חורים היו ושחורים נשארו

ממחשבה תאורטית, תרגיל דמיון ותעוזה מתמטית, נולדו החורים השחורים והחלו בקריירה מפתיעה
X זמן קריאה משוער: 18 דקות

ביום חמישי, 25 בנובמבר 1915, הציג אלברט איינשטיין, פקיד במשרד הפטנטים שהיה לפרופסור מכובד באוניברסיטה, את הרצאתו הרביעית והאחרונה באקדמיה הפרוסית למדעים בברלין. כותרתה הייתה "משוואות השדה של הכבידה", והרעיונות שהוצגו בה חוללו מהפכה בתפישה המדעית של הכבידה. איינשטיין הציע צורת חשיבה חדשה לחלוטין לגבי טבעם של מרחב, זמן וחומר. הוא שרטט מחדש את המפה הקוסמית שלנו. היה זה שינוי רדיקלי שכמותו לא התרחש לפני כן, או מאז.

כמעט בכל פעם שמדענים אוספים נתונים תצפיתיים וניסויים חדשים, או מדויקים יותר, שאינם עולים בקנה אחד עם התיאוריה המקובלת, ישנה קריאת תיגר על המודל המדעי השולט. ברוב המקרים, הנתונים החדשים האלה מביאים לעדכונים קלים בידיעותינו. ראו לדוגמה מקרה מהמאה ה-19, שבו נמדדו במסלולו של אורנוס סטיות מהמסלול הצפוי על-פי החוקים של ניוטון וקפלר מהמאה ה-17. ב-1846 ערך האסטרונום הצרפתי אוּרבּן לה וֶריֶיה חישובים מתמטיים, שעל-פיהם ניבא כי הסיבה לכך היא קיומו של גוף כבידה נסתר האורב בקרבת מקום. תוך חודשים ספורים החל האסטרונום הצעיר יוהן גוֹטפריד גאלֶה לערוך חיפושים וגילה את כוכב הלכת נפטון. חוקי ניוטון נותרו על כנם.

מעטים המקרים שבהם נתונים חדשים, הסותרים את הידע המדעי הקיים, אינם מובילים לליטושים של תיאוריה קיימת אלא מולידים תיאוריה חדשה לחלוטין

בהמשך, כשמדידות מדויקות יותר של תנועת כוכב חמה חשפו במסלולו תנודה קלה, כמעט בלתי ניתנת לזיהוי, ניסה לה ורייה להשתמש באותו פתרון כדי להסביר את הפער. הוא חזה את קיומו של כוכב לכת חדש, וולקן, החג באי-נוחות בין השמש לכוכב חמה. אך הפעם החיפוש העלה חרס. בסופו של דבר היה זה איינשטיין שסיפק לנו הסבר לתנודה במסלולו של כוכב חמה.

כוכב חמה, מרקורי

כוכב חמה (מרקורי). תצלום: ויפימדיה

2
מעטים המקרים שבהם נתונים חדשים, הסותרים את הידע המדעי הקיים, אינם מובילים לליטושים של תיאוריה קיימת אלא מולידים תיאוריה חדשה לחלוטין. לא יהיה מדויק לומר שגילוי התנודה בתנועתו של כוכב חמה הולידה תיאוריה חדשה. איינשטיין לא ניסה ישירות להסביר את החריגה במסלולו של כוכב חמה, אבל בעקיפין זה בדיוק מה שעשה. איינשטיין פיתח את תורת היחסות הכללית על סמך אינטואיציה עמוקה וחשיבה מופשטת טהורה. פריצות הדרך שלו התבססו על תובנות מתמטיות יסודיות, לא על נתונים חדשים.

איינשטיין פיתח את תורת היחסות הכללית על סמך אינטואיציה עמוקה וחשיבה מופשטת טהורה, לא על סמך נתונים חדשיםהגישה של איינשטיין נולדה כשהיה עדיין סטודנט. בתקופת לימודיו הוא זיהה אי-התאמות בין התיאוריים הפיזיים לתנועתם של אובייקטים – מכניקה קלאסית - לבין תורת האור – אלקטרומגנטיות קלאסית. הוא היה משוכנע שניתן למצוא קשר פשוט, אלגנטי ועקבי יותר בין התיאוריות. ב-1905 הוא מצא פתרון: תורת היחסות הפרטית.

