תעלומה קוסמית:
חור שחור קטן או כוכב ניטרונים גדול?

באוגוסט 2019 זיהו גלאים של גלי כבידה התנגשות בין שני גופים אסטרונומיים קומפקטיים בעלי הבדל גדול מאוד בין המסות שלהם. הגוף הכבד הוא חור שחור בעל מסה גדולה פי 24-22 מהשמש שלנו, ואילו הגוף הקל הוא כ-2.6 מסות שמש, והוא יכול להיות או חור שחור קל מאוד או כוכב ניטרונים כבד מאוד. יחס של 1:9 בערך, הוא יחס המסות הקיצוני ביותר שנצפה אי פעם בהתנגשויות כאלה.

כאשר מסות גדולות מאוד, יותר מהשמש שלנו למשל, מאיצות בצורה פתאומית, נפלטים גלי כבידה חזקים מספיק כדי שיהיה אפשר למדוד אותם. אמנם, אלברט איינשטיין חזה את קיומם של גלי כבידה כבר בתחילת המאה ה-20, אבל רק מאה שנים מאוחר יותר נבנה גלאי רגיש מספיק למדוד אותם. גלאי LIGO האמריקאי, בשיתוף עם גלאי VIRGO האירופי, מסוגלים לזהות גלי כבידה שנפלטים מהתנגשויות בין חורים שחורים וכוכבי ניטרונים. בהתנגשות כזאת שני הגופים מקיפים זה את זה במסלול לולייני שהולך ונסגר עד למפגש ביניהם. בעוד המסלול הולך ומתקצר, הגופים יוצרים גלי כבידה. מדידה של הרכב התדירויות והקיטוב של הגלים, מאפשרת לחשב מה היו המסות וזוויות הסיבוב של הגופים שהתמזגו.

גופים קומפקטיים, במקרה זה חורים שחורים וכוכבי ניטרונים, הם גופים בעלי מסה הגדולה מהשמש שלנו אבל גם דחוסים מאוד. למשל, כוכב ניטרונים שהמסה שלו כפולה מהמסה של השמש שלנו יכול להיות דחוס לכדור בקוטר של כעשרה עד עשרים קילומטרים בלבד. כוכבי ניטרונים עשויים מחומר שדומה בצפיפות שלו לגרעין של אטום, והם נוצרים כאשר הלחץ שמופעל על ידי כוח הכבידה חזק כל כך שהוא גורם לאלקטרונים להתמזג עם הפרוטונים ולייצר כמות גדולה של ניטרונים צפופים. אם המסה של הכוכב גדולה מספיק, ואפילו הדחייה בין הניטרונים, הנובעת מחוקי מכניקת הקוונטים, אינה מספיקה כדי להתמודד עם כוח הכבידה, הכוכב יקרוס לנקודה בעלת צפיפות עוד יותר גבוהה (אולי אינסופית), וכוח הכבידה יהיה כל כך חזק שגם אור לא יוכל להימלט מסביבת הכוכב. בשלב זה הגוף הופך לחור שחור.

ההנחה הרווחת היא שכוכבי ניטרונים ורוב החורים השחורים נוצרים בסוף חייהם של כוכבים מסיביים. כוכב כזה עשוי להתפוצץ וליצור סופרנובה, שדועכת בסופו של דבר ומשאירה אחריה גרעין צפוף: כוכב ניטרונים או חור שחור. לחלופין, הכוכב יכול לקרוס לחור שחור במסלול ישיר, בלי להתפוצץ. קשה מאוד לצפות בגופים קטנים כל כך, שאינם נוטים לפלוט הרבה אור, ובמקרה של חורים שחורים, אינם פולטים אור בכלל. לרוב מגלים אותם כשהם סופחים חומר מכוכב שכן. לכוכבי ניטרונים יש לפעמים שדות מגנטיים חזקים, ואז אפשר למדוד את גלי הרדיו שנפלטים מהם (כוכב כזה נקרא פולסאר). גלאים של גלי כבידה מאפשרים "לראות" אילו גדלים של חורים שחורים וכוכבי ניטרונים קיימים ביקום, ועוזרים לאשש או לפסול מודלים של סופרנובות והתפתחות של כוכבים מסיביים.

יש רק ראיות מעטות מאוד לקיומם של חורים שחורים כה קטנים. הדמיה של חור שחור | מקור: ANDRZEJ WOJCICKI / SCIENCE PHOTO LIBRARY

טווח המסות של חורים שחורים – רחב מכפי שחשבנו?

במחקר החדש, גלאי הכבידה של LIGO ו-VIRGO גילו כאמור התמזגות של שני גופים בעלי מסות שונות מאוד: הגוף המסיבי כבד פי תשעה יותר מהגוף הקל. בעוד שגופים מסיביים מאוד (שמסתם גדולה פי 20 או 30 ממסת השמש שלנו) כבר נראו בעבר בהתמזגויות של חורים שחורים, גופים בעלי מסה של 2.6 מסות השמש הם נדירים יחסית. משום כך לא ברור אם הגוף הקל הזה הוא כוכב ניטרונים או חור שחור: מצד אחד, אין שום כוכב ניטרונים שמסתו ידועה בדיוק גבוה ועולה על 2.5 פעמים מסת השמש. מצד אחר, אין כמעט דוגמאות של חורים שחורים בעלי מסה נמוכה מחמש מסות שמש, ודאי שלא במסה נמוכה כמו שהתגלתה כאן. עם זאת, קשה למדוד את המסות של כוכבי ניטרונים ושל חורים שחורים, בעיקר כי הם אינם פולטים אור בעצמם. חישוב המסה של הגופים האלה תלוי כמעט תמיד במשתנים רבים, וטווח השגיאה של החישוב הוא לרוב רחב.

האם הגוף שהתגלה הוא כוכב הניטרונים המסיבי ביותר שנראה עד כה? אם כן, הדבר מעיד כי כוכבי ניטרונים הם קשיחים יותר ממה שחוזים רוב המודלים המתארים קשיחות של חומר גרעיני, ומסוגלים לעמוד בפני כוחות משיכה חזקים מכפי שחשבנו. אין כיום ניסויי מעבדה בחומרים כאלה, וקשה לחזות את התכונות שלהם ללא תצפיות ישירות. מצד אחר, יכול להיות שהגוף המסתורי הוא בכלל חור שחור קל מאוד. עד כה היו עדויות מועטות בלבד לקיומם של חורים שחורים שהמסה שלהם קטנה יותר מחמש מסות שמש. עובדה זו מסתדרת היטב עם מודלים מסוימים של פיצוצי סופרנובה, אבל גם כאן, המודלים אינם מספיק אמינים בשביל לפסול את האפשרות כי חורים שְחורים קלים אכן קיימים ביקום. בשנים האחרונות, תחום המסות שאין בו בכלל חורים שחורים הולך ומצטמצם. האם התגלית הנוכחית מראה שיש חורים שחורים בכל מיני מסות? מכיוון שמדובר בתצפית יחידה, ומכיוון שלא היה אפשר לצפות בתהליך באמצעים אחרים, כגון אור נראה או גלי רדיו, קשה מאוד לקבל תמונה ברורה יותר. נראה שבשנים הקרובות, גלאי כבידה ימשיכו למפות את תחום המסות של גופים קומפקטיים שונים, וכך נגיע להבנה טובה יותר של ההרכב של גופים אלה ושל התהליכים שיצרו אותם.