מדוע צילום החור השחור הוא אירוע כה מיוחד?

זוהי הפעם הראשונה שפיסיקאים הצליחו לצלם בעזרת טלסקופ כיצד נראה אופק האירועים של חור שחור ואת החומר שמסתובב סביבו ונופל לתוכו

בתאריך 10.4.19 בפעם הראשונה הצליחו מדענים לצלם את אופק האירועים של חור שחור ואת דיסקת הספיחה שמסביבו. עד היום ראינו חורים שחורים רק כסימולציות מחשב. זוהי הפעם הראשונה שפיסיקאים הצליחו לצלם בעזרת טלסקופ כיצד נראה אופק האירועים של חור שחור ואת החומר שמסתובב סביבו ונופל לתוכו.   אך יש סיבה נוספת מדוע צילום ראשון של חור שחור הוא אירוע כה מיוחד .

חורים שחורים הם בין הגופים המעניינים והמסתוריים ביותר שמוכרים לנו בטבע. הם נחזו בעקבות תורת היחסות הכללית של אינשטיין לפני כמאה שנה ועדויות רבות לקיומם נאספו עם השנים. אך עד היום לא ראינו צילום אמיתי של חור שחור. לראות את הגופים המעניינים הללו בפעם הראשונה דומה ללראות בפעם הראשונה קסם שהופך למציאות. אבל בשביל זה צריך להכיר מהו חור שחור ומה הופך אותו לגוף כה מוזר ויוצא דופן.

חורים שחורים הם מעין קרע במרחב – זמן שלנו. אזור בעל כוח כבידה כה חזק עד שאפילו אור לא יכול לברוח ממנו (ומשום שמהירות האור היא המהירות הגבוהה ביותר שיכולה להיות בטבע, שום גוף לא יכול לברוח מהחור השחור). ככל שמתקרבים לחור השחור עצמו כוח הכבידה מתחזק עד שמגיעים לנקודת אל חזור, מרחק מסוים שאם חוצים אותו, כוח המשיכה חזק מדי ואי אפשר לברוח החוצה. אפילו לא האור. למרחק הזה קוראים אופק האירועים של החור השחור. אם נמשיך להתקדם לעבר החור השחור עצמו נקרע לגזרים בגלל הבדלי גרביטציה חזקים בין הראש לרגליים שלנו. אבל אם היינו יכולים לשרוד באיזושהי צורה היינו מגיעים לנקודה בה לפי תורת היחסות יש עקמומיות אינסופית. זהו החור השחור עצמו. מעין חור במרקם המרחב – זמן שלנו. מקום בו חוקי הטבע כפי שאנו מכירים אותם חדלים מלהתקיים. אין שם לא מרחב ולא זמן ואי אפשר לתאר התנהגות גופים. במילים אחרות, אף אחד לא יודע מה קורה כאשר מגיעים לנקודה זו. ובכל זאת הגופים המוזרים הללו קיימים במציאות וכעת אפילו צילמנו אותם.

לפי תורת היחסות אין דבר כזה כוח משיכה. מה שנראה לנו כמו כוח שמושך גופים להתקרב אחד לשני אינו כוח כלל אלא גאומטריה. לפי תורת היחסות יש תשתית עליה כל הגופים קיימים, המרחב-זמן. ניתן לומר שכל הגופים “מצוירים”, אם תרצו, בתשתית בעלת ארבעה מימדים. שלושה מימדי מרחב ומימד זמן אחד (לפרטים ראו את סדרת המאמרים שלי “איינשטיין, האיש שהחל להוציא אותנו מהמטריקס” כאן). התשתית הזו קיימת ונמצאת ביחסי גומלין עם הכוכבים והמסות השונות שמצויירות עליה. כל מסה מעקמת במעט את המרחב-זמן. הדבר המעניין הוא שמרחב-זמן עקום גורם לחומר “המצוייר” בו לנוע בקוים עקומים כך ששני גופים שנמצאים בסביבה של גוף מאסיבי שעיקם את המרחב-זמן בצורה חזקה, יתחילו להתקרב אליו כאילו מופעל כוח משיכה ביניהם.

