ניתן לתאר ולהבין מהם חורים שחורים רק באמצעות תורת היחסות של איינשטיין, אך קיומם הונח עוד לפני למעלה מ- 200 שנה. הכומר ג'ון מיטשל, אסטרונום חובב אנגלי, ידע שלפי חוק הכבידה של ניוטון לגופים מסיביים וצפופים ישנן מהירויות מילוט גבוהות. בשנת 1784 הוא ציין כי לגוף צפוף דיו עשויה להיות מהירות מילוט העולה על מהירות האור. מכיוון שכל הקרינה האלקטרומגנטית נעה במהירות האור, הרי שגוף כזה יהיה חשוך לחלוטין.
ניתן להבין את טבעו של חור שחור באמצעות רעיון מהירות המילוט. דמיינו שהשמש נדחסה בדרך כלשהי לחור שחור של מסת שמש אחת. על רקטה שעוברת במרחק גדול יפעל אותו שדה כבידה כמו רקטה שחולפת במרחק גדול מהשמש. במרחק יחידה אסטרונומית אחת מהחור השחור הזה המהירות הדרושה כדי להימלט לחלל הבין-כוכבי תהיה 42 ק"מ לשנייה, זהה למהירות הנדרשת ליציאה ממסלול כדור הארץ סביב השמש לחלל. ניתן לראות כי כוח המשיכה במרחק גדול מחור שחור אינו חזק במיוחד. לכן, חור שחור אינו מתנהג כמו "שואב אבק" קוסמי, ויונק את כל מה שנמצא בסביבתו. אולם ככל שמתקרבים לחור השחור, כך עולה מהירות המילוט הנדרשת. יש צורך במהירויות גדולות יותר בכדי להימלט מכוח המשיכה ההולך וגדל. במרחק של 3 ק"מ מחור שחור זה מהירות המילוט הנדרשת תשווה למהירות האור. מכיוון שידוע כי אין דבר היכול לנוע מהר יותר מהאור, הרי דבר לא יכול לברוח מתחום זה.
אם תדחסו כוכב דמוי שמש לרדיוס של 3 קילומטרים תקבלו חור שחור. התחום הדמיוני הנמצא ברדיוס של 3 ק"מ מכוכב כזה נקרא אופק האירועים. בתוך משטח זה, שום גוף, שום חלקיק, שום מידע, אפילו אור אינו יכול לברוח. כל כוכב שמתמוטט נעלם מהיקום באופק האירועים שלו, ניתן לזהות את קיומו רק בשל כוח הכבידה שהוא מוסיף להפעיל.
באדיבות וויקיפדיה
הרדיוס של אופק האירועים נקרא רדיוס שוורצשילד, על שם האסטרונום היהודי שהיה הראשון לפתור את משוואות היחסות הכללית של איינשטיין עבור כוכב סימטרי שקרס. כיצד נוצר חור שחור? כל גוף בעל מסה יכול להפוך לחור שחור אם הוא דחוס מספיק. עם זאת, קיומם של חורים שחורים הופיעה בתיאוריה של התפתחות כוכבים. כל כוכב המסיים את חייו ומסת הליבה שלו עולה על 3 מסות שמש יהפוך לחור שחור, מכיוון שאין כוח בטבע היכול למנוע את קריסתו לתוך אופק האירועים שלו.
ניתן להשתמש בתורת היחסות הכללית כדי לחשב את השפעת הכבידה על קרני אור במרחקים שונים מאופק האירועים. במרחק גדול מחור שחור האור מתרחק ממקור אור באופן אחיד לכל הכיוונים. כאשר מתקרבים לחור השחור, האור העובר ליד החור יסטה מעט. קרוב יותר לאופק האירועים, חלק מקרני אור מוסחות על ידי כוח המשיכה החזק ונלכדות על ידי החור השחור. במרחק של פי 1.5 מרדיוס שוורצשילד מחצית מהאור מצליח להתחמק. פוטונים שנפלטים בזווית ישרה לכיוון הרדיאלי של החור השחור נלכדים במסלולים מעגליים. מסלולים אלה מגדירים את כדור הפוטונים. ברדיוס שוורצשילד, הסטת האור כה חמורה, עד ששום אור אינו יכול להימלט. כך מוגדר אופק האירועים.
