מה קורה כשכוכב נבלע בתוך חור שחור? שני מחקרים בהשתתפות חוקרים ישראלים שופכים אור חדש על התופעה בעזרת שילוב מגוון רחב של כלים אסטרונומיים

אירוע ערעור כבידתי (Tidal Disruption Event או בקיצור TDE) מתרחש כאשר כוכב עובר ליד חור שחור סופר-מסיבי ומתפרק בגלל עוצמת המשיכה של החור השחור, כלומר כוחות הגאות שלו. שני מאמרים המתפרסמים בכתב העת Nature Astronomy מאירים את המבנה הפנימי של אירועים נדירים מסוג זה שנצפה לפני כמה שנים במרחק 700 מיליון שנות אור מאיתנו.  מאמר אחד בהובלת ד"ר אסף חרש מהאוניברסיטה העברית בירושלים עוסק במדידה של גלי רדיו שנפלטים זמן רב לאחר אירוע ערעור, ומאמר נוסף על גילוי אפשרי של פליטת נייטרינו שקשורה לאירוע ערעור אחר. בשני המחקרים נעשה שימוש במצפים רבים שפועלים במגוון אורכי גל, בהם אור נראה, גלי רדיו וקרני רנטגן, ואפילו במצפה נייטרינו, חלקיק שאינו בספקטרום האלקטרומגנטי. המחקר המשולב הזה מאפשר הבנה של תופעות שלא היה אפשר לגלותן בעזרת אסטרונומיה מסורתית, המשתמשת רק באור הנראה. 

חורים שחורים סופר-מסיביים קיימים כנראה במרכז של רוב הגלקסיות ביקום. המסה של חור שחור כזה יכולה להיות בין מיליון למיליארד מסות-שמש, ותהליך היווצרותם קשור להיווצרות של הגלקסיה שמכילה אותם. אלו גופים אפלים שלא ניתן לראות ישירות, אבל לעיתים הם מוקפים בגז שנופל במהירות סביב אופק האירועים, מתחמם, ופולט אנרגיה באורכי גל שונים. כאשר חור שחור כזה בולע כמויות גדולות של גז, הגלקסיה נראית "פעילה", כלומר היא פולטת אנרגיה רבה שניתן למדוד גם במרחק מליוני שנות אור. תהליך מסוג זה הוא יחסית רציף: הקרינה נפלטת לאורך שנים, ולמרות שאפשר למדוד שינויים ניכרים בכמות הקרינה, ברוב המקרים גלקסיה פעילה נשארת פעילה לאורך זמן. 

עם זאת, יש אירועים נדירים שבהם מרכז של גלקסיה פולט כמות גדולה של קרינה במשך כמה שבועות או חודשים, ולאחר מכן הגלקסיה חוזרת לקדמותה. אירועים אלו נדירים ובהירים מאד, והם מתאימים לתרחיש התיאורטי שבו כוכב נקרע לגזרים על ידי הפרש כוחות המשיכה שנוצרים בקרבת החור השחור. הקרינה נפלטת מהפגיעה של הגז של הכוכב בגז שמקיף את החור השחור, ומהחום שנפלט כאשר הגז מקיף את החור השחור במעגלים קטנים והולכים, תופעה המוכרת כדיסקת ספיחה. לעיתים גם נוצר סילון גז שנפלט מעל הדיסקה, ומכיל חומר שמואץ למהירויות גבוהות. עדיין לא ידוע בדיוק איזה חלק של הקרינה נפלט מאיזה חלק פיזי של הגז בסביבת החור השחור. מכיוון שמדובר באירועים שמתרחשים בגלקסיות רחוקות, אין אפשרות לצפות בהם באופן ישיר, וכדי להבין טוב יותר את הפיזיקה של תהליך הערעור והבליעה של כוכבים כאלה, יש למדוד בזהירות את הקרינה לאורך זמן ובאורכי גל שונים. 

הספקטרום של האירוע, כלומר עוצמת הקרינה באורכי גל שונים, יכול להעיד על הטמפרטורה של הגז שפולט את הקרינה ועל הרכבו. עוצמת הקרינה עוזרת להבין כמה אנרגיה משתחררת כשהכוכב מתפרק ונבלע. משך הזמן שלוקח לקרינה להתבהר ולהיעלם מסייע להבין את המרחקים והמהירויות של חלקיקי הגז השונים. אבל גם מדידות מדויקות מאד בתחום האור הנראה אינן מספיקות להבין מה מתרחש ליד החור השחור. כדי להבין טוב יותר את אותן תופעות נדירות יש צורך להגדיל את טווח אורכי הגל שבהם משתמשים האסטרונומים, ואפילו להשתמש בטכניקות שאינן מבוססות על קרינה האלקטרומגנטית. 

