שלושת החורים השחורים הפעילים נמצאו בגלקסיה J0148-4214 כפי שנראתה כ־1.2 מיליארד שנה לאחר המפץ הגדול. הממצא מחזק את האפשרות שמיזוגים האיצו את צמיחת החורים השחורים ביקום הצעיר
שלושה חורים שחורים מסיביים בגלקסיה רחוקה וקדומה מאפשרים לאסטרונומים לבחון כיצד מיזוגים סייעו לחורים שחורים לגדול במהירות ביקום המוקדם.
האור מהגלקסיה J0148-4214 נע לעבר כדור הארץ במשך יותר מ־12.5 מיליארד שנה, ולכן הוא חושף את המערכת כפי שנראתה כ־1.2 מיליארד שנה בלבד לאחר המפץ הגדול. בגלקסיה קדומה זו זיהה צוות בינלאומי שלושה חורים שחורים מסיביים הסופחים חומר באופן פעיל, כשכל אחד מהם מושך אליו חומר מדיסקת ספיחה המקיפה אותו.
במרחק עצום כזה, התפשטות היקום מותחת את אור הגלקסיה לעבר אורכי גל ארוכים יותר. כך נוצרת הסחה לאדום של z=5.02, שבאמצעותה קבעו האסטרונומים את מרחקה של J0148-4214 ואת התקופה בהיסטוריה הקוסמית שבה הם צופים.
״זו העדות הראשונה לקיומם של שלושה חורים שחורים פעילים בגלקסיה אחת ביקום הרחוק״, אומרת ד״ר האנה אובלר, ראש קבוצת מחקר במכון מקס פלנק לפיזיקה חוץ־ארצית והמחברת הראשית של המחקר.
שניים מהחורים השחורים נמצאים סמוך למרכז הגלקסיה, והמרחק המוקרן ביניהם הוא 620 שנות אור בלבד. החור השחור השלישי נמצא באזור החיצוני של הגלקסיה, במרחק של כ־5,500 שנות אור מהמרכז.
לדברי אובלר, הממצא מצביע על כך שתהליכים ביקום המוקדם היו יעילים בקירובם של חורים שחורים מסיביים זה לזה. תהליכים אלה הכינו את הקרקע למיזוגי חורים שחורים מסיביים, שאותם מקווים החוקרים לזהות בעתיד באמצעות מצפים לגלי כבידה.
תצפיות שעליהן מבוססות התאוריות בדבר התפתחות גלקסיות מצביעות על כך שבתקופות הקדומות של היקום גלקסיות התקרבו זו לזו והתמזגו לעיתים קרובות. גם החורים השחורים שבמרכזיהן יכלו להתקרב ולהתמזג, וכך ליצור חורים שחורים גדולים יותר במרכז הגלקסיות שנוצרו.
חתימות המימן חשפו את החורים השחורים
האסטרונומים זיהו את החורים השחורים באמצעות חתימות ספקטרליות ייחודיות שמפיקים אטומי מימן הנעים במהירויות גבוהות מאוד בהשפעת כוח הכבידה שלהם. הספקטרום שהתקבל מהאזור המרכזי של הגלקסיה הכיל תבנית מורכבת, שההסבר המתאים ביותר לה הוא קיומם של שני חורים שחורים סמוכים.
אי־אפשר היה להבחין בצמד כמקורות נקודתיים נפרדים. משום כך השתמשו החוקרים בספקטרו־אסטרומטריה – שיטה המודדת הסטות מרחביות זעירות בקווי פליטה ברחבי הגלקסיה – כדי לקבוע את מיקומם. חור שחור פעיל שלישי התגלה בתצפיות על האזור החיצוני של הגלקסיה.
הצוות בחן גם הסברים חלופיים לחתימות הספקטרליות, ובהם סופרנובות, גלי הלם, רוחות כוכבים וכוכבים מסיביים במיוחד. ניתוחם של קווים ספקטרליים נוספים אפשר לחוקרים לשלול אפשרויות אלה.
מסות שונות וקצבי צמיחה מפתיעים
מסותיהם המשוערות של שלושת החורים השחורים הן כ־80 מיליון, 600 אלף ושני מיליון מסות שמש.
