אנדראה גז: המצוד אחר חורים שחורים על-מסיביים

כיצד צופים במשהו שאי-אפשר לראות? זוהי שאלה בסיסית של אדם שמתעניין בגילוי ומחקר של חורים שחורים. כיוון שחורים שחורים הינם אובייקטים שמשיכת הכבידה שלהם היא כה חזקה כך ששום דבר לא יכול לברוח ממנה, אפילו לא קרני אור, כך שאי-אפשר לצפות בהם ישירות.

הסיפור שלי היום על חורים שחורים עוסק בחור שחור אחד מסויים. אני מעוניינת לגלות האם יש חור שחור מאוד מסיבי, כזה שאנו מכנים חור שחור "על-מסיבי", במרכז הגלקסיה שלנו. והסיבה שזה מעניין היא שזה נותן לנו אפשרות להוכיח האם האובייקטים האקזוטיים האלו אכן קיימים. שנית, זה נותן לנו את האפשרות להבין כיצד חורים שחורים על-מסיביים אלו יוצרים אינטראקציה עם סביבתם, וכן להבין כיצד הם משפיעים על התהוותן והתפתחותן של הגלקסיות בהן הם שוכנים.

ראשית כל, עלינו להבין מהו חור שחור כדי שנוכל להבין את הוכחת קיומם של חורים שחורים. אם כן, מהו חור שחור? מבחינות רבות, חור שחור הינו אובייקט פשוט להפליא, כיוון שישנם רק שלוש תכונות שניתנות לתאור: המסה, הסחרור, והמטען. אני עומדת לדבר רק על המסה. אם כן, מבחינה זו, זהו אובייקט פשוט. אבל מבחינה אחרת, זהו אובייקט מורכב מאוד ועלינו להעזר בפיסיקה אקזוטית למדי כדי לתארו, ומבחינה מסויימת הוא מייצג את התפוררות הבנתנו הפיסיקאלית ביחס היקום.

אבל היום, הדרך שבה אני רוצה שתתפסו את החור השחור, לצורך הוכחת קיומו, היא לחשוב עליו כעל אובייקט שמסתו מוגבלת לנפח אפסי. אם כן, למרות העובדה שאני עומדת לדבר איתכם על אובייקט שהוא על-מסיבי, ואני אסביר בעוד רגע מהי משמעות הדבר, אין לו גודל סופי. כך שזה קצת בעייתי.

אך למזלנו ישנו גודל סופי שכן ניתן לצפיה, והוא ידוע בשם רדיוס שוורצשילד. והוא נקרא על שם הבחור שזיהה מדוע זהו רדיוס כל-כך חשוב. זהו רדיוס מדומה, לא ממשי. לחור השחור אין גודל. אם כן, מדוע הוא כה חשוב? הוא חשוב מכיוון שהוא אומר לנו שכל אובייקט יכול להפוך לחור שחור. הכוונה היא גם אליך, לשכן שלך, לטלפון הנייד שלך, האולם יכול להפוך לחור שחור אם הייתם מוצאים דרך לדחוס אותו לגודל של רדיוס שוורצשילד.

בנקודה זו, מה יקרה? בנקודה זו משיכת הכבידה מנצחת. משיכת הכבידה גוברת על כל הכוחות האחרים הידועים. והאובייקט חייב להמשיך לקרוס לאובייקט קטן במידה אין-סופית. ואז הוא הופך לחור שחור. לו הייתי דוחסת את כדור-הארץ לגודל של קוביית סוכר, הוא היה הופך להיות חור שחור, כיוון שהגודל של קוביית סוכר הינו רדיוס שוורצשילד שלה.

כעת, המפתח הוא למצוא מהו רדיוס שוורצשילד המתאים. מסתבר שלמעשה די קל למצוא את התשובה. הוא תלוי אך ורק במסת האובייקט. לאובייקטים גדולים יותר יש רדיוסי שוורצשילד גדולים יותר. לאובייקטים קטנים יותר יש רדיוסי שוורצשילד קטנים יותר. אם הייתי לוקחת את השמש ודוחסת אותה לגודל של אוניברסיטת אוקספורד, היא הייתה הופכת להיות חור שחור.

ובכן, אנו יודעים כעת מהו רדיוס שוורצשילד. וזהו בעצם רעיון די שימושי, כיוון שהוא אומר לנו לא רק מתי יווצר חור שחור, אלא גם נותן לנו את מרכיבי המפתח להוכחת קיומו של חור שחור. אני זקוקה רק לשני דברים. אני צריכה להבין מהי המסה של האובייקט שאני טוענת שהוא חור שחור, ומהו רדיוס שוורצשילד שלו. וכיוון שהמסה קובעת את רדיוס שוורצשילד, יש רק דבר אחד שאני בעצם צריכה לדעת.

