זה היה הזיהוי הישיר הראשון של גלי כבידה, והתצפית הזאת איששה את תחזיתו בת מאה השנים של אלברט איינשטיין בדבר קיומם. ואולם, הציוץ הזה הראה שכל אחד מן החורים השחורים שחוללו את ההתמזגות הזאת היו כבדים פי 30 מן השמש. כלומר שהמסות שלהם היו גדולות פי שניים עד שלושה יותר מן המסות של חורים שחורים רגילים שנולדים מהתפוצצויות סופרנובה של כוכבים מסיביים. החורים השחורים האלה היו כבדים כל כך עד שקשה להסביר כיצד בכלל הם נוצרו מכוכבים. יותר מזה, אפילו אם שני חורים שחורים כאלה אכן נוצרו באופן בלתי תלוי ממותם של כוכבים מסיביים מאוד, הם היו צריכים למצוא זה את זה ולהתמזג – אירוע שההסתברות להתרחשותו נמוכה להפליא בגיל הנוכחי של היקום. יהיה זה אך הגיוני אפוא אם נחשוד שהחורים השחורים המסיביים האלה נוצרו בתהליך כלשהו אחר, אקזוטי יותר, שייתכן שאינו קשור לכוכבים כלל וכלל. ייתכן ש-LIGO לא זו בלבד שזיהה גלי כבידה, אלא אף הסיר את הלוט מעל משהו הרבה יותר מדהים: חורים שחורים שקדמו ליצירתם של הכוכבים עצמם.
על אף שֶחורים שְחורים "בראשיתיים" כאלה לא נצפו מעולם עד כה, יש כמה מודלים תיאורטיים שמעלים את האפשרות שהם היו יכולים להיווצר במספרים אסטרונומיים מן הפלזמה החמה והצפופה שמילאה את הקוסמוס פחות משנייה לאחר המפץ הגדול. האוכלוסייה הסמויה הזאת עשויה לפתור כמה תעלומות מדהימות בקוסמולוגיה המודרנית. בפרט, חורים שחורים בראשיתיים יוכלו להיות אחד המרכיבים, אם לא המרכיב היחיד, של החומר האפל – 85 האחוזים הבלתי נראים של החומר ביקום שמתפקדים כדבק כבידתי השומר על גלקסיות ועל צבירי גלקסיות בשלמותם. מחקרים נוספים באמצעות LIGO ומתקנים אחרים יעמידו בקרוב את הרעיונות האלה למבחן, ואולי יחוללו מהפכה חדשה בהבנתנו את הקוסמוס.
נפילתם של המאצ'ואים, עלייתם של הווימפים
חורים שחורים היו אמורים להיראות כמו המועמדים המושלמים בעבור החומר האפל, מכיוון שהם אינם פולטים אור כלל. ואכן, לצד גופים אפלים אחרים כמו כוכבי לכת וננסים חומים, הם הוצעו כבר לפני זמן רב כפתרון לבעיית החומר האפל: מאצ'ואים, ראשי תיבות באנגלית של "גופי הילה קומפקטיים ומסיביים" (Massive Compact Halo Objects). אם יימצאו גופים כאלה גם בהילות הכדוריות המקיפות כל גלקסיה וגם סמוך למרכז הזוהר של כל גלקסיה, המשיכה הכבידתית שלהם תוכל לספק הסבר לתנועות הבלתי מתקבלות על הדעת של הכוכבים והגז שהאסטרונומים רואים בתצפיות על שולי הגלקסיות. אם נתנסח בפשטות, נראה שהגלקסיות מסתחררות סביב עצמן במהירות גבוהה מכדי שהמסה הנראית של הכוכבים הנצפים תוכל לשמור עליהן בשלמותן. החומר האפל מספק את תוספת המשיכה שתמנע מן הגלקסיות המסתחררות להשליך את הכוכבים שלהן כלפי חוץ.
