כשאתה שומע את הביטוי "חור שחור", כמעט בוודאות זה מעורר תחושה של מסתורין ותהייה, אולי מכוסה באלמנט של סכנה. בעוד שהמונח "חור שחור" הפך לשם נרדף בשפת היומיום ל"מקום שמשהו הולך, לעולם לא נראה שוב, "רוב האנשים מכירים את השימוש בו בעולם האסטרונומיה, אם לא בהכרח עם תכונות מדויקות הגדרות.
במשך עשרות שנים, בין המניעות הנפוצות ביותר המסכמות חורים שחורים הייתה בסגנון "מקום שבו כוח המשיכה כה חזק, אפילו לא אור יכול להימלט. "אמנם זהו סיכום מספיק מדויק מלכתחילה, אך טבעי לתהות כיצד דבר כזה יכול לקרות כדי להתחיל עם.
שאלות אחרות יש בשפע. מה יש בתוך חור שחור? האם ישנם סוגים שונים של חורים שחורים? ומהו גודל חור שחור אופייני, בהנחה שדבר כזה קיים וניתן למדוד אותו? שיגור הטלסקופ האבל חולל מהפכה כיצד ניתן לחקור חורים שחורים.
עובדות בסיסיות על חור שחור
לפני שנכנס לעומק נושא החורים השחורים - ומשחקי מילים גרועים - כדאי לעבור על המינוח הבסיסי המשמש להגדרת המאפיינים והגיאומטריה של חורים שחורים.
בעיקר, לכל חור שחור במרכז היעיל שלו, אייחוד, המורכב מחומר דחוס כל כך, עד שהוא כמעט מסה נקודתית. הצפיפות העצומה הנובעת מכך מייצרת שדה כוח משיכה כה חזק עד כי למרחק מסוים, אפילו פוטונים, שהם "חלקיקי" האור, יכולים להשתחרר. מרחק זה ידוע בשם
רדיוס שוורצשילד; בחור שחור שאינו מסתובב (ותלמד על הסוג הדינמי יותר בקטע הבא), הכדור הבלתי נראה בעל רדיוס זה עם הייחודיות שבמרכזו מהווה אתאופק אירועים.כמובן, כל זה לא מסביר מהיכן נובעים חורים שחורים. האם הם צצים באופן ספונטני ובמקומות אקראיים ברחבי הקוסמוס? אם כן, האם יש חיזוי למראה שלהם? בהתחשב בכוחם המהולל, כדאי לדעת אם חור שחור מתכנן להקים חנות בסביבה הכללית של מערכת השמש של כדור הארץ.
היסטוריה של חורים שחורים: תיאוריות וראיות מוקדמות
קיומם של חורים שחורים הוצע לראשונה בשנות ה -1700, אך למדענים של ימינו חסרו את המכשירים הדרושים לאישור כל מה שהציעו. בראשית המאה העשרים השתמש האסטרונום הגרמני קרל שוורצשילד (כן, זה) בתורת הכלל של איינשטיין. תורת היחסות לבסס את ההתנהגות הבולטת מבחינה פיזית של חורים שחורים - יכולתם "ללכוד" אור.
בתיאוריה, בהתבסס על עבודתו של שוורצשילד, כל מסה יכולה לשמש בסיס לחור שחור. הדרישה היחידה היא שרדיוסו לאחר הדחיסה לא יעלה על רדיוס שוורצשילד.
קיומם של חורים שחורים הציג בפני פיסיקאים חידה, אם כי מפתה לנסות לפתור. הוא האמין שבזכות העקמומיות בחלל-הזמן הנובע מכוח הכבידה יוצא הדופן בסביבת החור השחור, חוקי הפיזיקה למעשה מתפרקים; מכיוון שאופק האירועים אינו נגיש מניתוח אנושי, סכסוך זה הוא למעשה לא קונפליקט עבור אסטרופיזיקאים.
גודל החורים השחורים
אם חושבים על גודל החור השחור כעל הכדור שנוצר על ידי אופק האירוע, הצפיפות שונה בהרבה מאשר השחור במקום מטפלים בחור רק ככוכב התמוטט הזעיר באופן מגוחך עם מסה היוצרת את הייחודיות (עוד בנושא זה רֶגַע).
מדענים מאמינים כי חורים שחורים יכולים להיות זעירים כמו אטומים מסוימים, ובכל זאת להחזיק מסה גדולה כמו הר על כדור הארץ. מאידך, חלקם יכולים להיות בערך פי 15 מסיביים כמו השמש כשהם עדיין זעירים (אך לא אטומיים בגודלם). אלהחורים שחורים כוכביםנמצאים ברחבי הגלקסיות, כולל שביל החלב, בו שוכנות כדור הארץ ומערכת השמש.
