מדע האסטרונומיה עבר התפתחות מרשימה במהלך עשרים השנים האחרונות והידע שלנו אודות היקום בכלל ואודות היקום הקדום בפרט התרחב באופן ניכר. אחת התגליות החשובות בתקופה זו היא ההבנה שבמרכזה של כל גלקסיה נמצא חור שחור סופר-מסיבי. מדובר בחורים שחורים בעלי מסה שקולה למיליוני מסות שמש לכל הפחות (למשל בשביל החלב), ובמקרים לא מעטים אפילו מיליארדי מסות שמש.
בילדותי הרביתי לקרוא על אסטרונומיה, ואני זוכר כיצד הוקסמתי מתיאור הקוואזרים האדירים. אז לא היה הסבר לקרינה החזקה הנפלטת מהם וזה רק הוסיף לסקרנות שלי. היום ידוע שמדובר בחורים שחורים סופר-מסיביים הנמצאים במרכזן של גלקסיות רחוקות. הקרינה שמגיעה מהם נפלטה ביקום הצעיר, וקוואזרים אלו, יחד עם חורים שחורים סופר-מסיביים נוספים שהתגלו בשנים האחרונות, שופכים אור על הרכבו של היקום הקדום. בעזרת התצפיות הללו ידוע שהגלקסיות הקדומות נוצרו ביקום בן מאות מיליוני שנה בלבד, וכי חורים שחורים סופר-מסיביים נוצרו בערך באותה תקופה.
מנגנון יצירתם של החורים השחורים הענקיים נותר בגדר תעלומה. כפי שכתבתי בפוסט אודות התגליות הפיזיקליות של המאה ה-21 - אני סבור שהבנת מנגנון יצירתם והבנת הקשר בינם ובין גלקסיות האם שלהם הן מטרות חשובות של המחקר האסטרונומי בימינו. ובכן, ייתכן שרמז ראשון התגלה זה עתה: בעזרת כלי סימולציה הצליחו מדענים להסביר את מנגנון יצירתם. כך מדווח אתר ScienceDaily המתאר מאמר של קבוצת חוקרים מארצות הברית, שווייץ וצ'ילה (L. Mayer, S. Kazantzidis, A. Escala & S. Callegari) שהתפרסם בנייצ'ר.
מקורם של חורים שחורים, הנוצרים בימינו, בכוכבים מסיביים שמסיימים את מלאי הדלק הגרעיני שלהם וקורסים לתוך עצמם בהשפעת כוח הכבידה שלהם. משערים שמרבית הכוכבים ביקום הקדום היו ענקיים - המסה שלהם הייתה גדולה פי כמה מאות ממסת השמש שלנו. למרות זאת, קריסה כבידתית של כוכבים כאלו (metal-free stars, population III stars) שסיימו את מלאי הדלק הגרעיני שלהם לא מצליחה להסביר את היווצרותם של קוואזרים בעלי מסות הרבה יותר גדולות. מסה אופיינית של קוואזר גדולה פי למעלה ממיליון ממסה של כוכב קדום גדול וקשה להסביר את יכולת איסוף החומר המהירה של החור השחור לאחר היווצרותו.
אפשרות נוספת, סבירה יותר, היא קריסת כמויות גדולות של גז במרכזי הגלקסיות הראשוניות. אולם, מודל כזה לא מסביר מדוע ענני הגז קרסו לחור שחור מבלי שנוצרו כוכבים קודם לכן. הרי גם כוכב עשוי מענן גז שנדחס בהשפעת כוח הכבידה של עצמו.
קבוצת החוקרים בחרה לבדוק השערה אחרת. באמצעות מחשבי-על הם הריצו תסריט של התנגשות שתי פרוטו-גלקסיות (קדם-גלקסיות) - ענני גז ענקיים שמהם התפתחו הגלקסיות. הסימולציה הראתה שהתנגשות כזו יכולה להביא ליצירה של חור שחור ענקי, משום שהיא מאפשרת ריכוז כמות גדולה מאוד של גז בנפח קטן שקורסת במהירות לחור שחור. במילים אחרות, אירוע אלים של התנגשות גלקסיות עשוי להביא לדחיסה מספקת של גז לשם יצירת חור שחור, מבלי שייווצרו לפני כן כוכבים חדשים.
מחקר מעניין, אבל ברור שהוא עדיין לא מהווה סוף פסוק. ראשית, צריך לבדוק אם קצב התנגשויות קדם-הגלקסיות היה מספיק גדול על מנת להסביר את היווצרותו של חור שחור בכל גלקסיה. ושנית, כלי המחקר שנעשה בו שימוש אינו מספיק על מנת לתת תשובה סופית. סימולציה היא כלי חזק וחשוב בפיזיקה בכלל ובאסטרופיזיקה בפרט, והיא מאפשרת בדיקה של תהליכים מורכבים. אולם, ללא תצפית ניסויית ישירה, שאלת היווצרותם של חורים שחורים סופר-מסיביים נותרת עדיין פתוחה.
