סודות החורים השחורים

הם מופיעים במגוון סיפורי מדע בדיוני, יש סביבם הילה של מסתורין, מיתוסים ותיאוריות מפתיעות – חורים שחורים מרתקים את דמיוננו מאז שהרעיון לקיומם עלה במאה ה-18. מה בעצם יוצר חור שחור? אילו תופעות קיימות במרחב שליד חורים שחורים? אילו סוגים של חורים שחורים קיימים ביקום? ואילו שמועות, תיאוריות ומיתוסים חגים סביבם?

מהו חור שחור?

חור שחור הוא אזור בחלל שבו מרוכזת מסה של כוכב בתוך רדיוס של קילומטרים בודדים. מאחר שהמסה של החור השחור גדולה כל כך, כוח המשיכה שלו כה חזק שכל דבר שמתקרב אליו מספיק ייפול לתוכו, 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 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.

אפילו האור נבלע בתוכו. הדמיה של חור שחור | מקור: Science Photo Library

היסטוריה של חקר החורים השחורים

על בסיס המכניקה ותורת הכבידה הניוטונית, לכל כוכב בעל מסה ורדיוס ידועים אפשר לחשב "מהירות בריחה", אותה מהירות שצריך לתת לגוף כדי שיצליח לברוח מכוח המשיכה שקיים על פני השטח של אותו כוכב.

עוד בסוף המאה ה-18 הציעו בנפרד הפילוסוף והכומר ג'ון מיצ'ל (Michell) והמתמטיקאי פייר סימון לפלס (Laplace) את הרעיון של גוף מסיבי ודחוס דיו, שמהירות הבריחה מפני השטח שלו גבוהה ממהירות האור. באותה תקופה התייחסו לרעיון בביטול, שכן לא היה בתורה של ניוטון שום הסבר מדוע שאור בכלל יושפע מכוח משיכה של כוכב.

בתחילת המאה ה-20 ניסח אלברט איינשטיין את תורת היחסות הכללית, המסבירה את תופעת הכבידה בצורה עמוקה ומלאה יותר מההסברים שנתן ניוטון במאה ה-17. תורת היחסות מניבה תוצאות זהות לתורת ניוטון כשמדובר בכוח משיכה חלש, ובגופים הנעים לאט יחסית למהירות האור. ההבדלים מתחילים להופיע רק במהירות גבוהה ובשדה כבידה חזק מאוד.

כבר ב-1917 (שנתיים אחרי פרסומיו של איינשטיין) פרסם הפיזיקאי והאסטרונום קרל שוורצשילד (Schwarzschild) את הפתרון שלו למשוואות היחסות ליד גוף מסיבי ודחוס (קומפקטי). במשוואות נראה בבירור גבול שמאחוריו האור כבר לא יוכל להימלט. בתורת היחסות, אור וחומר מתנהגים באותה הצורה בתוך שדה כבידה, מה שסיפק הסבר טבעי יותר לקיומו של חור שחור שמסוגל למשוך אליו אור מלכתחילה. החור השחור היה הדגמה תיאורטית טובה למצב שבו תורת היחסות מתנהגת בצורה שונה לגמרי מכבידה ניוטונית, בגלל שדות הכבידה החזקים שקיימים בקרבת אופק האירועים.

מאז התקדמה התיאוריה לכלול גם חורים שחורים מסתובבים ובעלי מטען חשמלי, והתיאוריה כיום כוללת מספר תופעות מרתקות שקורות בקרבת החור השחור.

ההשפעות של כבידה

כשנמצאים במרחק גדול מהחור השחור, אין הבדל בין הכבידה שלו ובין זו של כוכב רגיל. אילו היו מחליפים את השמש שלנו בחור שחור בעל מסה זהה, כדור הארץ היה ממשיך במסלולו ללא הפרעה (החוסר באור שמש היה מפריע לנו כמובן, כיצורים חיים שאוהבים אור וחום ותלויים בהם). מקור כוח הכבידה האימתני של חור שחור הוא גודלו המזערי. כוח המשיכה גדל ככל שמתקרבים למסה המרוכזת במרכז, ומכיוון שכך העובדה שלחור השחור יכולה להיות מסה של כוכב אבל רדיוס של מספר קילומטרים בודדים (במקום מיליון קילומטרים), מאפשרת לחומר להתקרב לחור השחור ולהרגיש שדה כבידה חזק ביותר.

רדיוסו של אופק האירועים, הקרוי "רדיוס שוורצשילד", מייצג את גודלו הפיזי של החור השחור. אבל גם במרחק של מספר רדיוסי שוורצשילד אפשר להרגיש בכבידה חזקה מאוד, ויהיה צורך בכוח אדיר כדי לא ליפול פנימה כבר במרחק כזה. עבור חלקיק שמקיף את החור השחור במסלול מעגלי, או חללית כזו, כבר במרחק של שלושה רדיוסי שוורצשילד אי אפשר למצוא מסלול יציב שימנע מהם ליפול לחור השחור. במרחק של 1.5 רדיוסי שוורצשילד, לדוגמה, הכבידה כה חזקה עד שקרני אור ינועו במסלול מעגלי, כך שצופה במרחק כזה מהחור השחור יוכל להביט הצדה מהחור השחור ולראות את ראשו מהצד השני.

על פי תורת היחסות, גוף מסיבי גורם לעיוות של הזמן והמרחב שסביבו. חור שחור הוא דוגמה קיצונית לכך. אור שנפלט מקרבת האופק יראה אדום יותר לצופה חיצוני (התדירות שלו תקטן), ופולסים של רדיו הנפלטים במרווחי זמן קבועים ייראו כאילו נפלטו במרווחים הולכים וגדלים, ככל שהמקור קרוב יותר לאופק האירועים. צופה חיצוני שיפיל שעון לתוך החור השחור יראה איך הזמן מאט ככל שהשעון מתקרב לאופק, ולמעשה זה ייראה מבחוץ כאילו לוקח לשעון זמן אין-סופי לעבור את אופק האירועים. עם זאת, ככל שהוא יתקרב לאופק האור שנפלט ממנו ידעך וייעשה אדום יותר, עד שלא נוכל יותר למדוד אותו אפילו לא בתדירות הנמוכה ביותר של גלי רדיו.

אור שמגיע ממקורות שמאחורי החור השחור יכול לעקוף אותו, בגלל הכבידה שמעוותת את קרני האור ומסיטה אותן. החור השחור יכול לשמש עדשה שמרכזת אור של כוכבים ברקע. במובן זה, לא רק שאפשר יהיה לראות כוכבים שנמצאים מהצד הנגדי של החור השחור, אפשר יהיה במצבים מסוימים לראות את אותו הכוכב משתקף מספר פעמים סביב החור, ואפילו טבעת שלמה של אור שנובעת ממקור אחד, שקרני האור ממנו מקיפות את כל הצדדים של החור השחור.

בסיפורי מדע בדיוני אנחנו נפגשים פעמים רבות עם חורים שחורים שמשמשים פתח ליקום אחר, או שער שדרכו אפשר לנוע אחורה בזמן. מעבר לתופעות המוזרות שכבר הוזכרו, קיימות תיאוריות נוספות שמבוססות על תורת היחסות שמאפשרות קיום של "חורי תולעת" כאלו בתוך חורים שחורים. כמובן שאלו רק תיאוריות – כנראה שאין להן בסיס מדעי, ולא נראה שיש דרך כלשהי שבה נוכל לבדוק אם הן נכונות או לא.

בולע את השכנים. חור שחור סופח את הגז מכוכב סמוך | הדמיה: Science Photo Library

איך נוצרים חורים שחורים?

איך בכלל נוצרים אותם חורים שחורים? מה גורם למסה של כוכב שלם להידחס לתוך רדיוס כה קטן? התשובה נעוצה בכוח המשיכה של כוכבים מסיביים, שמצליח לדחוס את כל הגז בליבה של הכוכב עוד ועוד, עד שהמסה קורסת לגודל של נקודה.

כוכבים מייצרים המון חום וקרינה במהלך חייהם, והלחץ הפנימי שנוצר בליבה של כוכבים מחזיק אותם ומונע מהם לקרוס תחת המשקל העצמי שלהם. כשנגמר הדלק הגרעיני בליבה של כוכב, הגז קורס פנימה בתהליך אלים שפולט החוצה חומר ואנרגיה בכמויות אדירות. אם הכוכב מסיבי מספיק, הוא מתפוצץ בתהליך שנקרא סופרנובה. לשארית הגז שנותרת במקום שבו היה פעם כוכב, כבר אין מקור אנרגיה שיחזיק אותה נגד הכבידה של עצמה, והיא קורסת לגודל מזערי. אם המסה שנותרת גדולה דיה, יקרסו השאריות לכוכב נייטרונים, שבו האלקטרונים כולם מתאחדים עם הפרוטונים, ונשארת ליבה של נייטרונים. אם המסה של הליבה הזו גדולה מדי אפילו בשביל הדחייה בין הנייטרונים, הכוכב קורס פנימה. בשלב זה שום כוח המוכר למדע אינו יכול להתנגד למשקל העצמי של הגז. המסה מתרכזת לנקודה, ונוצר חור שחור.

מכניקת קוונטים

אנו חושבים על החלל שבין הכוכבים, כריק כמעט מוחלט. אבל בעולם של תורת הקוונטים הוואקום מלא בזוגות של חלקיקים ואנטי חלקיקים שמופיעים ונעלמים בפרקי זמן כה מזעריים שאי אפשר למדוד אותם. אם זוג כזה נוצר בדיוק באופק האירועים, חלקיק אחד יכול ליפול לתוך החור ולשחרר את החלקיק האחר, שלוקח איתו כמות מזערית של אנרגיה מהחור השחור. תופעה זאת נקראת קרינת הוקינג על שם הפיזיקאי שתיאר אותה לראשונה בשנות ה-70 של המאה ה-20. קרינה זו חלשה מאוד בעבור חורים שחורים "רגילים" בעלי מסה של כוכב, אבל חורים שחורים קטנים מאוד עלולים לאבד בעטיה כמות גדולה של אנרגיה.

נקודה נוספת שמכניקת הקוונטים עשויה להסביר היא הסינגולריות במרכז החור השחור. על פי תורת היחסות שום כוח לא יכול להתמודד עם הקריסה של החומר תחת משקלו לרדיוס כה קטן, ואין ברירה אלא לקבל את קיומה של נקודה אחת בגודל אפסי, שבה מרוכזת מסה אדירה בצפיפות אין-סופית. תיאוריות עתידיות שיצליחו לחבר את מכניקת הקוונטים עם תורת היחסות ("כבידה קוונטית", quantum gravity) אמורות לתת תשובות טובות יותר לטיבה של אותה נקודה בעייתית. מכיוון שתיאוריות כאלו עדיין לא פותחו, אין באמת לדעת היום מה קורה במרכזם של חורים שחורים.

סוגים של חורים שחורים

חוץ מחורים שחורים המכונים "סטלאריים" (כלומר כוכביים), בעלי מסה של מספר פעמים השמש שלנו יש עוד סוגים של חורים שחורים שיכולים להיות חשובים בהבנה שלנו של היקום. דוגמה בולטת הם חורים שחורים סופר-מסיביים, בעלי מסה של מיליוני שמשות, שקיימים במרכזן של רוב הגלקסיות. אותם חורים שחורים ניזונים מהגז ומהכוכבים שנמצאים קרוב אליהם במרכזים של גלקסיות, ולעתים גורמים לפליטה של קרינת רדיו בהירה מאוד מהחומר שהולך ונדחס בזמן שהוא נופל לתוך החור השחור. לא ידוע איך נוצרים חורים שחורים כה מסיביים, אפילו בהינתן כמות גדולה של גז וכוכבים בסביבתם, פשוט כי חומר שנופל לתוך חור שחור נוטה לחוג סביבו (כמו מים סביב פתח הניקוז בכיור), ולוקח זמן רב לכמות כזאת של חומר להצטבר לתוך חור שחור אחד. ממדידות שנעשו נראה שיש קשר בין הגודל של החור השחור הסופר-מסיבי במרכז של גלקסיה לכמות הכוכבים שיש בה, מה שמעיד על קשר הדוק בין היווצרות גלקסיות להיווצרות החור השחור במרכזן.

