חורים שחורים מאופיינים באמצעות שני מאפיינים פשוטים: מסה וסחרור. בעוד האסטרונומים הצליחו מזה זמן רב למדוד את המסה של החורים השחורים די ביעילות, קביעת קצב הסחרור שלהם היתה משימה הרבה יותר קשה.
אסטרונומים שהשתמשו בטלסקופ צ’אנדרה של נאס”א בתחום קרני ה-X ובטלסקופ המקביל ניוטון של סוכנות החלל האירופית וכן בטלסקופ החלל האבל הצופה בתחום האור הנראה ובתדרים הקרובים אליו, חשפו חור שחור מאסיבי במרחק 6 מיליארד שנות אור המסתחרר במהירות. המדידות הראשונות של קצב הסחרור בחור שחור כה מרוחק מהווה התקדמות חשובה להבנה כיצד גדלים חורים שחורים במהלך הזמן.
חורים שחורים מאופיינים באמצעות שני מאפיינים פשוטים: מסה וסחרור. בעוד האסטרונומים הצליחו מזה זמן רב למדוד את המסה של החורים השחורים די ביעילות, קביעת קצב הסחרור שלהם היתה משימה הרבה יותר קשה.
בעשור האחרון, הציעו אסטרונומים דרכים להערכת קצב הסחרור של חורים שחורים במרחקים הגדולים מכמה מיליארדי שנות אור. משמעות הדבר היא שאנו צופים באיזורים המקיפים חורים שחורים כפי שהם נראו לפני מיליארדי שנים. ואולם קביעת קצב הסחרור של חורים שחורים מרוחקים אלה דרשה מספר שלבים המסתמכים זה על זה.
“רצינו לדלג על התיווך, ולחשב את הסחרור של חורים שחורים בכל היקום” אומר רובנס רייס מאוניברסיטת מישיגן באן ארבור, החוקר הראשי במאמר שפורסם בגיליון המקוון של כתב העת נייצ’ר ב-5 במרץ 2014.
רייס ועמיתיו חישבו את סחרור החור השחור העצום המושך את הגז שסביבו, ומייצר קוואזר מאיר במיוחד המכונה RX J1131-1231. בשל מזל שהיה לחוקרים שניצלו התיישרות עם גלקסיה גדולה שעברה בתווך, ההפרעה במרחב-זמן שגרמה גלקסיה אליפטית ענקית שניצבה בקו הראיה, ושימשה כעדשת כבידה המגדילה את האור מהקוואזר. עדשה כבידתית, שקיומה נחזה לראשונה על ידי איינשטיין, מציעה הזדמנות נדירה לחקור את האיזורים הפנימיים ביותר של קוואזרים כשהיא משמשת כטלסקופ טבעי ומגבירה את האור ממקורות אלה.
“בזכות עדשת הכבידה, הצלחנו להשיג מידע מפורט על ספקטרום ה-X, כלומר כמות קרני ה-X הנראים באנרגיות שונות מ- RX J1131-1231” אמר אחד החוקרים השותפים במחקר, מרק ריינולדס, אף הוא ממישיגן. “הנתונים הללו בתורם איפשרו לנו לקבל ערך מדויק למהירות בה מסתובב החור השחור”.
קרני ה-X מיוצרים בדיסקת הספיחה של הגז והאבק המקיפים את החור השחור ויוצרים ענן שבו מתקיימת טמפרטורה של מיליוני מעלות, זו העטרה שליד החור השחור. קרני ה-X מעטרה זו משקפים את החלק הפנימי של דיסקת הספיחה. הכוחות הכבידתיים חזקים ליד החור השחור משנים את הספקטרום של קרני ה-X. ככל שהשינוי גדול יותר, כך הקרניים הגיעו מאיזור פנימי יותר של דיסקת הספיחה והיו הקרובים ביותר לחור השחור.
“אנו מעריכים כי קרני ה-X מגיעות מאיזור בדיסקה הממוקם רק 3 רדיוסים מאופק האירועים, נקודת האל חזור של החומר הנופל לחור השחור” אומר ג’ון מילר ממישיגן, עוד חוקר השותף למחקר.”
“החור השחור חייב להסתחרר מהר מאוד כדי לאפשר לדיסקה לשרוד ברדיוס כזה קטן.”