ניתן להשתמש באנלוגיה נוספת כדי להבהיר את העקמומיות הקיצונית במרחב-זמן הנגרמת על ידי חורים שחורים. תורת היחסות הכללית מנבאת שכל מסה תעוות את המרחב והזמן סביבה. אנלוגיה טובה עיקום החלל בשני מימדים היא העיוות המתרחש במשטח עשוי גומי דק. בהעדר חומר, המרחב יהיה שטוח וללא עקמומיות. כאשר מסה מונחת על המשטח, העיוות גדול דיו כדי להטות את מסלולי חומר וקרינה העוברים לידו. במקרה הקיצוני של חור שחור, העקמומיות גדולה מאד. אנו יכולים לדמיין כי פיסת המרחב והזמן "מצטמצמת" ומסולקת לצמיתות, חדלה כל אפשרות של תקשורת בין החור השחור לבין שאר היקום.
באדיבות וויקיפדיה
אם לחוסר מזלך היית נופל לעבר חור שחור בעל מסת שמש אחת, היית נהרג על ידי כוחות הגאות והשפל הרבה לפני שהיית מגיע לאופק האירועים. (בעיקרו של דבר, ההבדל בין כוח הכבידה הפועל על ראשך לבין הכוח הפועל על רגליך היה קורע אותך לגזרים!) בהנחה שאיכשהו תוכל לשרוד את התנועה לעבר החור השחור, היית רואה איך שעונים הנמצאים רחוק ממנו מציגים זמן ההולך ומאט ככל שמתקרבים אל אופק האירועים ושם עוצרים לגמרי. מבחוץ, נראה שהשעון שלך מאט כך שנדרש זמן אינסופי להגיע לאופק האירועים! אם היית נושא אתך מקור אור במהלך הנפילה אל עבר החור השחור, צופה רחוק היה רואה שהפוטונים הנפלטים ממקור האור עוברים הסחה לאדום ההולכת וגדילה (למרות שבעיניך האור צבע האור היה נשאר קבוע). ההסחה לאדום מתרחשת מכיוון שאור מאבד אנרגיה במהלך ההתגברות על כוח הכבידה. מבחוץ נראה, שהפוטונים עוברים הסחה אינסופית לאדם עד שיגיעו לאופק האירועים.
מה טמון בתוך אופק האירועים של חור שחור? איש אינו יודע באמת. אופק האירועים אינו מחסום פיזי, אלא רק מחסום מידע. התיאוריה של איינשטיין מנבאת שהחומר ימשיך לקרוס בשל כוח הכבידה עד שהוא יצטמצם לנקודה חסרת נפח ובעלת צפיפות אינסופית! נקודת קצה זו נקראת ייחודיות (סינגולריות) ולא ניתן לתאר אותה כראוי בעזרת תורת היחסות הכללית. חורים שחורים אינם שחורים לחלוטין. בשנות השבעים חישב הפיזיקאי האנגלי סטיבן הוקינג כי חורים שחורים יכולים ליצור חלקיקים תת-אטומיים ליד אופק האירועים שלהם ולהקרין לאט לאט את האנרגיה שלהם, או "להתאדות". קרינת הוקינג כביכול צפויה להיות דרמטית עבור חורים שחורים מיקרוסקופיים, אך בקושי מורגשת עבור חורים שחורים בגודל השמש. חשובה הרבה יותר העובדה שכל חומר הנופל לעבר אופק האירועים יושפע מכוח כבידה עצום. החיכוך והחימום של החומר שנפל לתוכו ישוחרר בצורה של קרינת רנטגן. לכן חור שחור עשוי להיות מקור לאנרגיה כתוצאה פרפורי הגסיסה של חומר הנופל לתוכו.
