העצם MoM-BH*-1 נראה כפי שהיה 660 מיליון שנה בלבד לאחר המפץ הגדול. ניתוח האור שלו מצביע על חור שחור צעיר העטוף במעטפת מימן עצומה וצפופה, המקנה לו מראה ספקטרלי של כוכב. הממצא עשוי לסייע בהסברת ״הנקודות האדומות הקטנות״ שגילה טלסקופ החלל ג׳יימס ווב – אך לפי שעה מדובר בפרשנות המבוססת על מודל ולא בזיהוי ודאי של סוג עצם חדש
צוות בינלאומי של אסטרונומים זיהה באמצעות טלסקופ החלל ג׳יימס ווב עצם חריג מן היקום המוקדם, שלדבריהם עשוי להיות חור שחור צעיר העטוף במעטפת עצומה וצפופה של גז. מעטפת זו סופגת ומעבדת את הקרינה הנפלטת מסביבת החור השחור, ולכן העצם נראה מבחינות מסוימות כמו כוכב ענקי – אף שמקור האנרגיה שלו אינו היתוך גרעיני.
החוקרים מכנים את העצם Black Hole Star. בעברית אפשר לתארו כ״חור שחור דמוי כוכב״. אין פירוש הדבר שכוכב מסיבי התגלה ברגע שבו קרס והפך לחור שחור. התהליך הזה מוכר היטב באסטרופיזיקה. החידוש האפשרי כאן הוא מבנה אחר: חור שחור שכבר קיים וגדל באמצעות ספיחת חומר, בעודו נתון בתוך מעטפת גז כמעט כדורית המתפקדת כמעין אטמוספרה או פוטוספרה של כוכב.
העצם, שקיבל את הסימון MoM-BH*-1, נראה כפי שהיה כ־660 מיליון שנה לאחר המפץ הגדול. המחקר, בהובלת רוהאן נאידו ממכון קוולי לאסטרופיזיקה וחקר החלל ב־MIT, פורסם בכתב העת Nature.
נקודה אדומה ובהירה שנעלמה באורכי גל קצרים
MoM-BH*-1 אותר במסגרת תוכנית תצפיות המכונה Mirage or Miracle, או בקיצור MoM. מטרת התוכנית הייתה לחפש גלקסיות בהירות שנוצרו בשלב מוקדם מאוד של תולדות היקום ולבדוק אם הן אכן גלקסיות מפותחות באופן מפתיע, או שמא בהירותן נובעת ממקור אחר.
בתמונות שצילמה מצלמת NIRCam של ווב בלט העצם כנקודה אדומה ובהירה במיוחד. הוא נראה היטב באורכי גל ארוכים יחסית, אך כמעט נעלם באורכי גל קצרים יותר. תצפיות ספקטרוסקופיות באמצעות מכשיר NIRSpec קבעו כי ההסחה לאדום שלו היא 7.7569, המתאימה לתקופה שבה היקום היה בן כ־660 מיליון שנה בלבד.
השינוי החריף בעוצמת האור מתרחש סביב גבול בלמר – אורך גל שבו אטומי מימן במצב מעורר בולעים חלק גדול מן הקרינה. תופעה המכונה ״שבירת בלמר״ נראית בדרך כלל בספקטרום של אוכלוסיות כוכבים, ובפרט בכוכבים מסוג A. אלא שב־MoM-BH*-1 השבירה חזקה בהרבה מכפי שאפשר להסביר באמצעות אוכלוסיית כוכבים רגילה.
עוצמת האור משני צדי גבול בלמר השתנתה ביותר מפי 20, וחוזק השבירה שנמדד היה כ־7.7. לשם השוואה, מודלים של אוכלוסיות כוכבים רגילות מנבאים ערך מרבי של כ־3, ואפילו אוכלוסייה קיצונית המורכבת כמעט כולה מכוכבים מסוג A אינה צפויה להגיע לערך העולה על 5.