אם כן, כדי לשכנע אתכם שישנו חור שחור, תפקידי להראות שישנו איזשהו אובייקט שהוא מוגבל בהיקפו לרדיוס שוורצשילד שלו. ותפקידכם הוא להטיל ספק בכך. ובכן, אני עומדת לדבר על חור שחור שאינו רגיל; אני עומדת לדבר על חורים שחורים על-מסיביים.

ראשית, אני רוצה להגיד כמה מילים על מהו חור שחור רגיל, כאילו שיש דבר כזה, חור שחור רגיל. חור שחור רגיל נחשב לשלב הסופי בחייו של כוכב מאוד מסיבי. אם כן, אם כוכב מתחיל את חייו עם מסה גדולה בהרבה מהמסה של השמש, הוא יסיים את חייו בהתפוצצות וישאיר מאחוריו את שאריות הסופרנובה הנפלאות שאנו רואים כאן. ובתוך שארית הסופרנובה עתיד להיות חור שחור קטן בעל מסה גדולה בערך פי שלוש מזו של השמש. בקנה מידה אסטרונומי זהו חור שחור קטן מאוד.

וכעת, הייתי רוצה לדבר על חורים שחורים על-מסיביים. הסברה היא שהחורים השחורים העל-מסיביים שוכנים במרכזן של גלקסיות. ותמונה נהדרת זו שצולמה על ידי טלסקופ החלל האבל מראה לכם שגלקסיות קיימות בכל הצורות והגדלים. ישנן גדולות, ישנן קטנות. כמעט כל אובייקט בתמונה זו הוא גלקסיה. והנה ספירלה יפה מאוד, למעלה בצד שמאל. וישנם מאות מיליארדי כוכבים בגלקסיה ההיא. רק כדי לתת לכם קנה מידה. וכל האור שאנו רואים מגלקסיה טיפוסית, שהיא מאותו סוג של גלקסיות שאנו רואים כאן, מקורו באור שמגיע מהכוכבים. ובכן, אנו רואים את הגלקסיות הודות לאור הכוכבים.

ישנן כמה גלקסיות אקזוטיות יחסית. אני אוהבת לקרוא להן הפרימדונות של עולם הגלקסיות, כיוון שהן גנדרניות כאלה. ואנו קוראים להן גרעינים גלקטיים פעילים. ואנו קוראים להן כך כיוון שהגרעינים שלהן, או מרכזיהן, פעילים מאוד. אם כן, שם במרכז, הוא בעצם המקום ממנו מגיע רוב אור הכוכבים. ועדיין, מה שאנחנו למעשה רואים הוא אור שאינו יכול להיות מוסבר כאור שנובע מהכוכבים. הוא בעל אנרגיה גבוהה הרבה יותר. למעשה, במקרים מסויימים הוא דומה לאלה שאנו רואים כאן. ישנם גם סילונים שבוקעים מהמרכז. שוב, זהו מקור אנרגיה שקשה מאוד להסבירו אם מניחים שגלקסיות מורכבות רק מכוכבים.

אם כן, אנשים חשבו שאולי ישנם חורים שחורים על-מסיביים שחומר נופל לתוכם. מכאן, שאי-אפשר לראות את החור השחור עצמו, אבל ניתן להמיר את אנרגית הכבידה של החור השחור לאור שאנו רואים. קיים רעיון שאולי חורים שחורים על-מסיביים קיימים במרכזן של גלקסיות. אבל זהו סוג של טיעון עקיף.

בכל אופן, זה מעלה את הרעיון שייתכן שלא רק לפרימדונות הללו יש חורים שחורים על-מסיביים, אלא שיתכן שבמרכזיהן של כל הגלקסיות שוכנים חורים שחורים על-מסיביים אלה. ואם זה אכן כך - וזוהי דוגמה לגלקסיה רגילה; מה שאנחנו רואים הוא אור הכוכבים. ואם יש חור שחור על-מסיבי, עלינו להניח שזהו חור שחור בדיאטה. כיוון שזוהי הדרך להקטין את התופעה האנרגטית שאנו רואים בגרעינים גלקטיים פעילים.

אם נרצה לחפש אחר חורים שחורים חמקמקים אלו במרכזי הגלקסיות, המקום הטוב ביותר לחפש בו הוא בגלקסיה שלנו, שביל החלב שלנו. וזהו צילום במיפתח רחב של מרכז גלקסיית שביל החלב. ומה שאנו רואים היא שורה של כוכבים. וזה בגלל שאנו חיים בגלקסיה שהיא שטוחה ובעלת מבנה דיסקה. ואנו חיים במרכזה, כך שכאשר אנו מביטים לכיוון המרכז, אנו רואים את המישור הזה אשר מגדיר את מישור הגלקסיה, או קו שמגדיר את מישור הגלקסיה.