אם מאצ'ואים מרכיבים את מרבית החומר האפל של הגלקסיה, אז הם חייבים לספק הסבר גם לתצפיות אחרות. יהיה מה שיהיה החומר האפל, הוא מעצב את המבנים הגדולים ביותר של היקום, קובע את מקורם ואת גדילתם של גלקסיות ושל צבירים וצבירי-על של גלקסיות. הגופים האלה מתרקמים על ידי הקריסה הכבידתית של מצבורי גז בתוך הילות החומר האפל. הקוסמולוגים מיפו במדויק את ההתפלגות המרחבית של המצבורים האלה באמצעות סקרי רוחב ועומק של גלקסיות ובדקו את המתאם שלהם עם תנודות טמפרטורה זעירות המופיעות בקרינת הרקע הקוסמית בגלי מיקרו (CMB), הזוהר השיורי שלאחר המפץ הגדול, הממלא את כל השמים. המסה המפוזרת של החומר האפל בגלקסיות גדולות ובצבירים גדולים גם מעקמת את המרחב ומעוותת את האור המגיע מעצמים רחוקים מאוד ברקע – תופעה הידועה בשם עידוש כבידתי.
ואולם, השערת המאצ'ואים ירדה מגדולתה לפני עשר שנים, כשהתברר שמאצ'ואים לא הופיעו בחיפושים עקיפים ובלתי מגובשים שנערכו כדי למצאם. בייחוד יש לציין את החיפוש שערכו אסטרונומים באמצעות מיקרו-עידוש – סוג של עידוש כבידתי שבו חור שחור, ננס חום או אפילו כוכב לכת חולף על פניו של כוכב המצוי ברקע ומגביר לפרק זמן כלשהו את אורו של הכוכב. כמה וכמה סקרי מיקרו-עידוש שנמשכו כמה שנים וסקרו מיליוני כוכבים בענן מגלן הגדול ובענן מגלן הקטן, גלקסיות הלוויין העיקריות של שביל החלב, לא מצאו שום ראיה שמאצ'ואים מרכיבים את כל ההילה הגלקטית שלנו. התוצאות האלה היו חד משמעיות דיין כדי לפסול את האפשרות שמאצ'ואים שגודלם עד 10 מסות שמש בערך הם המרכיב העיקרי של החומר האפל. בזמן שנערכו הסקרים האלה, התיאורטיקנים בנו מערך טיעונים בעבור השערה חלופית – ווימפים (WIMP – מילולית: "חלשלוש"), ראשי תיבות באנגלית של חלקיקים בעלי מסה המנהלים אינטראקציות חלשות (Weakly Interacting Massive Particles).
קיומם של הווימפים נחזה על ידי הרחבות מסוימות של המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, אבל הם נשארים חמקמקים, לפחות כמו המאצ'ואים. נכון להיום, לא נמצאה שום ראיה לקיומם על אף עשרות שנים של חיפושים בעזרת מאיצי חלקיקים, גלאים תת-קרקעיים וטלסקופי חלל. לנוכח התוצאות המאופסות ההולכות ונערמות בחיפוש אחר ווימפים, התחילו כמה חוקרים לשקול מחדש את השערת המאצ'ואים, כשהם מתמקדים במיוחד בחורים שחורים בראשיתיים. ואולם, איזה תהליך היה יכול לזרוע את העצמים המוזרים האלה בכל רחבי היקום הנראה, וכיצד הם הצליחו לחמוק מזיהוי כל כך הרבה זמן?
חורים שחורים מהמפץ הגדול
הפיזיקאים ברנרד קאר וסטיבן הוקינג הציעו את הרעיון של חורים שחורים בראשיתיים בשנות ה-70 של המאה ה-20. הם התבוננו באפשרות של חורים שחורים שהמסות שלהם קטנות ממסה של הר. חורים שחורים זעירים כאלה היו כבר מתאדים ונעלמים במסגרת הזמן של גיל היקום שלנו, כמעט 14 מיליארד שנה, באמצעות תהליך ששורשו במכניקת הקוונטים – תהליך שגילה הוקינג ומשום כך זכה לשם "קרינת הוקינג". אבל הם גם חקרו את האפשרות שלפיה חורים שחורים מסיביים יותר, שאינם מתאדים, מרכיבים את החומר החסר בצבירי הגלקסיות.
