הסוד האפל של שביל החלב

ועדת הנובל הכריזה היום בצהריים על הזוכים בפרס נובל לשנת 2020 וגם הפעם על סודותיהם של החורים השחורים. בחצי מהפרס זכה רוג'ר פנרוז (Penrose) על אינטרפרטציה מחודשת לתורת היחסות שמראה שחורים שחורים יכולים להתקיים ושהם התוצאה הטבעית בסוף חייהם של כוכבים גדולים. המחצית השניה מוענקת לריינהארד גנצל (Genzel) ואנדריאה גז (Ghez) על התצפיות האסטרונומיות על החור השחור המאסיבי שבמרכז הגלקסיה שלנו. 

חור שחור הוא אזור בחלל שבו מרוכזת מסה גדולה מאוד בתוך רדיוס קטן מאוד מבחינה יחסית. מאחר שהמסה של החור השחור גדולה כל כך, כוח המשיכה שלו כה חזק עד שכל דבר שמתקרב אליו מספיק ייפול לתוכו ולא יצא שוב, אפילו אור. כל המסה של החור השחור נופלת לתוך המרכז שלו, ומרוכזת בנקודה סינגולרית, כלומר נקודה שלה יש "צפיפות אין-סופית". במרחק כמה קילומטרים מהסינגולריות של חור שחור כוכבי קיים "אופק אירועים" (event horizon), גבול מתמטי שמסמן את "נקודת האל-חזור", כלומר הנקודה שבה המהירות הנדרשת לברוח משדה הכבידה של החור השחור גדולה ממהירות האור. אותה נקודה היא גם גבול עקרוני: אי אפשר להוציא חומר, אור, או כל סוג של "מידע" החוצה מעבר לאופק האירועים. מה שנופל דרכו אבוד לעד, ולעולם לא נדע מה עלה בגורלו. אופק האירועים מייצג את "פני השטח" של החור השחור, אף שאין במשטח הזה שום דבר פיזי, מוחשי. למתבונן מבחוץ האופק ייראה כמו כדור אפל לחלוטין. כיצד מגלים את קיומו של חור שחור, עצם כל כך מאסיבי אך שלא פולט או מחזיר אור כלל? התשובה היא על ידי גילוי השפעתו של החור השחור על סביבתו, ובפרט - על ידי צפייה בכוכבים הנעים במסלול ברור סביב נקודה שיש בה, בעצם, כלום. על ידי שימוש בתצפיות שכאלו, יחד עם המודל של תורת היחסות הכללית, ניתן להסיק כי החור השחור במרכז הגלקסיה שלנו, ששמו הוא *Sagittarius A, הוא פשוט ענק: מאסתו היא פי 4 מליון ממסתה של השמש שלנו. ובכל זאת, לא נפלט ממנו שום אור.

|
שלושת חתני פרס נובל לפיזיקה לשנת 2020 מימין לשמאל: אנדריאה גז, ריינהארד גנצל ורוג'ר פנרוז. מתוך אתר פרס נובל

אנדראה גז עסקה למעלה משני עשורים בחיפוש אחר ההוכחות לקיומו של אותו חור שחור במרכז הגלקסיה. בפרט, היא השתמשה בטלסקופ שמוצב על הר מאונה-לואה שבהוואי לתצפיות המדויקות שלה. עמיתה גנצל, שחולק איתה את מחצית הפרס, ערך במקביל תצפיות משלו. שני החוקרים זיהו כי משהו בלתי נראה, בעל מסה עצומה ובגודל לא יותר ממערכת השמש שלנו, גורם לכוכבים בגלקסית שביל החלב להסתובב סביב מרכזה. המועמד היחיד על פי חוקי הפיזיקה היה חור שחור. בראיון שנתנה במסיבת העיתונאים אמרה גז "אני לא יודעת מה יש בתוך החור השחור. זה מה שהופך את התחום לכל כך מעניין. זה דוחף את ההבנה שלנו על העולם הפיסיקלי. אני מקווה שהזכייה שלי תעודד חוקרות צעירות" גז רואיינה בעבר ואמרה שמה שגורם לה הכי הרבה שימחה זה כאשר יש דברים שלא מסתדרים לה לפי ההגיון בתיאוריה… אז היא מוצאת שיש מקום ליצירתיות ולחדשנות. גז היא האישה הרביעית בלבד שזכתה בפרס נובל לפיזיקה.