איינשטיין שיער כי כל התופעות נשמעות לאותם חוקים פיזיקליים, יהיו אשר יהיו התנאים שבהם נערכות המדידות – בין אם מעמדה נייחת, ובין אם תוך כדי תנועה במהירות קבועה. הוא הראה שכתוצאה מכך, צופים הנעים במהירויות שונות יקבלו תוצאות שונות כשינסו למדוד את אורכיהם של אובייקטים ואת חלוף הזמן. ככל שננוע במהירות גבוהה יותר, אותו אובייקט יראה לנו קצר יותר, ונדמה יהיה לנו שהזמן נע יותר לאט.

המשוואות של איינשטיין, המאפשרות לנו לחשב את התקצרות מרווחי הזמן עבור צופים המצויים בתנועה, מתבססות על הנחה נועזת נוספת: מהירות האור בֶריק (299,792,458 מטר לשנייה) זהה בין אם מודד אותה צופה במנוחה ובין אם מודד אותה צופה בתנועה. מהנחה זו משתמע שדבר אינו מסוגל לנוע מהר יותר מאור. ביומיום קשה לנו להבין את מלוא משמעותה של ההנחה הזאת, אך היא נושאת בחובה השלכות בלתי צפויות על אובייקטים וצופים הנעים במהירות הקרובה יותר למהירות האור.

איינשטיין הגדיר את מהירות האור כערך אבסולוטי, ובכך הפך את הזמן למושג יחסי. ב-1907 הוכיח הרמן מינקובסקי, מתמטיקאי חד-תפישה, כי מה שאיינשטיין עשה, בעצם, הוא להפוך את הזמן לקואורדינטה הדומה לכל אחד משלושת הממדים שאנו חווים במרחב. איינשטיין קיבל במהרה את הישות הארבעה-ממדית הזו, ששמה "מרחב-זמן", כמסקנה הכרחית וכדרך נוחה לייצג את התיאוריות שלו.

תורת היחסות הפרטית חלה על אובייקטים הנעים במהירויות קבועות, אבל איינשטיין ידע שיהיה עליו לתאר גם אובייקטים בתאוצה. ב-1907, בעודו עובד על נושא זה, הוא הבין שאדם בנפילה חופשית, שתאוצתו נובעת מכבידה, לא יחוש את משקלו. אך לפי הפיזיקה הניוטונית הקלאסית, הכבידה היא כוח ולכן אדם בנפילה חופשית יחוש כאילו הכוח הזה מושך אותו מטה. איינשטיין הבין שתיאור הכבידה של ניוטון אינו מספק.

בתורת היחסות הכללית סיפק איינשטיין פרשנות חדשה לחלוטין למציאות, המבוססת על מושג רצף המרחב-זמן. לפי תורת היחסות הכללית, מסות מייצרות שדה כבידה שמעוות את צורת רצף המרחב-זמן. בתיאוריה זו, הכבידה אינה כוח שאובייקטים בעלי מסה מפעילים, אלא עיוות של מרקם המרחב-זמן. מסות יוצרות שקעים במרקם הזה, והשקעים האלה מכתיבים את תנועתם של אובייקטים במסלולים מעוקלים, כמו כדור שנע בפרבולה, או כוכב לכת במסלולו. היקום כולו מוטמע ברצף המרחב-זמן (אין שום דבר מעליו או מתחתיו) ומשתנה בהתאם לשקעים שיוצרים כל הגופים בעלי המסה באשר הם, כולל כוכבי לכת, כוכבים, חורים שחורים וגלקסיות. השקעים האלה משפיעים לא רק על תנועה, הם משנים גם את חלוף הזמן בסביבתם – הזמן נע לאט יותר ככל ששדה הכבידה חזק יותר.

תיאור חדש ורדיקלי זה של המציאות הניב לנו תחזיות ברורות. יתרה מזו, התחזיות האלה היו ניתנות לבדיקה, וכפועל יוצא גם ניתנות להפרכה. איינשטיין הציע מספר ניסויים. הוא חזה, למשל, "עידוש כבידתי", או סטיות של קרני אור ממסלולן בעקבות היתקלות בעיוותי מרחב-זמן הנוצרים על-ידי גופים מסיביים ביותר בעלי השפעות כבידתיות עזות. ב-1979 הוּכחה תופעת העידוש הכבידתי בזכות הופעתו של קְוואזָר מסוים. קוואזר הוא גרם שמים בוהק ביותר, שנוצר בעקבות השתחררות של כמויות אדירות של אנרגיה. השתחררות זו מתרחשת כאשר גז נדחס על-ידי שדה כבידה של אובייקט מסיבי בשם "חור שחור", שאותו עדיין איננו מסוגלים לראות. קרני האור של הקוואזר הזה מתעקמות, מכיוון שבינו לבין כדור הארץ יש גלקסיה, ולכן הוא נראה כשתי תמונות. מקומה של כל תמונה נקבע על-ידי מאפייני העיוות שהגלקסיה המפרידה יוצרת במרחב-זמן.

