חור שחור אימתני התגלה בזכות החומר שהוא מושך מבן זוגו

מערכת ייחודית זו תסיים את חייה בקריסה אלימה של בן הזוג לתוך החור השחור * בתגלית, שבוצעה באמצעות טלסקופ החלל צ'נדרה ושתפורסם היום (18.10.2007) בכתב העת נייצ'ר שותפים גם חוקרים ישראליים *  ראיון עם פרופ' צבי מזא"ה

צוות אסטרונומים בינלאומי בהשתתפות אסטרונומים ישראלים הצליח למדוד את המסה של חור שחור הנע מסביב לבן הזוג שלו בגלקסיה השכנה M33, הרחוקה כ-3 מיליון שנות אור מכדור הארץ, ומסתבר שמדובר בגוף בעל מסה עצומה של פי 15.7 מהשמש שלנו. עד כה לא נמדדה מסה כה גדולה בחור שחור כוכבי וגם תגלית זו התאפשרה בשל הקרבה בין החור השחור לכוכב עצום אחר – שמסתו 70 מסות שמש. שני הגופים מקיפים זה את זה במרחק השקול לעשירית המרחק בין כדור הארץ לשמש, כלומר כמעט במרחק נגיעה, מנקודת מבט קוסמית.
הצוות הישראלי כולל את פרופסור צבי מזא"ה, מנהל מכון סאקלר לאסטרונומיה של אוניברסיטת תל אביב, ותלמיד המחקר אבי שפורר. דיווח על המחקר פורץ הדרך מופיע במהדורת ה-18 באוקטובר של הירחון המדעי היוקרתי נייצ'ר (Nature).

חורים שחורים הנעים יחד עם בני הזוג שלהם ידועים כבר כ-40 שנה. על פי התיאוריה המקובלת, מערכת כזאת התחילה את חייה כמערכת של שני כוכבים הנעים זה מסביב לזה בחלל. הכוכב הכבד מבין השניים סיים את חייו בהתפוצצות אדירה הנקראת סופרנובה, הנוצרת מקריסת הכוכב אל מרכזו, והמאירה באור בוהק החזק מאור השמש מיליארדי פעמים. בסופה של ההתפוצצות נשאר בליבת הכוכב המתפוצץ חור שחור הממשיך להקיף את בן זוגו. חומר העובר מבן הזוג אל החור השחור נופל במהירויות עצומות אל שפתו של החור השחור, מתחמם לטמפרטורה של מיליוני מעלות, ומצליח לפני שהוא נכנס לתוך החור השחור לפלוט קרני רנטגן (קרינת X) שנקלטו על ידי החללית צ'נדרה.