מה קורה לכוכב שנשאב לחור שחור ב-TDE? סרטון הדמייה קצרצר של נאס"א: 

חמישים גוונים של טלסקופיה

הספקטרום האלקטרומגנטי מתאר קרינה מסוגים שונים, שמורכבת מגלים בשדה חשמלי ובשדה מגנטי. קרינה זאת ממלאת את היקום, ומחוץ לאסטרונומיה עצמה ניתן להבחין בהשפעותיה גם בחיי היום-יום. בקצה אחד של הספקטרום אנו מוצאים את הגלים הארוכים ביותר, בעלי הכי מעט אנרגיה, כמו גלי הרדיו וגלי המיקרוגל המוכרים בתקשורת ובמטבח. באורכי גל בינוניים אנו מוצאים בין השאר קרינה תת-אדומה, שבה עושים שימוש מכשירי ראיית לילה, למשל; את האור הנראה שכולל את צבעי הקשת, ואת הקרינה העל-סגולה שהיא כבר מספיק אנרגטית כדי לגרום לכוויות בעור ולנזק בריאותי למי שנחשף אליה לזמן ממושך. בקצה של אורכי הגל הקצרים נמצאים סוגי הקרינה בעלי האנרגיה הרבה ביותר, קרינת הרנטגן (קרני X) וקרינת גמא (קרינה גרעינית) שחודרות דרך רקמות חיות ויכולות לגרום נזקים חמורים ליצורים חיים. 

כל אחד מסוגי הקרינה האלה יכול לשמש אסטרונומים לצפייה בגופים שונים או בתופעות שונות ביקום. במקרים מסוימים כמו קרינת רנטגן, חייבים להציב את הטלסקופ מעל האטמוספרה, שבולעת ביעילות קרני רנטגן, ולהשתמש בטלסקופ חלל או בטלסקופ מוטס. במקרים אחרים מספיק להציב טלסקופים גדולים על הר גבוה כדי לאסוף כמות גדולה של קרינה, למשל אור נראה. 

בנוסף לקרינה האלקטרומגנטית, בשנים האחרונות אסטרונומים משתמשים גם בנשאי מידע חדשים שמספקים ידע חדש על תופעות אסטרונומיות: גלים כבידתיים, חלקיקי נייטרינו וקרינה קוסמית. הנייטרינו מסקרנים במיוחד כי עדיין לא יודעים מה מקורם של חלקיקי הנייטרינו בעלי האנרגיה הגבוהה שמגיעים מהיקום. חלקיקים אלו חמקמקים מאד, ובניגוד לקרינה אלקטרומגנטית, קשה למדוד את קיומם. כדי לגלות חלקיקי נייטרינו אחדים בשנה, מתוך טריליונים שעוברים דרך כדור הארץ כל שנייה, יש צורך בגלאים עצומים ומורכבים, כמו גלאי "קובית קרח" (IceCube), המורכב ממערך חיישנים המסודרים בצורת קובייה בנפח קילומטר רבוע, עמוק בתוך שכבת הקרח באנטארקטיקה, ומשמש מצפה כוכבים ייחודי שמגלה חלקיקי  נייטרינו מהחלל. 

השילוב של סוגי קרינה שונים עם חלקיקים וגלי כבידה קיבל את השם הכולל "אסטרונומיית שליחים מרובים" (multi-messenger astronomy), והוא הניב תגליות מפתיעות בתחומים שונים. המאפיין החשוב ביותר הוא שיתוף הפעולה בין מצפים הפועלים בטכנולוגיות שונות ובמגוון מקומות בעולם, ואף בחלל. במקרה זה, הערך של התצפיות המשולבות עולה על סכום ערכיהן של כל התצפיות בנפרד. 

איור של גלאי הנייטרינו  IceCube באנטארקטיקה | מקור: ICECUBE / NATIONAL SCIENCE FOUNDATION / SCIENCE PHOTO LIBRARY
שיטות חדשניות של אסטרונומיה, המשלימות את התצפיות המסורתיות. איור של גלאי הנייטרינו  IceCube באנטארקטיקה | מקור: ICECUBE / NATIONAL SCIENCE FOUNDATION / SCIENCE PHOTO LIBRARY

הרדיו שנדלק מאוחר

במאמר הראשון, ד"ר אסף חרש מהאוניברסיטה העברית, פרופ' בראד סנקו (Cenko) מנהל טלסקופ החלל סוויפט, וד"ר יאיר הרכבי מאוניברסיטת תל אביב, בוחנים פליטה של גלי רדיו מ-TDE שנצפה ב-2015, ולא הופיעו באותו הזמן עם האור הנראה שנפלט ממנו, אלא רק כמה חודשים אחרי האירוע הראשוני. זו הפעם הראשונה שפליטת גלי רדיו זוהתה בהפרש כה גדול מהאירוע המקורי. ב-2019, ארבע שנים אחרי התצפית ב-TDE עצמו, התגלה הבזק רדיו נוסף מאותו אזור בשמיים, בעוצמה גבוהה אף יותר. גלי הרדיו מעידים על האצה של חומר שנזרק ופוגש בגז בסביבה של החור השחור. 

