פתרון חדש למשוואות איינשטיין מציע כי בתנאים מסוימים קריסתו של כוכב מסיבי לא תסתיים בחור שחור, אלא ביצירת גרוואסטאר – גוף דחוס במיוחד שבמרכזו אזור מתפשט ודמוי־יקום. החוקרים מדגישים כי חורים שחורים עדיין נחשבים לתוצאה הפשוטה והסבירה ביותר של קריסה כבידתית
מה קורה כאשר כוכב מסיבי מסיים את הדלק הגרעיני שלו וקורס תחת כוח הכבידה? לפי ההסבר המקובל, אם מסת הליבה גדולה מספיק, הקריסה מובילה להיווצרות חור שחור. ואולם, שני פיזיקאים תאורטיים מאוניברסיטת גתה בפרנקפורט מציעים פתרון מתמטי חלופי: במהלך הקריסה עשוי להיווצר במרכז הכוכב אזור זעיר ומתפשט, מעין “מיני־יקום”, שיעצור את הקריסה ויותיר אחריו גוף דחוס המכונה גרוואסטאר.
הפתרון שפיתחו דניאל ימפולסקי ופרופ’ לוצ’אנו רצולה מתאר לראשונה תהליך דינמי שבו חומר רגיל הקורס בכבידתו יכול להגיע למצב של גרוואסטאר. המחקר פורסם בכתב העת Physical Review D.
אין מדובר בתצפית אסטרונומית או בהוכחה שגרוואסטארים קיימים. זהו מודל מתמטי שנבנה על בסיס תורת היחסות הכללית ובתנאים מסוימים ומכווננים היטב.
כשהלחץ בליבת הכוכב נעלם
כוכבים מפיקים אנרגיה באמצעות היתוך גרעיני בליבותיהם. האנרגיה הנפלטת יוצרת לחץ הפועל כלפי חוץ ומאזן את כוח הכבידה, המושך את חומר הכוכב פנימה.
כאשר כוכב מסיבי מכלה את הדלק הגרעיני הזמין לו, הלחץ התומך נחלש. הכוכב עשוי להתפוצץ כסופרנובה, ואילו הליבה שלו ממשיכה לקרוס. בהתאם למסתה, היא יכולה להפוך לכוכב נייטרונים או לחור שחור.
לפי היחסות הכללית, קריסה היוצרת חור שחור מובילה בסופו של דבר לסינגולריות – תחום שבו הצפיפות ועקמומיות המרחב־זמן נעשות בלתי חסומות, והתאוריה הקלאסית אינה יכולה עוד לספק תיאור פיזיקלי מלא. מסביב לחור השחור נמצא אופק האירועים, גבול שמעבר לו גם אור אינו יכול לחזור אל צופה חיצוני.
ההנחה הרווחת אינה שהחורים השחורים עצמם מוטלים בספק. הם מסבירים היטב מגוון רחב של תצפיות, ובהן מסלולי כוכבים, קרינה מדיסקות ספיחה, גלי כבידה והתמונות שהפיק טלסקופ אופק האירועים. השאלה היא אם כל העצמים הדחוסים שאנו מזהים כחורים שחורים חייבים בהכרח להכיל סינגולריות ואופק אירועים.
גרוואסטאר במקום חור שחור
אחת החלופות התאורטיות שהוצעו היא גרוואסטאר – קיצור של gravitational vacuum star, או “כוכב רִיק כבידתי”.
מבחוץ אמור גרוואסטאר להידמות מאוד לחור שחור: הוא יהיה מסיבי, דחוס וקטן במידה קיצונית, וכוח הכבידה בקרבתו יהיה עצום. עם זאת, לפי המודל, לא תהיה בו סינגולריות וגם לא אופק אירועים אמיתי.
החלק החיצוני של הגרוואסטאר יורכב מחומר דחוס, ואילו בתוכו יימצא אזור הנשלט בידי אנרגיית ריק בעלת לחץ שלילי. רכיב זה דומה מבחינה מתמטית לאנרגיה אפלה: במקום למשוך פנימה, הוא יוצר השפעה הדוחפת את המרחב להתפשט.