"אני נפעם מהעובדה שעולה בידינו לחקור חורים שחורים, שרק בגלל תורת היחסות הכללית של איינשטיין יכולנו לשער את קיומם" אומר פרופסור מזא"ה: "החלליות החדישות והטלסקופים הענקיים מאפשרים לנו לחקור מערכות בחלל הנראות כאילו נלקחו מסרט של מדע בדיוני. המציאות המתגלית לעינינו עולה על כל דמיון אנושי".
חור שחור נוצר כתוצאה מקריסת כוכב בסיום חייו (כשרוב המימן שבהם הפך כבר להליום). אמנם כל הכוכבים קורסים אבל אם הם קטנים, בסדר גודל של השמש שלנו הם מסיימים את חייהם כננסים לבנים לאחר שהם חווים תקופת התנפחות האטמוספירה שלהם כענקים אדומים. כוכבים שמסתם בעת הקריסה גדולה יותר – כמה מסות שמש, קורסים תחת משקלם עד כדי כך שהאטומים כבר לא מסוגלים להקיף את הגרעין והניוטרונים בגרעין מתקרבים זה לזה, וכך נותר כוכב קומפקטי – בגודל של כדור הארץ ובמסה גדולה מזו של השמש. אם הכוכב גדול יותר, מ-10 מסות שמש ומעלה (אם כי הגבול המדויק לא נמדד) הכבידה העצמית של הכוכב הקורס כל כך גדולה שגם הנויטרונים מתמוטטים והוא קורס למעשה לנקודה אחת בחלל – חור שחור. חור שחור כזה נקרא פשוט חור שחור כוכבי. יש סוג נוסף של חורים שחורים, נפוץ יותר לפחות מבחינת יכולת הגילוי – חורים שחורים הנמצאים במרכזיהן של מרבית גלקסיות. מסתם של חורים שחורים אלה מיליוני מסות שמש, וההשערה היא שהם נוצרו ממיזוג של חורים שחורים כוכביים שבלעו גם חומר כוכבי ובין כוכבי שנקרה בדרכם.
קשה מאוד לזהות חורים שחורים כוכביים. עד כה לא התגלו יותר מאשר 10-15 כאלה. אילו היה חור שחור כזה ניצב בפאתי מערכת השמש לא היינו מרגישים בו עד שאיזה שביט תועה לא היה נופל לתוכו, וכשמגיע אל סף החור השחור היה פולט קרינה בתחום הרנטגן. לכן, מרבית החורים השחורים הכוכביים שהתגלו הם כאלה החברים במערכת כוכבים כפולה, כלומר שהם מקיפים כוכב אחר (או שהוא מקיף אותם) בקרבה כזו שרוח השמש מאותו כוכב פוגעת בחור השחור, ובעת בליעת החומר הזה, החור השחור פולט קרני X.
נסיבות הגילוי מזכירות במשהו גילוי של כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש- הוא התגלה בזכות העובדה שהכוכב שהוא מקיף מסתיר אותו אחת לשלושה וחצי ימים למשך כמה שעות.
מדידת המסה נעשתה בעזרת תצפיות שבוצעו ע"י טלסקופ החלל בתחום קרני ה-X, צ'נדרה (Chandra) השייך לסוכנות החלל האמריקאית, נאסא (NASA), וטלסקופ הענק ג'מיני (Gemini), הממוקם במרומי ההר הגבוה בהוואי. מדידה זו הופכת את M33 X-7 לחור השחור הכבד ביותר הידוע עד כה במערכת כפולה.

התיאוריות המקובלות של התפתחות כוכבים כבדים מתקשות להסביר את תכונות המערכת הכפולה M33 X-7. הכוכב שממנו נוצר החור השחור היה צריך להיות כבד יותר מבן זוגו כדי שיהפוך הראשון לחור שחור. רדיוסו של כוכב כבד כל כך גדול יותר מגודלה הנוכחי של המערכת הכפולה. מכאן, שהכוכבים המקוריים נוצרו ככל הנראה במרחק גדול יותר ממרחקם הנוכחי והתקרבו זה לזה כשהם נמצאים בתוך אטמוספרה חיצונית משותפת. תהליך זה גורם בדרך כלל לכך שכמות גדולה של חומר תיזרק מן המערכת. על כן איננו מבינים לחלוטין כיצד הצליח הכוכב שהתפוצץ ליצור חור שחור הכבד פי 15.7 ממסת השמש. "תגלית זו מעלה תהיות בנוגע לאופן בו חור שחור כזה יכול היה להיווצר" אומר ג'רום אורוס מאוניברסיטת סאן דייגו שבארה"ב, המחבר הראשון של המאמר.

"זהו כוכב ענק שיש לו בן זוג שהוא חור שחור ענק", אומר ג'פרי מקלינטוק, מחבר נוסף של המאמר, מהמרכז לאסטרופיזיקה של מכון הסמיסוניאן ואוניברסיטת הרווארד בקיימברידג', מסצ'וסצס. "בסופו של דבר גם בן הזוג הכוכבי יסיים את חייו בהתפוצצות סופרנובה ואז תיווצר מערכת כפולה ובה שני חורים שחורים."