תורת היחסות הכללית חוזה גם כי שינויים דרמטיים במבנה רצף המרחב-זמן ייצרו רעידות שיתפשטו כמו אדוות על פני המים באגם. גלי הכבידה האלה, שהתגלו רק לאחרונה, כפי שאסביר בהמשך, ימשיכו לנוע ביקום לאורך ההיסטוריה.

לקבלתה של תורת היחסות הכללית כמתארת נאמנה את היקום, יש השלכות מרחיקות לכת. משוואות השדה של היחסות הכללית מאפשרות לנו לחשב את תכונותיו של רצף המרחב-זמן, כפי שהן נגזרות מחלוקות מסה ספציפיות. למעשה, ניתן לחשב תיאורים מפורטים של צורת המרחב-זמן על סמך כל החומר הקיים ביקום.

בשנות ה-20, הפיזיקאי הרוסי אלכסנדר פרידמן והכומר הבלגי ז'ורז' לֶמֶטְר מצאו פתרונות לתיאור יקום מתפשט והולך, יקום גדוש חומר, שבו רצף המרחב-זמן פרוש לאורך תולדות היקום. אף אחד מעולם לא ניסה לפניהם לתאר כך את היקום. המשוואות של איינשטיין הראו לנו שתוכן היקום כולו, הגיאומטריה שלו וגורלו, קשורים קשר בל-יינתק. אם נבין שניים מהגרומים, נוכל לחשב גם את השלישי.

החל מהמדידות הראשונות של התפשטות היקום, שנערכו על-ידי אדווין האבֶּל ב-1929, וכלה במדידות האצת ההתפשטות שנערכו לאחרונה, המשוואות האלה חוזות את קיומם של אלמנטים אחרים ומסתוריים ביקום, שעודם נסתרים מאיתנו: חומר אפל ואנרגיה אפלה. מהידע הקיים לגבי היקום ניתן להסיק כי רוב רובו של התוכן החומרי הוא חומר אפל, המורכב מחלקיקים אקזוטיים שאינם כמו האטומים הרגילים של הטבלה המחזורית המוכרת. החומר האפל אינו פולט אור ולכן, אף על פי שהוא מחולל כבידה, אי אפשר לראותו. את נוכחותו אנו גוזרים, בעקיפין, מהשפעתו על תנועתם של כוכבים נראים ועל אור. אנרגיה אפלה, לעומת זאת, היא כוח מסתורי, שככל הנראה מאיץ את התפשטות היקום. טבעה האמתי אינו ידוע לנו, אף שאנו מסוגלים לחזות בהשפעותיה. ומובן שלתורת היחסות הכללית היה מה לומר על כך שכוכב חמה הוא הקרוב ביותר למרכז מערכת השמש – כלומר על כך שהוא כוכב הלכת המושפע יותר מכול על-ידי כוח הכבידה של השמש המסיבית שלנו.

קווזר

קווזר. תצלום: NASA Marshall Space Flight Center

3
חוקי ניוטון משלו בפיזיקה במשך יותר מ-200 שנה לפני שבא איינשטיין וקרא עליהם תיגר. ב"עקרונות מתמטיים של פילוסופיית הטבע", חיבורו רב-החשיבות של ניוטון, הידוע גם בקיצור כ"פְּרִינְקִיפְּיָה" (1687), הוא מגדיר שלושה חוקי תנועה. החוקים מחברים בין חוקי תנועת כוכבי הלכת של קפלר לגישה המתמטית שלו עצמו לתיאור הכבידה. אף על פי ששמי הלילה תועדו ומופו בשקדנות מאז ימי קדם, למטרות חיזוי מזג האוויר, קפלר היה אחד הראשונים שהסבירו את התנועות המתרחשות בהם. מטרתו הייתה לייצר פיזיקה שמימית, שורה של עקרונות יסודיים המושלים בתנועות הכוכבים. ניוטון השיג את המטרה הזו כשניסח את שלושת חוקיו, שלפי אמונתו נבעו ממקור אלוהי.