הרעיון של גרוואסטארים הוצע כבר בראשית שנות האלפיים. אולם במשך כמעט רבע מאה נותרה בעיה מהותית: אפשר היה לכתוב משוואות המתארות גרוואסטאר יציב, אך לא היה ברור כיצד עצם כזה יכול להיווצר בפועל מקריסתו של כוכב רגיל.
“מפץ גדול” זעיר בלב הכוכב
ימפולסקי ורצולה התחילו ממודל קלאסי ופשוט של קריסה כבידתית: כדור אחיד של חומר חסר לחץ, המכונה לעיתים “אבק”, הקורס תחת כבידתו. זהו המודל ששימש גם בתיאור הקריסה של אופנהיימר וסניידר משנת 1939.
לפי הפתרון החדש, בשלב מתקדם מאוד של הקריסה יכול להיווצר במרכז הכדור אזור זעיר של מרחב דה־סיטר – מרחב המכיל אנרגיית ריק ומתפשט בקצב מואץ. האזור מתחיל למעשה מגודל אפסי ומתפשט בתוך החומר הקורס.
החוקרים משווים את התהליך למפץ גדול זעיר: במקום שכל החומר ימשיך לקרוס לעבר סינגולריות, אזור פנימי חדש מתחיל להתפשט.
ככל שהאזור מתרחב, הוא פוגש את מעטפת החומר הקורסת. התפשטותו מואטת כאשר הוא מתקרב לרדיוס שוורצשילד – הגודל שבו היה נוצר אופק אירועים אילו הקריסה הייתה נמשכת. תחת תנאים מתאימים נוצר שיווי משקל בין האזור הפנימי הדוחף כלפי חוץ ובין החומר הנמשך פנימה.
התוצאה היא גרוואסטאר יציב: גוף הדומה כמעט לחלוטין לחור שחור מבחוץ, אך מכיל בתוכו אזור מתפשט ולא סינגולריות.
לא כל כוכב קורס יכול להפוך לגרוואסטאר
הפתרון אינו מאפשר לכל כוכב לבחור באקראי בין חור שחור לגרוואסטאר. החוקרים מצאו כי התהליך מתרחש רק בתנאים מכווננים היטב.
אחד התנאים קשור למידת הקומפקטיות ההתחלתית של הכוכב – היחס בין מסתו לבין גודלו. לפי המודל, אם הקומפקטיות ההתחלתית גבוהה מערך מסוים, הקריסה לחור שחור אינה ניתנת לעצירה.
החוקרים מצאו ערך סף של 3/8 במדד הקומפקטיות שבו השתמשו. מעל הסף הזה נוצר חור שחור, ואילו מתחתיו עשוי, בתנאים מתאימים, להיווצר אזור דה־סיטר מתפשט ולבסוף גרוואסטאר.
ממצא זה חשוב משום שהוא מראה שהמודל אינו מחליף באופן גורף את החורים השחורים. הוא מציע מסלול אפשרי נוסף רק בחלק מוגבל ממרחב התנאים.
מודל פשוט לעומת כוכב אמיתי
הפתרון החדש הוא צעד תאורטי, אך הוא עדיין רחוק מתיאור מלא של כוכב קורס בטבע. הכדור במודל אחיד ואינו מפעיל לחץ רגיל. כוכבים אמיתיים מורכבים משכבות בעלות צפיפויות שונות, מסתובבים, מכילים שדות מגנטיים ופולטים חלקיקים וקרינה.
גם מקורו של אזור אנרגיית הריק אינו מוסבר במלואו. המודל מניח שבתנאי הצפיפות הקיצוניים יכול להיווצר אזור דה־סיטר, אך נדרשת פיזיקה נוספת כדי להסביר איזה תהליך מיקרוסקופי יגרום לכך.
ימפולסקי, שגילה את הפתרון במסגרת עבודת המוסמך שלו בהנחיית רצולה, סבור שהתהליך יכול להתחיל רק בשלב מאוחר מאוד, כאשר הכוכב כבר התכווץ כמעט עד למצב של חור שחור. בצפיפויות כאלה, לדבריו, ייתכן שיופיעו השפעות פיזיקליות שעדיין אינן מוכרות.
חורים שחורים נשארים ההסבר המוביל
רצולה מדגיש כי החיפוש אחר גרוואסטארים אינו מבטא התנגדות לקיומם של חורים שחורים. לדבריו, חורים שחורים הם עדיין הפתרון הטבעי והפשוט ביותר לגורלה של קריסה כבידתית.
