חורים שחורים: המודל המגנטו-הידרודינמי

קבוצת חוקרים בינלאומית מהטכניון, מארה"ב, מאיטליה ומיוון מציגה הסבר חדש לפליטת האנרגיה ורוחות מחורים שחורים

פרופ' אהוד בכר

פרופ' אהוד בכר

כתב העת Nature Astronomy מפרסם מודל חדש המסביר את התופעות האופייניות לסביבתם של חורים שחורים: קרינה ורוחות פלזמה. על המאמר חתומים חוקרים מישראל, מארה"ב, מאיטליה ומיוון.

קיומם של חורים שחורים כגבול של כוח כבידה עצום נחזה כבר בשלהי המאה ה-18 על ידי הגאולוג ג'ון מישל והמתמטיקאי פייר לפלס, אך רק תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין אפשרה הבנה ממשית של התופעה. בראשית המאה ה-20 גילה הפיזיקאי קרל שוורצשילד את פתרון החור השחור במשוואות של איינשטיין, אף שאיינשטיין עצמו סירב להאמין בקיומם של חורים שחורים בטבע. מאז חלו בתחום זה התפתחויות דרמטיות, ובפרט התרבו העדויות התצפיתיות החותכות לקיומם של חורים שחורים.

אחד המאפיינים הבולטים של חורים שחורים הוא הרוחות החזקות שנושבות בסביבתם. טבעם של הרוחות ושל הכוח המניע אותן מוסבר בדרכים שונות, ובאחת התאוריות מתוארת תופעה זו במונחים של שדות מגנטיים חזקים וסדורים. המאמר הנוכחי מראה שמודל הרוח המגנטית מסביר לא רק רוחות מחורים שחורים ענקיים במרכזי גלקסיות אלא גם רוחות מחורים שחורים קטנים הדומים במסתם לכוכב.

בתרבות הפופולרית מתוארים חורים שחורים כיצורים בולעי-כל: מה שמתקרב אליהם, אפילו אם מדובר באור, נבלע ולא נודע כי בא אל קרבם. אף שזה אכן טבעם, האמת האסטרופיזיקלית מורכבת יותר. חורים שחורים, מתברר, לא רק בולעים כל דבר שנקרה בדרכם, אלא גם פולטים קרינה ורוח פלזמה (פלזמה היא גז חם שהאלקטרונים שבו נקרעו מן האטומים שלהם). רוחות הפלזמה, הנעות במהירויות שבין 300 ק"מ בשנייה ועד יותר מ-30,000 ק"מ בשנייה, משפיעות באופן דרמטי על  סביבת החור השחור ועל הגלקסיה כולה.

 

אופק האירועים

תרשים 1: איור הרוח הנושבת מדיסקת הספיחה ב- GRO J1655-40. קרדיט: NASA/CXC/A.HOBART

תרשים 1: איור הרוח הנושבת מדיסקת הספיחה ב- GRO J1655-40. קרדיט: NASA/CXC/A.HOBART

חורים שחורים נוצרים כאשר כוכב כבד יחסית (למעלה מ-3.5 מסות שמש) קורס לתוך עצמו כתוצאה מאובדן הדלק הגרעיני שלו. בסופה של הקריסה נותרת "סינגולריות" – נקודה זעירה בעלת מסה עצומה. ישות רעבתנית זו ניזונה מן הגז שהיא מושכת מכוכבים שכנים, ומאחר שאפילו האור שהיא בולעת אינו יכול להיחלץ ממנה היא קרויה "חור שחור".

בין החור השחור לסביבתו מפריד גבול כדורי (בקירוב) הקרוי "אופק האירועים". כל מה שעובר את אופק האירועים לכיוון מרכז החור השחור אכן נבלע שם לעד, אולם סביב אופק הארועים נע, בצורת דיסקה, חלק מן "הגז הגנוב" שנשאב מהכוכב השכן. זוהי "דיסקת הספיחה" הפולטת אור רב, בעיקר בתחום הרנטגן – לכן נקראות מערכות אלה לעתים X-Ray Binaries – וכן רוח פלזמה מהירה וסילונים. תהליך זה בחורים שחורים ענקיים במרכזי גלקסיות מעצב את המבנים הגדולים ביותר ביקום – גלקסיות וצבירי גלקסיות – ומייצר חלק ניכר מהקרינה המייננת ביקום.

במאמר המתפרסם כעת על ידי פרופ' אהוד בכר מהפקולטה לפיזיקה בטכניון, פרופ' קייגו פוקומורה מאוניברסיטת ג'יימס מדיסון ( JMU) ושותפיהם, מוצגות ראיות תצפיתיות לכך שהשדה המגנטי הנוצר סביב החור השחור ממלא תפקיד חיוני בהיווצרות דיסקת הספיחה והרוחות שהיא מפיצה. מאמר זה מרחיב לכלל החורים השחורים את המודל המגנטי-הידרודינמי שפיתחו החוקרים עבור חורים שחורים ענקיים. העובדה שאותו תיאור מתאים לחורים שחורים בסדרי גודל שונים, ממסת שמש ועד מיליארדי מסות שמש, מעיד על מבנה מגנטי יסודי כללי המתקיים בסביבת חורים שחורים.

המודל המתואר במאמר נבחן בפירוט רב באמצעות מיפוי קווי הבליעה של קרני הרנטגן הנפלטות על ידי מגוון אטומים הנמצאים ברוח הפלזמה. פרופ' בכר, שהוביל את הניתוח הספקטרוסקופי במחקר, מסביר כי "קווי הבליעה, שאותם אנו ממפים על סמך מאפייניהם הקינטיים (הסטה לכחול), מספקים לנו מידע נרחב ומעמיק על הרכב הרוח ועל האנרגיה בסביבת החור השחור. הם מאפשרים לנו למפות כמותית את צפיפות הרוח, את רמת היוניזציה שלה, את האנרגיה שלה ואת מהירותה. העובדה שמודל פשוט יחסית של רוח מגנטית מתאר את הרוח הניצפית על מורכבותה הופכת אות למודל מוצלח."

לסיכום, המאמר המתפרסם ב-Nature Astronomy שופך אור על "התנהלותם" של חורים שחורים ובעיקר על מנגנוני ההשפעה שלהם על סביבתם. המודל המגנטי-הידרודינמי מורחב במאמר זה לחורים שחורים בכל סקאלת הגדלים – מ-M10 ועד M109 (כאשר M הוא מסת השמש).

 

מסה נעה מכוכב שכן אל החור השחור בדיסקת ספיחה, המפיצה קרינת X. במהלך תנועת החלקיקים אל החור השחור אובדת חלק מהמסה ברוח. המודל שפיתח פוקומורה בעבר מצליח להסביר תהליכים אלה במודל מגנטי.   קרדיט: "Credit: An artist impression of the magnetically-driven disk-wind made by K. Fukumura using the BINSIM visualization code by R. Hynes (LSU)”

מסה נעה מכוכב שכן אל החור השחור בדיסקת ספיחה, המפיצה קרינת X. במהלך תנועת החלקיקים אל החור השחור אובדת חלק מהמסה ברוח. המודל שפיתח פוקומורה בעבר מצליח להסביר תהליכים אלה במודל מגנטי.
קרדיט: "Credit: An artist impression of the magnetically-driven disk-wind made by K. Fukumura using the BINSIM visualization code by R. Hynes (LSU)”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

למאמר ב-Nature Astronomy:

http://www.nature.com/articles/s41550-017-0062

לכתבה ב-Nature Astronomy:

www.nature.com/articles/s41550-017-0070