חוק הכבידה האוניברסלי של ניוטון היה מרהיב. הוא איחד את הארצי עם השמימי והסביר הן את תנועתם של כוכבי הלכת והן את נפילתם של תפוחים מעצים. למרות שנותרו שאלות רבות לגבי התיאוריה של ניוטון, היא נחלה הצלחה אדירה בזכות כוחה ההסברתי. אך ככל שאיכות הנתונים האסטרונומיים שבידינו השתפרה והלכה, וככל שהשתפרנו במעקב אחרי מסלוליהם של כוכבי הלכת, החלו להתגלות הסדקים בתיאוריה של ניוטון.

בספרו החדש, The Hunt for Vulcan: And How Albert Einstein Destroyed a Planet, Discovered Relativity, and Deciphered the Universe, מגולל תומס לוונסוֹן את תולדות הסדקים האלה: ראשית, סתירות בין התיאוריה לבין מסלולו של אורנוס בפועל, ושנית, הסטייה הקלה במסלולו של כוכב חמה. הסיפור אינו עוסק רק בתיעוד האופן שבו תוקנה הטעות. לוונסון חוקר לעומק את התהליך שבמסגרתו גישות מדעיות קולטות לתוכן עובדות חדשות ומתפתחות. הוא חושף את הצד האישי והפסיכולוגי של המדע, ובייחוד את אופן ההתמודדות של מדענים עם מצב שבו הם נדרשים לזנוח רעיונות ישנים אף על פי שעדיין אין להם חלופה.

לוונסון ערך מחקר מעמיק לגבי האסטרונום והמתמטיקאי הצרפתי אורבּן לה ורייה. אותן תכונות שהפכו אותו למדען מצוין ומחונן, היו גם המקור לפגמיו האישיים. בזכות השאפתנות והמוטיבציה האדירה שלו, הוא הצליח לבצע חישובים שחשפו חורים במודל של ניוטון, אך אותן תכונות הפכו אותו גם למדען חסר רחמים ומניפולטיבי.

למרבה העניין, לוונסון כותב שהיו אינספור דיווחים, מכמה יבשות, על תצפיות של כוכב הלכת הדמיוני וולקן. היה מקובל לחשוב שאת וולקן הכי קל לזהות כאשר הוא חולף על פני השמש בזמן ליקוי חמה. לקראת ליקוי החמה המלא של 29 ביולי, 1878, התעוררה בקהילה האסטרונומית האמריקאית תשוקה חסרת רסן ליישב את שאלת קיומו של וולקן. אסטרונומים נהרו לרוֹלינס שבווייומינג, שם היה צפוי ליקוי החמה להימשך שתי דקות ו-56 שניות. מסילת הרכבת הטרנס-יבשתית התעקלה לאורך מסלול ליקוי החמה, ולכן שימשה כנקודת תצפית מצוינת עבור האסטרונומים החמושים בציוד מסורבל.

אך באותו יום הם לא הצליחו להגיע לתמימות דעים. חלקם טענו שראו את וולקן חולף על-פני השמש, אך אחרים לא הצליחו לראותו. סיום הפרשה הגיע רק 37 שנים לאחר מכן, בהרצאתו של איינשטיין. כעת היה ניתן להסביר כי התנודה בתנועתו של כוכב חמה אינה נובעת מכוח הכבידה של כוכב לכת נסתר, אלא משקע שיוצרת השמש ברצף המרחב-זמן.

כך הוכשרה הקרקע לשחרור היקום מקיבעונו. החורים השחורים הפכו למציאות.