חורים שחורים אחרים יכולים להיות גדולים הרבה יותר. אלהחורים שחורים סופר-מסיבייםיכול להיות גדול ממיליון פעמים כמו השמש, וכל גלקסיה מאמינה שיש אחת כזו במרכז. זו שבמרכז שביל החלב, שזכתה לכינוימזל קשת א, הוא גדול מספיק כדי להכיל כמה מיליוני כדור הארץ, אך נפח זה מחוויר בהשוואה למסת האובייקט - המוערך ככזו של 4 מיליון שמשות.
היווצרות חורים שחורים
במקום להיווצר ולהופיע באופן בלתי צפוי, איום שנרמז בקלילות בעבר, מאמינים שחורים שחורים נוצרים במקביל לאובייקטים הגדולים שבהם הם חיים." ההערכה היא שחורים שחורים זעירים נוצרו באותו זמן שהקוסמוס עצמו נוצר, בזמן המפץ הגדול כמעט 14 מיליארד שנה. לִפנֵי.
בהתאמה, חורים שחורים סופר-מסיביים בתוך גלקסיות בודדות נוצרים בזמן שגלקסיות אלה מתלכדות לקיומן מחומר בין-כוכבי. חורים שחורים אחרים נוצרים כתוצאה מאירוע אלים שנקרא aסופרנובה.
סופרנובה היא מוות של כוכב, או "טראומטי", בניגוד לכוכב שנשרף כמו גחלת שמיים ענקית. אירועים כאלה מתרחשים כאשר כוכב מיצה כל כך הרבה מהדלק שלו שהוא מתחיל להתמוטט תחת המסה שלו. פריצה זו מביאה לפיצוץ ריבאונד שזורק הרבה ממה שנשאר מהכוכב, ומשאיר ייחוד במקומו.
צפיפות החורים השחורים
אחת הבעיות האמורות לפיזיקאים היא שצפיפות החלק של החור השחור נחשבת לסינגולריות. לא ניתן לחשב כלום שאינו אינסופי, מכיוון שלא ברור עד כמה המסה זעירה בפועל (למשל, כמה נפח הוא קטן כובש). כדי לחשב בצורה משמעותית את הצפיפות של חור שחור, יש להשתמש ברדיוס שוורצשילד שלו.
חור שחור בעל מסת כדור הארץ הוא בעל צפיפות תיאורטית של כ -2 × 1027 g / cm3 (לצורך התייחסות, צפיפות המים היא רק 1 גרם / ס"מ3). כמעט אי אפשר להכניס גודל כזה להקשר לחיי היומיום, אך התוצאות הקוסמיות ייחודיות כצפוי. לשם חישוב זה, מחלקים את המסה בנפח לאחר "תיקון" הרדיוס באמצעות המסה היחסית של החור השחור והשמש, כפי שמוצג בדוגמה הבאה.
בעיה לדוגמא:מסה של חור שחור היא כ -3.9 מיליון (3.9 × 106) שמשות, כאשר מסת השמש היא 1.99 × 1033 גרם, ומניחים שהוא כדור ברדיוס שוורצשילד של 3 × 105 ס"מ. מה צפיפותו?
ראשית, מצא אתרדיוס יעיל של הכדור היוצר את אופק האירועיםעל ידי הכפלת רדיוס שוורצשילד ביחס המסה של החור השחור לזה של השמש, הנתון כ -3.9 מיליון:
(3 \ פעמים 10 ^ 5) \ פעמים (3.9 \ פעמים 10 ^ 6) = 1.2 \ פעמים 10 ^ {12} \ text {cm}
לאחר מכן חישבו את נפח הכדור, שנמצא מהנוסחה V = (4/3) πr3:
V = \ frac {4} {3} \ pi (1.2 \ times 10 ^ {12}) ^ 3 = 7 \ times 10 ^ {36} \ text {cm} ^ 3
לבסוף, חלק את מסת הכדור בנפח זה כדי להשיג את הצפיפות. מכיוון שקיבלתם את מסת השמש ואת העובדה שמסת החור השחור גדולה פי 3.9 מיליון, תוכלו לחשב את המסה הזו כ (3.9 × 106)(1.99 × 1033 ז) = 7.76 × 1039 ז. הצפיפות היא אפוא:
\ frac {7.76 \ times 10 ^ {39}} {7 \ times 10 ^ {36}} = 1.1 \ times 10 ^ 3 \ text {g / cm} ^ 3
סוגי חורים שחורים
אסטרונומים ייצרו מערכות סיווג שונות עבור חורים שחורים, האחד מבוסס על מסה בלבד והשני מבוסס על מטען וסיבוב. כפי שצוין בעבר, רוב החורים השחורים (אם לא כולם) מסתובבים סביב ציר, כמו כדור הארץ עצמו.
