חור שחור הוא אזור בחלל שבו הכבידה כל כך חזקה שום דבר, אפילו אור, אינו יכול להימלט ברגע שהוא חוצה את אופק האירוע. רובם נוצרים כאשר כוכב ענקי נוצל מדלק גרעיני וגרעינו קורס; גרסאות על-ענקיות גדלות במרכזי גלקסיות על פני מיליארדי שנים. תמונות ישירות וגילויי גלים גרביטציוניים אישרו את קיומם ובדקו את היחסיות הכללית של אינשטיין.
גרסה זו היא תרגום מכונה של המקור (English). לקריאת המקור
נאסא מגדירה חור שחור כאזור בחלל שבו הכבידה כל כך חזקה שום דבר, כולל אור, אינו יכול להימלט ברגע שהוא חוצה קו גבול הנקרא אופק אירוע. מכיוון שאור אינו יכול להימלט ממנו, חורים שחורים עצמם אינם יכולים להיראות ישירות; נוכחותם מוסקת מהשפעות הכבידה שלהם על חומר קרוב וכן, מאז 2019, מתמונות ישירות של החומר זוהר סביבם.
כיצד נוצר חור שחור
על פי נאסא, כוכב יוצר אנרגיה באמצעות היתוך גרעיני בגרעינו, והלחץ החיצוני מאותה אנרגיה מאזן את משיכת הכבידה הפנימית של הכוכב עצמו. כאשר כוכב בעל מסה יותר מ-20 פעמים ממסת השמש מתנקז מדלק גרעיני, איזון זה קורס. הגרעין קורס תחת משקלו שלו, מעורר פיצוץ סופרנובה שנושף את השכבות החיצוניות של הכוכב. אם הגרעין הנותר עולה על בערך שלוש מסות סולריות, נאסא מציינת שהוא ממשיך להתמוטט לתוך חור שחור בעל מסה כוכבית.
לא כל כוכב קורס מייצר חור שחור. גרעין מתחת לבערך שלוש מסות סולריות בדרך כלל הופך לכוכב נויטרון במקום זאת, על פי תיאור נאסא של התפתחויות כוכבית. ברגע שחור שחור קיים, הוא יכול לגדול עוד יותר על ידי ספיגת גז, אבק, ואפילו כוכבים או חורים שחורים אחרים החורגים מדי קרוב.
שלושת הסוגים העיקריים
נאסא מקבצת חורים שחורים לשלוש קטגוריות רחבות לפי מסה. חורים שחורים בעלי מסה כוכבית, נעים בין בערך שלוש לעשרות מסות סולריות, מפוזרים ברחבי שביל החלב והיוצאים מכוכבים ענקיים קורסים. חורים שחורים בעלי מסה ביניים, בעלי בערך 100 לעיתים 10,000 מסות סולריות, נדירים ויותר קשה לאישור; נאסא מצטטת אחת הדוגמאות המשכנעות ביותר שזוהו ב-2019. חורים שחורים על-ענקיים, המכילים בערך 100,000 לרבים מיליארדים של מסות סולריות, יושבים במרכזי רוב הגלקסיות הגדולות, כולל שביל החלב.
סוגי חור שחור לפי מסה (נאסא)
סוג
מסה טיפוסית
מיקום
חור שחור בעל מסה כוכבית
3 עד עשרות מסות סולריות
ברחבי שביל החלב
חור שחור בעל מסה ביניים
100 עד יותר מ-10,000 מסות סולריות
נדיר; דוגמאות מאושרות מוגבלות
חור שחור על-ענקי
100,000 עד מיליארדים של מסות סולריות
מרכזי גלקסיות גדולות
ראיית הבלתי-נראה: תמונות ישירות
מכיוון שאור אינו יכול להימלט מחור שחור, אסטרונומים אינם יכולים לצלם את האובייקט עצמו. במקום זאת, טלסקופ אופק האירוע (EHT) - רשת גלובלית של טלסקופי רדיו הפועלים כמכשיר אחד בגודל כדור הארץ, על פי מקור המדע הלאומי של ארה"ב (NSF) - צולמות הגז הזוהר המסתובב סביב חור שחור ממש מחוץ לאופק האירוע שלו. ב-10 באפריל 2019, שיתוף הפעולה EHT שחרר את התמונה הראשונה כזו, של החור השחור על-ענקי במרכז הגלקסיה M87, הממוקם כ-55 מיליון שנות אור מכדור הארץ ונמדד בכ-6.5 מיליארד מסות סולריות, על פי תקציר NSF.