אינשטיין הבין שבעצם אין דבר כזה כוח משיכה אלא יש מסה שמעקמת את המרחב-זמן סביבה ולכן גופים נראים נמשכים אחד לשני בסביבה זו. התובנה הזו סותרת לחלוטין את המכניקה של ניוטון ואת מה שמלמדים אותנו מגיל קטן. אותנו מלמדים שאבן שזרקנו לאוויר תחזור לכדור הארץ בגלל שכדוה”א מפעיל עליה כוח משיכה, והנה בא אנשטיין ומראה לנו שאין בכלל כוח משיכה. כדוה”א מעקם את המרחב-זמן הארבע מימדי שסביבו וזה גורם לאבן להתקרב חזרה לכדוה”א. אינשטיין ביטל את כוח המשיכה ככוח אמיתי, במקומו יש גאומטריה. גאומטריה של מרחב עקום בו קווים מקבילים מתקרבים אחד לשני עד שלבסוף נפגשים. ככל שלגוף יש יותר מסה, כך הוא מעקם יותר את המרחב-זמן שלו ואת המרחב-זמן שסביבו ואנו נראה זאת כאילו יש שם כוח משיכה יותר חזק.

מסת השמש מעקמת את המרחב-זמן הארבע מימדי שסביבה. המרחב-זמן מיוצג בציור כרשת. הרשת היתה אמורה להיות בעלת ארבעה מימדים והכוכבים מצויירים עליה, אך אנחנו לא יכולים לצייר זאת.. שימו לב שיוצאת קרן אור מכוכב מרוחק, אך במקום להמשיך בקו ישר הקרן מתעקמת בגלל שהיא עוברת במרחב-זמן העקום שליד השמש ומגיעה לכדור הארץ. תופעה זו נמדדה לראשונה בשנת 1919 והיתה האישוש הראשון לתורת היחסות הכללית של אינשטיין.

אחת התוצאות המוזרות שיוצאות מהתובנה הזו היא שיכולים להיות כוכבים עם מסה כל כך גדולה עד שהם יעקמו את המרחב זמן שסביבם בצורה אינסופית ובעצם יקרעו את המרחב-זמן (או את התשתית) בו הם נמצאים! לכוכבים מוזרים אלו אנחנו קוראים חורים שחורים. כיום ידוע שיש הרבה חורים שחורים ושאפילו יש חור שחור ענק באמצע כל גלקסיה, כולל הגלקסיה שלנו (אל דאגה, הוא מאד רחוק מאיתנו). מה קורה בתוך חור שחור כזה? מה זה אומר להגיע לאזור בו המרחב-זמן קרוע? האם קרע כזה יכול לקחת אותנו לאזורים שונים במרחב-זמן שלנו? האם אפשר לצאת דרכו למרחב-זמן שונים מהשלנו וכך לעבור ליקום אחר בעל תשתית אחרת? כל אלו הן שאלות מצויינות ועדיין אין לנו עליהן פתרון. תורת היחסות לא יודעת להגיד מה קורה בתוך החור השחור ובשביל זה נצטרך לחכות לתיאוריה הבאה בתור שתדע להתמודד עם הגדלים האינסופיים שמופיעים בתורת היחסות הכללית ברגע שמחשבים מה קורה במרכז החור השחור.

כשאינשטיין ראה את הפתרון המתמטי מתורת היחסות שמנבא המצאות של חורים שחורים הוא לא חשב שהם באמת קיימים ושזוהי רק תוצאה מתמטית חסרת ממשות פיסיקלית. לקח כמה עשורים עד שהצליחו לאשש את הפתרון הזה ולגלות את החורים השחורים ברחבי היקום. זוהי דוגמה נפלאה לכוח של המתמטיקה ומדוע היא נחשבת לשפה של הטבע וכיצד היא יותר חזקה אפילו ממי שפיתח אותה ומצא את הפתרון המתמטי המתאים. כל תיאוריה על הטבע מתחילה מרעיון, הופכת למתמטיקה המתאימה ומתוכה מופיעות תובנות מרתקות וחדשות שכלל לא חשבנו עליהן. הדבר המדהים הוא שכל המשחקים המתמטיים הללו אכן מתארים את הטבע וכל פעם מחדש אנו רואים כיצד פתרונות מתמטיים, מוזרים ככל שיהיו, מתגלים כנכונים בניסויי מעבדה. כוכבים בעלי צפיפות מסה שונה מעקמים באופן שונה את המרחב-זמן. לפי המסה ההתחלתית של הכוכב ניתן לדעת האם כאשר יגמר לכוכב הדלק הגרעיני שבו הוא יקרוס ויהפוך לחור שחור או “יעצר בדרך” ויהפוך לכוכבים קטנים ומאד צפופים כמו ננס לבן או כוכב נויטרונים. כיום אנו יודעים שכוכבים בעלי צפיפות מסה פי 6 ממסת השמש שלנו, יקרסו ויהפכו בסופו של דבר לחורים שחורים.

