חוקרים ישראלים פיתחו שיטה למדידת המאסה של חורים שחורים

למדוד את “ימי האור”, לשקול את החור השחור

מאת אבישי גל-ים

קבוצת מחקר מאוניברסיטת תל אביב חוקרת זה כמה שנים את תכונותיהם של חורים שחורים הנמצאים במרכזן של גלקסיות המכונות “פעילות”. אלה גלקסיות שמהן נפלטת קרינה רבה, אשר מקובל להניח כי מקורה בחומר הנופל אל החור השחור ששוכן במרכזן.

ד”ר שי כספי, פרופ' חגי נצר ופרופ' דן מעוז מאוניברסיטת תל אביב צופים בשנים האחרונות בגלקסיות פעילות באמצעות הטלסקופ של מצפה הכוכבים ע”ש וייז במצפה רמון. במאמר שפורסם בימים אלה בירחון “The Astrophysical Journal” ומהווה חלק מעבודת הדוקטורט של כספי, תלמידו של פרופ' נצר, מציגים חברי הקבוצה את ניתוח התוצאות משבע שנים של תצפיות. אנשי הקבוצה, בעזרת שיטה המכונה “מיפוי בעזרת הד” (Reverberation mapping), הצליחו למדוד את מאסתם של 17 חורים שחורים, גדולים במיוחד, הנמצאים במרכזן של גלקסיות פעילות.

שיטת המחקר מתבססת על מעקב אחרי שני סוגי קרינה המגיעים מאזור החור השחור. הסוג הראשון מכונה “קרינת רצף”: זוהי קרינה המורכבת מרצף של תדרים – החל בקרינה אינפרא-אדומה וכלה בקרינת X. חומר שמגיע לקרבת החור השחור מסתחרר סביבו ונופל לתוכו במבנה הקרוי “דיסקת ספיחה”. מקובל להניח כי מרבית קרינת הרצף נפלטת מדיסקה זו.

הסוג השני של הקרינה מכונה “קרינת קווים”. קרינה זו כוללת רק אור בצבעים מסוימים – קרינה בתדרים האופייניים ליסודות שונים, כגון מימן וחמצן. ההנחה המקובלת היא כי הקרינה מדיסקת הספיחה פוגעת בענני גז הנמצאים במרחק מסוים מהחור השחור ומעוררת אותם לפלוט את קרינת הקווים.

ממעקב אחרי גלקסיות פעילות אנו יודעים כי עוצמת הקרינה מהן משתנה מאוד מעת לעת. כאשר עוצמת קרינת הרצף מהדיסקה משתנה, הדבר גורם גם לשינוי בעוצמת קרינת הקווים, אשר מעוררת על ידי קרינת הרצף. אולם שינוי זה אינו מיידי: לאור הנפלט מהדיסקה לוקח כמה ימים לעבור את המרחק בין דיסקת הספיחה לבין העננים פולטי הקווים – עננים אלו נמצאים במרחק כמה “ימי אור” מן המרכז (יום אור הוא המרחק שעובר האור, הנע במהירות של 300 אלף ק”מ בשנייה, במשך יום אחד).

וכך, רק לאחר זמן אפשר להבחין שקרינת הקווים השתנתה בהתאם לשינוי בקרינת הרצף. הדבר דומה להחזרת גלי קול – הד – מקירות בניין רחוק, או מן הגבעות בצדו השני של ואדי, לאחר פרק זמן מסוים התלוי במרחק. מעקב ממושך אחרי עוצמת קרינת הרצף וקרינת הקווים מאפשר לחוקרים למדוד את פער הזמן בין שינויים בקרינת הרצף לשינויים הנובעים מהם בקרינת הקווים, ולהסיק ממנו כמה זמן לוקח לאור להגיע מאזור החור השחור עד לעננים פולטי הקווים. מכיוון שמהירות האור ידועה, הרי שמדידת זמן זה שקולה למדידת המרחק בין העננים פולטי הקווים לבין החור השחור. בנוסף למדידה זו מאפשרת מדידה מדויקת של הקווים לקבוע את המהירות שבה מקיפים ענני הגז שמהם נפלטים הקווים את החור השחור.

באמצעות שילוב הנתונים שאספו החוקרים על המרחק בין ענני הגז לחור השחור ועל מהירות תנועתם סביבו, מסיקים החוקרים את מאסת החור השחור בעזרת חוקי קפלר – החוקים שפיתח האסטרונום יוהנס קפלר במאה ה-16 כדי לתאר את תנועת כוכבי הלכת סביב השמש.

העבודה שפורסמה באחרונה על ידי החוקרים מאוניברסיטת תל אביב (לה שותפים גם שני חוקרים אמריקאים) כוללת את המדגם הגדול והמקיף ביותר שנחקר עד כה. בעזרת ניתוח הנתונים הצליחו החוקרים להצביע על קשר בין מסת החור השחור לבין האנרגיה הנפלטת ממרכז הגלקסיה – חוליה חשובה בהבנתם של תהליכי יצירת חורים שחורים בגלקסיות וביקום.

תוצאות המחקר מהוות התקדמות משמעותית בתיאור הקשרים בין תכונותיהם של חורים שחורים ענקיים לבין תכונות הקרינה הנפלטת מסביבתם, שאותה אפשר לגלות בתצפיות. תוצאות אלו מקרבות את המדענים צעד נוסף לקראת הבנה של התנאים הפיסיקליים שבסביבה יוצאת דופן זו.
{הופיע בעיתון הארץ, 22/5/2000}