האפשרות שחורים שחורים בראשיתיים מסיביים עשויים להרכיב את מרבית החומר האפל או אפילו את כולו, נחקרה יותר לעומק בשנות ה-90, בהתבסס על רעיון המכונה אינפלציה קוסמית, רעיון שהועלה לראשונה בידי הפיזיקאי אלן גות' בתחילת שנות ה-80. האינפלציה היא שלב משוער של התפשטות כבירה שהתחוללה מיד לאחר המפץ הגדול. בתוך 10-35 שניות, שתי נקודות שהמרחק ביניהן היה פחות מרדיוס של אטום הופרדו זו מזו עד למרחק של ארבע שנות אור, כמו המרחק המפריד בין הכוכבים הקרובים ביותר. יותר מזה, במהלך האינפלציה, תנודות קוונטיות זעירות מוגדלות לקני מידה מקרוסקופיים על ידי ההתפשטות המהירה, וזורעות ביקום ההולך וגדל אזורים בעלי צפיפות-חסר וצפיפות-יתר של חומר ואנרגיה, שמהם התהוו בסופו של דבר כל המבנים הקוסמיים. מוזר ככל שזה נשמע, תיאוריית האינפלציה זכתה לתמיכה ניכרת על ידי תצפיות של תנודות כאלה בצפיפות של קרינת הרקע הקוסמית.
ב-1996, אחד מאיתנו (גרסיה-בלידו), בשיתוף עם אנדריי לינדה מאוניברסיטת סטנפורד ודייוויד וונדז מאוניברסיטת פורטסמות' באנגליה, גילו דרך שבה האינפלציה תוכל ליצור קפיצות חדות בספקטרום של תנודות הצפיפות ביקום המוקדם [ראו תיבה]. במילים אחרות, הראינו כיצד תנודות קוונטיות שהוגדלו במידה עצומה על ידי האינפלציה יוכלו ליצור באופן טבעי אזורים צפופים במיוחד שיקרסו וייצרו אוכלוסייה של חורים שחורים פחות משנייה לאחר תום האינפלציה. חורים שחורים כאלה יתנהגו אפוא כמו חומר אפל ויהיו המרכיב העיקרי בתכולת החומר של היקום של ימינו. המודל הזה יצר אוכלוסייה של חורים שחורים בעלי אותה מסה, שנקבעה על ידי כמות האנרגיה שבתוך האזור שקרס. בשלב הזה, קבוצות רבות אחרות החלו לחקור את הרעיונות האלה במסגרת מודלים שונים של אינפלציה.
ב- 2015, הצענו שנינו (קלס וגרסיה בלידו) תרחיש, דומה לתרחיש מ-1996, שבו תהיה לתנודות הבראשיתיות האלו קפיצה רחבה בצפיפויות האנרגיה שלהן ובגודלן המרחבי, קפיצה שתביא ליצירתם של חורים שחורים בעלי טווח רחב של מסות. אחת ההשלכות החשובות של התרחיש הזה היא העובדה שתנודות צפיפות גדולות קורסות כשהן קרובות זו לזו מבחינה מרחבית, ויוצרות צבירי חורים שחורים בעלי מסות שונות – החל ממאית של מסת השמש שלנו ועד מסה גדולה פי 10,000 ממנה. בתוך חצי מיליון שנה מן המפץ הגדול, יוכל כל צביר גדל ומתפתח להכיל מיליוני חורים שחורים בראשיתיים בנפח שקוטרו אינו עולה על כמה מאות שנות אור.
