תמונה ראשונה
של חור שחור

צוות מדענים בינלאומי הצליח לתעד בפעם הראשונה חור שחור. החוקרים פרסמו את התמונה של החור השחור הענקי שבמרכז הגלקסיה Messier87 (או בקיצור M87), במרחק של כ-55 מיליון שנות אור מאיתנו. הצוות עשה זאת במסגרת מיזם "טלסקופ אופק האירועים" (Event Horizon Telescope או בקיצור EHT) המאגד רדיו-טלסקופים ברחבי העולם למחקר משותף של כ-200 מדענים. בצילום נראה האזור שסביב החור השחור, ולדברי החוקרים הממצאים מאפשרים ללמוד על תהליכי היווצרותו של חור שחור בעל מסה כה גדולה. "זה הישג מדעי יוצא מן הכלל", אמר מנהל מיזם EHT, שפרד דולמן (Doeleman). התמונות והמידע על המחקר מתפרסמים בששה מאמרים בגליון מיוחד של כתב העת Astrophysical Journal Letters.

הטלסקופ והרדיו

טלסקופים אופטיים רגילים קולטים אור נראה – קרינה אלקטרומגנטית בטווח תדרים מסוים – וכך מאפשרים לנו לראות או לצלם תמונות של היקום. יש גרמי שמיים שאינם פולטים אור נראה אבל פולטים גלי רדיו, קרינה אלקטרומגנטית בטווח תדרים אחר, ולכן אפשר "לראותם" – או ליתר דיוק, לקלוט את נוכחותם – באמצעות טלסקופ שהוא למעשה אנטנה רגישה הקולטת גלי רדיו. הגלים האלה ארוכים בהרבה מאור נראה, ולכן יש להם גם טווח גדול הרבה יותר, ובאמצעותם אפשר לצפות רחוק יותר לעומק החלל.

מיכשור אופטי אפשר למקד באמצעות שינוי בקימור העדשה, אבל ברדיו-טלסקופ אפשר להשתמש באנטנות רבות, ולקרב או להרחיק אותן זו מזו כדי לקבל תופעה דומה. מתקנים כאלה מכונים "מערכי רדיו-טלסקופ", והם קולטים קרינה רבה יותר, מה שמאפשר להם לצפות על עצמים רחוקים יותר, או לצפות בהפרדה (רזולוציה) גבוהה יותר בעצמים רחוקים פחות.

מי שלקח עוד צעד קדימה את הרעיון של מערך טלסקופים הוא טלסקופ אופק האירועים, מיזם המאגד כ-30 טלסקופים ומערכי טלסקופים בכל העולם. הם פועלים יחד בעזרת אינטרפרומטריה (interferometry) – מדידה מדויקת של זמן הגעתם של גלי הרדיו לכל טלסקופ ושקלול של הפרשי הזמנים בהגעה למקומות שונים על כדור הארץ, המאפשרים לחשב במדויק נתונים כמו מרחקו וגודלו של האובייקט. ולאחר עיבוד המידע הרב במחשבי-על באמצעות אלגוריתמים מיוחדים, ליצור תמונה שלו. החוקרים החליטו לצלם את החור השחור במרכז אחת הגלקסיות השכנות, בין השאר מפני שהוא קרוב אלינו יחסית, כ-55 מיליון שנות אור. אף על פי שטלסקופים ראשונים הצטרפו למיזם כבר ב-2006, ניסיון ראשון לצלם באמצעותו את החור השחור הזה בוצע רק בסוף 2017, והצילום מתפרסם כעת, לאחר חודשים ארוכים של עיבוד הנתונים.

"אם האזור של החור השחור מוקף בגורמים הפולטים קרינה אלקטרומגנטית, החור השחור אמור לבלוע את הגלים באזור שלו, ולהותיר מעין 'צל' במקום שבו הוא נמצא, תופעה שאיינשטיין חזה ביחסות הכללית, אך מעולם לא נצפתה עד כה", הסביר יו"ר המועצה המדעית של EHT, היינו פאלקה (Falcke). "הצל הזה נגרם כתוצאה מעידוש כבידתי (עיקום קרני האור בידי שדות כבידה של גופים בעלי מסה גדולה - ח.א) ולכידה של האור בחור השחור, והוא חושף בפנינו מידע רב על טבעם של חורים שחורים ענקיים כאלה". החוקרים הצליחו להשוות את התצפית למודלים ממוחשבים המשקללים את עיוות המרחב-זמן הנגרם בשל הכבידה העצומה של החור השחור ותופעות נלוות כמו שדות מגנטיים חזקים מאוד וחומר לוהט, וראו התאמה טובה בין התצפיות למודל.