למרות מסתו הגדולה, החור השחור שמסתו כ־80 מיליון מסות שמש סופח חומר בקצב איטי יותר מהחור השחור הסמוך לו, שמסתו כ־600 אלף מסות שמש. החור השחור הקטן יותר סופח חומר במהירות כה גבוהה, עד שהוא חורג מהקצב המרבי שחוזים המודלים הבסיסיים של צמיחת חורים שחורים – גבול אדינגטון.
״הנתונים של טלסקופ החלל ג׳יימס ווב אפשרו לנו לא רק לזהות את שלושת החורים השחורים, אלא גם לאמוד את מסותיהם, את קצבי הספיחה שלהם ואת מסת הכוכבים בגלקסיה״, אומר ד״ר ג׳ובאני מצולארי, המחבר השני של המחקר וחוקר במכון מקס פלנק.
לדבריו, מסת הכוכבים הכוללת בגלקסיה נאמדת בכ־1.3 מיליארד מסות שמש, ולכן החורים השחורים מהווים חלק משמעותי מן המסה הנמדדת בה.
שניים צפויים להתמזג
החוקרים מעריכים כי שני החורים השחורים שבמרכז הגלקסיה יתמזגו בתוך כמה מאות מיליוני שנים. לדברי פרופ׳ רוברטו מאיולינו מאוניברסיטת קיימברידג׳, השותף למחקר, התוצאה מחזקת את האפשרות שמיזוג חורים שחורים היה מסלול נוסף ומהיר לצמיחתם ביקום המוקדם.
מקורו ועתידו של החור השחור השלישי עדיין אינם ברורים. ייתכן שהוא שריד של מיזוג קודם והוסט ממרכז הגלקסיה בעקבות רתיעה כבידתית; אפשרות אחרת היא שהוא נע כעת פנימה, לעבר מרכז הגלקסיה.
התצפיות מדגימות את חשיבותה של ספקטרוסקופיית שדה אינטגרלי לאיתור כמה חורים שחורים פעילים בגלקסיות רחוקות. ללא המידע המרחבי שסיפק מכשיר NIRSpec של טלסקופ ווב, סביר להניח שרק אחד משלושת החורים השחורים היה מתגלה.
המערכת עשויה להיות שלב מוקדם בתהליך שיוביל למיזוגים של חורים שחורים מסיביים. מיזוגים כאלה אמורים לפלוט גלי כבידה בתדרים נמוכים, שאותם יוכלו בעתיד לזהות מצפי חלל דוגמת LISA.
שאלות ותשובות
מה התגלה בגלקסיה J0148-4214? החוקרים מצאו ראיות לשלושה חורים שחורים מסיביים הסופחים חומר באופן פעיל. שניים מהם סמוכים למרכז הגלקסיה והשלישי נמצא בשוליה.
כיצד זוהו החורים השחורים? הם לא צולמו ישירות. החוקרים זיהו את תנועתו המהירה של גז מימן סביבם באמצעות ספקטרוסקופיה מרחבית במכשיר NIRSpec של טלסקופ החלל ג׳יימס ווב.
מדוע הממצא חשוב? המערכת מחזקת את האפשרות שמיזוגים בין גלקסיות ובין החורים השחורים שלהן סייעו לחורים שחורים לגדול במהירות כבר ביקום הצעיר.
האם שלושת החורים השחורים יתמזגו? החוקרים מעריכים ששני החורים המרכזיים יתמזגו בתוך כמה מאות מיליוני שנים. עדיין לא ברור אם החור השלישי נע לעבר המרכז או דווקא הוסט ממנו בעקבות אירוע קודם.
מקורות: מכון מקס פלנק לפיזיקה חוץ־ארצית; המאמר המדעי ב־Astronomy & Astrophysics;
עוד בנושא באתר הידען
- ווב זיהה מועמד ל״חור שחור דמוי כוכב״ בשחר הקוסמי
- כך חורים שחורים גדלו מהר לעל־מסיביים ביקום המוקדם
- הטלסקופ ווב מגלה את החור השחור העתיק ביותר
- האבק עשוי להסגיר חורים שחורים על־מסיביים שנבעטו ממרכזי גלקסיות
- סוכנות החלל האירופית בונה אנטנה גדולה בחלל כדי להאזין לגלי כבידה
לפרסום המקורי: פתיחת הפרסום המקורי