צבירים כאלה של חורים שחורים בראשיתיים יוכלו להיות צפופים דיים כדי להסביר את התמזגויות החורים השחורים המסתוריים של LIGO, כי בלי הצבירים האלה, לא היינו מצפים שהתמזגויות כאלה יתחוללו דרך שגרה. מפעם לפעם, המסלולים של שני חורים שחורים בראשיתיים שבתוך צביר יכולים להצטלב, כך ששני העצמים ייקשרו זה לזה בכוח הכבידה. לאחר מכן הם יתקרבו זה לזה בתנועה לוליינית במשך זמן שיכול להגיע למיליוני שנים, כשהם מקרינים גלי כבידה, עד שיתמזגו. בינואר 2015 חזינו בפועל ש-LIGO יגלה גלי כבידה מהתמזגויות מסיביות כאלה – גלים הזהים לאלו ש-LIGO אכן זיהה מאוחר יותר באותה שנה. ההערכה שלנו באשר לקצב אירועי ההתמזגות בתוך צבירי חורים שחורים בראשיתיים מתאימה במדויק לגבולות שהציב LIGO. אם LIGO ומתקנים דומים אחרים יגלו עוד הרבה התמזגויות בשנים הקרובות, ייתכן שיהיה אפשר לקבוע את טווח המסות ואת קצב הסחרור של כל החורים השחורים שטרם התמזגו. ניתוח סטטיסטי של התמזגויות חורים שחורים יספק מידע חיוני לבדיקה אם אכן מקורם בראשיתי.
אחד המאפיינים המשמעותיים של התרחיש הזה הוא השחרור מן האילוצים שהוטלו לפני כן על המאצ'ואים על ידי ניסויי המיקרו-עידוש הכבידתי – אילוצים שביטלו את האפשרות של חורים שחורים שגודלם עד 10 מסות שמש בתור המרכיב העיקרי של חומר אפל. אם חורים שחורים בראשיתיים קיימים ואכן יש להם טווח רחב של מסות, רק אחוז קטן מהם יהיה גלוי לעיני ניסויי המיקרו-עידוש האלה, ורובם המוחלט יישארו בלתי נראים. ואם חורים שחורים בראשיתיים מקובצים בצבירים, משמעות הארגון הזה היא הסתברות של פחות מאחד ל-1,000 שצביר יעמוד במקרה לאורך קו הראייה של הכוכבים בגלקסיות הלוויין הסמוכות, המנוטרות בחיפוש אחר אירועי מיקרו-עידוש.
כדי להימנע מן התופעה הזאת, אפשר לחפש אירועי מיקרו-עידוש במקומות אחרים בשמים, לחפש אור מוגבר שמגיע מכוכבים בגלקסיה השכנה לשביל החלב, אנדרומדה, או אפילו מקווזארים בגלקסיות רחוקות מאוד. באופן הזה יהיה אפשר לבדוק נפח הרבה יותר גדול של הילות גלקטיות ולחפש בהן סימנים למאצ'ואים – כלומר, לחורים שחורים בראשיתיים. תצפיות שנערכו לאחרונה מעלות את האפשרות שגם אם אמנם מאצ'ואים שמסתם היא עד 10 מסות שמש אינם מרכיבים את כל ההילה של גלקסיה ממוצעת, עדיין מאצ'ואים שמסתם נעה בין עשירית מסת שמש לבין מסות שמש ספורות יוכלו בקלות להסביר כ-20% מן המסה בהילה גלקטית אופיינית. הערך הזה עולה בקנה אחד עם תרחיש החורים השחורים הבראשיתיים בעלי קשת המסות הרחבה שלנו.
במילים פשוטות, עדיין אי אפשר לבטל את האפשרות שחומר אפל עשוי רובו מחורים שחורים בראשיתיים. והאמת היא שהתרחיש המוצע הזה יוכל לפענח עוד כמה תעלומות קוסמיות אחרות הקשורות לחומר אפל ולהיווצרות גלקסיות.
