אישוש להוקינג: חור שחור מלאכותי מאשש באופן כמותי את הטמפרטורה והאופי התרמי של קרינת הוקינג

צוות חוקרים מהפקולטה לפיזיקה בטכניון פיתח חור שחור מלאכותי בו הקול ממלא את תפקידו של האור. באמצעות פיתוח שיטה למדידת הספקטרום של קרינת הוקינג, הם מצאו כי חורים שחורים מלאכותיים אכן פולטים קרינה בדומה לאובייקט חם רגיל, כפי שקבעו תחזיותיו של הוקינג

במהלך הקריירה שלו כפיזיקאי תיאורטי וכקוסמולוג, סטיבן הוקינג המנוח סבר כי חורים שחורים – תופעה בחלל אשר לה מסה עצומה ואשר הינה בלתי נראית ובעלת כבידה כה חזקה עד כי דבר, גם לא אור, אינו יכול לברוח מאחיזתה העמוקה והאפלה – פולטים קרינה. לקרינת הוקינג זו אמור להיות ספקטרום תרמי, בדומה לקרינה הנפלטת מכל אובייקט חם. הטמפרטורה של קרינת הוקינג אמורה לעלות בקנה אחד עם הטמפרטורה שחזה האסטרופיזיקאי יעקב בקנשטיין המנוח.

כעת, צוות חוקרים מהפקולטה לפיזיקה בטכניון פיתח חור שחור מלאכותי בו הקול ממלא את תפקידו של האור. באמצעות פיתוח שיטה למדידת הספקטרום של קרינת הוקינג, הם מצאו כי חורים שחורים מלאכותיים אכן פולטים קרינה בדומה לאובייקט חם רגיל, כפי שקבעו תחזיותיו של הוקינג. מאמר המסביר את מחקרם פורץ הדרך התפרסם בגיליון כתב העת Nature מה30 במאי 2019.

לפני כמעט ארבעה עשורים, הוצעה תיאוריה לפיה ניתן יהיה לבנות חורים שחורים מלאכותיים ולמדוד באמצעותם את הפיזיקה של קרינת הוקינג, סוג של קרינה תרמית, שאת קיומה חזה הוקינג בשנות השבעים של המאה ה-20 וכיום נקראת על שמו. אולם, היו אלה משימת יצירת חור שחור מלאכותי ומציאת דרכים למדידת הספקטרום של קרינת הוקינג והטמפרטורה שלה, אשר הובילו לפריצת הדרך האחרונה. “החור השחור המלאכותי שלנו מאשש את האופי התרמי (התרמיות) של קרינת הוקינג”, הסביר ראש צוות המחקר, פרופ’ ג’ף סטיינהאור. “בנוסף, מצאנו כי הטמפרטורה נקבעת לפי הכבידה המלאכותית על פני השטח של החור השחור המלאכותי, בהתאמה גם כן לתחזיותיו של הוקינג”.

הצלחת מחקרם מעניקה הבנה מעמיקה נוספת על אופיים של חורים שחורים, אחד הסודות הכי פחות מובנים של היקום. הרעיון של אובייקט בחלל בעל שדות כבידה כה חזקים אשר אור לא יכול לברוח הוצע עוד במאה ה-18. התיאוריה המודרנית הראשונה אודות קיומם של חורים שחורים התפתחה בשנת 1916, אך לא פותחה במלואה ונחשבה במהותה למתמטית בלבד עד לאמצע שנות ה-60 של המאה ה-20, אז עלו תאוריות בעקבות הבנת מנגנון הקריסה של כוכבים מאסיביים. למרות שלא ניתן היה לראותם, במהרה שררה תמימות דעים כי חורים שחורים קיימים במרבית הגלקסיות.

לאחר עשור בו למדו על התופעה והבעיה, צוות החוקרים שיפר בהתמדה את הכלים הניסיוניים שלו בשלושת השנים האחרונות. המטרה הייתה לא רק ליצור חורים שחורים מלאכותיים, אלא גם לפתח שיטות מדידה לבדיקת התחזיות של הוקינג. כדי להגיע למסקנותיהם, הם חזרו על ניסוי קרינת הוקינג 7,400 פעמים כאשר לכל “ריצה” התקבל פרופיל צפיפות, מהם חישבו החוקרים ערכים ממוצעים.

“עבודות תאורטיות, בשילוב עם מחקרנו ארוך הטווח על הנושא, אפשרו את התצפית של קרינת הוקינג ספונטנית בחור שחור מלאכותי”, מדווח סטיינהאור. “השיפורים במערכת הניסוי שלנו אפשרו לנו למדוד את התרמיות של ספקטרום הוקינג ולהשוות את הטמפרטורה לתחזיתו של הוקינג, לפי הכבידה על פני השטח”.

על פי החוקרים, טמפרטורה זו (כפי שנחזתה) יוצרת קשר מעניין בין התאוריות של הוקינג לתאוריות של האסטרופיזיקאי יעקב בקנשטיין. בשנת 1972, בקנשטיין הציג גם כן תאוריה אודות התרמודינמיקה של חורים שחורים. “למרבה הפלא, על אף שחישוביהם התבססו על רעיונות שונים מאוד, הוקינג ובקנשטיין הגיעו לאותה המסקנה כי הטמפרטורה נקבעת לפי הכבידה על פני השטח של החור השחור”, אמר סטיינהאור. “אנו איששנו את תחזיותיהם”.

בעוד הגילוי של הפיזיקאים מהטכניון שופך אור על אופיים של חורים שחורים מלאכותיים באמצעות מדידת ספקטרום הקרינה הנפלט (בדומה מאוד לספקטרום הנפלט מאובייקט חם רגיל), רמות הקרינה הנמוכות לא רק מאששות את התאוריה של הוקינג, אלא גם עשויות להוביל למחקר המשך.

על פי סטיינהאור וצוותו, ממצאיהם מעניקים רמזים לא רק על אופיים של חורים שחורים אמיתיים, אלא גם על “פרדוקס המידע”. על פי הוקינג, הקרינה והספקטרום התרמי שלה מכילים מעט מאוד מידע. רעיון זה הוא הבסיס לפרדוקס המידע המעלה שאלות כגון: מה עולה בגורלו של מידע הנופל לתוך חור שחור אמיתי? האם הוא נעלם מהיקום? ואם לא, לאן הוא הולך?

החוקרים מצאו כי הספקטרום של קרינת הוקינג אכן תרמי. לכן, פרדוקס המידע נשאר בלתי פתור וחוקרים עתידיים יצטרכו לחפש תשובות במקומות אחרים כדי לפצח את חידת פרדוקס המידע.

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

• מדענים בטכניון יצרו חור שחור הלוכד גלי קול
• גם אטומים, ולא רק אלקטרונים, מסוגלים לעבור מחסום
• “הדיון של הוקינג בחורים השחורים הסב את תשומת הלב לצורך באיחוד התורות הבסיסיות במדע“
• הוקינג לא טען שאין חורים שחורים, אלא שלחורים השחורים אין אופק אירועים