ניסיון ראשון לצלם את החור השחור בוצע בסוף 2017, והצילום מתפרסם כעת | EHT NSF

כוכב (מסיבי) נולד

כבר בסוף המאה ה-18 הציעו כמה חוקרים שניתחו את חוקי ניוטון את אפשרות קיומו של גוף בעל צפיפות ומסה כה גדולה, עד שמהירות המילוט ממנו גבוהה ממהירות האור, כך שאפילו אור לא יכול לברוח ממנו. הרעיון לא התקבל, משום שרוב הקהילה המדעית אחזה בתפיסה שאור הוא גל חסר מסה, ולכן כבידה אינה משפיעה עליו.

ב-1915 פרסם אלברט איינשטיין את היחסות הכללית וחזה בין השאר כי כבידה חזקה מספיק תעקם גם את מסלולם של גלי אור. כבר בסוף אותה שנה פתר הפיזיקאי הגרמני קרל שוורצשילד (Schwarzschild) כמה מהמשוואות של היחסות הכללית, והראה שיכול להתקיים גוף כזה, שקיבל לימים את הכינוי חור שחור. הוא גם חישב את הרדיוס שלתוכו צריך לדחוס מסה מסוימת כדי ליצור כבידה כה חזקה, וקבע למשל כי גוף בגודל השמש שלנו יש לדחוס לכדור ברדיוס שלושה קילומטר כדי שתהפוך לחור שחור.

שוורצשילד היה משוכנע כי הרעיון של כוכב שחור כזה הוא תיאורטי בלבד, ולא זכה לראות את הרעיון הופך למציאות. אף על פי שהיה פרופסור לפיזיקה, התנדב בגיל 41 להילחם למען מולדתו במלחמת העולם הראשונה, וב-1916 מת ממחלה שלקה בה בחזית הרוסית, לאחר שהספיק לחבר כמה מאמרים חשובים בשוחות ובמיטת חוליו.

אט-אט התברר כי חורים שחורים אינם רק פתרון תיאורטי למשוואה פיזיקלית אלא ישות אמיתית, ופיזיקאים חישבו עם השנים רבות מהתכונות שלהם. ככל הידוע לנו, במרכזן של גלקסיות רבות שוכנים חורים שחורים ענקיים. גוף כזה נמצא גם במרכז הגלקסיה שלנו, שביל החלב, וגם במרכז הגלקסייה M87, שם החור השחור הוא בעל מסה גדולה פי 6.5 מיליארד מהשמש שלנו.

עושים סיבוב

מכיוון שהחור השחור אינו פולט קרינה, גם גלי רדיו אינם נפלטים מתוכו. מה שנקלט בתצפיות של EHT הם גלי רדיו הנפלטים מעצמים סביב החור השחור. "האופן שבו גלים כאלה מגיעים אלינו מושפע מהכבידה של החור השחור, ולכן תצפית כזו מאפשרת לנו לגלות פרטים חדשים על אודותיו", מסביר פרופ' ראם סארי, אסטרופיזיקאי מהאוניברסיטה העברית בירושלים וסגן נשיא האוניברסיטה למחקר ולפיתוח, שלא היה מעורב ישירות במחקר הנוכחי. "אנו לא יודעים למשל אם החור השחור מסתובב סביב עצמו, ואם כן – באיזו מהירות. אם הוא אכן מסתובב, זה ישפיע על הכבידה שלו, ולכן על האופן שגלי הרדיו מגיעים אלינו, ונוכל לדעת את זה לפי ניתוח הממצאים".

התצפית החדשה אמורה להיות רק הראשונה מני רבות של מערך הטלסקופים העולמי. החוקרים מקווים כי אחת התעלומות שהמערך הזה יסייע לפתור היא כיצד נוצר חור שחור כה גדול. "גוף בעל מסה כה גדולה יכול להיווצר מספיחת גז בחלל, הנמשכת בהדרגה מיליארדי שנים, מבליעת כוכבים שנקלעים לסביבתו, כתוצאה ממיזוג בין שני חורים שחורים קטנים יותר, או מצירופים שונים של התהליכים האלה", מסביר סארי. "תמונה טובה יותר של החור השחור עשויה לאפשר לנו להבין איך החור השחור התפתח לממדים כאלה, ולתת לנו תמונה טובה יותר על התפתחות גלקסיות".