הדמיות הידרודינמיות מצביעות על כך שכוכב שהסתובב במהירות עוד לפני שנלכד במסלול סביב חור שחור על־מסיבי מאבד בכל מעבר פחות חומר, ולכן ההתלקחויות החוזרות נחלשות. אותו תרחיש עשוי להסביר גם כיצד הגיע הכוכב למסלול כה הדוק.
סיבוב מהיר של כוכב עוד לפני המפגש הראשון שלו עם חור שחור על־מסיבי עשוי להסביר מדוע ההתלקחויות בכמה מערכות חוזרות הולכות ונחלשות. הדמיות חדשות מראות כי הסיבוב ההתחלתי משנה את קצב חזרת החומר שנקרע מן הכוכב אל החור השחור — וכך מאפשר להתלקחות להיחלש ממעבר למעבר.
במרכזן של רוב הגלקסיות נמצא חור שחור על־מסיבי, גוף שמסתו גדולה פי מיליונים עד מיליארדים ממסת השמש. כוח הכבידה שלו חזק דיו כדי לקרוע לגזרים כוכב שמתקרב יותר מדי, אך לא כל מפגש מסתיים בהשמדה מוחלטת.
חלק מהכוכבים שורדים. לאחר שמעבר קרוב תולש חלק מן הכוכב, הליבה הנותרת יכולה להמשיך להקיף את החור השחור ולחזור כעבור חודשים או שנים למפגש נוסף. כל מעבר מסלק עוד חומר ומפיק עוד פרץ אור. האסטרונומים מכנים תופעה זו אירוע שיבוש גאות חלקי חוזר (repeating partial tidal disruption event, או rpTDE).
סקרי שמים רחבי־שדה בתחום הזמן, הסורקים שוב ושוב אזורים גדולים ומחפשים שינויי בהירות, מאפשרים לעקוב אחר אותו כוכב ואותו חור שחור לאורך כמה מפגשים. ואולם, כמה מערכות הציבו בפני האסטרונומים בעיה עיקשת: במקום להפיק התלקחויות דומות בכל פעם, הן נחלשות בהדרגה.
מבין כעשר מערכות חוזרות שזוהו עד כה, ארבע מראות את דפוס הדעיכה הזה. המודלים התאורטיים הקיימים התקשו לשחזר אותו. אסטרופיזיקאים מאוניברסיטת סירקיוז מציעים כעת כי ההסבר טמון בתכונה של הכוכב ששרד: מהירות הסיבוב שלו עוד לפני ההתקרבות הראשונה לחור השחור.
המחקר, שפורסם בכתב העת The Astrophysical Journal, הובל בידי הדוקטורנטית אנניה בנדופאדיאי (Ananya Bandopadhyay), בשיתוף בנימין אמנד ואריק קופלין מאוניברסיטת סירקיוז וחוקרים ממוסדות נוספים.
מדוע חלק מההתלקחויות הולכות ונחלשות
אירוע שיבוש גאות רגיל (TDE) מתרחש כאשר ההפרש בכוח המשיכה שמפעיל החור השחור על צדו הקרוב ועל צדו הרחוק של כוכב נעשה חזק דיו כדי לקרוע את הכוכב לגמרי.
השברים שנוצרים נופלים בחזרה לעבר החור השחור ומסתפחים אליו. כשהחומר מאבד אנרגיה הוא מפיק קרינה היכולה להימשך ימים עד חודשים. החור השחור עצמו אינו פולט אור, ולכן ההזנה הזמנית בשברי כוכבים מאפשרת לאסטרונומים לחקור בעקיפין גוף שבמצבים אחרים כמעט אינו נראה.
כוכב החולף מעט רחוק יותר מן החור השחור יכול להימלט מהשמדה מלאה, אך עדיין לאבד חלק ממסתו ולחולל TDE חלקי. אם הליבה שנותרה עדיין קשורה לחור השחור, היא יכולה לחזור שוב ושוב ולהשיל חומר נוסף במעברים קרובים, במרווחים של כמה חודשים עד כמה שנים.
כמות החומר שהכוכב מאבד בכל מעבר תלויה בחלקה במבנהו הפנימי. בנדופאדיאי מדמה כוכב בעל מסה נמוכה למקצפת אוורירית, הנעשית פגיעה יותר ויותר לכוחות הגאות. כוכב מסיבי יותר, לעומת זאת, בנוי במעין שכבות דמויות בצל ומרוכז יותר במרכזו. הוא יכול לאבד את שכבותיו החיצוניות, בעוד שהאזור המרכזי הצפוף נשאר כמעט בלתי מושפע, ולכן להשיל בהדרגה פחות חומר בכל מפגש.
ההבדל הזה מסביר מדוע אירועי rpTDE שונים מתנהגים באופן שונה, אך לא פתר את בעיית ההתלקחויות הדועכות. לכאורה, פחות חומר שנתלש מן הכוכב אמור לחולל התלקחות עמומה יותר. אלא שהדמיות הידרודינמיות קודמות הראו אחרת: גם כאשר כמות החומר שאבד קטנה ממפגש למפגש, ההתלקחויות המדומות נותרו בהירות בערך באותה מידה.
"תהינו על כך במשך שנתיים", אומרת בנדופאדיאי.
סיבוב הכוכב פותר את אי־ההתאמה
במחקר קודם גילה הצוות השפעה נוספת של כוח הכבידה של החור השחור. מלבד תלישת חומר מן הכוכב, כוחות הגאות מפעילים עליו מומנט הגורם לו להסתובב מהר יותר בכל מפגש קרוב. לכן, אף שפחות חומר נופל בחזרה לעבר החור השחור, הוא חוזר בפרק זמן קצר יותר — וההתלקחות החזויה נשארת בהירה פחות או יותר באותה מידה.