והנה כעת, בפעם הראשונה צוות אירופאי שהשתמש בטלסקופים מרחבי העולם צילם בפעם הראשונה את אופק האירועים של חור שחור. הם השתמשו בטלסקופ על שנקרא טלסקופ אופק האירועים ( Event Horizon Telescope ). הטלסקופ מורכב מטלסקופים רבים שנמצאים במדינות שונות בכדור הארץ ומצלמים אור בתדירות של גלי רדיו. ובעזרת תמונות מכל הטלסקופים הללו הם יכלו לבנות את התמונה הזו:

אז מה רואים כאן?
במרכז רואים מעין עיגול שחור המוקף בטבעת כתומה. העיגול הוא אופק האירועים, הגבול עד אליו אפשר לראות. בגלל שמעבר לו האור לא יכול לברוח, לא מגיע למכשירי המדידה שלנו שום אות מעבר לאופק האירועים ואי אפשר לראות מה קורה בפנים (זהו החלק השחור של החור השחור..). הצורה של אופק האירועים אמורה להיות כדורית, אך בגלל שזהו צילום “מלמעלה” אנו רואים את אופק האירועים בצורת עיגול. מסביב לאופק האירועים רואים כוכבים קרובים שמסתובבים בצורת מערבולת מסביב לחור השחור ונופלים לתוכו, ממש כמו מים שנופלים כמערבולת לחור האמבטיה שלנו. זוהי הטבעת שהמדענים צבעו בצבע כתום. החור השחור המצולם הוא חור שחור מאסיבי. מסתבר שבמרכז רוב הגלקסיות ביקום יש חורים שחורים. אלו חורים שחורים בעלי מסה עצומה. לחור השחור שבתמונה יש מסה כה גדולה עד שסופרים אותה ביחידות של כמה פעמים מסת השמש שלנו נכנסת במסת החור השחור. במקרה זה המסה של החור השחור המאסיבי היא 6.5 מליארד פעמים מסת השמש שלנו!
והוא נמצא במרכז גלקסיה בשם M87 שרחוקה מהשמש שלנו 55 מליון שנות אור (כששנת אור היא סביב 10,000,000,000,000 ק”מ). ניסיון לצלם את החור השחור ממרחק כזה הוא כמו לנסות לראות מכדור הארץ כדור טניס שנמצא על הירח, ובכל זאת יש לנו טכנולוגיה מספיק מתקדמת כדי לעשות זאת. תמונה הזו היא רק צעד ראשון בדרך חדשה בה אפשר לצלם אופק אירועים ודיסקות ספיחה של חורים שחורים. כבר כעת זהו אישוש נוסף לקיום חורים שחורים ולכמה מהתכונות שיש לחורים שחורים, לפי תורת היחסות של איינשטיין.
כדי לקבל קצת פרספקטיבה עד כמה ענק החור השחור המאסיבי הזה, שימו לב לתמונה הבאה –

זהו הישג מרשים מאד! לא יאמן שעכשיו אפשר ממש לראות את היצורים המדהימים הללו שטומנים בחובם עוד כל כך הרבה תובנות על מהות המציאות בה אנו חיים!

ניר להב מגיע לביקור בישראל בין פסח ליום העצמאות ויעביר שני הרצאות לקהל הרחב:

ביום שלישי 23.4.19 הרצאה חוויתית- מסע לנבכי המוח. ההרצאה מיוחדת למטיילים במצפה רמון בגסטהאוס של רוני ומתי, שעה שמונה בערב. לפרטים, דור 0505903661
ביום ראשון 5.5.19 האם יצר האדם רע מנעוריו? התשובה של הפסיכולוגיה החברתית. בטוקהאוס בתל אביב. פרטים באיוונט

נתראה בקרוב!