סימולציות חדשות של מרכז האסטרופיזיקה החישובית במכון פלטאיירון מציעות שהיווצרות חורים שחורים בטווח המסות ה"אסור" נובעת משילוב בין סיבוב מהיר ושדות מגנטיים חזקים, המשגרים החוצה עד מחצית ממסת הכוכב ויוצרים חורים שחורים קלים יותר אך מהירים – כמו באירוע גלי הכבידה GW231123
תוצאות מפתיעות ממערך סימולציות מקיף של אסטרופיזיקאים ממכון פלטאיירון (Flatiron Institute) ועמיתיהם מציעות הסבר למיזוג "בלתי אפשרי" של שני חורים שחורים ענקיים – אירוע שנחשב עד לא מזמן מנוגד כמעט לחוקי הפיזיקה הידועים. לפי המחקר, שדות מגנטיים חזקים סביב כוכבי ענק מתפוצצים יכולים ליצור חורים שחורים בטווח מסות שבמשך שנים נחשב "שטח אסור" כמעט.
התוצאות פורסמו בכתב העת The Astrophysical Journal Letters והעבודה נתמכה על ידי קרן סימונס (Simons Foundation).
ב־2023 זיהו אסטרונומים באירוע GW231123 התנגשות עצומה: שני חורים שחורים בעלי מסות חריגות במיוחד התנגשו זה בזה, במרחק מוערך של כ־7 מיליארד שנות אור מכדור הארץ. בנוסף למסות הגבוהות מאוד, המדידות הראו ששני החורים השחורים מסתובבים במהירויות קיצוניות, כמעט במהירות האור – שילוב שנחשב בלתי סביר כמעט לחלוטין לפי המודלים המקובלים.
כעת, צוות חוקרים ממרכז האסטרופיזיקה החישובית (CCA) של מכון פלטאיירון ועמיתיהם מציגים תרחיש היווצרות מפורט שמת reproduci את התכונות החריגות של GW231123. הסימולציות שלהם – שעוקבות אחרי המערכת משלב חיי הכוכב הענקי ועד להיווצרות החור השחור ולאחריה – מצביעות על רכיב פיזיקלי שהיה חסר ברוב העבודות הקודמות: שדות מגנטיים.
"אף אחד לא בחן את המערכות האלה בדרך שאנחנו בחנו," אומר ד"ר אור גוטליב, אסטרופיזיקאי ב־CCA והמחבר הראשון של המאמר. "בעבר פשוט דילגו על השדות המגנטיים. ברגע שמכניסים אותם לתמונה, אפשר להסביר את המקור של האירוע יוצא הדופן הזה."
מיזוג 'בלתי אפשרי' במרווח המסות
GW231123 התגלה על ידי שיתוף הפעולה LIGO–Virgo–KAGRA, המודד גלי כבידה – אדוות במרחב־זמן שמקורן בתנועה של גופים מאסיביים מאוד. כבר עם גילויו התברר שהאירוע חריג: שני החורים השחורים שהתרסקו זה על זה נמצאים בטווח מסות שבו, לפי התאוריה, כמעט שלא אמורים להיווצר חורים שחורים "ישירות" מכוכבים.
כאשר כוכבים מסיביים מאוד מסיימים את חייהם, הם קורסים ומתפוצצים כסופרנובה, ובמקרים רבים משאירים אחריהם חור שחור. אבל עבור טווח מסה מסוים, מתרחש תהליך קיצוני במיוחד הנקרא סופרנובה מאי־יציבות זוגית (pair-instability supernova). בפיצוץ כזה, הכוכב כולו נהרס – לא נשארת ליבה כבדה שיכולה לקרוס לחור שחור.
"כתוצאה מהסופרנובות האלה, אנחנו לא מצפים לראות חורים שחורים שמסתם בין בערך 70 ל־140 מסות שמש," אומר גוטליב. "לכן היה מאוד מבלבל לגלות חורים שחורים שמסתם נמצאת בדיוק בתוך פער המסות הזה."
אפשרות אחת לעקוף את "פער המסות" היא מיזוגים חוזרים: שני חורים שחורים קטנים יותר מתמזגים ויוצרים חור שחור כבד יותר. אבל במקרה של GW231123, גם ההסבר הזה נראה לא סביר. מיזוג של חורים שחורים הוא תהליך אלים במיוחד, ולרוב הוא "מערבב" או משנה את הספין של החור השחור שנוצר. החורים השחורים באירוע הזה היו מהמהירים שנמדדו אי פעם, וסובבו את המרחב־זמן סביבם כמעט במהירות האור. הופעה של שני חורים שחורים גדולים כל כך וגם מהירים כל כך באותה מערכת נראתה כתרחיש בעל הסתברות נמוכה מאוד.
שם נכנסות לתמונה הסימולציות החדשות.
מהכוכב הענק אל החור השחור – בשני שלבים
גוטליב ועמיתיו נקטו גישה דו־שלבית בסימולציות שלהם.
בשלב הראשון הם דימו התפתחות של כוכב ענק, שמסתו ההתחלתית 250 מסות שמש, החל מהרגע שבו הוא מתחיל לשרוף מימן בלבו ועד שהוא מכלה את הדלק הגרעיני ומגיע לקריסה סופית. כאשר כוכב כזה מגיע לשלב הסופרנובה, הוא כבר איבד חלק גדול מהמסה שלו, ונשאר עם כ־150 מסות שמש – עדיין מעל פער המסות, כך שאם נותרת ליבה, היא יכולה לקרוס לחור שחור כבד.