כעת, היתרון שבחקירת הגלקסיה שלנו הוא שזוהי פשוט הדוגמא הקרובה אלינו ביותר של מרכז גלקסיה שאי-פעם תהיה לנו, כיוון שהגלקסיה השניה הקרובה אלינו ביותר נמצאת במרחק גדול פי מאה. מכאן שאנו יכולים לראות הרבה יותר פרטים בגלקסיה שלנו מאשר בכל מקום אחר. וכפי שתראו בעוד רגע, היכולת לראות פרטים היא המפתח לניסוי הזה.

אם כן, כיצד מוכיחים האסטרונומים שישנה מסה רבה בתוך נפח קטן? זהו תפקידי להראות לכם כיום. והכלי שבו נשתמש הוא צפיה בדרך שבה הכוכבים חגים סביב החור השחור. כוכבים יסתובבו סביב החור השחור בדיוק באותה דרך שבה כוכבי-לכת חגים סביב השמש. המשיכה הגרוויטציונית היא אשר גורמת לגופים אלו לחוג במסלול סביב אובייקט אחר. אם לא היו אובייקטים מסיביים אלו, גופים אלו היו מתעופפים הלאה או לפחות היו נעים בקצב איטי הרבה יותר כיוון שכל מה שקובע כיצד הם חגים הוא כמה מסה נמצאת במרכז המסלול שלהם.

זה נהדר, כי אתם זוכרים שתפקידי הוא להראות שישנה הרבה מאוד מסה בתוך נפח קטן. כך שאם אני יודעת כמה מהר הוא חג, אני יודעת מה המסה. ואם אני יודעת את גודל מסלול הסיבוב, אני יודעת מה הרדיוס. אם כן, אני רוצה לראות את הכוכבים שקרובים כמה שיותר למרכז הגלקסיה. כיוון שאני רוצה להראות שיש מסה בתוך איזור קטן כמה שיותר. מכאן, שאני רוצה לראות כמה שיותר פרטים. וזו הסיבה שלצורך ניסוי זה השתמשנו בטלסקופ הגדול בעולם.

זהו מצפה הכוכבים קק. הוא מכיל שני טלסקופים עם מראה בקוטר 10 מטרים, שזה בערך הקוטר של מגרש טניס. זה נהדר כיוון שההבטחה של מסע התעמולה למען טלסקופים גדולים היא שככל שהטלסקופ גדול יותר, נוכל לראות פרטים קטנים יותר. מסתבר שלטלסקופים אלו, או כל טלסקופ אחר על פני האדמה יש קושי לעמוד בהבטחות מסע התעמולה. וזה בגלל האטמוספירה. האטמוספירה נהדרת עבורנו; היא מאפשרת לנו לשרוד כאן על כדור הארץ. אבל היא די מקשה על האסטרונומים שרוצים להביט דרך האטמוספירה על מקורות אסטרונומים.

אז כדי לתת לכם מושג מהי התחושה, זה בעצם כמו להסתכל על חלוק נחל בקרקעית של נחל. כשמתבוננים בחלוק נחל על הקרקעית, המים שנעים ומתערבלים, מקשים מאוד לראות את החלוק שנמצא על קרקעית הנחל. באופן דומה למדי, קשה מאוד לראות מקורות אסטרונומיים, בגלל האטמוספירה שנעה וחולפת כל הזמן.

ובכן, ביליתי חלק ניכר מהקריירה שלי בפיתוח דרכים לפצות על השינויים הנגרמים בגלל האטמוספירה, כדי שנוכל לקבל תצפית נקיה יותר. תיקונים אלו מאפשרים לנו שיפור של בערך פי - 20. ואני חושבת שכולכם תסכימו שאם אתה יכול למצוא דרך לשפר את החיים פי - 20 אז כנראה ששיפרת בהרבה את איכות חייך, בוודאי שתבחין למשל בשיפור במשכורת או אצל ילדיך.