ב-12 במאי 2022, שיתוף הפעולה EHT שחרר תמונה שנייה, הפעם של Sagittarius A*, החור השחור על-ענקי במרכז שביל החלב שלנו. NSF מתאר אותו כראייה ויזואלית ישירה ראשונה של אותו אובייקט, עם מסה שנאסא מעריכה בכ-4 מיליון פעמים מסת השמש. תקציר דומה באתר cosmoquest.org מניח את המסה שלו בכ-ארבע מיליון מסות סולריות והמרחק שלו בכ-27,000 שנות אור מכדור הארץ. שתי התמונות מראות אותו חתימה: צל מרכזי אפל מוקף אור בהיר מכופף מגז במסלול מאוד חם.
הגלים בחלל-זמן: גלים גרביטציוניים
קו נפרד של ראיות מגיע מגלים גרביטציוניים - גלים בחלל-זמן שאלברט איינשטיין חזה בתיאוריית היחסיות הכללית ב-1915. ב-14 בספטמבר 2015, שני מגלי Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) בהנפורד, וושינגטון וליווינגסטון, לואיזיאנה, רשמו אות שנקבע כ-GW150914, על פי תקציר המדע של LIGO. האות הגיע מהמיזוג של שני חורים שחורים עם מסות בערך 36 ו-29 פעמים מסת השמש, שהשתלבו לחור שחור יחיד של בערך 62 מסות סולריות. שלוש מסות סולריות החסרות הוקרנו כאנרגיית גלים גרביטציוניים, LIGO קובע, מאירוע יותר מיליארד שנות אור משם.
LIGO דיווח שהגילוי הגיע לחשיבות סטטיסטית של יותר מחמש סיגמה, כלומר אזהרת שווא בעוצמה זו הייתה צפויה רק פעם אחת בערך כל 200,000 שנים של נתונים דומים. צורת הגל שנצפתה תאמה חיזויים מיחסיות כללית, נותנת לפיזיקאים דרך חדשה ללימוד חורים שחורים שאינה מסתמכת על אור כלל.
מה חורים שחורים חושפים על היקום
תיאור של הנתוח של חור שחור בנאסא מזהה שלוש אזורים עיקריים: אופק האירוע, נקודת אי-חזרה שבה מהירות הבריחה עולה על מהירות האור; דיסק הצטברות, החומר הספירלי שקרינתו מאפשרת לאסטרונומים לזהות חורים שחורים בלתי נראים; והסינגולריות בליבה, שבה החומר דחוס לצפיפות קיצונית והפיזיקה הנוכחית, כולל יחסיות כללית, צפויה לשבור. נאסא מציינת שזה המקום שבו אפקטים קוונטיים צפויים להיות חשובים, כלומר חורים שחורים מסמנים את הגבול שבו יחסיות ומכניקה קוונטית צריכה בסופו של דבר להיפגש.
כי הם מכופפים אור, עיוותים זמן, ותומכים במבנה של גלקסיות, חורים שחורים מתפקדים כמעבדות טבעיות. תצפיות מדימוי ישיר ומגלי גרביטציוניים נותנות למדענים שתי דרכים עצמאיות לבדוק האם כבידה מתנהגת כפי שתיאוריית איינשטיין חוזה תחת התנאים הקיצוניים ביותר הידועים ביקום.
LIGO הערידה שעוצמת הגלים הגרביטציוניים הנישנה בזמן הרגעים האחרונים של מיזוג החור השחור הייתה יותר מעשרה פעמים עוצמת האור המשולבת מכל הכוכבים והגלקסיות ביקום הנצפה.