בשלב השני, המורכב יותר, דימו החוקרים את מה שקורה אחרי הקריסה והפיצוץ, כשהם לוקחים לראשונה בחשבון גם שדות מגנטיים. הם התחילו מענן הגז והחומר הנותר מהסופרנובה, שעוטף חור שחור חדש במרכזו וחדור קווי שדה מגנטיים.
בעבודות קודמות נהוג היה להניח שרוב המסה של הענן הזה נופלת בסופו של דבר אל החור השחור, כך שמסת החור השחור הסופית קרובה מאוד למסת הכוכב הקורס. הסימולציות החדשות מציירות תמונה שונה.
אם הכוכב ההתחלתי לא הסתובב, החומר שנותר אחריו פשוט ייפול במהירות אל החור השחור. אבל אם הכוכב הסתובב מהר לפני הקריסה, החומר יוצר דיסקה מסתובבת סביב החור השחור. הדיסקה הזו מעבירה לחור השחור תנע זוויתי וגורמת לו להסתובב מהר יותר ככל שיותר חומר נופל פנימה.
כאשר נכנסים לתמונה שדות מגנטיים, הכול משתנה: הקווים המגנטיים בדיסקה מפעילים לחץ על הגז, ולחץ זה יכול להאיץ חלק מהחומר החוצה במהירויות עצומות – קרובות למהירות האור.
הזרימות החוצה האלה (outflows) מפחיתות באופן משמעותי את כמות החומר שבסופו של דבר מוזן אל החור השחור. ככל שהשדה המגנטי חזק יותר, כך גדלה כמות המסה שנפלטת החוצה ולא נופלת פנימה. במקרים קיצוניים במיוחד, עד מחצית ממסת הכוכב המקורי יכולה להיפלט דרך הדיסקה המגנטית.
בתנאים שבהם השתמשו החוקרים בסימולציות, השפעת השדות המגנטיים הובילה להיווצרות חור שחור סופי שמסתו דווקא נופלת בתוך פער המסות – כלומר, כבד מכדי להיווצר מקריסה "רגילה" אבל קל משמעותית מהכוכב שממנו נולד.
"מצאנו שהסיבוב והשדות המגנטיים יכולים לשנות מן היסוד את האבולוציה של הכוכב אחרי הקריסה," מסביר גוטליב. "במקרים כאלה מסת החור השחור הסופית יכולה להיות נמוכה בהרבה ממסת הכוכב שקרס."
קשר בין מסה לספין – והשלכות תצפיתיות
אחד המרכיבים המעניינים ביותר במאמר הוא הקשר המוצע בין המסה של חור שחור לבין הספין שלו. לפי הסימולציות:
- שדות מגנטיים חזקים מאוד מוציאים החוצה חלק גדול מהמסה ומאטים את הספין של החור השחור – מתקבלים חורים שחורים קלים יותר ומסתובבים לאט יותר.
- שדות חלשים יותר מאפשרים ליותר חומר להיבלע, וכך נוצרים חורים שחורים כבדים יותר בעלי ספין מהיר.
אם אכן קיים קשר סדור בין מסה לספין, אפשר יהיה להשתמש בו בעתיד כדי לתאר טוב יותר את אוכלוסיית החורים השחורים ביקום ולהבין אילו תהליכים יצרו אותם. נכון לעכשיו, GW231123 הוא הדוגמה הבולטת היחידה למערכת שבה אפשר לבדוק קשר כזה, אבל החוקרים מקווים שאירועי גלי כבידה עתידיים יחשפו עוד "מיזוגים בלתי אפשריים של חורים שחורים" שיוכלו לשמש לבחינה של המודל.
הסימולציות מציעות גם חתימה תצפיתית נוספת: במהלך היווצרות החורים השחורים בטווח המסות הזה צפויות להיווצר התפרצויות קרינת גמא. אם תצפיות גלי גמא יאותרו בקורלציה לאירועים דומים, הן יוכלו לתמוך ישירות בתרחיש שמציעים גוטליב ועמיתיו ולהצביע על שכיחותם של חורים שחורים "אסורים" כאלה ביקום.
אם הקשר בין השדות המגנטיים, המסה והספין יאושר תצפיתית, הוא יספק הצצה חדשה לפיזיקה הבסיסית של חורים שחורים – גופים שאינם נראים ישירות, אך ממשיכים לעצב את תמונת היקום דרך גלי כבידה, קרינת גמא וההשפעה שלהם על הגז והכוכבים סביבם.
על מכון פלטאיירון
מכון פלטאיירון (Flatiron Institute) הוא זרוע המחקר של קרן סימונס. מטרת המכון היא קידום המחקר המדעי באמצעות שיטות חישוביות – ניתוח נתונים, תאוריה, מודלים וסימולציות. מרכז האסטרופיזיקה החישובית (Center for Computational Astrophysics) במכון מפתח מסגרות חישוביות חדשות לניתוח מאגרי נתונים אסטרונומיים גדולים ולהבנת פיזיקה מורכבת ורב־סקאלית בהקשרים קוסמולוגיים.
עוד בנושא באתר הידען:
