חורים שחורים
משחר הזמן

בקיצור

• מהותו של החומר האפל – החומר הבלתי-נראה שכבידתו מחזיקה את הגלקסיות שלמות – היא תעלומה קוסמולוגית גדולה.
• חוקרים רבים סבורים שהחומר האפל מורכב מחלקיקים בעלי מסה שממעטים ביחסי גומלין, וערכו ניסויים כדי למצוא אותם. אך עד כה טרם התגלו החלקיקים הללו, המכונים "וימפים" (WIMPs).
• חורים שחורים "קדומים" שאולי נוצרו זמן קצר אחרי המפץ הגדול הם מועמדים חלופיים לתפקיד החומר האפל. אך גם הם חמקו עד כה מגילוי.
• ראיות נוספות לקיומם של החורים השחורים הקדומים עשויות לבוא מנתונים חדשים שמקורם בגלאי גלי כבידה ובהתקני תצפית אחרים. אם קיומם יאומת, הם עשויים לפתור לא רק את תעלומת החומר האפל, אלא גם חידות קוסמיות נוספות.

לפני יותר ממיליארד שנה, אי שם ביקום, הסתחררו שני חורים שחורים זה סביב זה בריקוד קטלני עד שהתמזגו יחד. ההתנגשות הסלילונית הזאת הייתה אלימה מספיק כדי לזעזע את מארג המרחב-זמן וליצור הפרעות – גלי כבידה – שהתפשטו מאז אל מרחבי הקוסמוס במהירות האור. בספטמבר 2015, אחרי שעברו יותר ממיליארד שנות אור, שטפו האדוות האלה את כוכב הלכת שלנו ונרשמו כ"ציוץ" בגלאי ליגו (LIGO), מצפה גלי הכבידה באמצעות אינטרפרומטר לייזר (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).

זאת הייתה העדות הישירה הראשונה לקיומם של גלי כבידה, והתצפית איששה את תחזיתו בת מאה השנים של אלברט איינשטיין בדבר קיומם. אך הציוץ חשף שכל אחד מהחורים השחורים המקוריים שהתמזגו היה כבד פי 30 מהשמש. כלומר מסותיהם היו גדולות פי שניים עד שלושה מזו של חורים שחורים רגילים, שנולדים מהתפוצצויות סופרנובה של כוכבים מסיביים. החורים השחורים היו כבדים עד כדי כך שהיה קשה להסביר איך יכלו בכלל להיווצר מכוכבים.

יתר על כן, גם אם שני חורים שחורים כאלה נוצרו בנפרד בעקבות מותם של שני כוכבים מסיביים מאוד, היה עליהם למצוא זה את זה לאחר מכן ולהתמזג – אירוע שהסיכוי להתרחשותו במהלך תקופת חייו של היקום נמוך להפליא. לפיכך סביר להניח שהחורים השחורים המסיביים האלה נוצרו בדרך שונה ואקזוטית יותר, שאולי אינה קשורה כלל לכוכבים. נוסף על גילוי גלי כבידה, ייתכן שליגו חשף דבר חריג אף יותר: חורים שחורים שהיו קיימים עוד לפני שנוצרו הכוכבים עצמם.

הגלאי ליגו. פתח לשינוי תמונת היקום? | צילום: Science Photo Library

אף על פי שחורים שחורים "קדומים" כאלה לא נצפו עד אז מעולם, מודלים תיאורטיים מסוימים מרמזים שעצמים מהסוג הזה יכלו להיווצר – ובכמויות אדירות – מהפלזמה החמה והדחוסה שגדשה את היקום פחות משנייה אחרי המפץ הגדול. אוכלוסייה נסתרת כזאת יכולה לפתור כמה מהתעלומות הבולטות ביותר של הקוסמולוגיה המודרנית. במיוחד הם יכולים להיות חלק מהחומר האפל (אם לא כולו) – 85 האחוזים הבלתי נראים של החומר ביקום, המשמשים דבק כבידתי שמחזיק יחד גלקסיות וצבירי גלקסיות. מחקרים נוספים בסיוע ליגו ומתקנים אחרים עומדים לבחון את הרעיונות האלה, ועשויים לחולל מהפכה חדשה בהבנתנו את היקום.

נפילת המאצ'ואים, עליית הרכרוכיים

במבט ראשון חורים שחורים מצטיירים כמועמדים המושלמים להיות החומר האפל, שכן הם אינם פולטים אור. ואכן, לצד עצמים אפלים אחרים כמו כוכבי לכת וננסים חומים, חורים שחורים נחשבים כבר שנים רבות לאחד הפתרונות לבעיית החומר האפל: "מאצ'ואים" (MACHO), כלומר עצמי הילה מסיביים קטנים (Massive Astrophysical Compact Halo Objects). הרעיון הוא שהמאצ'ואים, שאמורים להימצא הן בתוך הילות כדוריות המכתרות כל גלקסיה והן קרוב למרכז הבוהק של כל גלקסיה בנפרד, הם אלה שיוצרים את משיכת הכבידה האחראית לתנועות הכוכבים והגזים הנצפות בשולי הגלקסיות – משיכה שבלעדיה אין שום הסבר לתנועות הללו.

בקיצור, נראה שהגלקסיות מסתובבות על צירן מהר מכדי שהחומר הנראה (זה שנמצא בכוכבים שאנחנו יכולים לראות) יוכל להחזיק אותן יחד בלי שיתפרקו. החומר האפל דרוש כדי לספק את המשיכה הנוספת שתבטיח שהגלקסיות המסתחררות לא ישליכו החוצה את כוכביהן.