בעיות רבות, פתרון אחד
צבירים של חורים שחורים בראשיתיים יוכלו לזרות אור על הבעיה המכונה "בעיית הלוויין החסר" – היעדרן לכאורה של גלקסיות לוויין "ננסיות" שהיו אמורות להיווצר סביב גלקסיות מסיביות כמו שביל החלב שלנו. הדמיות עדכניות שיצרו מודלים של ההתפלגות הקוסמית של חומר אפל מצליחות לשחזר במדויק את המבנה הנצפה של היקום בקנה מידה גדול, שבו הילות של חומר אפל מושכות צבירי גלקסיות ויוצרות מהם סיבים ויריעות ענק המקיפים חללים עצומים של צפיפות נמוכה יותר. ואולם, בקני מידה קטנים יותר ההדמיות האלה חוזות את קיומן של כמה וכמה תת-הילות של חומר אפל החגות סביב גלקסיות מסיביות. בתוך כל אחת מהתת-הילות האלה אמורה להיות גלקסיה ננסית, ומאות מהן אמורות להקיף את שביל החלב שלנו. אבל מספר הגלקסיות הננסיות שמצאו האסטרונומים הוא קטן בהרבה מן הצפוי.
יש הסברים אפשריים רבים לבעיית הלוויין החסר – בעיקר הרעיון שההדמיות אינן מצליחות לתאר באופן מלא את ההשפעה של חומר רגיל (מימן והליום בכוכבים) על ההיווצרות ועל ההתנהגות של הגלקסיות הננסיות שאמורות להתקיים על פי התחזיות. התרחיש שלנו מעלה את האפשרות שאם חורים שחורים בראשיתיים צבורים מרכיבים את מרבית החומר האפל, הם יהיו המרכיב העיקרי בתת-הילות המקיפות את שביל החלב שלנו, כשהם בולעים חלק מן החומר הרגיל ומורידים את קצב היווצרות הכוכבים בתת-הילות. יותר מזה, אפילו אם התת-הילות האלה היו מייצרות כוכבים במרץ, הכוכבים האלה היו עלולים בקלות להיפלט מתוכן בגלל מפגשים קרובים עם חורים שחורים בראשיתיים מסיביים. שתי התופעות האלה יקטינו במידה ניכרת את הבהירות של הלוויינים, ויהפכו אותם לקשים מאוד לגילוי ללא מצלמות שדה רחב בעלות רגישות-על. למרבה השמחה, יש היום מצלמות כאלה, ואסטרונומים כבר השתמשו בהן כדי לגלות עשרות גלקסיות ננסיות אולטרה-עמומות שמקיפות את שביל החלב. נראה שכמות החומר האפל שהעצמים האלה מכילים גדולה עד פי כמה מאות מכמותו בכוכבים הזוהרים שמצויים בהם, והמודל שלנו חוזה שיש עוד אלפים כמותם החגים סביב הגלקסיה שלנו.
ההדמיות חוזות גם אוכלוסייה של גלקסיות בגודל בינוני, יותר מגלקסיות ננסיות ופחות מגלקסיות מסיביות. עצמים כאלה אמורים להיות גדולים מכדי להיעלם, מכיוון שהם יהיו גדולים דיים כדי ליצור בקלות כוכבים, ואמורים גם להיראות בקלות. ועם זאת, הם לא הופיעו בחיפושים שערכו האסטרונומים בקרבת שביל החלב. לבעיית ה"גדולים מכדי להיעלם" הזאת יש פתרון דומה לבעיית הלוויין החסר: חורים שחורים בראשיתיים מסיביים בליבתן של הגלקסיות הבינוניות עשויים לגרום לכוכבים ולגז היוצר כוכבים להיפלט מן העצמים האלה, ולהפוך אותם לבלתי נראים בפועל ברוב הסקרים.
חורים שחורים בראשיתיים יוכלו ליישב גם את שאלת מקורם של חורים שחורים סופר-מסיביים (Supermassive Black Holes, SMBH). משקלן של המפלצות האלה נע בין מיליוני למיליארדי מסות שמש ומוצאים אותם בתצפיות במרכזם של קווזארים ושל גלקסיות מסיביות בשלבים מוקדמים מאוד של תולדות היקום. ואולם, אם ה-SMBH-ים האלה נוצרו וגדלו מתוך הקריסה הכבידתית של הכוכבים הראשונים ביקום, הם לא היו אמורים לצבור מסות עצומות כאלה בתוך זמן קצר כל כך באופן יחסי – פחות ממיליארד שנה לאחר המפץ הגדול.