וולפגנג פיצ' ממכון מקס פלנק שליד מינכן, גרמניה, מחבר נוסף של המאמר, היה המחבר הראשון של מאמר קודם שגילה את החור השחור ע"י שימוש בתצפיות שנערכו בטלסקופ החלל צ'נדרה. M33 X-7 הינו החור השחור הראשון שהתגלה במערכת כפולה בה מתרחשים ליקויים, שבהם בן הזוג מסתיר את החור השחור וסביבתו באופן מחזורי.  ליקויים אלו מאפשרים למדוד את המסות של החור השחור ובן זוגו באופן מדויק ביותר. "משום שהחור השחור לוקה ומשום שיש לו מסה גדולה כל כך הוא מהווה הזדמנות ייחודית לבחינת תיאוריות אסטרופיזיקליות מקובלות" אומר פיץ'.

כיצד בוצעה התגלית?
פרופ' מזא"ה: "החללית הסתכלה על האיזור המכיל חלק מגלקסיה M-33 במשך 26 שעות רצופות. המדענים בכדור הארץ קיבלו את נתוני התצפיות וחילקו ביניהם את הכוכבים הבודדים כדי לנתחם. הניתוח הראה שעוצמת קרינת ה-ס של המקור הזה, המקור הזה –X-7 עוצמת קרינת ה-X שלו יורדת כמעט לאפס, מחכים כמה שעות ופתאום זה עולה חזרה. כלומר יש פה ליקוי. כשרואים דבר כזה והוא חוזר על עצמו אתה מבין שיש פה איזושהי תופעה מחזורית – שני כוכבים שמסתובבים אחד סביב השני ומקור קרינת הX מוסתר על ידי בן הזוג. כך גילינו שיש פה ליקוי – מערכת כפולה המסתובבת סביב עצמה וזה הדבר הייחודי ביותר במערכת הייחודית – שמקור קרינת ה-X עובר ליקוי כל שלושה וחצי ימים, נעלם לכמה שעות וחוזר לאחר מכן להקרין X במלוא עוצמתו.
מאיפה יודעים שזה דווקא חור שחור?
בעיקר לפי המסה. עשינו תצפיות מאוד מפורטות בטלסקופים אופטיים כדי לעקוב אחר בן הזוג ומתוך זמן המחזור ומדידת המהירות שנע בן הזוג והליקוי אפשר להעריך את המסה של מקור קרינת ה-X וזה יוצא 15.7 מסות שמש, וזה לא יכול להיות לא כוכב קומפקטי אחר שאנחנו מכירים לא ננס לבן, לא כוכב נויטרונים, לכל הדברים הללו יש מסה של חצי ו-3 מסות שמש. גם אופי קרינת ה-X מראה לנו שקרינת X כזו בדרך כלל נפלטת מקרוב מאוד לשפתו של החור השחור.

האם הוא מאיים לבלוע את בן זוגו?
הם מסתובבים אחד מסביב לשני אמנם מאוד קרוב אבל בטוח. בקצב הנוכחי כדי לצרוך את כל המסה יקח מאות מיליוני שנה. הרבה קודם בן הזוג יתנפח וישפך בצורה דרמטית לתוך החור השחור, והמערכת תהיה הרבה יותר רועשת מאשר היום.

באיור הלקוח מתוך המאמר המופיע השבוע בעתון היוקרתי נייצ'ר, מתארת את שלבי ההתפתחות של הכוכב הכפול. כוכב מספר 1 מתחיל להתנפח (שלב a) עד שהמעטפת שלו בולעת את כוכב מספר 2 (שלב b). תוך כדי התנועה של כוכב 2 נזרקת המעטפת של כוכב 1 ושני הכוכבים מתקרבים (שלב c).

אחר כך מתפוצץ הכוכב 1 ויוצר את החור השחור שהתגלה זה עתה.