ואנימציה זו מציגה דוגמא אחת לטכניקות בהן אנו משתמשים, שנקראות אופטיקה מסתגלת. אתם רואים אנימציה שעוברת בין דוגמא של מה שרואים אם לא משתמשים בטכניקה זו, במילים אחרות, סתם תמונה שמראה את הכוכבים, והמסגרת ממורכזת במרכז הגלקסיה. היכן שאנו חושבים שהחור השחור נמצא. אם כן, ללא טכנולוגיה זו לא ניתן לראות את הכוכבים. בעזרת טכנולוגיה זו אפשר לפתע לראות את זה. טכנולוגיה זו עובדת על ידי הוספת מראה למערכת האופטית של הטלסקופ שמשתנה בצורה רציפה כדי לנגד את ההשפעה של האטמוספירה. אם כן, מראה זו היא מעין משקפי ראיה מאוד משוכללים עבור הטלסקופ.

כעת, בשקפים הבאים אני עומדת להתמקד בריבוע הקטן הזה. אנו עומדים להתבונן בכוכבים שנמצאים בתוך הריבוע הקטן הזה, למרות שאנו מביטים בכולם. ואני רוצה לראות כיצד דברים אלו זזו. ולאורך ניסוי זה הכוכבים האלו נעו מרחק עצום. ביצענו את הניסוי הזה לאורך 15 שנים, ואנו רואים שהכוכבים נעו לאורך כל הדרך מסביב.

לרוב האסטרונומים יש כוכב מועדף, והכוכב המועדף שלי היום הוא זה שנקרא אס-או-2. בהחלט הכוכב המועדף עלי. וזה מפני שהוא מבצע הקפה מלאה ב- 15 שנים בלבד. וכדי לתת לכם מושג כמה מהר זה, לשמש לוקח 200 מליון שנים כדי להקיף את מרכז הגלקסיה. לכוכבים שהכרנו לפני כן, שהיו קרובים במידה כזו למרכז הגלקסיה לוקח 500 שנים לבצע הקפה. וכוכב זה, מבצע הקפה בתוך תקופת חיי אדם. זה די מדהים, מבחינה מסויימת.

אבל זוהי נקודת המפתח לניסוי הזה. מסלול ההקפה אומר לי כמה מסה יש בתוך רדיוס קטן מאוד. ובכן, כעת אנחנו רואים תמונה שמראה לכם לפני הניסוי את הגודל בתוכו יכולנו לתחום את המסה של מרכז הגלקסיה. מה שידענו קודם לכן הוא שהמסה שם היתה פי ארבעה מיליון מהמסה של השמש בתוך המעגל ההוא. וכפי שאתם רואים, היו הרבה דברים אחרים בתוך המעגל הזה. אתם יכולים לראות הרבה כוכבים. מכאן שהיו בעצם הרבה חלופות לרעיון שיש חור שחור על-מסיבי במרכז הגלקסיה, כיוון שניתן היה להכניס לשם הרבה דברים.

אבל בעזרת ניסוי זה הגבלנו את אותה המסה לנפח קטן בהרבה קטן פי עשרת אלפים. וכתוצאה מכך, היינו יכולים להוכיח שיש שם חור שחור על-מסיבי. כדי שתקבלו מושג עד כמה קטן הגודל הזה, זהו הגודל של מערכת השמש שלנו. אז אנחנו דוחסים את מסת השמש פי ארבעה מיליון לנפח קטן זה.

וכעת, לגבי אמת בפרסום... אמרתי לכם שתפקידי הוא לצמצם את זה לרדיוס שוורצשילד. והאמת שהיא, שעוד לא ממש הגעתי לכך. למעשה אין לנו כיום אלטרנטיבה שמסבירה את ריכוז המסה הזה. והאמת היא שזוהי ההוכחה הטובה ביותר שיש לנו כיום לא רק לקיום חור שחור על-מסיבי במרכז הגלקסיה שלנו, אלא בכל היקום שלנו. אז מה הלאה? האמת היא שאני חושבת שזה בערך המיטב שנוכל להשיג עם הטכנולוגיה של היום, אז בואו נתקדם הלאה עם הבעיה.

אז מה שאני רוצה להציג לכם, בקצרה, הן כמה דוגמאות מהדברים המלהיבים שאנו יכולים לעשות כיום במרכז הגלקסיה, עכשיו שאנו יודעים שיש שם, או לפחות מאמינים, שיש שם חור שחור על-מסיבי. והשלב הכייפי בניסוי זה הוא, שכאשר בדקנו כמה מהרעיונות שלנו על ההשלכות של הימצאות חור שחור על-מסיבי במרכז הגלקסיה שלנו, כמעט כל אחת מהן אינה מתיישבת עם מה שאנחנו באמת רואים. וזה הכייף שבעניין.

