חורים שחורים מוסברים: כיצד הם נוצרים, כיצד הם עובדים, והוצלמו סוף סוף

נאסא מגדירה חור שחור כאובייקט אסטרונומי בעל כוח כבידה כל כך חזק שדבר כלשהו, כולל אור, לא יכול להימלט ממנו. נקודת אי-החזרה סביב חור שחור נקראת אופק האירועים: בתוך הגבול הזה, המהירות הדרושה להימלט חורגת את מהירות האור, ולכן שום דבר שחוצה אותו לא יכול לחזור החוצה.

כיצד נוצר חור שחור

הדרך המובנת הטובה ביותר היא קריסת כוכבים. על פי נאסא, כוכב עם יותר מכ-20 פעמים מסת השמש בסופו של דבר אוזל את הדלק הגרעיני בליבתו ומתמוטט תחת כוחו הכבידתי שלו. קריסה זו מעוררת פיצוץ סופרנובה שנושף את השכבות החיצוניות של הכוכב. אם מה שנשאר מהליבה המעוכה עדיין חוצה כ-3 מסות סולאריות, נאסא קובעת שלא כל כוח ידוע יכול לעצור את הקריסה מהמשך כל הדרך לחור שחור.

לאחר היווצרות, חור שחור יכול לגדול על ידי ירידה של גז סביב, על ידי הוצאת חומר מכוכב בן, או על ידי התמזגות עם חור שחור אחר, כפי שנאסא הסבירה בעמוד הסקירה הכללית שלה על חורים שחורים.

חורים שחורים בעל מסה-על, הנמצאים במרכזי גלקסיות והנעים בין כ-100,000 למיליארדי מסות סולאריות על פי נאסא, מובנים פחות. נאסא מציינת שמקורם עדיין שאלה פתוחה, שכן נראה היה שהיו קיימים מהשלבים המוקדמים ביותר של היווצרות הגלקסיה.

אופק אירועים, סינגולריות, וחלקי חור שחור

התיאור של נאסא של 'אנטומיה' של חור שחור מפרט כמה אזורים נפרדים. במרכז יושבת הסינגולריות, נקודה שבה חומר אינו ניתן לדחיסה לכל מה שנאסא מתארת כצפיפות אינסופית; מדענים אינם בטוחים אם זה מבנה פיזי או תוצאה מתמטית של המשוואות. מסביבה הוא אופק האירועים, גבול אי-בריחה. יותר רחוק משם, אור מחומר שנופל יכול להקיף את החור השחור מספר פעמים לפני בריחה, ויוצר טבעות דקות הנראות סביב 'הצל' השחור של החור השחור בתמונות ישירות - אזור שנאסא קוראת לו כדור הפוטון.

חומר הנופל לכיוון חור שחור בדרך כלל יוצר דיסק הצטברות חם ומזהיר לפני חציית אופק האירועים. בתוך מערכות רבות, חלק מהחומר הזה במקום זאת משונה לתוך סילוני חלקיקים הנעים ביד קרוב למהירות האור; בחורים שחורים בעל מסה-על, סילונים אלה יכולים להתרחב למאות אלפי שנות אור, אומרת נאסא.

הוכחת קיומם של חורים שחורים: פנרוז, גנטסל, וגז

במשך עשרות שנים חורים שחורים היו תוצאה מתמטית של תורת הניסוחיות הכללית של איינשטיין ולא מציאות פיזיקלית מאומתת. האקדמיה המלכותית של מדעי שוודיה נתנה מחצית מפרס נובל בפיזיקה 2020 לרוג'ר פנרוז, שהוכחתו משנת 1965 - כפי שתואר בהודעתה שלה של האקדמיה, דווח על ידי ScienceDaily - הראתה שהיווצרות חור שחור היא חיזוי חזק והימנע של ניסוחיות כללית לפי שגוף קומפקטי ומסיבי מספיק קורס, וכי כזה קריסה בהכרח מייצר סינגולריות.