סימנים של כוכב ושל חור שחור באותו ספקטרום
לצד התכונות המזכירות אטמוספרה של כוכב, הספקטרום מכיל גם קו פליטה רחב של מימן מסוג Hβ. רוחבו מתאים למהירויות של כ־3,000 קילומטרים בשנייה – תכונה האופיינית לגז הנע בסביבתו של גרעין גלקטי פעיל המוזן בידי חור שחור.
באותו זמן נראו בקווי Hβ ו־Hγ גם תבניות בליעה עמוקות ומורכבות. קיומם של קווי פליטה ובליעה חזקים באותו עצם מצביע על סביבת גז צפופה במיוחד. החוקרים מעריכים כי צפיפות המימן במעטפת עשויה להגיע לכ־100 מיליארד אטומים בסנטימטר מעוקב, וכי הגז נתון בתנועה מערבולתית במהירות של מאות קילומטרים בשנייה.
החוקרים הריצו קרוב למיליון דגמים ספקטרליים שונים. ההתאמה הטובה ביותר לתצפיות התקבלה כאשר הציבו מקור קרינה של גרעין גלקטי פעיל – כלומר דיסקת ספיחה סביב חור שחור – בתוך מעטפת עבה וצפופה של מימן. לפי המודל, המעטפת עשויה להשתרע על פני כ־10 עד 100 יחידות אסטרונומיות, כלומר מסדר הגודל של מערכת השמש.
ווב אינו מסוגל להבחין ישירות במעטפת קטנה כל כך במרחק זה. ממדיה נגזרו מן המודל המתאים לספקטרום, ואילו התצפיות עצמן מראות רק שהמקור כולו קטן מ־117 פרסק. לכן אין מדובר בצילום של חור שחור בתוך מעטפת, אלא בפרשנות פיזיקלית של האור שהגיע ממנו.
לא כוכב רגיל ולא קוואזר רגיל
כוכב רגיל מייצר אנרגיה באמצעות היתוך גרעיני בליבתו. בחור השחור דמוי הכוכב, לעומת זאת, האנרגיה נוצרת כאשר חומר נופל לעבר החור השחור, מתחמם ופולט קרינה. מעטפת הגז החיצונית בולעת חלק מן הקרינה ופולטת אותה מחדש, בדומה לפוטוספרה של כוכב.
בהירותו הכוללת של MoM-BH*-1 מוערכת בכ־(10^{44.5}) ארג בשנייה, השקולה לעשרות מיליארדי פעמים הספק השמש. תפוקה כזו אינה יכולה לנבוע מהיתוך גרעיני בכוכב יחיד, אך היא אפשרית בסביבה שבה חור שחור סופח כמויות גדולות של חומר.
גם קוואזר רגיל אינו מתאים היטב לתצפיות. בקוואזרים מוכרים החומר יוצר בדרך כלל דיסקת ספיחה שטוחה יחסית, ולעיתים היא מוקפת באבק. במקרה הנוכחי נדרשת מעטפת גז עבה, צפופה וכמעט נטולת אבק. צבעו האדום של העצם נובע, לפי המחקר, בעיקר מאטימות המימן ולא מהסתרה באמצעות אבק.
היעדר האבק הוא פרט חשוב. פרשנויות קודמות של עצמים אדומים ביקום המוקדם הניחו לעיתים שכמות גדולה של אבק מסתירה את הקרינה הכחולה והעל־סגולה. במקרה של MoM-BH*-1, המדידות באורכי גל ארוכים אינן מתיישבות עם כמות האבק שהייתה נדרשת לשם כך.
מה מסת החור השחור?
מסת החור השחור עדיין אינה ידועה היטב. ההודעה של MIT מציינת הערכה של כ־100 אלף מסות שמש, אך המאמר המדעי עצמו מציג טווח רחב בהרבה, בהתאם להנחות המשמשות בחישוב.
