חור שחור הוא תופעה מרחבית בפרופורציות גבוהות במיוחד (בדרך כלל גדולות מהשמש) ובעלת מסה קומפקטי במיוחד, וכתוצאה מכך שדה הכבידה חזק כל כך, עד שאין חלקיקים או קרינה מצליח לצאת.
מכיוון שאפילו אור נשאב פנימה, נוכחות של חור שחור תעיד על ידי השלכות הכבידה הנצפות. בסביבתו, במיוחד על ידי שינויים במסלולם של גרמי השמים הסמוכים, שמתחילים להימשך אל החור שָׁחוֹר.
בנוסף, אסטרונומים ומדענים טוענים כי ניתן להבחין בחור שחור בגלל פליטת האור שלו.
תמונה ראשונה של חור שחור
תמונה ראשונה של חור שחור בקוטר של 40 מיליארד קילומטר שנמצא בגלקסיה M87, 50 מיליון שנות אור מכדור הארץ. צילום: אירוע טלסקופ אופק.
התמונה הראשונה של חור שחור שוחררה באפריל 2019 בכנס בבריסל. הוא נמצא, לאחר שנתיים של תצפית ומחקר, על ידי הפרויקט הבינלאומי שנקרא אירוע טלסקופ אופק (EHT), המאגד קרוב לתריסר טלסקופי רדיו בעולם, מאירופה לקוטב דָרוֹם.
בתמונה החלק היחיד הנראה לעין של החור השחור הוא עיגול הזהב, שנקרא על ידי אסטרונומים "אופק אירועים " (אופק אירועים בפורטוגזית) או "נקודת אל-חזור".
במרכז אופק האירועים, יש צפיפות מסה בלתי ניתנת לחישוב, הנקראת סינגולריות. כוח המשיכה של נקודה זו כל כך חזק, עד שאף אובייקט מסביב לא יכול להימלט.
בתיאוריה, רק משהו שזז מהר יותר ממהירות האור יכול לעמוד בפני שדה הכבידה של חור שחור. מסיבה זו, לא ניתן לדעת בוודאות מה קורה לעניין שנשאב.
כיצד נוצר חור שחור?
חורים שחורים נוצרים מקריסת גרביטציה של גרמי השמיים. תופעות אלה מתרחשות כאשר הלחץ הפנימי של גוף (בדרך כלל כוכבים) אינו מספיק כדי לשמור על המסה שלו. לכן כאשר ליבת הכוכב קורסת בגלל כוח הכבידה, הגוף השמימי מתפוצץ ומשחרר כמויות אדירות של אנרגיה באירוע המכונה סופרנובה.
תמונה מייצגת של סופרנובה.
במהלך סופרנובה, בתוך שבריר שנייה, כל המסה של הכוכב נדחסת לליבה כשהיא נעה אל בערך 1/4 ממהירות האור (למעשה, ברגע זה הם היסודות הכבדים ביותר ביקום נוצר).
ואז ההתפוצצות תוליד א כוכב ניטרונים או, אם הכוכב גדול מספיק, התוצאה תהיה היווצרות חור שחור, שכמותו האסטרונומית של המסה המרוכזת יוצרת את שדה הכבידה הנ"ל. בו, מהירות הבריחה (המהירות הדרושה לחלקיק או קרינה כלשהי כדי להתנגד למשיכה) חייבת להיות, לפחות, גדולה ממהירות האור.
כמה גדול חור שחור?
חורים שחורים מגיעים בגדלים שונים. הקטנים ביותר הידועים למדע נקראים חורים שחורים ראשוניים והם האמינו כגודל של אטום אך עם המסה הכוללת של ההר.
חורים שחורים בינוניים (שהמסה שלהם היא עד פי 20 ממסת השמש הכוללת) נקראים כוכבים. בקטגוריה זו, החור השחור הקטן ביותר שהתגלה הוא פי 3.8 ממסת השמש.
החורים השחורים המקוטלגים הגדולים ביותר נקראים מסיבי-על, שנמצאים לעתים קרובות במרכז הגלקסיות. כדוגמא, במרכז שביל החלב נמצא מזל קשת A, חור שחור שמסתו שווה פי 4 מיליון ממסת השמש.
עד כה, החור השחור הגדול ביותר הידוע נקרא S50014 + 81, שמסתו גדולה פי ארבעים מיליארד ממסת השמש.
סוגי חורים שחורים
הפיזיקאי התיאורטי הגרמני אלברט איינשטיין גיבש מערך השערות הקשורות לכוח המשיכה ששימש בסיס להופעתה של הפיזיקה המודרנית. מערכת רעיונות זו נקראה תורת היחסות הכללית, שבו המדען ערך כמה תצפיות פורצות דרך על ההשפעות הכבידתיות של חורים שחורים.
מבחינת איינשטיין, חורים שחורים הם "דפורמציות בזמן המרחב הנגרמות מכמות החומר המרוכז העצום". התיאוריות שלו קידמו התקדמות מהירה באזור ואפשרו סיווג של סוגים שונים של חורים שחורים:
שוורצשילד חור שחור
חורים שחורים של שוורצשילד הם כאלה שאין להם מטען חשמלי וגם אין להם מומנטום זוויתי, כלומר הם לא מסתובבים סביב הציר שלהם.