המחצית השנייה של הפרס הלכה בשותוף לריינהארד גנטסל ואנדריאה גז, שהובילו צוותים נפרדים שעקבו אחר מסלוליהם של כוכבים במרכז שביל החלב במשך עשרות שנים באמצעות טלסקופים גדולים ביותר בעולם. עבודתם, שסוכמה גם בהודעת נובל שכוסתה על ידי ScienceDaily, מצאה אובייקט בלתי נראה של כ-4 מיליון מסות סולאריות מרוכזות בכדי לא גדול משיטת השמש - עדות חזקה לחור שחור בעל מסה-על הידוע כעת בשם Sagittarius A*.

חישוף הבלתי חשוף: גלים כבידתיים ותמונות ישירות

ב-14 בספטמבר 2015, גלאיי LIGO מתקדמים תאום רשמו אות, שכותרתה GW150914, תואמת את צורת הגל החזויה של שני חורים שחורים הסתובבים וממזגים. על פי סיכום המדע של שיתוף הפעולה של LIGO המדעי, לשני החורים השחורים היו מסות של כ-36 ו-29 פעמים השמש, ממזגים לחור שחור יחיד של כ-62 מסות סולאריות יותר מיליארד שנות אור הרחק; כ-3 מסות סולאריות הומרו לאנרגיית גלים כבידתיים בשבריר שנייה. הגילוי נשא משמעות סטטיסטית של יותר מ-5 סיגמה, כלומר אזהרה כוזבת בעוצמה זו הצפויה בערך פעם אחת כל 200,000 שנים של נתונים השוואתיים, LIGO דיווחה.

ארבע שנים מאוחר יותר, קבוצת הטלסקופ אופק האירועים (EHT) הוציאה את התמונה הראשונה של כל הזמנים של הצל של חור שחור, שצולמה של M87*, החור השחור בעל מסה-על במרכז גלקסיית Messier 87. כפי שמסבירה מעבדת ההנעה של סילון בחלל של נאסא, EHT קושר טלסקופים רדיו סביב הגלובוס להיות כלי וירטואלי יחיד באמצעות אינטרפרומטריה קו בסיס ארוך מאד, משיגה רזולוציה בערך 4,000 פעמים חדה יותר מטלסקופ חלל הבל. קמפיין התצפית ב-אפריל 2017 מאחורי התמונה, שוחרר בשנת 2019, מדד M87* בערך 6.5 מיליארדי מסות סולאריות, הממוקמות בערך 53 מיליון שנות אור הרחק.

ב-12 במאי 2022, קבוצת EHT הוציאה תמונת ציוד שנייה: Sagittarius A*, החור השחור המרכזי שלו של שביל החלב. כפי שמתואר על ידי AAS Nova, הנתונים הבסיסיים הוקלטו בנוסן 2017, המשמעות היא שיותר מחמש שנים עברו בין התצפית וביציאת התמונה. Sagittarius A* הוא בערך ארבעה מיליון מסות סולאריות ו-27,000 שנות אור הרחק - משמעות היא שהוא נראה בערך בגודל לכאורה זהה בשמיים כמו M87* המסיבי בהרבה והרחוק יותר, מכיוון ש-M87* הוא בערך 2,000 פעמים רחוק יותר וחוקק 1,500 פעמים יותר מסיבי. גדלי הטבעות והצללים שנמדדו של שני החורים השחורים תאמו את התחזוקות של ניסוחיות כללית, על פי AAS Nova, תינו לאסטרונומים אישור עצמאי של תאוריית איינשטיין על פני מסות חור שחור שונות מאוד.

למה זה חשוב לפיזיקה

כל אחד מהתוצאות הללו בוחן את הניסוחיות הכללית בתחום שאיינשטיין לא יכול היה להתבונן בצורה ישירה: חומר וזמן-מרחב תחת כבידה קיצונית. האות של גלים כבידתיים מ-GW150914 תאם את צורת הגל שנחזתה על ידי ניסוחיות כללית ל-inspiral, מיזוג, וחזרה 'טבעת' רינגדאון של החור השחור שנוצר, על פי ניתוח LIGO. גדלי הטבעות שנמדדו של EHT עבור M87* ו-Sagittarius A* באופן דומה תאמו את התחזוקות של ניסוחיות כללית, על פי AAS Nova, תינו למדענים שתי שיטות אישור עצמאיות - גלים כבידתיים וצילום ישיר - המתכנסות על מסגרת תיאורטית זהה.