4
איינשטיין לא חשב שלמשוואות השדה של תורת היחסות הכללית יהיו פתרונות מדויקים, אלא לכל היותר פתרונות משוערים, שיספקו לנו תיאורים מתקבלים על הדעת של חלוקות מסה שונות במערכת השמש. זמן קצר לאחר שהציג את תורת היחסות הכללית בהרצאתו האחרונה באקדמיה הפרוסית ב-1915, פנה אליו הפיזיקאי הגרמני קרל שוורצשילד, שמצא פתרון מדויק לתיאור השפעתה של מסה זעירה וקומפקטית על רצף המרחב-זמן. הפתרון של שוורצשילד מצביע על מקום – נקודה סינגולרית, או "סינגולריות" – המציין נקודת אל-חזור, שמעבר לה שום אובייקט, אפילו לא אור, אינו מסוגל להימלט מאחיזת הכבידה של חור שחור. זו הסיבה שחורים שחורים הם אפלים, ואפילו לא מחזירים את האור המרצד על סף "אופק האירועים" שלהם. כוח הכבידה האדיר של חורים שחורים גורם לעיוותים גדולים בקרני אור, כפי שהיה ניתן לראות באופן יפהפה ב"בין כוכבים", סרטו של כריסטופר נולאן.

שביל החלב, שמיים זרועי כוכבים

שביל החלב כפי שהוא נראה מ-Big Ben. תצלום: וינסנט לוק

ספרה האחרון של מרשה בָּרְטוּשָׁק, Black Hole: How an Idea Abandoned by Newtonians, Hated by Einstein, and Gambled on by Hawking Became Loved, עוקב אחר תולדות מושג החור השחור. ברטושק מבהירה שאין בכוונתה לצייר תמונת מצב מדעית עדכנית. בספרה היא מגוללת במיומנות את השתלשלות האירועים שבעקבותיה אימצה הקהילה המדעית את מושג החור השחור. היא מספרת, ש"חור שחור" נחשב בעבר למושג שנוי במחלוקת, לאבסורד מתמטי משונה ומופשט, לפתרון למשוואה שאינה אמורה לייצג את המציאות במדויק. השלכותיה של המשוואה אכן בלתי סבירות. החומר שבתוך החור השחור דחוס ביותר, ולכן החור השחור מייצר כבידה בעוצמה אדירה. למעשה, עוצמת הכבידה שלו אדירה כל כך, שהוא אינו מייצר עוד שקע ברצף המרחב-זמן, אלא נקב של ממש. לשם המחשה, כדי שכדור הארץ ייצר כבידה בעוצמה הזהה לחור שחור, כל המסה שלו תהיה צריכה להידחס לתוך עצם בגודל של מטבע.

מדענים רבים התקשו לקבל את קיומם של חורים שחורים. אך אט אט החל הרעיון להתקבל, ורבים אף החלו לחקור אותו ישירות. כיום, חורים שחורים הם חלק חשוב מהידע שלנו לגבי היווצרותן של גלקסיות ואופן התפתחותן. הגלקסיה שלנו, שביל החלב, מכילה חור שחור אחד, שמסתו גדולה פי ארבעה מזו של השמש. מפקד אוכלוסין כמעט מלא של הגלקסיות השכנות מלמד כי מחוללי הכבידה האלה אורבים בהיחבא במרכזיהן של גלקסיות, וקיומם ידוע לנו רק בזכות כוח המשיכה האדיר שהם מפעילים על הכוכבים הקרובים אליהם ביותר. כוח הכבידה האדיר של החורים השחורים הרדומים האלה, שבשלב זה כבר הפסיקו לצבור מסה, עלול לקרוע לגזרים כוכב שיסטה לתוך אזור ההשפעה שלו. בגלקסיות מרוחקות יותר בעלות חור שחור מרכזי, הם שואבים לתוכם גז. הגז שזורם פנימה מתחמם ומתחיל לזהור, וכך אפשר לראות את החורים השחורים כקוואזרים – חורים שחורים שגדלים והולכים וניזונים מגז. הגז פולט אור חזק מאוד, ולכן קוואזרים הם מהעצמים הבוהקים ביותר ביקום. ניתן לראות קוואזרים גם מתקופה שבה גילו של היקום היה אחוז אחד בלבד מגילו הנוכחי.

אסטרונומים בימינו חושבים שלמרות התנהגותם המשונה של חורים שחורים, הם תוצאה בלתי נמנעת של חוקי הפיזיקה הסטנדרטיים המתארים את התפתחותם של כוכבים – חוקים שחוזים כי כוכבים שמסתם גדולה פי 15-20 מהשמש שלנו בעת לידתם יעברו דחיסה לאחר שהם ימצו את אספקת המימן הזמינה להם, ויסיימו את חייהם כחורים שחורים. חורים שחורים הם רכיבים חשובים של היקום, גם אם לעתים יש להם מאפיינים אקזוטיים. תיאוריות העוסקות בחורים שחורים חדרו למיינסטרים המדעי לאחר שאסטרונומים החלו לגלות אובייקטים דחוסים בעלי כוח כבידה רב – הראשונים היו פולסרים, קרי כוכבי נייטרונים המסתחררים במהירות, שהתגלו על-ידי ג'וסלין בֶּל (Bell) ואנתוני היוּאיש (Hewish) ב-1967.

דרכו של רעיון מדעי קיצוני להתקבלות עלולה להיות מפרכת, ואם נתווה אותה נוכל ללמוד רבות על אודות התהליך המדעי. לעתים, אפילו המדענים שהגו את הרעיונות האלה עשויים להתנגד להם. איינשטיין, למשל. למרות שביצע אחדות מפריצות הדרך המדהימות ביותר בפיזיקה של המאה ה-20, דחה את השלכותיהן של התיאוריות שלו עצמו. איינשטיין התקשה לקבל את הפתרונות המדויקים של שוורצשילד ופרידמן למשוואות השדה שלו, בגלל השלכותיהם. הוא חשב שהיקום חייב להיות סטטי ולכן פטר בביטול את החישוב התיאורטי ה"מתועב" של פרידמן, אשר הצביע על התפשטות היקום, למרות הראיות התצפיתיות שסיפקו האסטרונומים האבֶּל ווֶסְטוֹ סְליפֶר (Slipher) לכך שגלקסיות אחרות מתרחקות מאיתנו.

פולסר, Crab Nebula

הפולסר Crab Nebula כפי שצולם בטלסקופ "האבל".

איינשטיין המשיך לעמוד על שלו זמן רב לאחר שהקהילה האסטרונומית קיבלה ממצאים אלה כהוכחה להתפשטות היקום. עיקרון הסטטיות עמד בלב תפישת היקום שלו, ובסופו של דבר, כשהודה בפומבי בהתפשטות היקום, בסמינר שנערך בספריית מצפה הר וילסון ב-1931, הנוכחים עצרו את נשימתם כאחד. השערת קיומם של חורים שחורים נראתה מוזרה ולא אינטואיטיבית – לא רק לאיינשטיין, אלא למרבית הפיזיקאים.

ספרה של ברטושק מתאר היטב את השאלות הפתוחות הנוגעות לחורים שחורים, ואת המחלוקות הכרוכות בכיוונים המחקריים העתידיים. אחת הסוגית הלא-פתורות האלה היא הניסיון הנמשך למצוא סינתזה מוצלחת של תורת היחסות הכללית של איינשטיין ומכניקת הקוונטים. איינשטיין עצמו בילה את שנותיו האחרונות בניסיון לבצע סינתזה שכזו – תורה קוונטית של הכבידה – שתמזג את כל התיאוריות הפיזיקליות ותאחד את העולמות המקרוסקופיים, המיקרוסקופיים והקוסמיים. אנו עדיין ממתינים לתיאוריה כזו.

5
אף על פי שמושג החורים השחורים השתרש בפיזיקה, ואף שתחזיותיה של תורת היחסות הכללית אוּששו, מדענים ממשיכים לבצע בדיקות מדויקות ומדוקדקות. אין הזדמנויות רבות לבחון את התיאוריה בפועל, ואין הזדמנויות רבות לחשוף את הגבולות הפוטנציאליים הנמצאים בסמוך לשדה הכבידה האדיר של חור שחור. לכן אסטרונומים מתמקדים כעת בהשגת מידע עקיף מחורים שחורים.

מטרתו של אחד הפרויקטים החדשים היא למפות את צלו של החור השחור הסמוך אלינו ביותר – זה שבמרכז הגלקסיה שלנו – בעזרת שורה של מכשירים חדשים המכונים יחד "טלסקופ אופק האירועים" (או Event Horizon Telescope, ובקיצור EHT). כאמור, חורים שחורים מייצרים עיוות אדיר במרחב-זמן, ועיוות זה גורם לאור החולף בסמוך להם להטיל מעין צל על אופק האירועים. פרויקט EHT הציב רדיו-טלסקופים במקסיקו, בצ'ילה ובגרמניה במטרה לזהות את הצל המוטל על החור השחור שבמרכז שביל החלב. הטלסקופים האלה, הפרושים סביב העולם, מתנהגים כצלחת אחת בעלת פני שטח הזהים כמעט בגודלם לשטח כדור הארץ. הטכניקה החדשנית הזו תאפשר לנו להבחין בצל. כך מקווים החוקרים לוודא את מאפייניו של החור השחור.