הרשו לי להציג בפניכם שתי דוגמאות. אתם יכולים לשאול, "מה היית מצפה מהכוכבים הבוגרים, כוכבים שהיו בקרבת מרכז הגלקסיה במשך זמן רב, היה להם שפע זמן לאינטראקציה עם החור השחור." מה שצפוי הוא שהכוכבים הבוגרים יהיו מרוכזים מסביב לחור השחור. הייתם צריכים לראות המון כוכבים בוגרים ליד החור השחור.

באותו אופן, עבור כוכבים צעירים, או בניגוד לכך, הכוכבים הצעירים, הם פשוט לא אמורים להיות שם. חור שחור אינו מהווה סביבה נעימה "לפעוטון כוכבי". על-מנת שכוכב יווצר, כדור גדול של גז ואבק צריך לקרוס. וזוהי יישות שברירית מאוד. ומה החור השחור הגדול עושה? הוא קורע את ענן הגז לחתיכות. הוא מושך בצד אחד הרבה יותר חזק מאשר בצד השני והענן נקרע לגזרים. למעשה, צפינו שהיווצרות של כוכבים אינה יכולה להמשך בסביבה שכזו.

מכאן, שאנחנו לא אמורים לראות כוכבים צעירים. אם כן, מה אנו כן רואים? בעזרת תצפיות אחרות מאלו שהראיתי לכם היום, אנחנו יכולים להבין מי מהם בוגרים ומי מהם צעירים. הבוגרים הם אדומים. הצעירים הם כחולים. ולגבי הצהובים, אנחנו עדיין לא יודעים. אתם כבר יכולים לראות את ההפתעה. יש חוסר בכוכבים בוגרים. יש שפע של כוכבים צעירים, ההפך המוחלט ממה ששיערנו.

וזהו החלק הכייפי. ולמעשה, כיום, זה מה שאנחנו מנסים להבין, התעלומה של איך -- איך פותרים את הסתירה הזו למעשה, התלמידים שלי נמצאים ברגעים אלו ממש ליד הטלסקופ, בהוואי, מבצעים תצפיות שיביאו אותנו בתקווה לשלב הבא, שבו נוכל לענות על השאלה מדוע ישנם כל-כך הרבה כוכבים צעירים, וכה מעט בוגרים. כדי להתקדם הלאה עלינו להתבונן במסלוליהם של כוכבים הרבה יותר רחוקים. כדי לעשות זאת כנראה שנצטרך טכנולוגיות מתקדמות הרבה יותר ממה שיש בידינו כיום.

כי, למען האמת, כשאמרתי שאנחנו מפצים על עיוותי האטמוספירה של כדור-הארץ, אנחנו למעשה מתקנים רק חצי מהשגיאות שמתווספות. אחנו עושים זאת על-ידי שיגור קרן לייזר אל האטמוספירה, ואנחנו חושבים שאם נוכל להקרין עוד כמה אז נוכל לתקן את השאר. אז זה מה שאנחנו מקווים לעשות במהלך השנים הבאות. ובראייה לטווח ארוך בהרבה אנחנו מקווים לבנות טלסקופים אף גדולים יותר, כיוון שתזכרו, גדול יותר הוא טוב יותר באסטרונומיה.

אז אנחנו רוצים לבנות טלסקופ בקוטר 30 מטרים. ועם טלסקופ כזה אנחנו אמורים לראות כוכבים קרובים עוד יותר למרכז הגלקסיה. ואנחנו מקווים שנוכל לבדוק כמה מהתיאוריות הנוגעות לתורת היחסות הכללית של איינשטיין, רעיונות בקוסמולוגיה העוסקים באופן היווצרות גלקסיות. אנחנו חושבים שהעתיד של ניסוי זה הוא מלהיב למדי.

לסיכום, אני עומדת להציג בפניכם אנימציה שמראה כיצד מסלולים אלו נעים בשלושה מימדים. ואני מקווה, שלפחות שיכנעתי אתכם שראשית, אכן יש לנו חור שחור על-מסיבי במרכז הגלקסיה. ושהמשמעות היא שדברים אלו אכן קיימים ביקום שלנו, ושעלינו להתמודד עם כך, עלינו להסביר כיצד יכולים להיות אובייקטים כאלו בעולמנו הפיסי.

שנית, עלה בידינו לבחון אינטראקציה זו בין גופים שחורים על-מסיביים, ולהבין, אולי, את התפקיד שהם ממלאים בעיצובן של הגלקסיות ואופן פעולתן.

ודבר אחרון, אך חשוב לא פחות, דבר מזה לא היה קורה ללא ההתקדמות העצומה שהושגה בחזית הטכנולוגית. ואנחנו חושבים שזהו תחום שמתקדם בקצב מהיר ביותר, וצופן בחובו דברים רבים לעתיד. תודה רבה לכם. (מחיאות כפיים)