סוג נוסף של חורי שחורים שאולי קיימים הם חורים שחורים מיקרוסקופיים. התנגשות עתירת אנרגיה בין חלקיקים עשויה להביא אותם לצפיפות מספקת ליצירת חור שחור זעיר. באופן תיאורטי יכולים להיווצר גם חורים שחורים בעלי מסה קצת יותר גדולה, עד למסה דומה לזו של הירח שלנו, שגודלם יהיה קטן ממילימטר. אותם חורים שחורים מזעריים יפלטו קרינת הוקינג שתגרום להם לאבד אנרגיה (ומסה) עד שייעלמו לחלוטין. בינתיים לא ידוע אם גופים כאלה קיימים, איך הם נוצרו, או מה השפעתם על היווצרות היקום. כל אלה שאלות פתוחות במחקר היום.

לא ברור אם הם קיימים. הדמייה של יצירת חור שחור זעיר במאיץ חלקיקים | צילום: Science Photo Library

תצפיות על חורים שחורים

חורים שחורים הם גופים אקזוטיים למדי, ומטבע הדברים אלה גופים שקשה מאוד לראות בחלל. הם לא פולטים אור, מה שאומר שגילוי חורים שחורים ותצפית עליהם היא משימה קשה במיוחד, שמסתמכת על אמצעים עקיפים.

בשנות ה-90 של המאה שעברה מדדו מדענים מאוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס את תנועתם של 90 כוכבים במרכז הגלקסיה שלנו, ומצאו שהם מקיפים במסלולם גוף בעל מסה גדולה פי ארבעה מיליון ויותר מהשמש שלנו, ברדיוס של כאלפית שנת אור. קשה לחשוב על כמות כל כך גדולה של מסה בתחום שהוא קטן כל כך, שאינה מרוכזת בתוך חור שחור סופר-מסיבי. באותו אזור בחלל יש גם מקור חזק של גלי רדיו, הנקרא סגיטריוס A. כיום מניחים שגלי הרדיו נפלטים מגז שמסתובב סביב החור השחור ומתחמם בעודו נופל פנימה.

חורים שחורים סטלריים (בעלי מסה השווה למספר מסות שמש) התגלו בעקיפין בתצפיות בקרני רנטגן. במערכות כפולות (בינאריות) שבהן חור שחור או כוכב נייטרונים וכוכב רגיל נעים זה סביב זה, הגוף הכבד שואב גז מהשותף שלו. הגז מקיף את החור השחור, מתחמם מהחיכוך בזמן שהוא סובב אותו ונופל פנימה, והוא יכול להגיע למיליוני מעלות ולפלוט קרני רנטגן בעוצמה רבה. תצפיות על התכונות של מערכות כאלו יכולות לרמוז לנו אם הגוף הקומפקטי הוא כוכב נייטרונים או חור שחור.

בשנה האחרונה התגלו בניסוי LIGO גלי כבידה שכנראה נפלטו בהתנגשות בני שני חורים שחורים, כל אחד מהם כבד פי 30 בערך מהשמש שלנו. התגלית עצמה חשובה בעיקר מכיוון שהייתה זו הפעם הראשונה שהתגלו אותם גלי כבידה חמקמקים, אבל היא גם מעידה (בעקיפין) על קיומם של חורים שחורים ביקום.

תגליות אלה קידמו את החורים השחורים מסטטוס של תופעה תיאורטית מעניינת למציאות אסטרופיזיקלית. כיום חורים שחורים הם חלק בלתי נפרד מההבנה שלנו של התפתחות גלקסיות ושל מחזור החיים של כוכבים. הם משמשים במה לתיאוריות חדשות על כבידה ומכניקת קוונטים, כאשר מגוון התופעות הסובבות אותם מקדם את הידע שלנו בפיזיקה במגוון תחומים.