כאשר משתמשים ביחסים המקובלים למדידת חורים שחורים על סמך רוחב קווי הפליטה, מתקבלות מסות של עשרות מיליוני מסות שמש ואף יותר. אולם החוקרים מציעים כי רוחב הקווים אינו משקף רק את מהירות הגז בהשפעת כבידת החור השחור. חלק מן ההתרחבות עשוי לנבוע מפיזור חוזר של פוטונים בתוך מעטפת המימן.
אם כך הדבר, ייתכן שמסת החור השחור היא בסדר גודל של כמיליון מסות שמש בלבד. מכאן נובעת אחת המסקנות החשובות של המחקר: ייתכן שמסותיהם של חלק מן החורים השחורים שזוהו ב״נקודות האדומות הקטנות״ הוערכו ביתר, לעיתים עד פי מאה, משום שהחישובים התבססו על יחסים שנמדדו בחורים שחורים בסביבה שונה מאוד ביקום המקומי.
פתרון אפשרי לתעלומת הנקודות האדומות הקטנות
מאז תחילת פעילותו גילה ווב אוכלוסייה גדולה של מקורות קומפקטיים ואדומים ביקום המוקדם, המכונים Little Red Dots – ״נקודות אדומות קטנות״. עצמים אלה היו בין ההפתעות הגדולות של הטלסקופ. הם בהירים ואדומים, מציגים לעיתים קווי פליטה רחבים, אך אינם נראים בדיוק כמו גלקסיות רגילות או כמו קוואזרים מוכרים.
MoM-BH*-1 עשוי לספק הסבר לחלק מן האוכלוסייה הזו. במקרה שלו, קרינת החור השחור מאפילה כמעט לחלוטין על הגלקסיה המארחת, ולכן אפשר לראות את האור שמקורו במעטפת החור השחור כמעט ללא הפרעה מכוכבי הגלקסיה.
בסמוך אליו נמצאת גלקסיה גדולה ובהירה יותר, במרחק מוקרן של כ־60 קילופרסק. החוקרים חיברו באופן מלאכותי את הספקטרום של שני העצמים ומצאו שהתוצאה דומה מאוד לספקטרום האופייני לנקודה אדומה קטנה. הם מעריכים כי שני העצמים עשויים להתמזג בתוך כ־100 מיליון שנה.
האפשרות היא אפוא שחלק מן הנקודות האדומות הקטנות אינן גלקסיות עתירות כוכבים כפי שנדמה בתחילה, אלא שילוב של גלקסיה צעירה ושל חור שחור הגדל במהירות בתוך מעטפת גז צפופה.
כיצד נוצרו חורים שחורים ענקיים מוקדם כל כך?
אחת הבעיות המרכזיות בחקר היקום המוקדם היא קיומם של חורים שחורים בעלי מסה של מאות מיליונים ואף מיליארדי מסות שמש, כאשר היקום היה בן פחות ממיליארד שנה. לא ברור כיצד הספיקו לצבור מסה גדולה כל כך בזמן קצר.
לפי מודלים תאורטיים, מעטפת עבה של גז עשויה לסייע לחור שחור לגדול במהירות. הקרינה הנפלטת מדיסקת הספיחה מפעילה לחץ הדוחף את החומר החוצה ובדרך כלל מגביל את קצב הגדילה, בהתאם לגבול אדינגטון. מעטפת צפופה יכולה ללכוד חלק מן הקרינה או להעביר אותה בדרכים שאינן מונעות מן הגז להמשיך ליפול פנימה. כך עשויה להתרחש ספיחה בקצב העולה על גבול אדינגטון.
מבנים דומים, המכונים לעיתים quasi-stars, הוצעו בעבר באופן תאורטי. לפיכך, החידוש אינו עצם הרעיון שחור שחור יכול להימצא בתוך מעטפת גז דמוית כוכב, אלא האפשרות שנמצאה לכך ראיה תצפיתית ברורה יחסית בשחר הקוסמי.