על-פי הידע הקיים אנו חוזים כי גלקסיות יגדלו ויתרסקו באלימות זו לתוך זו. מכאן משתמע כי החורים השחורים שבמרכז רוב הגלקסיות, אם לא כולם, יתנגשו גם הם זה בזה ובסופו של דבר יתמזגו. התנגשויות אלה יוצרות חורים שחורים מסיביים יותר, בעלי אופק אירועים גדול יותר. לפי תורת היחסות הכללית, התנגשות החורים השחורים מייצרת גלי כבידה – רעידות במרקם המרחב-זמן. חוקרי ניסוי LIGO הנערך כעת, הכריזו בפברואר על גילוי ישיר ראשון של גלי הכבידה האלה.

כדי לבצע את פריצת הדרך הזו שיגרו החוקרים במקביל שתי קרני אור דרך מנהרות באורך ארבעה קילומטר כל אחת. המנהרות בנויות בצורת L, וכאשר גל הכבידה חולף דרכן, אורכן משתנה מעט, וקרני האור בכל מנהרה מגיעות לנקודת הפנייה ב-L בזמנים שונים. ב-14 בספטמבר 2015, שני אתרי הניסוי, בלואיזיאנה ובוושינגטון, זיהו כל אחד בנפרד גל כבידה, זאת על-ידי מדידת הפער בין הזמן שנדרש לקרני האור להגיע לחיישן הממוקם בקצה כל מנהרה. מידת הדיוק של המדידה מדהימה. ההבדל בין האורך שעברה כל קרן אור שקול לאלפית מרדיוס של פרוטון, חלקיק תת-אטומי זעיר ביותר שגודלו בערך 10-15 מטר.

האות הניב פרטים מדויקים לגבי שני חורים שחורים, שתוך שבריר שנייה התנגשו זה בזה, התמזגו ויצרו גל כבידה. חוקרים קבעו שמסותיהם היו גדולות ממסת השמש פי 36 ו-29, ושאופקי האירועים שלהם היו ברוחב של בערך 150 קילומטר. הם יצרו יחד חור שחור אחד שמסתו גדולה מזו של השמש פי 62. פערי המסות של החורים השחורים לפני ואחרי ההתנגשות הומרו לאנרגיה בצורת גלי כבידה. מדובר בכמות עצומה של אנרגיה, רבה יותר מאשר האור הנִרְאֶה של כל הכוכבים ביקום גם יחד. חוקרים הסיקו שההתמזגות הזו התרחשה לפני כ-1.3 מיליארד שנים, ושאדוותיה, שמתחו ודחסו את המרחב, הגיעו לכדור הארץ ללא מכשולים. גלי הכבידה נמצאים בטווח השמיעה האנושי, והם יישמעו לנו כציוץ. אנו משערים שהיקום מלא בחורים שחורים, וכעת אנו סוף סוף מטים להם אוזן.

בזכות פריצות דרך חדשות בטכניקות חישוביות ובתחום החומרה, שאפשרו לחוקרים לחשב את האות הצפוי, יכלו החוקרים לבחון את האירוע הזה כנגד משוואותיו של איינשטיין. האות שנקלט מתאים במדויק לתחזיות שנעשו על סמך הדמיות. ובכל זאת, יחסיו של איינשטיין עם גלי הכבידה היו רצופים במהמורות. בחישוב הראשון שלו, שאותו הציג ב-1916, הוא טעה וטען כי הגלים האלה לא ישאו אנרגיה. ב-1918 הוא תיקן את הטעות החישובית הזו. ב-1936 שינה שוב את דעותיו בנושא וכתב מאמר שבו שינה את טענתו, אך גם בו הייתה טעות, שזוהתה על-ידי אחד ממבקרי המאמר. המאמר נדחה, ותחזיתו באשר לקיומם של גלי הכבידה המשיכה לעמוד בעינה.

התגלית החדשה מבשרת את פתיחתו של חלון הזדמנויות חדש לחלוטין לביצוע תגליות. ניתוח מדוקדק של גלי הכבידה שזוהו, יוביל לתגליות רבות נוספות באסטרונומיה, בקוסמולוגיה ואף בפיזיקה היסודית. זוהי אך ראשיתו של עידן חדש. ניסוי Advanced LIGO, שרגישות זיהוי האותות שלו גבוהה אף יותר, החל לאסוף נתונים ובקרוב עשוי לדווח על מקרים נוספים של התמזגות חורים שחורים.