חור שחור של קר
לחורים שחורים של קר אין מטען חשמלי אלא מסתובבים סביב צירם.
חור שחור רייסנר-נורדסטרום
חורים שחורים של רייסנר-נורדסטרום נושאים מטען חשמלי אך אינם מסתובבים סביב צירם.
חור שחור של קר-ניומן
חורים שחורים של קר-ניומן נושאים מטען חשמלי ומסתובבים סביב צירם.
בתיאוריה, כל מיני חורים שחורים הופכים בסופו של דבר לחורים שחורים של שוורצשילד (סטטיים ולא נטענים) כאשר הם מאבדים מספיק אנרגיה ומפסיקים להסתובב. תופעה זו ידועה בשם תהליך פנרוז. במקרים כאלה, הדרך היחידה להבדיל בין חור שחור שוורצשילד אחד למשנהו היא על ידי מדידת מסתו.
מבנה של חור שחור
חורים שחורים אינם נראים כיוון שדה הכבידה שלהם אינו ניתן לניסיון אפילו לאור. לפיכך, לחור שחור מראה של משטח כהה שממנו שום דבר לא משתקף ואין שום עדות למה שקורה לאלמנטים שנשאבים אליו. עם זאת, החל מהתצפית על ההשפעות שהם גורמים בסביבתם, המדע מבנה חורים שחורים לאופק האירועים, הייחודיות והארגוספירה.
אופק אירועים
גבול שדה הכבידה של החור השחור ממנו לא נצפה דבר נקרא אופק האירוע או נקודת אל - חזור.
ייצוג גרפי של אופק אירועים, המסופק על ידי נאס"א, בו נצפה כדור מושלם ממנו לא נפלט אור.
למרות היותו, למעשה, רק השלכות כוח משיכה, אופק האירועים נחשב לחלק מהמבנה של חור שחור מכיוון שהוא תחילתו של האזור הנצפה של התופעה.
ידוע כי צורתו כדורית לחלוטין בחורים שחורים סטטיים ומוטה בחורים שחורים מסתובבים.
כי הרחבת זמן הכבידה, ההשפעה שמפעילה המסה של החור השחור על זמן החלל גורמת לאופק האירועים, גם מחוץ לטווח שלו, להשפעות הבאות:
- למתבונן רחוק, שעון ליד אופק האירוע היה נע לאט יותר מאשר אחד רחוק יותר. לפיכך, נראה שכל חפץ שיישאב לתוך החור השחור מאט עד שנראה שהוא משותק בזמן.
- עבור צופה רחוק, האובייקט המתקרב לאופק האירועים היה מניח גוון אדמדם, תוצאה של תופעה פיזיקלית המכונה הסטה אדומה, מכיוון שתדירות האור מופחתת על ידי שדה הכבידה של החור שָׁחוֹר.
- מנקודת מבטו של האובייקט, הזמן יעבור בקצב מואץ לכל היקום, ואילו מבחינתך הזמן יעבור כרגיל.
סינגולריות
נקודת המרכז של חור שחור, שבו מסת הכוכב התרכזה לאין שיעור, נקראת סינגולריות, שמעט ידוע עליה. בתיאוריה, הייחודיות מכילה את המסה הכוללת של הכוכב שהתמוטט, בתוספת המסה של כל הגופים שנשאבים על ידי שדה הכבידה, אך אין לה נפח או משטח.
ארגוספירה
הארגוספירה היא אזור המקיף את אופק האירועים בחורים שחורים מסתובבים, בו בלתי אפשרי שגוף שמימי יישאר נייח.
גם על פי תורת היחסות של איינשטיין, כל עצם מסתובב נוטה לגרור זמן חלל קרוב אליו. בחור שחור מסתובב, השפעה זו כל כך חזקה, עד שדורש גוף שמימי לנוע בכיוון ההפוך במהירות הגבוהה ממהירות האור כדי להישאר נייח.
חשוב לא לבלבל בין אפקטים ארגוספריים לבין אפקטים של אופק האירוע. הארגוספירה אינה מושכת אליה עצמים עם שדה הכבידה. לפיכך, כל מה שבא איתו במגע יעקור רק במרחב-זמן ויימשך רק אם יעבור את אופק האירועים.
תיאוריות החורים השחורים של סטיבן הוקינג
סטיבן הוקינג היה אחד הפיזיקאים והקוסמולוגים המשפיעים ביותר במאות ה -20 וה -21. בין תרומותיו הרבות, פתר הוקינג כמה משפטים שהציע איינשטיין כי תרם לתיאוריה כי היקום החל בסינגולריות, וחיזק עוד יותר את שִׂיחָה תאוריית המפץ הגדול.
הוקינג גם האמין כי חורים שחורים אינם שחורים לחלוטין אלא פולטים כמויות קטנות של קרינה תרמית. השפעה זו נודעה בפיזיקה בשם קרינת נץ. תיאוריה זו צופה כי חורים שחורים יאבדו מסה עם הקרינה המשוחררת, ובתהליך איטי ביותר, יצטמצמו עד שנעלמו.
ראה גם:
- תורת היחסות
- כוח משיכה
- המפץ הגדול
