שאלות ותשובות אודות חורים שחורים

גיא מירושלים שלח לי אתמול אוסף שאלות אודות חורים שחורים:

1. האם ניתן לראות חור שחור ללא כל מכשור?
2. האם חור שחור נעלם עם הזמן?
3. מה הקשר בין מאיץ החלקיקים לחור השחור?
4. איך חור שחור פועל?
5. מדוע נוצר ואקום בחור השחור?

 הדמיה של חור שחור במערכת כוכבים כפולה

תשובות:
1. חור שחור הוא עצם בעל צפיפות חומר גבוהה מאוד, כלומר מסה שמרוכזת בנפח קטן יחסית. כוח המשיכה בתוכו הוא כה גדול עד שאפילו אור (המושפע מכוח הכבידה) לא יכול לצאת ממנו, וזו הסיבה לכך שהחור השחור אכן שחור, כפי שמעיד עליו שמו. אולם, קיימים גופים שחורים נוספים ביקום ולא כל גוף שחור הוא חור שחור, ולכן על מנת לגלות חור שחור יש לבדוק את ההשפעה שלו על הסביבה. חור שחור יעקם קרני אור שמגיעות ממקור הנמצא מאחוריו והוא יגרום לחומר הנמצא בסביבתו לנוע אליו. אם מדובר בכמות גדולה של חומר שנע לעבר החור השחור, החומר יוצר בדרך כלל דיסקה סביב החור השחור הקרויה דיסקת ספיחה. פעמים רבות רואים גם שני סילונים שנפלטים מאזור החור השחור למרחק גדול. הם מורכבים מהחומר בדיסקת הספיחה שלא נבלע בתוך החור השחור. מאפיין נוסף של החור השחור הוא פליטה חזקה של קרני רנטגן (קרני-X). מקור הקרינה בחומר שבדיסקת הספיחה אשר מתחמם מאוד ופולט קרינה אנרגטית. ועוד משהו: צופה חיצוני לא יוכל לראות את חומר שנבלע בתוך החור השחור. הצופה החיצוני יראה את החומר כאילו הוא מאט ולעולם לא נבלע בתוך החור השחור. חזרה לשאלתך - את כל המאפיינים של חורים שחורים, מלבד קרינת רנטגן, ניתן לגלות ללא מכשור מיוחד, בתנאי שהחור השחור קרוב מספיק. עד היום לא התגלו חורים שחורים קרובים ולכן המדענים נאלצו להיעזר במכשור רגיש.

2. חורים שחורים אכן מתאדים. ככל שהחור השחור קטן יותר, כך הוא מתאדה מהר יותר. מנגנון ההתאדות קרוי קרינת הוקינג (למען הדיוק יש לומר קרינת הוקינג-בקנשטיין משום שחלקו של יעקב בקנשטיין בפיתוח התאוריה לא היה קטן מחלקו של סטיבן הוקינג). אנסה להסביר בפשטות את המנגנון של קרינת הוקינג: הקרינה קשורה לתהליך שמתרחש באופן רגיל בכל מקום ביקום - יצירה של זוג חלקיקים, האחד בעל אנרגיה חיובית והשני בעל אנרגיה שלילית. בדרך כלל חלקיקים אלו מאיינים זה את זה (ונעלמים) כעבור זמן קצר מאוד וכלל לא ניתן להבחין בהם. למעשה, עקרון אי-הוודאות הוא זה שמאפשר את קיומם למשך זמן קצר בלבד. אם שני החלקיקים נוצרו בסמוך למעטפת החור השחור, ובנוסף לכך החלקיק בעל האנרגיה השלילית נכנס לתוך החור השחור ואילו החלקיק השני נע החוצה, ייתכן שחלקיקים אלו לא ייעלמו, משום שחלקיק בעל אנרגיה שלילית יכול להתקיים בתוך החור השחור. אם כך, מסת החור השחור קטנה בעקבות כניסת חלקיק בעל אנרגיה שלילית (מסה שקולה לאנרגיה), ואילו החלקיק השני שנמלט מאזור החור השחור מהווה חלק מקרינת הוקינג. הרחבה ניתן למצוא במאמר "ליליפוט של החורים השחורים" שאני מקשר אליו בהמשך.

3. תאוריה חדשה צופה אפשרות של יצירת חורים שחורים זעירים במאיצי חלקיקים. שלושת הפיזיקאים שפיתחו את התאוריה טוענים שמסת פלאנק, גודל המאפיין את המסה המינימלית של חור שחור, הרבה יותר נמוכה ממה שחשבנו עד כה, ואם כך הדבר ייתכן שהאנרגיה במאיצי חלקיקים דוגמת מאיץ ה-LHC תספיק ליצירת חורים שחורים זעירים.

4. כבידה משפיעה על מבנה המרחב. חור שחור הוא עצם בעל כבידה חזקה מאוד, ולכן ההשפעה שלו על סביבתו הקרובה היא גדולה. הוא גורם לכך שהמרחב יתעקם בצורה כזו שלא תמיד יהיה חיבור בין שתי נקודות ולא תמיד יהיה ניתן להגיע מנקודה אחת לאחרת. למעשה, בתוך החור השחור אין מסלולים שמובילים החוצה, מחוצה לו. יתרה מכך, כל המסלולים בתוך החור השחור מובילים לעבר המרכז. אם מישהו יצליח להיכנס לתוך החור השחור מבלי להיקרע לגזרים, הוא ינוע בהכרח לכיוון המרכז. דבר מעניין נוסף: אם הוא יאיר בפנס החוצה - האור דווקא יחזור אחורה.

5. בתוך חור שחור לא חייב להיות ואקום כל הזמן. אם נכנס לתוכו חומר, הוא בהכרח ינוע לכיוון המרכז ויצטבר בנקודה אחת (אני מתייחס לחור שחור נייח שאינו מסתובב). היעדר חומר משמעותו ריק (ואקום) ולכן ניתן לומר שלחור השחור יש נטייה ליצור ואקום בתוכו ולרכז את החומר בנקודה אחת.

להרחבה ניתן לעיין בשני מאמרים שלי שהתפרסמו בגליליאו:

גוליבר בארץ החורים השחורים
ליליפוט של החורים השחורים