באמצעות מדידת הסחרור של חור שחור מרוחק, גילו החוקרים רמזים חשובים אודות תהליך הצמיחה של החורים השחורים. אם חורים שחורים היו גדלים בעיקר בזכות התנגשויות ומיזוגים בין גלקסיות, הם היו אמורים לצבור חומר בדיסקה יציבה, וקבלת אספקה יציבה של חומר חדש היתה מובילה לסחרור מהיר של החורים השחורים. ולהפך, אם החור השחור גדל באמצעות הרבה אירועי ספיחה קטנים, הם יקלטו את החומר מכיוונים שונים והדבר עשוי להאט את קצב הסחרור.
הגילוי כי החור השחור ב- RX J1131-1231 מסתחרר במהירות של למעלה ממחצית מהירות האור, תואמת אכן לגילו של החור השחור הזה, 7.7 מיליארד שנים לאחר המפץ הגדול, וכי הוא גדל באמצעות מיזוגים ולא באמצעות משיכת חומרים מכיוונים שונים.
היכולת למדוד את סחרור החור השחור בטווחים קוסמיים גדולים יכולה לאפשר מחקר ישיר באשר לשאלה האם חורים שחורים מתפתחים באותו קצב כמו הגלקסיה המארחת שלהם? מדידות הסחרור של החור השחור RX J1131-1231 מהווה צעד גדול לאורך המסלול של הדגמת טכניקות לשימוש בטלסקופים בתחום קרינת ה-X לחקר חורים שחורים סופר מאסיביים מרוחקים. קודם למחקר זה, מרבית החורים השחורים המרוחקים שהסחרור הישיר שלהם חושב היו ממוקמים במרחקים של 2.5-4.7 מיליארד שנות אור.
8 תגובות
חיים פ
לפוטון חסר המסה יש תנע קווי. זה לא מוזר בעינייך? למה אתה הולך לדברים המסובכים, כשהפשוטים לא הגיוניים?
תודה לצבי על המאמץ
ועכשיו, כמובן, מתעוררות עוד תהיות.
למה שאופק האירועים יוגבל במהירות סיבובו למהירות האור? זה אינו גוף, אלא תחום. לכל גוף מסתובב יש מעטפת דמיונית במרחק גדול שמסתובבת אתו במהירות גבוהה ממהירות האור. אי אפשר להעביר מידע באמצעות זה, וזה אינו סותר את תורת הייחסות.
ומה המשמעות של תנע זוויתי אם למסה רדיוס 0, אלא אם מוותרים כליל על משוואות ניוטון. (במשוואה של תנע זוויתי הרדיוס מופיע במכנה)
ועוד ועוד. כנראה שזה לא המקום המתאים.
צבי
תודה על ההסבר.
ניסים וחיים.
אני מסכים איתכם שההגדרה כאן מאד בעייתית – כשאומרים גודלו של חור שחור יש לפרט.
לחור שחור שוורצשילד (חור שחור לא מסתובב) יש רק “גודל” אחד – רדיוס שוורצשילד (האופק) אשר אובייקט הנמצא ברדיוס קטן ממנו לעולם לא יוכל חללצאת מהחור השחור, לא משנה מה יעשה. על פי התיאוריה הסטנדרטית חור שחור כזה הוא ריק לגמרי וכל מסתו נמצאת במרכז. ואולם מסה אינה התכונה היחידה שמגדירה חור שחור – על פי משפט ה-“אין שיער” ישנם שלושה גדלים שמאפיינים חור שחור – המסה, המטען והתנע הזוויתי (כמובן תנע זוויתי הוא ווקטור ולכן הוא גודל וכיוון).
כאשר לחור שחור יש תנע זוויתי (חור שחור כזה קרוי kerr black hole) המבנה שלו איננו פשוט. אמנם האופק עדיין כדורי אך כפול, יש אופק פנימי ואופק חיצוני – בהמשך ארחיב מעט על אחת התוצאות של זה.
כמו כן האופק החיצוני של החור השחור מוקף במעטפת אליפוסיאידית (כדור פחוס) הקרויה “הארגוספירה”. חלקיק שנמצא בארגוספירה יכול לצאת אך בתוך הארגוספירה לא ניתן לעמוד וחייבים להסתובב (מתמטית, הקורדינטה הנוגעת לסיבוב מתערבבת עם קורדינטת הזמן – ולכן כמו שבמרחב רגיל חייבים להתקדם קדימה בזמן, כאן חייבים להסתובב באותו כיוון כמו החור השחור).