האופק הבא הוא הצבת גלאי של גלי כבידה בחלל. סוכנות החלל האירופית שיגרה גשושית בשם LISA Pathfinder (בקיצור eLISA), שתעזור לפתח את המפרט הטכני הנדרש לביצוע מדידות למשימת LISA העתידית, שתשתמש באינטרפרומטרים בדומה לאלה של LIGO, רק בחלל. הגשושית שוגרה בהצלחה בשלושה בדצמבר 2015. התגלית של LIGO מעניקה מומנטום גם לפרויקט LISA. אנו עדיין בוחנים את גבולות תורת היחסות הכללית, כדי לראות אם היא מסוגלת להסביר נתונים מדויקים אף יותר.

כפי שחוזה התיאוריה של איינשטיין, נראה שהיקום שלנו גדוש בישויות בלתי נראות – חומר אפל, אנרגיה אפלה וחורים שחורים. החומר האפל והאנרגיה האפלה ממשיכים לחמוק מאיתנו. עדיין לא הצלחנו לזהותם באפן ישיר, מכיוון שהם אינם מחזירים אור ואינם סופגים אור, שהוא השליח הקוסמי שלנו. וולקן נעלם, החורים השחורים אמיתיים, וטוב שיש לנו תעלומות חדשות. אך כפי שאומר השועל החכם לנסיך הקטן בספרו הידוע של אנטואן דה סנט אכזופרי, L’essentiel est invisible pour les yeux – המהות סמויה מן העין.

פְּריאַמְוָואדה נָטאראג'אן (Priyamvada Natarajan) היא חוקרת בחוגים לאסטרונומיה ופיזיקה באוניברסיטת ייל. ספרה האחרון, Mapping the Heavens: The Radical Scientific Ideas That Reveal the Cosmos, ראה אור באפריל 2016.

על הספרים

Black Hole: How an Idea Abandoned by Newtonians, Hated by Einstein, and Gambled on by Hawking Became Loved, by Marcia Bartusiak, Yale University Press, 237 pp.
The Hunt for Vulcan: ...And How Albert Einstein Destroyed a Planet, Discovered Relativity, and Deciphered the Universe, by Thomas Levenson, Random House, 229 pp.

תורגם במיוחד לאלכסון על ידי תומר בן אהרון

תמונה ראשית: מתוך "גלילאו מדגים את התאוריות האסטרונומיות החדשות באוניברסיטת פדובה", פליקס פָּארָה (Félix Parra, 1873). תצלום: Google Art Project

מאמר זה התפרסם באלכסון ב על־ידי פְּריאַמְוָואדה נָטאראג'אן, New York Review of Books.


תגובות פייסבוק

> הוספת תגובה

7 תגובות על חורים היו ושחורים נשארו

01
ש ל.

עוד לא סיימתי לקרוא את המאמר, אבל הוא מאוד מעניין עד עכשיו. מדהים כמה קשה לקרוא מאמרים כל כך מעניינים כאלה. אני קורא לפעמים את אותה הפסקה 3 פעמים.

בתור אחד עם הפרעת קשב וריכוז, ההיגיון שלי אומר שאם משהו מעניין אותי יהיה לי יותר קל לקרוא אותו. מסתבר שלכל דבר יש מחיר (אפילו יותר ממה שחשבתי).

04
איש חופשי

זה קטע מוטרף למדי שאחרי כל מה שחקרנו, גילינו, שאנחנו חוקרים רק על 5% מהיקום. על כל השאר, אנרגיה וחומר אפלים, איננו יודעים דבר.
כמה ערך יש למה שאנו יודעים אם כך ?

05
אניהו

משום מה לא מוזכר שאין שמץ של הוכחה בדבר קיומם של אנרגיה או חומר שחורים ואפלים. בינתים אלו הן השערות מקובלות בקרב הפיסיקאים ותו לא

07
אריאל

אבל מה עם תורת המיתרים? או M theory?
במאמר מצויין שאנחנו מחכות לתיאוריה שתמזג את מכניקת הקוואנטים עם תורת היחסות ולא נכתבה מילה על המיתרים