באדיבות Teach Astronomy
האם ניתן בכלל לקוות לזהות חור שחור? כן. מחוץ לאופק האירוע שלהם, יש לחורים שחורים שדות כוח כבידה הדומים לאלה של כוכבים רגילים בעלי אותה המסה. כך שפלנטות יכולות להקיף אותם או בני לוויה כמו במקרה של כוכב כפול. לו היינו צופים בכוכב כזה מרחוק, לא היינו רואים את החור השחור, אך היינו יכולים לראות את תנועתו של הכוכב ולחשב את המסה של בן הלוויה הבלתי נראה, בדיוק כפי שעושים אסטרונומים במקרה של כוכבים שבקושי פולטים אור. התוצאה תצביע על שותף בכוכב כפול בעל מסה גבוהה במיוחד שהוא גם מקור לקרינת רנטגן – בעל 5 או 10 מסות שמש – סימן לכך שאנחנו מזהים מועמד לחור שחור.
נניח כי חור שחור נע סביב כוכב שהתפשט והגיע לממדי ענק אדום, והכוכב מעביר אליו חומר. חלק מהגז המתפשט ייפול לעבר החור השחור במהירות יחסותית. מכיוון שלגז זה היה, בממוצע, תנע זוויתית כלשהי סביב הכוכב, במקום ליפול ישירות לעבר החור השחור, הוא יוצר דיסק של גז המסתחרר פנימה לעבר החור השחור. דיסק זה נקרא דיסקת ספיחה. הגז סביב החור השחור יהיה חם במיוחד מכיוון שהוא שפוגע בו גז חדש, שמוזרם מהכוכב האחר, ללא הפסקה. בגלל הטמפרטורה הגבוהה, הדיסק מקרין בתחומים אולטרה סגול או רנטגן.
באדיבות Teach Astronomy
העדויות הטובות ביותר לקיומו של חור שחור נמצא במקור רנטגן מאסיבי בעל טמפרטורה גבוהה, שמקיף כוכב רגיל אחר. יש כרגע כתריסר מועמדים מצוינים, ועוד כתריסר מועמדים מתקבלים על הדעת. גרם שמימי אחד כזה הוא Cygnus X-1, זוהי מערכת בינארית המורכבת מכוכב על-ענק, שאנו יכולים לראות, המקיף שותף בלתי נראה. המסה של השותף חושבה והיא מגיעה לכדי 5 מסות שמש, המערכת היא מקור רנטגן מהבהירים ביותר בשמיים. זהו אחד המועמדים הברורים ביותר לחור שחור, בקרב כמה עשרות מערכות בינאריות בעלות דסקת ספיחה גדולה.
הטיעון לקיום חור שחור במערכות אלה כולל שלושה שלבים: ראשית, פליטת הרנטגן חייבת להיות בקנה אחד עם העברת חומר לגוף קומפקטי. שנית, חישוב מסלול המערכת הבינארית חייב להוביל למסה עבור גוף קומפקטי העולה על 3 מסות שמש. שלישית, בהנחה שתורת היחסות הכללית היא התיאוריה הנכונה של הכבידה, וכי כוכבי נויטרונים בעלי מסה העולה על 3 מסות שמש אינם יכולים להתקיים. האם הראיות משכנעות? לכל התצפיות מצורפת אי-וודאות והפרשנות של הממצאים עקיפה ונסיבתית. בעוד שהראיות לקיומם של כוכבי נויטרונים משכנעות, הרי שהעדויות לחורים שחורים חזקות אך אינן מכריעות. חורים שחורים הם החברים האקזוטיים ביותר ב"גן-החיות" של הכוכבים, ואסטרונומים ממשיכים לפעול להוכחת קיומם מעבר לכל ספק סביר.
Author: Chris Impey