הקרינה הבלתי אפשרית של החור השחור

חור שחור הוא שם קצת מטעה, שכן אפשר להבין ממנו בטעות שמדובר בגוף שאינו מכיל שום דבר ולכן הוא שחור. בפועל ההיפך הוא הנכון – חור שחור מכיל כמות עצומה של חומר בנפח מאוד קטן. צפיפות החומר גדולה עד כדי כך שכוח הכבידה העצום שלו אינו מאפשר אפילו לחלקיקים המהירים ביותר, חלקיקי האור, לברוח ממנו. ובכל זאת, משהו בכל זאת נפלט מהם – קרינת הוקינג – גם אם עד כה לא באמת צפינו בה בחלל.

רעיון קיומם של חורים שחורים נהגה כבר בסוף המאה ה-18, אך גם כיום, בחלוף יותר ממאתיים שנה, עדיין איננו מבינים אותם היטב. זהו תחום מחקר פעיל ומרתק. חור שחור הוא בעצם כוכב בעל מסה גדולה מאוד ורדיוס קטן. הצפיפות הגבוהה שלו לא מאפשרת אפילו לאור לברוח משדה הכבידה שלו. מאחר ששום דבר אינו נע מהר יותר ממהירות האור, החור השחור כולא את כל החומר והקרינה שבו. כל חלקיק שיתקרב אליו מספיק ייפול לתוכו ולא יוכל לצאת ממנו לעולם.

הנקודה הזאת שממנה והלאה אי אפשר לחזור נקראת אופק האירועים. אפשר להתייחס אליה כאל מעין כדור דמיוני שמקיף את הכוכב וכל חלקיק שעובר אותו נשאב לבלי שוב לתוך החור השחור. ככל שיש בחור השחור יותר מסה והוא כבד יותר, כך גם אופק האירועים יגדל.

תרמודינמיקה של חורים שחורים

בשנות ה-70 החלו מאמצים לשלב את הפיזיקה של חורים שחורים עם תחום אחר לגמרי בפיזיקה – התרמודינמיקה. זה התחום שמתאר מערכות פיזיקליות עם הרבה חלקיקים, שבהן העיקר אינו המצב של כל חלקיק, אלא רק של המערכת כולה. כוס מים, למשל, מורכבת מהמון מולקולות של מים, ואיננו יכולים לדעת או לחשב את המקום והמהירות של כל אחת מהן, אבל בדרך כלל זה גם לא כל כך חשוב. במקום זה אנו מתארים את המערכת באמצעות תכונות כלליות שלה, כמו טמפרטורה, צפיפות, לחץ או אנטרופיה.

את שלוש התכונות הראשונות קל להבין מחיי היומיום, אך האנטרופיה היא תכונה פחות מוכרת, שמייצגת את רמת הסדר או אי הסדר במערכת. בסוף המאה ה-18 החלה המהפכה התעשייתית והשימוש במנועים נהיה נפוץ וכך עלו שאלות רבות לגבי היכולת של מנוע לספק עבודה והיעילות שלו. בשנת 1824 הראה הפיזיקאי הצרפתי ניקולא סדי קרנו (Sadi Carnot), כי גם במנוע היעיל ביותר אי אפשר לנצל את כל האנרגיה המושקעת במנוע כדי לבצע עבודה וחלק ממנה מתבזבז בתהליך מעבר חום. כ-30 שנה מאוחר יותר המשיך את עבודתו הפיזיקאי הגרמני רודולף קלאוזיוס (Clausius), אחד מאבות התרמודינמיקה. הוא קישר בין מעברי החום במנוע לתכונה חדשה, שהוא קרא לה אנטרופיה. קלאוזיוס הוכיח את החוק השני של התרמודימיקה והראה שהאנטרופיה במערכת סגורה ומבודדת מן הסביבה תמיד גדלה. רק בשנת 1877 קישר לודוויג בולצמן, מחלוצי המכניקה הסטטיסטית, בין האנטרופיה של המערכת למספר האפשרויות שבהן החלקיקים המרכיבים אותה יכולים להסתדר מבחינת חלוקת האנרגיה ביניהם ומיקומם, ומכאן נובעת ההגדרה למעלה.

בשנת 1972 הציע הפיזיקאי הישראלי יעקב בקנשטיין (Bekenstein) דרך לחשב את האנטרופיה של חור שחור. בקנשטיין הבין שכאשר חומר נופל לתוך החור השחור, האנטרופיה שלו לא יכולה להיעלם, כי האנטרופיה ביקום חייבת לגדול כל הזמן. על סמך זה הוא קישר בין השטח של אופק האירועים של החור השחור לאנטרופיה וסיפק את החיבור הראשון בין תרמודינמיקה לחורים שחורים. כשנתיים לאחר מכן הוסיף הפיזיקאי הבריטי סטיבן הוקינג (Hawking) את תורת הקוונטים לסיפור וטען שמאופק האירועים של חור שחור צריכים להיפלט חלקיקים. התופעה הזאת נקראת כיום על שמו – קרינת הוקינג.

האנטרופיה לא יכולה להעלם גם בחור שחור. בקנשטיין (מימין) והוקינג | צילומים: ויקיפדיה, נחלת הכלל

קרינת הוקינג

הוקינג הסתמך על עקרון אי-הוודאות שקובע שאי אפשר לדעת בדיוק מוחלט את האנרגיה של מערכת. מכאן הוא הסיק שאפילו במקום שאין בו חלקיקים או קרינה, כלומר רִיק מוחלט, האנרגיה לא יכולה להיות בדיוק אפס ויהיו תמיד תנודות קוונטיות שלה. התנודות הללו יתבטאו ביצירת זוגות של חלקיק ואנטי־חלקיק שייווצרו לזמן קצר מאוד מתוך הרִיק ולאחר מכן ייעלמו. כששני חלקיקים כאלה נוצרים קרוב לאופק האירועים של חור שחור, אחד מהם עשוי לעבור את אופק האירועים וליפול לחור השחור בעוד השני מתרחק ממנו, החלקיקים הנפלטים הרחק מן החור השחור הם קרינת הוקינג.

הוקינג חזה את קיומם של החלקיקים הללו, חישב את הטמפרטורה של הקרינה והראה שהיא מתאימה לאנטרופיה שהציע בקנשטיין. קרינת הוקינג לא נצפתה מעולם בחור שחור בחלל, בגלל שעוצמתה חלשה מדי למדידה, אך בשנה שעברה נצפתה קרינה דומה מחור שחור אקוסטי.

בספטמבר 2015 נוסף אמצעי חדש למדידת חורים שחורים – גלים כבידתיים. גלים כאלה נמדדו עד כה בשלושה מקרים בלבד, מהם שניים שבהם הגלים נוצרו מהתנגשות בין שני חורים שחורים. לאחרונה הציעו חוקרים מאוסטרליה ומקנדה את האפשרות שהתנגשות של חורים שחורים ויצירת הגלים הכבידתיים בעקבותיה, עשויים להגביר את קרינת הוקינג הנפלטת מהם. מדידת הגלים הכבידתיים אולי תאפשר למדענים להפנות טלסקופים ואמצעי מדידה נוספים לאזור ההתנגשות ולמקד את החיפושים אחר קרינת הוקינג החמקמקה.