מטרת המחקר היא לבדוק אם משוואות איינשטיין מאפשרות גם תוצאות אחרות, ומה יידרש כדי ליצור אותן. בהמשך יהיה צורך לבחון אם גרוואסטארים מסוג זה נשארים יציבים כאשר מוסיפים למודל סיבוב, לחץ, אי־אחידויות והפרעות אחרות.
אתגר נוסף יהיה לזהות הבדלים תצפיתיים בין גרוואסטאר לחור שחור. מאחר ששני העצמים עשויים להיראות כמעט זהים מבחוץ, ייתכן שההבדלים יתגלו רק בפרטים זעירים של גלי הכבידה, בתנועת חומר סמוך או בהתנהגות העצם לאחר התנגשות.
המחקר אינו מראה שיקום חדש אכן נולד בתוך כוכב גווע. הוא מראה שבתנאים מתמטיים מסוימים, תורת היחסות הכללית מאפשרת תרחיש שבו קריסת הכוכב נעצרת באמצעות אזור פנימי מתפשט – ללא צורך בסינגולריות או באופק אירועים.
שאלות נפוצות
האם החוקרים גילו יקום חדש בתוך כוכב?
לא. המחקר מציג פתרון מתמטי למשוואות היחסות הכללית. לא נצפה גרוואסטאר ולא נמצאה ראיה ישירה ליקום זעיר בתוך כוכב.
מהו גרוואסטאר?
גרוואסטאר הוא עצם תאורטי דחוס מאוד הדומה מבחוץ לחור שחור, אך אינו מכיל סינגולריות או אופק אירועים. בתוכו אמור להימצא אזור של אנרגיית ריק בעלת לחץ הפועל נגד הקריסה.
האם כל כוכב מסיבי יכול ליצור גרוואסטאר?
לא. לפי המודל, הדבר אפשרי רק בתנאים מכווננים היטב ורק אם הקומפקטיות ההתחלתית של הכוכב נמוכה מסף מסוים. במקרים אחרים הקריסה מסתיימת בחור שחור.
האם המחקר מערער על קיומם של חורים שחורים?
לא. החוקרים מדגישים שחורים שחורים נשארים ההסבר הפשוט והסביר ביותר לתוצאותיה של קריסה כבידתית. הגרוואסטאר מוצע כאפשרות תאורטית נוספת.
תגיות:
גרוואסטאר, חורים שחורים, קריסה כבידתית, כוכבים מסיביים, יקום, מיני־יקום, תורת היחסות הכללית, אלברט איינשטיין, סינגולריות, אופק האירועים, אנרגיית ריק, אנרגיה אפלה, מרחב דה־סיטר, לוצ’אנו רצולה, דניאל ימפולסקי, אוניברסיטת גתה בפרנקפורט
טקסט חלופי לתמונה:
הדמיה של מיני־יקום מתפשט בתוך כוכב קורס היוצר גרוואסטאר
מקור מדעי:
Daniel Jampolski and Luciano Rezzolla, “Formation of gravastars”, Physical Review D 113, L121502, 2026. (arXiv)
הערות:
המאמר המדעי מציג קריסה של כדור “אבק” אחיד על פי מודל אופנהיימר–סניידר. הגרוואסטאר נוצר רק בתנאים מכווננים היטב, באמצעות התהוות אזור דה־סיטר שגודלו ההתחלתי אפס. התפשטותו מואטת סמוך לרדיוס שוורצשילד, והחוקרים מצאו קומפקטיות התחלתית מרבית של 3/8; מעליה הקריסה לחור שחור בלתי נמנעת. (arXiv)
הודעת אוניברסיטת גתה מדגישה שמדובר בפתרון הדינמי הראשון המתאר כיצד גרוואסטאר עשוי להיווצר מקריסת חומר רגיל. רצולה מציין במפורש כי חורים שחורים נשארים הפתרון הטבעי והפשוט ביותר, והמחקר בוחן חלופה אקזוטית אפשרית – לא הפרכה של מודל החור השחור. (uni-frankfurt.de)
עוד בנושא באתר הידען:
