חורים שחורים הם עצמים ביקום עם כל כך הרבה מסה שנלכדת בגבולותיהם עד שיש להם שדות כבידה חזקים להפליא. למעשה, כוח הכבידה של חור שחור הוא כה חזק עד ששום דבר לא יכול לברוח ברגע שהוא נכנס פנימה. אפילו אור אינו יכול להימלט מחור שחור, הוא כלוא בפנים יחד עם כוכבים, גז ואבק. מרבית החורים השחורים מכילים פעמים רבות את מסה של השמש שלנו והכבדים ביותר יכולים להיות בעלי מיליוני מסות שמש.
למרות כל המסה ההיא, הייחודיות האמיתית המהווה את ליבת החור השחור מעולם לא נראתה ולא צולמה. זו, כפי שהמילה מרמזת, נקודה זעירה בחלל, אבל יש בה המון המון. אסטרונומים מסוגלים ללמוד רק חפצים אלה דרך השפעתם על החומר הסובב אותם. החומר סביב החור השחור יוצר דיסק מסתובב שנמצא ממש מעבר לאזור המכונה "אופק האירועים", שהוא נקודת הכבידה של אין חזרה.
מבנה חור שחור
"אבן הבניין" הבסיסית של החור השחור היא הייחודיות: אזור נקודתי בחלל המכיל את כל מסת החור השחור. סביבו אזור מרחב שממנו אור אינו יכול להימלט, ומעניק ל"חור השחור "את שמו. ה"קצה "החיצוני של אזור זה הוא זה שמרכיב את אופק האירועים. זהו הגבול הבלתי נראה בו משיכת שדה הכבידה שווה לגבול מהירות האור. זה גם המקום שבו הכבידה ומהירות האור מאוזנות.
מיקום אופק האירוע תלוי במשיכה הכבידה של החור השחור. אסטרונומים מחשבים את מיקום אופק האירועים סביב חור שחור בעזרת המשוואה Rs = 2 גרם / ג2. ר הוא רדיוס הייחודיות, ז הוא כוח הכובד, M היא המיסה, ג היא מהירות האור.
סוגי חור שחור ואיך הם יוצרים
ישנם סוגים שונים של חורים שחורים והם מתרחשים בדרכים שונות. הסוג הנפוץ ביותר ידוע כחור שחור בעל המוני כוכבים. אלה מכילים בערך פי כמה ממסת השמש שלנו, ונוצרים כשהם גדולים רצף עיקרי הכוכבים (פי 15-15 מכמות השמש שלנו) נגמרים מדלק גרעיני בליבותיהם. התוצאה היא מסיבית פיצוץ סופרנובה הפוצץ את השכבות החיצוניות של הכוכבים לחלל. מה שנשאר מאחור מתמוטט ליצירת חור שחור.
שני הסוגים האחרים של חורים שחורים הם חורים שחורים סופר-מסיביים (SMBH) וחורים שחורים במיקרו. SMBH יחיד יכול להכיל מסה של מיליונים או מיליארדי שמש. חורים שחורים במיקרו הם, כשמו כן הוא, זעירים מאוד. יתכן שיש להם רק 20 מיקרוגרם של מסה. בשני המקרים המנגנונים ליצירתם אינם ברורים לחלוטין. חורים שחורים מיקרו קיימים בתיאוריה אך לא זוהו ישירות.
נמצא כי חורים שחורים סופר-מסיביים קיימים בליבות של רוב הגלקסיות ומוצאם עדיין מתלבט בחום. זה אפשרי החורים השחורים העל-מסיביים האלה הם תוצאה של מיזוג בין חורים שחורים קטנים יותר, המוניים בכוכבים, ואחרים משנה. חלק מהאסטרונומים מציעים כי הם עשויים להיווצר כאשר כוכב יחיד מסיבי ביותר (מאות פעמים מסת השמש) קורס. כך או כך, הם מסיביים מספיק כדי להשפיע על הגלקסיה במובנים רבים, החל מהשפעות על שיעורי לידה בכוכבים ועד מסלולי כוכבים וחומר בסביבתם הקרובה.
לעומת זאת, חורים שחורים במיקרו יכולים להיווצר במהלך התנגשות של שני חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה מאוד. מדענים טוענים שזה קורה ברציפות באטמוספירה העליונה של כדור הארץ וכנראה שזה יקרה במהלך ניסויים בפיזיקת החלקיקים במקומות כמו CERN.
כיצד מדענים מודדים חורים שחורים
מכיוון שאור אינו יכול לברוח מהאזור סביב חור שחור המושפע מאופק האירועים, איש אינו יכול באמת "לראות" חור שחור. עם זאת, אסטרונומים יכולים למדוד ולאפיין אותם לפי ההשפעות שיש להם על סביבתם. חורים שחורים הנמצאים בסמוך לחפצים אחרים מפעילים עליהם השפעה כבידתית. ראשית, מסה יכולה להיקבע גם על ידי מסלול החומר סביב החור השחור.
בפועל, אסטרונומים מסיקים את נוכחות החור השחור על ידי חקר אופן התנהגותו של האור סביבו. לחורים שחורים, כמו כל החפצים המסיביים, יש מספיק משיכת כבידה בכדי לכופף את נתיב האור כשהוא עובר. כשכוכבים שמאחורי החור השחור נעים יחסית אליו, האור שנפלט על ידיהם ייראה מעוות, או שהכוכבים ייראו כאילו הם נעים בצורה לא שגרתית. ממידע זה ניתן לקבוע את מיקום החור השחור ומסתו.
זה בולט במיוחד באשכולות גלקסיות בהן המסה המשולבת של האשכולות, החומר האפל שלהן חורים שחורים יוצרים קשתות וטבעות בצורת תמוה על ידי כיפוף האור של עצמים רחוקים יותר ככל שהוא עובר.
אסטרונומים יכולים לראות גם חורים שחורים על ידי הקרינה שהחומר המחומם סביבם מפטיר, כמו קרני רדיו או רנטגן. המהירות של אותו חומר נותנת רמזים חשובים למאפייני החור השחור שהוא מנסה לברוח.
קרינת הוקינג
הדרך האחרונה שאסטרונומים יוכלו לאתר חור שחור היא באמצעות מנגנון המכונה קרינת הוקינג. נקרא בשם הפיזיקאי והקוסמולוג התיאורטי הידוע סטיבן הוקינגקרינת הוקינג היא תוצאה של תרמודינמיקה המחייבת אנרגיה לברוח מהחור השחור.
הרעיון הבסיסי הוא שבגלל אינטראקציות טבעיות ותנודות בוואקום, החומר ייווצר בצורה של אלקטרון ואנטי-אלקטרון (המכונה פוזיטרון). כאשר זה מתרחש בסמוך לאופק האירועים, חלקיק אחד ייפלט מהחור השחור, ואילו השני ייפול לבאר הכבידה.
למתבונן, כל מה ש"נראה "הוא חלקיק שנפלט מהחור השחור. החלקיק ייראה כבעל אנרגיה חיובית. משמעות הדבר היא בסימטריה כי לחלקיק שנפל לחור השחור יהיה אנרגיה שלילית. התוצאה היא שככל שחור שחור מתיישן, הוא מאבד אנרגיה ולכן מאבד מסה (על ידי המשוואה המפורסמת של איינשטיין, E = MC2, איפה ה= אנרגיה, M= מסה, ו ג הוא מהירות האור).
נערך ועודכן על ידי קרולין קולינס פיטרסן.