אם המאצ'ואים הם אכן רוב החומר האפל ביקום, עליהם להסביר גם תצפיות נוספות. יהיה אשר יהיה טיבו של החומר האפל, הוא זה שמעצב את המבנים הגדולים ביותר ביקום וקובע איך גלקסיות, צבירי גלקסיות ועל-צבירים של גלקסיות נוצרים ומתפתחים.

החומר האפל הוא הדבק שמחבר את הגלקסיות והצבירים | מקור: שאטרסטוק

העצמים האלה מתגבשים מהקריסה הכבידתית של גושי גז בתוך הילות של חומר אפל. קוסמולוגים מיפו בדקדקנות את ההתפלגות המרחבית של הגושים האלה בעזרת סקרי גלקסיות עמוקים ורחבי היקף וגילו קשר בינם לבין תנודות טמפרטורה זעירות המופיעות בקרינת הרקע הקוסמית בגלי מיקרו – חותם האור שהותיר המפץ הגדול בכל מרחבי השמים. מסת החומר האפל המפוזרת ברחבי הגלקסיות הגדולות ובצבירי הגלקסיות גם מעקמת את המרחב, וכך מעוותת את האור שמגיע מעצמים מרוחקים שברקע – תופעה שמוכרת בשם עידוש כבידתי.

אך לפני כעשור סר חינה של השערת המאצ'ואים, לאחר שהחיפושים העקיפים וההססניים שנערכו אחריהם כשלו. כדי למצוא אותם נעזרו האסטרונומים בעיקר בתופעת המיקרו-עידוש, שהיא סוג של עידוש כבידתי המתקבל כאשר חור שחור, ננס חום או אפילו כוכב לכת פשוט עובר לפני כוכב שנמצא ברקע ומחזק את אורו לרגע.

סקרים רב-שנתיים שנערכו למציאת מיקרו-עידוש בין מיליוני כוכבים בענני מגלן הגדול והקטן – הגלקסיות הלווייניות העיקריות של שביל החלב – לא חשפו כל ראיה לטענה שההילה הגלקטית שלנו מורכבת רק ממאצ'ואים. תוצאות הסקרים היו חד-משמעיות מספיק כדי לשלול את האפשרות שמאצ'ואים שמסתם עד כעשר מסות שמש הם המרכיב העיקרי של החומר האפל. בזמן שהסקרים האלה נערכו, יצרו התיאורטיקנים את התשתית להשערה חלופית – וימפים (WIMPs, ראשי תיבות שמשמעותן המילולית היא "רכרוכיים"), כלומר חלקיקים עם מסה שיוצרים יחסי גומלין חלשים (Weakly Interacting Massive Particle).

את קיומם של הווימפים מנבאות הרחבות מסוימות של המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, אך גם הם חמקמקים לא פחות מהמאצ'ואים. עד כה לא נמצאה שום ראיה לקיומם למרות חיפושים שנמשכו עשרות שנים בעזרת מאיצי חלקיקים, גלאים תת-קרקעיים וטלסקופי חלל. ככל שהצטברו התוצאות השליליות של החיפושים אחריהם, החלו חוקרים לשקול מחדש את השערת המאצ'ואים. הם התמקדו בעיקר בחורים שחורים קדומים. אבל איזה תהליך היה יכול לזרוע את העצמים המוזרים האלה בכל רחבי היקום הנצפה, ואיך הם חמקו זמן כה רב מגילוי?

חורים שחורים מהמפץ הגדול

הפיזיקאים ברנרד קאר (Carr) וסטיבן הוקינג המנוח העלו לראשונה את רעיון החורים השחורים הקדומים בשנות ה-70. הם חשבו על חורים שחורים שמסתם קטנה מזו של הר. חורים שחורים זעירים כאלה היו צריכים להתנדף ולהיעלם ביקום שקיים כבר כמעט 14 מיליארד שנה, בגלל תהליך קוונטי שגילה הוקינג ושנקרא בהתאם "קרינת הוקינג". אבל הם חקרו גם את האפשרות שחורים שחורים מסיביים יותר, שלא התנדפו, עשויים להיות החומר החסר בצבירי הגלקסיות. האפשרות שחורים שחורים קדומים עשויים להיות רוב החומר האפל, או אפילו כולו, תלויה ברעיון המוכר בשם תפיחה (אינפלציה) קוסמית שהעלה לראשונה הפיזיקאי אלן גות (Guth) בתחילת שנות -80.

התפיחה היא שלב היפותטי של ההתפשטות האדירה שהתרחשה מיד אחרי המפץ הגדול. תוך 10^-35 שנייה, שתי נקודות שהמרחק המקורי ביניהן עמד על פחות מרדיוס של אטום התרחקו זו מזו עד למרחק של ארבע שנות אור – בערך המרחק בין השמש שלנו לכוכב הקרוב ביותר אליה. יתר על כן, במהלך התפיחה, ההתפשטות המהירה העצימה תנודות קוונטיות זעירות לסדרי גודל מקרוסקופיים, וכך זרעה ביקום ההולך ותופח אזורים בעלי צפיפות גבוהה יותר או נמוכה של חומר ואנרגיה, שמהם נוצרו לאחר מכן כל המבנים הקוסמיים. גם אם זה עשוי להישמע מוזר, תיאוריית התפיחה זוכה לתמיכה חזקה מתנודות צפיפות כאלה בדיוק שהתגלו בקרינת הרקע הקוסמית.