— תקציר המדע של LIGO, GW150914
שאלות
מה המסה המינימלית הדרושה ליצירת חור שחור?
נאסא קובעת שגרעין כוכבי קורס צריך לעלות על בערך שלוש מסות סולריות להיות חור שחור; מתחת לסף זה הוא בדרך כלל יוצר כוכב נויטרון במקום זאת.
האם הוצלמו חור שחור אי פעם?
לא ישירות, מכיוון שאור אינו יכול להימלט ממנו. טלסקופ אופק האירוע צילם גז זוהר סביב שני חורים שחורים על-ענקיים: M87* ב-2019 ו- Sagittarius A* ב-2022, על פי NSF.
כמה רחוק החור השחור במרכז שביל החלב?
Sagittarius A* נמצא בערך 27,000 שנות אור מכדור הארץ וביחוס כ-4 מיליון Suns, בהתבסס על דמויות דיווח לאחר תמונת EHT של 2022.
כיצד גלים גרביטציוניים עוזרים למדענים לחקור חורים שחורים?
חורים שחורים ממזגים מייצרים גלים בחלל-זמן שגלאים כמו LIGO יכולים להירשם אפילו ללא אור; הגילוי הראשון של LIGO, GW150914 בספטמבר 2015, אישר מיזוג של שני חורים שחורים הממוקמים יותר מיליארד שנות אור משם.
מה ההבדל בין חורים שחורים בעלי מסה כוכבית לבעלי מסה על-ענקית?
על פי נאסא, חורים שחורים בעלי מסה כוכבית נוצרים מכוכבים יחידים קורסים ופעם כמה לעשרות מסות סולריות, בעוד חורים שחורים על-ענקיים יושבים במרכזי גלקסיות ונעים בין 100,000 למיליארדים של מסות סולריות.
כוכבים נוצרים כאשר כוח הכבידה קורס ענני גז וחול קרים עד שליבה מגיע לסביבות 10 מיליון קלווין, טמפרטורה גבוהה מספיק כדי להדליק היתוך מימן. משם, המסה של כוכב קובעת הכל אחר: כמה זמן הוא זורח, כיצד הוא מת, ואם הוא משאיר מאחוריו ננס לבן, כוכב ניוטרונים, או חור שחור.
רקטות נעות על ידי הדחת פליטות בכיוון אחד כדי שהכלי יידחף בכיוון השני, בהתאם לחוק השלישי של ניוטון. הדחף תלוי בכמה מסת פליטה זורמת החוצה לשנייה וכמה מהר היא עוזבת את הזרבובית, בעוד שהישארות במסלול תלויה באיזון בין מהירות קדימה למשיכת הכבידה. עיצובים בעלי מספר שלבים וללא כמה משימות, הנעה חשמלית משמשים לניהול הכמות הענקית של דלק שטיסת חלל דורשת.
הכשרת אסטרונאוטים היא תהליך רב-שנתי המתחיל בבדיקת סינון לבחירה לחינוך, ניסיון וכושר גופני, ואחר כך עובר לשנים של הכשרה קרקעית לפני כל טיסה. לפי נאסא וסוכנות החלל האירופית (ESA), מועמדים לומדים מערכות חלליות ומתרגלים הליכות בחלל תחת מים, ומועמדי ESA גם לומדים רוסית, בעוד שהחיים על תחנת החלל הבינלאומית (ISS) רצים לפי לוח זמנים יומי קבוע של עבודה, תרגול וישינה.
פאזות הירח משתנות כי אור השמש פוגע בחלקים שונים של פני השטח שלו כשהוא מסתובב סביב כדור הארץ, לא בגלל הצל של כדור הארץ; מחזור שלם אחד של פאזות, הנקרא חודש סינודי, הוא בממוצע 29.5 ימים. הירח עצמו גם משך את אוקיינוסי כדור הארץ בכוח כבידה לא שווה, ויוצר שני גאות גבוהים ושני גאות נמוכים בערך כל 24 שעות ו-50 דקות, כאשר השמש מחזקת או מחלישה את המשיכה הזו פעמיים בחודש.