עדיין מועמד, לא סוג חדש שהוכח
למרות הכותרות על גילוי ״סוג חדש לחלוטין של עצם״, החוקרים עצמם נוקטים במאמר ניסוח זהיר יותר. המודל של חור שחור עטוף בגז מצליח להסביר יחד את שבירת בלמר, קווי הבליעה, קווי הפליטה הרחבים, הצבע האדום והבהירות הרבה, אך הוא אינו ההסבר היחיד שהוכח באופן ישיר.
המודל גם מפושט מאוד ואינו מתאר בהכרח את המבנה התלת־ממדי, את המערבולות ואת העברת הקרינה במעטפת. העצם לא זוהה בקרני רנטגן, אם כי מעטפת כה צפופה עשויה לחסום גם אותן. נמצאה גם עדות אפשרית להתבהרות של כ־30% בתוך 56 ימים במערכת העצם, אך ההשוואה מבוססת על מכשירים ושיטות תצפית שונים ולכן היא עדיין אינה הוכחה מוצקה לשינוי בעוצמתו.
תצפיות נוספות, ובפרט מעקב אחר השתנות האור, מדידות ספקטרליות ברזולוציה גבוהה וחיפוש אחר עצמים דומים, יידרשו כדי לקבוע אם MoM-BH*-1 אכן מייצג שלב חדש ומובחן בהתפתחותם של חורים שחורים.
שאלות ותשובות
האם מדובר בכוכב מסיבי שקרס והפך לחור שחור?
לא. כוכבים מסיביים אכן יכולים לקרוס וליצור חורים שחורים, אך כאן החור השחור כבר קיים. הוא מוקף במעטפת גז צפופה שמעניקה לקרינה שלו תכונות המזכירות כוכב.
מדוע מכנים אותו חור שחור דמוי כוכב?
מעטפת הגז פועלת כמעין אטמוספרה או פוטוספרה עצומה. היא סופגת ומפזרת את האור שמקורו בחומר הנופל אל החור השחור, ולכן הספקטרום כולל תכונות המוכרות מאטמוספרות של כוכבים.
מהו החידוש במחקר?
החידוש הוא השילוב החריג של סימנים לגרעין פעיל ולמעטפת דמוית כוכב באותו מקור, והאפשרות שזהו מועמד תצפיתי למבנה שנחזה קודם לכן בעיקר במודלים תאורטיים.
כיצד הממצא קשור לנקודות האדומות הקטנות?
החוקרים מציעים שנקודות אדומות קטנות רבות עשויות להיות חורים שחורים עטופי גז המשולבים באור הגלקסיות המארחות שלהם. MoM-BH*-1 מאפשר לבחון כמעט בנפרד את קרינת החור השחור והמעטפת.
האם הזיהוי ודאי?
לא. הנתונים מתאימים למודל של חור שחור עטוף במעטפת גז, אך המבנה לא נצפה ישירות והמודל כולל אי־ודאויות גדולות, לרבות באשר למסת החור השחור.
עוד בנושא באתר הידען
- הטלסקופ ווב מגלה את החור השחור העתיק ביותר
- כך חורים שחורים גדלו במהירות לעל־מסיביים ביקום המוקדם
- חורים שחורים על־מסיביים קוראים תיגר על הפיזיקה כדי להפוך לענקים קוסמיים
- טלסקופ החלל ווב מגלה קוואזרים היכן שאינם אמורים להתקיים
- כוכבים מסיביים פי 10,000 מהשמש שלטו ביקום הקדום
מקור ומאמר מקורי:
- A gas-enshrouded and gas-reddened black hole at cosmic dawn – Nature
- ההודעה לעיתונות של MIT
- ההודעה ב־EurekAlert
למאמר המדעי: פתיחת המאמר המדעי