העובדה שגלי הרדיו נפלטו זמן רב אחרי האור הנראה מעידה על כך שקיימים תהליכים המשחררים אנרגיה שנכנסים לפעולה גם לאחר שהכוכב מתפרק ומתפזר בשדה הכבידה של החור השחור. אחת האפשרויות היא שגז שסובב את החור השחור ממשיך ליפול באיטיות, או שלוקח זמן עד שהחומר שהותז מהכוכב נופל חזרה לתוך דיסקת ספיחה. המודלים הקיימים שמתארים אירועי TDE אינם מסבירים בינתיים את הפליטה המאוחרת של קרינת הרדיו, והגילוי הזה הוא הזדמנות לשפר ולשכלל את ההבנה שלנו לגבי אירועי TDE. כפי הנראה, כדאי לעקוב אחרי אירועי TDE באמצעות גלי רדיו, גם חודשים ושנים אחרי שהם נצפים. בעתיד אולי יהיה אפשר למצוא עוד דוגמאות להתפרצויות רדיו כאלה, שיעזרו להבין בדיוק מאיפה מגיעה הקרינה, ואולי אפילו יהיה אפשר לגלות התפרצויות TDE רק על פי גלי רדיו שנפלטים חודשים אחרי שהכוכב התפרק. 

תצפיות גלי רדיו בשני אורכי גל על אירוע TDE אחר שזוהה ב-2015 | מקור: MATTILA, PEREZ-TORRES, ET AL.,B. SAXTON, NRAO / AUI / NSF / SCIENCE PHOTO LIBRARY
הבנה טובה יותר של התהליכים. תצפיות גלי רדיו בשני אורכי גל על אירוע TDE אחר שזוהה ב-2015 | מקור: MATTILA, PEREZ-TORRES, ET AL.,B. SAXTON, NRAO / AUI / NSF / SCIENCE PHOTO LIBRARY

אסטרונומיה עם חלקיקים

במאמר השני צוות חוקרים בינלאומי גדול, הכולל בין השאר את ד"ר אסף חרש והדוקטורנט איתי ספרדי מהאוניברסיטה העברית ואת פרופ' אבישי גל-ים ממכון ויצמן למדע, מדווח על גילוי של חלקיקי נייטרינו באנרגיה גבוהה שככל הנראה הגיעו מאירוע ה-TDE שנצפה בשנת 2019. הנוכחות של נייטרינו באנרגיה גבוהה, אם הוא אכן נוצר כחלק מה-TDE, מעידה על האצה של חלקיקים לאנרגיות גבוהות. ההסבר הנפוץ ביותר הוא שהנייטרינו יכולים להיווצר בסילון של גז שנפלט מקרבת החור השחור, בעוד החומר שנקרע מהכוכב נופל פנימה ומייצר קרינה ושדות מגנטיים חזקים בדרכו המעגלית לתוך החור השחור. אם הסילון מכיל פרוטונים שמואצים לאנרגיות גבוהות הם יכולים להתנגש בפרוטונים אחרים או בפוטונים (חלקיקי אור) ולייצר חלקיקים, שמתפרקים בסדרת תהליכים המובילה להיווצרות נייטרינו. בניגוד לאור נראה ולקרני רנטגן או לגלי רדיו, חלקיקי הנייטרינו יכולים לנוע ישירות החוצה מהסביבה של החור השחור, דרך עננים של גז צפוף שחוסם את רוב סוגי הקרינה. הם מגלים לנו את האנרגיה של הפרוטונים שמואצים בסילון, ועוזרים להבין את המבנה של החלקים השונים בתהליך הפירוק של הכוכב ובליעתו בחור השחור. בנוסף, אם יוכח הקשר בין אירועי TDE לפליטה של נייטרינו, נוכל סוף סוף לדעת מאיפה מגיעים חלקיקי הנייטרינו האנרגטיים שהתגלו באייס-קיוב, ואולי גם נוכל להסיק מכך שאירועי TDE הם המקור לקרניים קוסמיות בעלות אנרגיה גבוהה, שמקורן עדיין לא ידוע. 

בזכות שיתוף פעולה בין חוקרים ממדינות שונות שמפעילים מגוון רחב של מצפים אסטרונומיים, אפשר לגלות ולאפיין תופעות כמו קריעה של כוכב בחור שחור סופר-מסיבי. ההצלבה של המידע באורכי גל שונים ובנשאי מידע חדשים שאינם בספקטרום האלקטרומגנטי פותחת בפנינו יקום חדש ודינמי שלא היה ניתן לראות בעזרת סוג אחד של קרינה. עם הזמן, עוד ועוד תצפיות משולבות מסוג זה יחשפו את התהליכים שמייצרים את הקרינה הנוצרת בזמן ה-TDE ואת הפיזיקה של אחת התופעות האלימות והאנרגטיות ביקום. 

 

 

 

תגובה אחת

  • אנונימי

    מעניין

    הכתבה כתובה יפה וברורה גם למי שלא כל כך מבין מונחים אסטרופיזיקליים .