמיתיו הבחינו בו.
כאשר הוא בחן את התמונות האופטיות של V404 Cygni, ברדג' ראה מה שנראה כשני כתמים של אור, קרובים זה לזה באופן מפתיע. הכתם הראשון היה החור השחור והכוכב הפנימי שמקיף אותו. הכוכב קרוב כל כך שהוא מאבד חלק מהחומר שלו לחור השחור, ויוצר את האור שברדג' ראה. הכתם השני, לעומת זאת, היה משהו שהמדענים לא חקרו לעומק עד כה. ברדג' קבע כי האור השני מגיע ככל הנראה מכוכב רחוק מאוד.
"העובדה שאנו יכולים לראות שני כוכבים נפרדים במרחק כזה פירושה שהכוכבים צריכים להיות מאוד רחוקים זה מזה," אמר ברדג', שחישב כי הכוכב החיצוני נמצא במרחק של 3,500 יחידות אסטרונומיות (AU) מהחור השחור (1 יחידה אסטרונומית היא המרחק בין כדור הארץ לשמש). במילים אחרות, הכוכב החיצוני רחוק פי 3,500 מהחור השחור מאשר כדור הארץ מהשמש, וזה שווה למרחק של פי 100 בין פלוטו לשמש.
השאלה שעלתה לאחר מכן הייתה האם הכוכב החיצוני קשור לחור השחור ולכוכב הפנימי. כדי לענות על כך, החוקרים השתמשו בלוויין Gaia, שעוקב בדיוק רב אחר תנועות כל הכוכבים בגלקסיה מאז 2014. הצוות ניתח את התנועות של הכוכבים הפנימי והחיצוני בעשור האחרון של נתוני Gaia ומצא כי הכוכבים נעים בתיאום מוחלט זה עם זה בהשוואה לכוכבים סמוכים אחרים. הם חישבו כי הסיכוי לתנועה מתואמת כזו הוא בערך אחד ל-10 מיליון.
"כמעט בוודאות שזה לא צירוף מקרים," אמר ברדג'. "אנחנו רואים שני כוכבים שנעים יחד מפני שהם קשורים על-ידי כוח כבידה חלש. כך שזה חייב להיות מערכת משולשת."
משיכת חוטים
כיצד, אם כן, נוצרה המערכת? אם החור השחור נוצר מסופרנובה טיפוסית, ההתפרצות האלימה הייתה מעיפה את הכוכב החיצוני כבר מזמן.
"אם תדמיין שאתה מושך עפיפון, ובמקום חוט חזק אתה מושך עם קורי עכביש," הסביר ברדג'. "אם תמשוך חזק מדי, הקור ייקרע והעפיפון ילך לאיבוד. הכבידה היא כמו החוט החלש הזה – אם תעשה משהו דרמטי לכפולה הפנימית, תאבד את הכוכב החיצוני."
כדי לבחון את הרעיון הזה, ברדג' ביצע סימולציות ובהן בחן כיצד או כדי לענות על השאלה כיצד מערכת כזו יכלה להתפתח ולשמור על הכוכב החיצוני. בתחילת כל סימולציה, הוא הכניס שלושה כוכבים (השלישי הוא החור השחור, לפני שהפך לחור שחור). לאחר מכן, הוא הריץ עשרות אלפי סימולציות, כל אחת עם תרחיש שונה במקצת לגבי איך הכוכב השלישי הפך לחור שחור והשפיע על תנועות שני הכוכבים האחרים. לדוגמה, הוא הריץ סימולציה של סופרנובה, ושינה את כמות האנרגיה והכיוון שהיא שחררה. הוא גם הריץ סימולציות של תרחישי קריסה ישירה, בהם הכוכב השלישי פשוט קרס פנימה לעצמו כדי ליצור חור שחור, מבלי לשחרר אנרגיה.
"רוב הסימולציות מראות שהדרך הפשוטה ביותר ליצור את המערכת המשולשת הזו היא דרך קריסה ישירה," אמר ברדג'.
בנוסף לרמזים לגבי מקורו של החור השחור, הכוכב החיצוני חשף גם את גילה של המערכת. החוקרים צפו שהכוכב החיצוני נמצא בתהליך של הפיכה לענק אדום – שלב המתרחש בסוף חייו של כוכב. בהתבסס על מעבר הכוכב לשלב זה, הצוות קבע כי גיל הכוכב החיצוני הוא כ-4 מיליארד שנים. בהתחשב בכך שכוכבים סמוכים נוצרים באותו פרק זמן, הצוות מסיק כי גם מערכת שלישיית החור השחור היא בת כ-4 מיליארד שנים.
"מעולם לא הצלחנו לעשות זאת קודם עבור חור שחור ישן," אומר ברדג'. "עכשיו, כשאנחנו יודעים ש-V404 Cygni הוא חלק ממערכת משולשת, הוא כנראה נוצר מקריסה ישירה, והוא נוצר לפני כ-4 מיליארד שנים, בזכות תגלית זו."
המחקר נתמך בחלקו על-ידי הקרן הלאומית למדע (NSF).
עוד בנושא באתר הידען:
