יום שישי, 15 במאי 2009

מהו גודלם של חורים שחורים?

חורים שחורים הם ללא ספק אחד הנושאים המעניינים במדע. אני אומר את זה לא רק בגלל ההתעניינות האישית שלי אלא גם בגלל תגובת הקהל בהרצאות שאני נותן. הרצאה על חורים שחורים היא הימור בטוח מבחינתי. אני זוכר שבהרצאה שנתתי לפני מספר חודשים ניגש אלי בסוף ההרצאה ילד קטן, בן 6 להערכתי, ושאל אותי אם יכול להיות שיש לו חור שחור בבית. אמא שלו צחקה וניסתה להסביר לו שהחורים השחורים הם ענקיים, כמו השמש. אבל דווקא הילד שאל שאלה מצוינת. התשובה היא שיש חורים שחורים בגדלים שונים וייתכן חור שחור קטן בגודל של גרגיר חומוס, למשל. אבל חור שחור כזה יהיה מאוד כבד והוא בוודאי ישפיע על כל מה שקורה בבית ולכן "היית מגלה אותו מזמן", אמרתי לילד. רציתי לספר לו עוד על חורים שחורים זעירים אבל אמא שלו לקחה אותו. חבל. אני מאמין שגיל 6 הוא גיל שבו הילדים כבר יכולים לקלוט די הרבה. זה גיל שבו לילדים יש המון סקרנות וכדאי לנסות לתת תשובות מדויקות ככל האפשר לשאלות.

אם לחזור לשאלה העקרונית לגבי גודלם של חורים שחורים, הרי שהגודל תלוי במסה. למעשה הרדיוס של החור השחור יחסי למסה. לא מדובר ברדיוס של עצם מוגדר משום שכל החומר בחור השחור נשאב לעבר נקודת המרכז ומתרכז שם. עד כמה שזה נשמע מוזר הצפיפות בנקודה זו, הקרויה סינגולריות, הוא אינסופי. רדיוס שוורצשילד, הקרוי על שמו של קארל שוורצשילד (שעל סיפור חייו הרחבתי בזמנו), מגדיר בעצם מעטפת דמיונית סביב החור השחור הקרויה אופק אירועים. החשיבות של אותה מעטפת היא ששום דבר, כולל האור, לא יוכל לצאת החוצה מתוך האזור שבתוך המעטפת.

חורים שחורים מופיעים בגדלים שונים. חורים שחורים ענקיים (סופר-מסיביים) שנמצאים במרכזי גלקסיות יכולים להגיע לגודל של מערכת השמש (נגיד כמו המרחק בין השמש לכוכב הלכת נפטון). גודלו של חור שחור כוכבי טיפוסי שמהווה את סוף חייו של כוכב מסיבי יהיה בין תשעה קילומטרים לכמה עשרות קילומטרים, כמו גודלה של עיר גדולה או מטרופולין. השמש לא תהפוך לחור שחור בסוף חייה, אבל אם היינו מרכזים בדרך כלשהי את מסתה על מנת להפוך אותה לחור שחור היינו צריכים לעשות זאת ברדיוס של שלושה ק"מ בלבד. את כדור הארץ היינו צריכים לצמק לגודל של 9 מ"מ, בערך כמו גרגיר חומוס ספרדי מבושל. חורים שחורים זעירים, אם הם קיימים, יכולים להיות ממש קטנים - בגודל תת-פרוטוני. חורים שחורים כאלו יכולים להתקיים בסביבה של כדור הארץ במשך מאות שנים מבלי שהם יספחו מספיק חומר ומבלי שנרגיש בהם. בסביבה דחוסה יותר, כמו ננס לבן, הם יתפחו בקצב גבוה יותר. בכל אופן, מה שלא הספקתי לומר לילד זה שייתכן שיש לו בבית חור שחור זעיר והוא בכלל אינו מודע לקיומו. בעצם, טוב שלא הספקתי לומר לו זאת...

לסיום, אני מצרף שני איורים שיצרתי לפני כמה שנים. ניסיתי להשוות בהם בין גודל טיפוסי של כוכבים מסוגים שונים.

האיור הראשון מראה השוואה בין גודל השמש (בצהוב), ננס אדום שהוא כוכב קטן-ממדים וארוך-חיים (באדום), ננס חום שהוא כוכב עוד יותר קטן (בחום), וננס לבן או ננס שחור (בשחור). השמש תסיים את חייה כננס לבן שככל הנראה יהפוך כעבור זמן רב לננס שחור. אני אומר "ככל הנראה" משום שבניגוד לשאר סוגי הכוכבים שהזכרתי ננסים שחורים טרם נצפו ביקום.


באיור השני מופיע ננס לבן (באפור), כוכב נייטרונים (בסגול) וחור שחור (בשחור). כפי שניתן לראות גם כוכב נייטרונים הוא גוף דחוס מאוד. הוא דחוס רק במעט פחות מחור שחור, אבל ההבדל הזה מספיק על מנת לשמור עליו ככוכב מוצק ולהגן עליו מפני קריסה כבידתית ויצירת חור שחור.

5 תגובות:

אנונימי אמר/ה...

תגיד יכול להיות שחור כזה של עשר ק"מ יעבור לידינו במערכת השמש ולא נרגיש בו

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

אם החור השחור יעבור במערכת השמש במהירות גבוהה לא תהיה לו השפעה מעבר לטווח של כמה מאות ק"מ מסביבו. כלומר אם הוא לא נמצא במסלול התנגשות עם השמש או עם כוכבי הלכת, לא צפויה להיות בעיה.
אבל אם הוא ייכנס למערכת השמש במהירות נמוכה, אני מעריך שזה מצב מורכב יותר. ייתכן שהוא יאט את מהירותו ויילכד בתוך מערכת השמש. במקרה כזה החור השחור עלול להפוך לגורם מסוכן כעבור זמן רב.

שרון בריזינוב אמר/ה...

היי אריה,
במידה וכוכב מגיע אל סוף שנותיו, והוא נדחס אל תוך עצמו עד כדי יצירת מסה עצומה ברדיוס קטן יחסית כדי שיווצר חור שחור, מה קורה לחור השחור במהלך השנים? האם הוא יכול להבלע ע"י חור שחור בעל מסה גדולה יותר?, האם הוא נע במרחב? והאם בסופו של דבר הוא יכול להתפוצץ כך שכל המסה תפרוץ החוצה? (ואז יווצרו יסודות חדשים כתוצאה מהדחיסה והפיצוץ?)
תודה רבה :)

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

היי שרון,
חורים שחורים שמתנגשים מתאחדים לחור שחור גדול יותר.
קרינת הוקינג שנפלטת ממעטפת של חורים שחורים זניחה עבור חורים שחורים אסטרונומיים ולכן בפועל חורים שחורים אלו לא יקטנו.

אם הולכים ממש קדימה בזמן, הרבה הרבה יותר מגיל היקום, ייתכן שהחורים השחורים יישארו במקום מבודד ולא יספחו אליהם חומר, ואז בסופו של דבר ייעלמו עקב קרינת הוקינג. קשה לדעת מה יהיה השלב הסופי שלהם. אבל אני מזכיר שמדובר בזמן ארוך בצורה בלתי נתפסת - סדר גודל של עשר בחזקת שבעים שנה.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

המשך תשובה:
חורים שחורים יכולים לנוע במרחב כמו גופים אחרים.

ההתפרקות הסופית של חור שחור אכן צפויה להיות אנרגטית מאוד ובמהלכה ייווצרו הרבה חלקיקים. האפשרות שבמהלכה ייווצרו מאלקטרונים, פרוטונים ונייטרונים יסודות כבדים נראית לי סבירה.
אם החור השחור הראשוני אינו גדול מדי, נגיד שיש לו מסה של הר, אז זמן החיים שלו הוא בערך כמו הזמן שעבר מאז המפץ הגדול. כיום אכן מחפשים חורים כאלו שאולי נוצרו זמן קצר מאוד אחרי המפץ הגדול. קוראים להם חורים שחורים קדמונים (primordial black holes).