פריצת דרך בחקר חורים שחורים פעילים

 

מחקר חדש באוניברסיטת חיפה מצא כי דיסקת הספיחה שסביב חורים שחורים פעילים אינה שטוחה כפי שסברו עד כה ואף נובעים ממנה ענני גז הנישאים לגובה רב.

"לראשונה הצלחנו למפות בדיוק רב את האיזורים הקרובים ביותר לחור השחור, וגילינו כי המבנה שלהם שונה משמעותית מזה שהנחנו את קיומו עד כה. ממצאי המחקר משנים את ההבנה שלנו לגבי מקורות האור בסביבתם של חורים שחורים פעילים – קווזרים - ואת הפירוש שניתן עד כה לתצפיות בתחום״, אמר פרופ׳ דורון שלוש, ראש המרכז לפיזיקה תיאורטית ואסטרופיזיקה, ומוביל המחקר שהתפרסם ב- Nature Astronomy.

חורים שחורים הם שיירים של כוכבים עתיקים שהגיעו לסוף דרכם וקרסו לתוך עצמם, כך שכל מה שנותר מהם הוא השפעתם הכבידתית.

בפרט, עצם הנמצא בקירבה מספקת לחור השחור לא יוכל להימלט מאחיזתו, ואפילו אור לא יוכל לברוח ממנו. ניתן למצוא חורים שחורים בשכיחות גבוהה יחסית במרכזי גלקסיות, שם צפיפויות הכוכבים גבוהות והם אף עשויים להתלכד ברבות השנים לכדי חור שחור מאסיבי יותר.

לדבריו של פרופ' שלוש, חורים שחורים סופר-מאסיביים שמסתם היא כמיליוני עד מיליארדי שמשות נמצאים במרכזן של כמעט כל הגלקסיות ביקום.

הוא הוסיף כי לעיתים גז הנמצא בקרבת החור השחור מוצא את דרכו אליו ונבלע בהדרגה לתוכו. תהליך זה קרוי ספיחה, ובו הגז יוצר מבנה של דיסקה המסתובבת סביב החור השחור. בתהליך הספיחה, הגז מתחמם ופולט קרינה שיכולה להאפיל בעוצמתה על הגלקסיה שסביב החור השחור. בשלב זה החור השחור נקרא פעיל, ומסתו גדלה עם הזמן.

חקר קצב הגדילה של חורים שחורים והחומר בסביבתם הקרובה מסייע לחוקרים בהבנת היווצרות היקום והתרחבותו, וה״אבולוציה״ של גלקסיות בתוכו, וביניהן גלקסיית ״שביל החלב״ בה אנו חיים. אחת הדרכים להבין את קצב הגדילה של חורים שחורים היא לנתח את מבנה דיסקת הספיחה שמסביבם.

במחקר שנערך באוניברסיטת חיפה השתמשו החוקרים בטכניקת ההדהוד, הדומה לרדאר, כדי לנתח את מבנה הדיסקה. טכניקה זו מתחקה אחר האור שנוצר באזורים הפנימיים ביותר של דיסקת הספיחה, בסמיכות גבוהה יחסית לחור השחור.

חלקיקי האור (פוטונים), שנוצרו באזור זה נפלטים כאור כחול לכיוונים רבים: חלקם לכיווננו, ואחרים לכיוונים אחרים, ומוחזרים אלינו כאור באורכי גל ארוכים יותר, ועל כן אדום יותר, לאחר שפגעו בחומר הנמצא באזורים הרחוקים  והקרים יותר של הדיסקה. התוצאה היא שפוטונים בצבעים שונים מגיעים אלינו בהפרשי זמן שונים, שמהם ניתן ללמוד על מבנה הדיסקה.

לדבריו של פרופ' שלוש, תכונותיהן של דיסקות ספיחה מוסברות באופן איכותי על ידי מודלים פיזיקאליים שפותחו לפני כמה עשורים, אולם בשנים האחרונות נתגלה כי המבנה שנחזה ע״י התאוריה סותר, לכאורה, את התצפיות, ועל כן עשוי לשנות את כל הידוע לנו על אופן פעולתם של חורים שחורים ביקום ועל התפתחותם. ״הנתונים ששימשו אותנו עד כה כדי לאלץ את המודלים הפיזיקאליים לא היו אופטימליים; בפרט, חלקם הושפע על ידי אזורים רחוקים יותר, שבוודאות אינם קשורים לדיסקת הספיחה, וחלקם לא אפשרו למפות אלא את גודלו של האזור המהדהד״.