התוצאה הראתה כי ירידה באובדן המסה לבדה אינה מספיקה. כדי שההתלקחויות בהדמיה ייחלשו כפי שהאסטרונומים רואים בפועל, נדרש, כדברי בנדופאדיאי, "מרכיב חדש": כוכב שכבר הסתובב במהירות לפני המפגש הראשון עם החור השחור.
המחקר החדש מצא כי כוכב בעל סיבוב התחלתי משמעותי אינו מקבל בכל מעבר את אותה תוספת גדולה למהירות הסיבוב. בלעדי ההאצה הזאת, הזמן הדרוש לחומר שנתלש כדי לחזור אל החור השחור נשאר יציב יחסית.
מכאן נובעת תוצאה שונה מזו של המודלים הקודמים: אם בכל מעבר נתלש פחות חומר אך משך חזרתו אל החור השחור נשאר דומה, קצב השיא של נפילת החומר פוחת — ולכן ההתלקחות החזויה יכולה להיחלש בכל מפגש נוסף.
בהדמיות בחנו החוקרים כוכבי סדרה ראשית שמסתם מסת שמש אחת או יותר, העוברים שיבושי גאות חלקיים חוזרים סמוך לחור שחור שמסתו כמיליון מסות שמש. ההתלקחויות נחלשו כאשר הכוכב הסתובב מלכתחילה במהירות גבוהה ובכיוון התואם את כיוון תנועתו במסלול.
התפרקות מערכת כפולה עשויה להסביר את הסיבוב
הממצא מעלה שאלה נוספת: מדוע שכוכב במערכת כזאת יסתובב במהירות עוד לפני המפגש הראשון? נוסף על כך, קשה מאוד ללכוד כוכב במסלול הדוק כל כך סביב חור שחור על־מסיבי, עד שהוא משלים הקפה בתוך חודשים בלבד — ובכל זאת, מסלולים כאלה נראים באירועי rpTDE.
מנגנון הילס עשוי להסביר את שתי התכונות. בתרחיש זה, שני כוכבים המקיפים זה את זה במסלול הדוק חולפים ליד חור שחור על־מסיבי. החור השחור מפרק את המערכת הכפולה: כוכב אחד נזרק במהירות, ואילו האחר נלכד בכוח הכבידה שלו.
במערכת כפולה הדוקה הכוכבים עשויים להיות נעולים גאותית, כלומר כל כוכב מסתובב סביב צירו באותו קצב שבו בני הזוג מקיפים זה את זה. ככל שהמערכת הדוקה יותר, זמן ההקפה קצר יותר והכוכב הנעול גאותית מסתובב מהר יותר. כדי שאחד הכוכבים יילכד במסלול הקצר הנראה באירועי rpTDE, המערכת המקורית צריכה להיות הדוקה במיוחד — וזהו בדיוק המצב העשוי להקנות לכוכב סיבוב מהיר עוד לפני השיבוש החלקי הראשון.
"עבודתה של אנניה מראה שכל המוזרויות האלה יכולות להיות מוסברות באמצעות אותה תופעה בסיסית: השיבוש הגאותי של מערכת כפולה ולכידתו של אחד הכוכבים", אומר קופלין. "מבחינה תאורטית, זהו צעד גדול קדימה בהבנת הפיזיקה הפועלת במערכות האלה".
לדברי קופלין, מנגנון הילס עשוי היה לעצב גם אוכלוסיות כוכבים אחרות. ייתכן שחלק מן הכוכבים המקיפים את סגיטריוס A*, החור השחור העל־מסיבי במרכז שביל החלב, הוצבו במסלוליהם בדרך דומה. הממצאים עשויים אפוא לסייע בהבנת תכונותיהם של כוכבים ב"חצר האחורית הקוסמית" שלנו.
שאלות ותשובות
מהו אירוע שיבוש גאות חלקי חוזר?
זהו אירוע שבו כוכב חולף סמוך לחור שחור על־מסיבי, מאבד רק חלק ממסתו ושורד. הליבה שנותרה ממשיכה במסלולה וחוזרת למפגשים נוספים, שכל אחד מהם עשוי להפיק התלקחות חדשה.
מדוע ההתלקחויות בכמה מערכות הולכות ונחלשות?
לפי ההדמיות החדשות, כוכב שכבר הסתובב במהירות לפני המפגש הראשון מקבל פחות תוספת סיבוב בכל מעבר. כאשר פחות חומר נתלש וזמן חזרתו אל החור השחור נשאר דומה, קצב השיא של נפילת החומר יורד וההתלקחות נחלשת.
מהו מנגנון הילס?
זהו תרחיש שבו חור שחור על־מסיבי מפרק מערכת כוכבים כפולה הדוקה: כוכב אחד נזרק החוצה והאחר נלכד במסלול סביב החור השחור. נעילה גאותית במערכת המקורית יכולה להסביר גם את סיבובו המהיר של הכוכב שנלכד.
מה הקשר לסגיטריוס A* שבמרכז שביל החלב?
החוקרים מציעים שמנגנון הילס עשוי להסביר גם כיצד חלק מהכוכבים הגיעו למסלולים הקרובים שלהם סביב סגיטריוס A*, ולכן המחקר עשוי לתרום להבנת סביבת החור השחור בגלקסיה שלנו.