בילדותי הרביתי לקרוא על אסטרונומיה, ואני זוכר כיצד הוקסמתי מתיאור הקוואזרים האדירים. אז לא היה הסבר לקרינה החזקה הנפלטת מהם וזה רק הוסיף לסקרנות שלי. היום ידוע שמדובר בחורים שחורים סופר-מסיביים הנמצאים במרכזן של גלקסיות רחוקות. הקרינה שמגיעה מהם נפלטה ביקום הצעיר, וקוואזרים אלו, יחד עם חורים שחורים סופר-מסיביים נוספים שהתגלו בשנים האחרונות, שופכים אור על הרכבו של היקום הקדום. בעזרת התצפיות הללו ידוע שהגלקסיות הקדומות נוצרו ביקום בן מאות מיליוני שנה בלבד, וכי חורים שחורים סופר-מסיביים נוצרו בערך באותה תקופה.
אילוסטרציה של חור שחור סופר-מסיבי שנוצר לפני כ-13 מיליארד שנה (גיל היקום הוא כ-13.7 מיליארד שנה). מקור: NASA
מנגנון יצירתם של החורים השחורים הענקיים נותר בגדר תעלומה. כפי שכתבתי בפוסט אודות התגליות הפיזיקליות של המאה ה-21 - אני סבור שהבנת מנגנון יצירתם והבנת הקשר בינם ובין גלקסיות האם שלהם הן מטרות חשובות של המחקר האסטרונומי בימינו. ובכן, ייתכן שרמז ראשון התגלה זה עתה: בעזרת כלי סימולציה הצליחו מדענים להסביר את מנגנון יצירתם. כך מדווח אתר ScienceDaily המתאר מאמר של קבוצת חוקרים מארצות הברית, שווייץ וצ'ילה (L. Mayer, S. Kazantzidis, A. Escala & S. Callegari) שהתפרסם בנייצ'ר.
מקורם של חורים שחורים, הנוצרים בימינו, בכוכבים מסיביים שמסיימים את מלאי הדלק הגרעיני שלהם וקורסים לתוך עצמם בהשפעת כוח הכבידה שלהם. משערים שמרבית הכוכבים ביקום הקדום היו ענקיים - המסה שלהם הייתה גדולה פי כמה מאות ממסת השמש שלנו. למרות זאת, קריסה כבידתית של כוכבים כאלו (metal-free stars, population III stars) שסיימו את מלאי הדלק הגרעיני שלהם לא מצליחה להסביר את היווצרותם של קוואזרים בעלי מסות הרבה יותר גדולות. מסה אופיינית של קוואזר גדולה פי למעלה ממיליון ממסה של כוכב קדום גדול וקשה להסביר את יכולת איסוף החומר המהירה של החור השחור לאחר היווצרותו.
אפשרות נוספת, סבירה יותר, היא קריסת כמויות גדולות של גז במרכזי הגלקסיות הראשוניות. אולם, מודל כזה לא מסביר מדוע ענני הגז קרסו לחור שחור מבלי שנוצרו כוכבים קודם לכן. הרי גם כוכב עשוי מענן גז שנדחס בהשפעת כוח הכבידה של עצמו.
קבוצת החוקרים בחרה לבדוק השערה אחרת. באמצעות מחשבי-על הם הריצו תסריט של התנגשות שתי פרוטו-גלקסיות (קדם-גלקסיות) - ענני גז ענקיים שמהם התפתחו הגלקסיות. הסימולציה הראתה שהתנגשות כזו יכולה להביא ליצירה של חור שחור ענקי, משום שהיא מאפשרת ריכוז כמות גדולה מאוד של גז בנפח קטן שקורסת במהירות לחור שחור. במילים אחרות, אירוע אלים של התנגשות גלקסיות עשוי להביא לדחיסה מספקת של גז לשם יצירת חור שחור, מבלי שייווצרו לפני כן כוכבים חדשים.
מחקר מעניין, אבל ברור שהוא עדיין לא מהווה סוף פסוק. ראשית, צריך לבדוק אם קצב התנגשויות קדם-הגלקסיות היה מספיק גדול על מנת להסביר את היווצרותו של חור שחור בכל גלקסיה. ושנית, כלי המחקר שנעשה בו שימוש אינו מספיק על מנת לתת תשובה סופית. סימולציה היא כלי חזק וחשוב בפיזיקה בכלל ובאסטרופיזיקה בפרט, והיא מאפשרת בדיקה של תהליכים מורכבים. אולם, ללא תצפית ניסויית ישירה, שאלת היווצרותם של חורים שחורים סופר-מסיביים נותרת עדיין פתוחה.