סיווג חורים שחורים על בסיס המסה מניב את המערכת הבאה:
- חורים שחורים קדומים:לאלה יש מסות הדומות לזה של כדור הארץ. אלה הם היפותטיים בלבד וייתכן שנוצרו באמצעות הפרעות כוח משיכה אזוריות בעקבות המפץ הגדול.
- חורים שחורים המוניים של כוכבים:שהוזכר קודם לכן, אלה הם בעלי מסות שבין 4 ל -15 מסות שמש ונובעות מהתמוטטות "מסורתית" של כוכב גדול מהממוצע בסוף אורך חייו.
- חורים שחורים המוניים בינוניים:לא אושר נכון לשנת 2019, החורים השחורים הללו - כמספר אלפי פעמים כמו השמש - עשויים להתקיים בכמה אשכולות כוכבים, וגם מאוחר יותר עשויים לפרוח לחורים שחורים ענקיים.
- חורים שחורים ענקיים:כמו כן הוזכר קודם לכן, אלה מתהדרים בין מיליון למיליארד מסות שמש ונמצאים במרכזים של גלקסיות גדולות.
בתכנית חלופית, ניתן לסווג חורים שחורים על פי סיבובם וטענתם במקום זאת:
- חור שחור של שוורצשילד:ידוע גם בשםחור שחור סטטי, חור שחור מסוג זה אינו מסתובב ואין לו מטען חשמלי. לכן הוא מאופיין במסתו בלבד.
- חור שחור של קר:זהו חור שחור מסתובב, אך כמו חור שחור של שוורצשילד, אין לו מטען חשמלי.
- חור שחור טעון:אלה מגיעים בשני סוגים. טעונה,לא מסתובבחור שחור ידוע בשםחור שחור רייסנר-נורדסטרום, בעוד שהוא טעון,מסתובבחור שחור נקרא aחור שחור של קר-ניומן.
תכונות אחרות של חור שחור
אתה צודק שהתחלת לתהות כיצד מדענים הסיקו כל כך הרבה מסקנות בטוחות לגבי אובייקטים שלא ניתן לדמיין מעצם הגדרתם. ידע רב על חורים שחורים נגזר על ידי התנהגות ומראה של אובייקטים סמוכים יחסית. כאשר חור שחור וכוכב קרובים מספיק זה לזה, נוצרת סוג מיוחד של קרינה אלקטרומגנטית עתירת אנרגיה שיכולה להפיל אסטרונומים ערניים.
לעיתים ניתן לראות מטוסי גז גדולים המוקרנים מ"קצותיו "של חור שחור; לפעמים, גז זה יכול להתאחד לצורה מעגלית מעורפלת המכונהדיסק צבירה. תיאוריה נוספת היא כי חורים שחורים פולטים סוג של קרינה הנקראת, כראוי,קרינת חור שחור(אוֹקרינת נץ). קרינה זו עשויה לברוח מהחור השחור בשל היווצרותם של זוגות "חומר-חומר" (למשל,אלקטרוניםופוזיטרונים) ממש מחוץ לאופק האירועים, והפליטה שלאחר מכן רק של החברים החיוביים של זוגות אלה כקרינה תרמית.
לפני ההשקה שלטלסקופ החלל האבלבשנת 1990 אסטרונומים תמהו זה מכבר על עצמים רחוקים מאוד ששמוקוואזרים, דחיסה של "אובייקטים מעין כוכבים". כמו חורים שחורים סופר-מסיביים, שקיומם היה התגלה מאוחר יותר, אובייקטים אלה המסתחררים במהירות אנרגיה גבוהה נמצאים במרכזי הגדולים גלקסיות. חורים שחורים נחשבים כיום כישויות המניעות את התנהגותם של קוואזרים, שנמצאים רק מרחקים עצומים מכיוון שהיו קיימים בחיתוליו היחסיים של הקוסמוס; האור שלהם מגיע רק עכשיו לכדור הארץ אחרי כ- 13 מיליארד שנים במעבר.
כמה אסטרופיזיקאים הציעו כי גלקסיות שנראות כמו סוגים בסיסיים שונים במבט מכדור הארץ עשויות למעשה להיות מאותו סוג, אך עם צדדים שונים שלהן המוצגים כלפי כדור הארץ. לפעמים, אנרגיית הקוואזאר נראית לעין ומספקת מעין אפקט "מגדלור" מבחינת האופן שבו כדור הארץ מכשירים מתעדים את פעילות הקוואזאר, ואילו לעיתים גלקסיות נראות "שקטות יותר" בגללן נטייה.