לבסוף הסינגולריות אינה נקודה כמו במקרה של חור שחור שוורצשילד אלא טבעת – זוהי תוצאה של קיומם של שני אופקים ומשמעות הדבר היא כי גוף שנופל לחור השחור לא חייב להגיע לסינגולריות (בניגוד למקרה של שוורצשילד), הוא יכול להגיע למרכז המערכת ולעבור דרך המשטח החסום ע”י הטבעת. המשטח החסום ע”י הטבעת הוא דבר מעניין – למעשה הוא מדביק שני מרחבים שונים, כלומר הוא מהווה חור תולעת אך נראה כי בפועל לא ניתן לעבור דרכו (שכן מעבר דרכו יפגע ביציבותו).
אז כעת אנחנו יכולים לדבר על מה שנאמר כאן.
כפי שהתחלתי, אני חושב שההגדרה כאן די גרועה, בפועל אני חושב שמדובר כאן על מהירות האופק החיצוני. מהירות זו לא יכולה להיות גבוהה ממהירות האור שכן הדבר יגרור את זה שהטבעת המהווה את הסינגולריות תצא אל מחוץ לאופק – הדבר מכונה סינגולריות חשופה (naked singularity) ויש סיבות טובות לחשוב שהוא לא ייתכן.
בכל מקרה זה שמהירות הסיבוב היא חצי ממהירות האור אינו דבר מפתיע – הסקאלה האופיינית כאן היא מהירות האור. יתר על היו כבר הערכות קודמות של ספין של חורים שחורים ואלו הצביעו על סיבוב במהירות גבוהה הקרובה למקסימום האפשרי.
חיים פ
רדיוס החור השחור בודאי אינו 0. החור השחור מוגדר ע”י מיקום ורדיוס. הרדיוס הוא אותו מרחק ממרכז החור שמהירות המילוט הינו מהירות האור.
מה שכן – החומר כנראה מתכווץ לרדיוס 0.
תנע זוויתו הינו וקטור, כלומר הוא מוגדר ע”י גודל וכיוון. לכן – מספיק 2 נתונים להגדרת החור השחור – מסה ותנע זוויתי.
כדור הארץ פחוס בגלל שבנפחו יש מסה. בחור שחור כל המסה מרוכזת במרכזו בנקודה. החור השחור הוא, כמה שאני מבין, כדור מושלם.
מי מבין, מי יודע?
“החור השחור ב- RX J1131-1231 מסתחרר במהירות של למעלה ממחצית מהירות האור”
(מעניין שזיהיתי את הבעיה כמו קודמי אבי לוז, וביצעתי חתוך-הדבק בדיוק כמוהו 🙂 )
המשפט תמוה. מהירות שחור אמור להסתובב X פעמים בשנייה. אין לזה ולמהירות האור שום דבר !
שאלה נוספת
ממה שקראתי, רדיוסו של החור השחור הוא אפס. אז איך אמורים למדוד “X פעמים בשניה?”. ניוטון טען לשימור התנע הזוויתי. אם מסה קורסת לחור שחור, היא חייבת לשמר את התנע הזוויתי שהיה לה. אבל מה המשמעות של תנע זוויתי לגוף שהרדיוס שלו הוא אפס? אני מסיק מכך שרדיוסו של החור השחור הוא גודל חיובי ממש. תמיד חיובי ובכל תנאי. האמנם? האם מישהו נתן דעתו לעניין זה ?
שאלה נוספת – שאלת המשך לאמור לעיל:
ציטוט מהמאמר: “חורים שחורים מאופיינים באמצעות שני מאפיינים פשוטים: מסה וסחרור”
אני חושב שזה לא מדויק. שלושה מאפיינים: מסה, סחרור, וכיוון הסחרור. לתנע הזוויתי יש כיוון וגם הכיוון נשמר. גם כאן אני מגיע למסקנה שרדיוס החור השחור הוא גודל חיובי בקו המשווה, וגודל אפס בכיוון הקטבים. (גם כדור הארץ פחוס בגלל עקרון זה). האם מישהו נתן דעתו לדברים אלה.
אודה לתשובה מקצועית. אני, כמובן, אינני פיזיקאי מקצועי.
חיים
“החור השחור ב- RX J1131-1231 מסתחרר במהירות של למעלה ממחצית מהירות האור.”
להבנתי, “סחרור” – הוא תנע זוויתי. ולכן היחידות שלו שונות מיחידות של “מהירות”
אבי לוז
מדהים