רוג׳ר פנרוז הוא תיאורטיקן שעסק בפיזיקה ובמתמטיקה, ובמיוחד בגיאומטריה. הוא הממציא של תיאוריית twistor, למעשה דרך חדשנית להסתכל על מבנה של חלל וזמן, שמאפשרת הבנה מעמיקה יותר של הגרביטציה. אלברט איינשטיין, מגלה תורת היחסות, לא חשב שחורים שחורים הם אפשריים. עשר שנים לאחר מותו, פנרוז השתמש בתיאוריית היחסות כדי להדגים שחורים שחורים לא רק יכולים להיווצר באופן עקרוני, אלא הם תוצאה טבעית המתרחשת בסוף חייהם של כוכבים מאסביים מאוד. מאמרו שהתפרסם ב-1965 נחשב לתרומה המשמעותית ביותר לתורת היחסות של איינשטיין וזיכה אותו גם בפרס וולף היוקרתי בשנת 1988. פנרוז אמר כי "המוח האנושי כמו גם היקום שלנו עובדים לפי תיאוריה שעדיין לא גילינו". 

לא כל החורים השחורים הם דומים: ישנם חורים שחורים "כוכביים", כלומר בעלי מאסה דומה לזו של כוכב אחד: אלה שנוצרו משרידיו של כוכב כבד ומקורם הוסבר ע"י פנרוז. מצד שני, ישנם חורים שחורים סופר-מאסיביים (כמו *Sgr A, שעל גילויו ולאפיונו תרמו גנצל וגז) שמקורותיהם לא לחלוטין ברורים: איך הגיעו למאסה של מליוני - ואפילו מיליארדי - מאסות שמש. מעניין לציין שככל הנראה חלק גדול (כמחצית) מהגלקסיות מכילות חור שחור סופר-מאסיבי במרכזן. תגליותיהם של שלושת החוקרים שפכו אור על אחת התעלומות הגדולות באסטרופיזיקה וסייעו להבין טוב יותר גם את הפיזיקה של החורים השחורים וגם להראות את קיומים בפועל.

בשנה שעברה הוענקה מחצית הפרס לג'יימס פיבלס (Peebles) מקנדה על שורה של פריצות דרך בתחום הקוסמולוגיה, השופכות אור חדש על מבנה היקום באמצעות מחקרים תיאורטיים, בין השאר על קרינת הרקע הקוסמית. המחצית השנייה חולקה בין שני אסטרופיזיקאים משוייץ מישל מאיור (Mayor) ודידיה קלו (Queloz) על גילוי כוכב הלכת פגאסי 51b, כוכב הלכת הראשון שהתגלה במערכת שמש אחרת. 

גם בשנת 2018 חולק הפרס בפיזיקה באופן דומה. מחצית הפרס הוענקה לארתור אשקין (Ashkin) מארצות הברית על פיתוח "מלקחיים אופטיים", מכשיר לייזר חזק הממוקד בנקודה קטנה, מכשיר שיש לו יישומים רבים בפיזיקה וכן בתחומים מדעיים אחרים בהם כימיה וביולוגיה.

המחצית השניה חולקה בין ז'ראר מורו (Mourou) מצרפת ודונה סטריקלנד (Strickland) מקנדה, על פיתוח שיטה לייצר הבזקי אור קצרים וחזקים מאוד, גם היא בעלת יישומים רבים, בין השאר ברפואה. סטריקלנד היא האישה השלישית בהיסטוריה שקיבלה פרס נובל בפיזיקה, אחרי מריה גופרט מאייר ב-1963 ומארי קירי ב-1903. 

ב-2017 הוענק הפרס לשלושה מדענים שהיו ממקימי גלאי LIGO/VIRGO לגילוי הגלים הכבידתיים. מחצית הפרס הענקה לריינר וייס מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) והמחצית השנייה חולקה בין בארי בריש וקיפ תורן, שניהם מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה.

ב-2016 הוענק הפרס לשלושה פיזיקאים תיאורטיים מארצות הברית, על תגליות תיאורטיות של מעברי פאזה טופולוגיים ופאזות טופולוגיות של חומרים. מחציתו הוענקה לדייוויד ג. תולס (Thouless) והמחצית השנייה חולקה בין דאנקן הלדיין (Haldane) ומייקל קוסטרליץ (Kosterlitz).