במחקר הנוכחי ביקשו פרופ׳ שלוש וד״ר פרנסיסקו פוסו-נונייז מהמרכז לפיזיקה תיאורטית ואסטרופיזיקה באוניברסיטה להשיג נתונים אופטימליים למיפוי האזורים בקרבת החור השחור. לשם כך חברו לד"ר שי כספי מאוניברסיטת תל אביב ומצפה הכוכבים ע״ש וייז, והתקינו מצלמה בעלת פילטרים ייחודיים על אחד הטלסקופים באתר, שהוקדש למחקר.

הנתונים נאספו במשך שנתיים, על פני שתי תקופות של שלושה חודשים, אשר במהלכן גלקסית Mrk 279 ובמרכזה חור שחור על מאסיבי, נצפתה פעמיים בכל לילה, ובכמה פילטרים. תוך שימוש בטכניקות ניתוח תמונה מתקדמות, הצליחו החוקרים לכמת את השתנות עוצמת ההארה של המקור המרכזי סביב החור השחור בדיוק גבוה מכפי שהושג אי פעם.

מהפרשי הזמנים, שבהם נקלטו הפוטונים בצבעים השונים, מצאו החוקרים כי המרחק הממוצע בין האזור הסמוך לחור השחור לבין האזור המרוחק מהחור השחור הוא כשלושה ימי אור, וזאת בניגוד לתחזיות התאורטיות שניבאו מרחק של כחצי יום אור בלבד.

הנתונים שנתקבלו בניסוי אפשרו לראשונה לכמת גם את התפלגות החומר במרחב סביב מיקומו הממוצע. "ניתוח האותות שהוחזרו אלינו אפשר לנו להבין לראשונה את מבנה התווך המחזיר, כפי שניתוח הדי הקול באולם קונצרטים מעידים על המבנה שלו. התברר שהאותות הוחזרו אלינו מאזור טבעתי צר יחסית, שאף הוא אינו תואם לניבויים התאורטיים של מודלים לדיסקות ספיחה", אמר פרופ' שלוש.

לדבריו, טווח המרחקים ממנו נפלט מקצת האור האדום אינו מקרי והוא מתאים לאזור הקר יותר בדיסקת הספיחה שם אבק בינכוכבי יכול לשרוד, ואשר ממנו ניתן להאיץ גז לגבהים משמעותיים מעל לדיסקת הספיחה. לפיכך, סבורים החוקרים כי הם מצאו רכיב חדש הנובע מדיסקת הספיחה, שקיומו נחזה בעבר אולם עדויות ברורות להימצאותו נתגלו רק עתה, צבירי עננים שנוצרים באזור החיצוני של הדיסקה, משוגרים מפני הדיסקה, ויוצרים מבנה טבעתי (טורואידי).

חשיבותו של הרכיב החדש שנתגלה במחקר להבנת חורים שחורים פעילים היא רבה, וקיומו יכול להסביר את התכונות הספקטרליות הייחודיות של עצמים אלה, כמו הצבע שלהם, ואת קיומם של קווי פליטה רחבים של יסודות מוכרים כגון מימן ופחמן.

״הממצאים מרמזים כי ההבנה שלנו של תהליכי ספיחה סביב חורים שחורים אינה מלאה, וכי הפרשנות שניתנה לנתוני עבר, ששימשו כבסיס למודלים תאורטיים של ספיחה לחורים שחורים, לוקה בחסר. לפנינו עוד עבודה רבה במיפוי תהליכי הספיחה גם בעצמים נוספים, בניית מודלים שלמים יותר ובחינתם מול הנתונים, ובשיפור הבנתנו את הפיזיקה הייחודית של חומר סביב חורים שחורים״, סיכם פרופ' שלוש.