בתרחיש שלנו, על אף שלמרבית החורים השחורים הבראשיתיים יש רק כמה עשרות מסות שמש, אחוז קטן מאוד מהם יהיו כבדים הרבה יותר, בטווח של מאות ועד עשרות אלפי מסות שמש. עצמים מפלצתיים אלו, שנולדו פחות משנייה לאחר המפץ הגדול, יוכלו אפוא לתפקד כזרעי ענק שמהם צמחו הגלקסיות והקווזארים הראשונים, עצמים שמפתחים במהירות SMBH-ים במרכזיהם. זרעים כאלה יוכלו להסביר גם את קיומם של חורים שחורים בעלי מסה בינונית, בעלי אלף עד מיליון מסות שמש, שנצפו חגים סביב SMBH-ים ובמרכזים של צבירים כדוריים של כוכבים. בקיצור, חורים שחורים בראשיתיים עשויים להיות החוליה החסרה שבין חורים שחורים רגילים בעלי מסה כוכבית לבין SMBH-ים. הטיעונים התצפיתיים לטובת התרחיש הזה מצטברים במהירות: לאחרונה זוהו ביקום המוקדם מקורות בלתי צפויים של שפע קרני רנטגן, וההסבר הפשוט ביותר לקיומם הוא מספרים גדולים של חורים שחורים בראשיתיים שמפיקים קרני רנטגן בשעה שהם זוללים גז, פחות ממיליארד שנה לאחר המפץ הגדול.
לראות באפלה
על אף שחורים שחורים בראשיתיים מסיביים יכולים לפתור הן את תעלומת החומר האפל, והן בעיות עקשניות רבות אחרות בקוסמולוגיה, עדיין אין זה סוף המשחק. מודלים והסברים אחרים אפשריים גם כן, ותצפיות עתידיות אמורות לאפשר לנו לבחור בין החלופות. אכן, בשנים הקרובות יוכלו כמה תצפיות לבחון את תרחיש החורים השחורים הבראשיתיים [ראו בטוב לדעת]. תצפיות אלו כוללות את הזיהוי של גלקסיות ננסיות אולטרה-עמומות, את ההשפעה של חורים שחורים בראשיתיים מסיביים על המיקומים של כוכבים בשביל החלב, את מיפוי המימן הניטרלי במהלך העידן הראשון של יצירת הכוכבים ואת המחקר של העיוותים בקרינת הרקע הקוסמית.
לבד מניסויים אלו, כעת יש בידינו גם כלי חדש לגמרי לחשיפת מסתרי היקום – הגלאי Advanced LIGO וגלאים אחרים של גלי כבידה. אם אכן LIGO זיהה התמזגות של שני חברים באוכלוסייה סמויה של חורים שחורים בראשיתיים מסיביים, אז עלינו לצפות שיתגלו עוד התמזגויות רבות כאלה בשנים הקרובות. ביוני 2016 הציגו המדענים של Advanced LIGO לפני הקהילה זיהוי שני של גלי כבידה, שנפלטו במהלך ההתמזגות של שני חורים שחורים, בעלי 14 ושמונה מסות שמש, בהתאמה, וכמו כן גם רמז מהוסס להתמזגות נוספת של חורים שחורים בעלי 23 ו-13 מסות שמש. כשהיינו בשלבי סיום כתיבת המאמר הזה, הם טענו שזיהו עוד שישה אירועי התמזגות. הזיהויים האלה מעלים את האפשרות שחורים שחורים בינאריים הם הרבה יותר נפוצים מן הצפוי ושהתפלגות המסות שלהם הרבה יותר רחבה, דברים העולים בקנה אחד עם התרחיש שלנו באשר לחורים שחורים בראשיתיים מסיביים.
השילוב בין הניסויים והתצפיות האלה יוכל לאשש את קיומם של חורים שחורים בראשיתיים ואת הקשר האפשרי שלהם לחומר החסר ביקום. עד מהרה כבר לא נהיה באפלה בנושא החומר האפל.