צילום חורים שחורים

מהפכה טכנולוגית – בפעם הראשונה הצליחו מדענים לצלם חור שחור

לכוכבים, למרות שאינם יצורים חיים באופן המקובל בתחום הביולוגיה, שלבי חיים – החל מלידה ועד מוות, המלווה לעתים בהתפוצצות אדירה המוכנה סופרנובה. לאחר מותו של כוכב, שרידיו יכולים להפוך לגרמי שמים אחרים – בהם ננסים לבנים, כוכבי נויטרונים וחורים שחורים. חור שחור הוא גרם שמים בעל שדה כבידה כה חזק, עד שאינו מאפשר אפילו לאור לחמוק ממנו. מכאן שמו – חור שחור.

למרות שניתן היה לחזות את קיומם של חורים שחורים באמצעות התיאוריה הניוטונית, הדחיפה המרכזית הגיעה בשנת 1915 עם פיתוחה של תורת היחסות הכללית על ידי אלברט איינשטיין. בניגוד לתיאוריה הניוטונית המתייחסת לכך שאינטראקציה כבידתית קשורה אך ורק למסות, איינשטיין חזה שהכבידה משפיעה גם על מסלול האור, המורכב מחלקיקים חסרי מסה (פוטונים).

לחורים שחורים תכונות יוצאות דופן שהופכות אותם לעצמים מרתקים במיוחד. נהוג לכנות משטח דמיוני המקיף את המסה של החור השחור בשם "אופק אירועים". כל מה שנמצא בתוך אופק האירועים, כולל חלקיקי אור חסרי מסה – פוטונים, אינו יכול להגיע אליו. חלקיקים שנמצאים מחוץ לאזור הזה יכולים ליפול פנימה ולחצות את אופק האירועים, אבל הם לעולם לא יוכלו לחזור החוצה. מתורת היחסות הכללית נובע שאופק האירועים הוא אזור שבו המרחב-זמן נמתח לאינסוף. כלומר, ביחס לצופה מן החוץ, תנועה באזור הזה היא איטית עד אינסוף, ולכן לא ניתן לעבור אותו לעולם (גם פנימה וגם החוצה). מכיוון שחלקיקים אינם יכולים לצאת מתוך חור שחור, אין דרך בה צופה מן החוץ יוכל לקבל ממנו מידע באופן ישיר. כיצד אם כן "רואים" חורים שחורים?

אחת הדרכים היא להיעזר במערכת כוכבים זוגית. במערכת כוכבים זוגית שאחד ממרכיביה הוא חור שחור, ייתכן כי חומר מבן-הזוג יילכד בשדה הכבידה של החור השחור, ינוע לעברו, וייאסף בדיסקת ספיחה לוהטת המסתחררת במהירות אדירה סביב החור השחור. התנגשויות בין אטומי הגז בדיסקת הספיחה גורמות לו לאבד אנרגיה ולנוע במסלול לולייני אל עבר החור השחור עצמו. תוך כדי כך הגז מתלהט לטמפרטורות של מיליוני מעלות וכתוצאה מכך, הוא מקרין קרינת אלקטרומגנטית בתחום ה – X (קרינת רנטגן). התחממות זו היא יעילה מאוד (אפילו יותר מזו של היתוך גרעיני), ויכולה להפוך עד מספר אחוזים מהמסה של הגז לקרינה. תופעה נוספת הצפויה להתרחש, היא היווצרות שני סילוני חלקיקים במהירויות קרובות למהירות האור הנפלטים בכיוון הניצב לדיסקת הספיחה. כך, מהתבוננות בתופעות עקיפות, ניתן ללמוד ולהסיק על קיומו של חור שחור.

לפני מספר שבועות, לאחר פריצת דרך טכנולוגית שהושגה בזכות שיתוף פעולה של מאות מדענים, ועשרות טלסקופי רדיו, זכינו לראות לראשונה בהיסטוריה האנושית צילום של חור שחור. כיצד מצליחים לחבר מידע שמגיע ממספר רב של טלסקופים לכדי תמונה אחת?

בניגוד למכשור אופטי, אותו אפשר למקד באמצעות שינוי בקימור העדשה, ברדיו-טלסקופ אפשר להשתמש באנטנות רבות, ולקרב או להרחיק אותן זו מזו כדי לקבל תופעה דומה. מתקנים כאלה מכונים "מערכי רדיו-טלסקופ". הם קולטים קרינה רבה יותר, שמאפשרת להם לצפות בעצמים רחוקים, או לצפות בהפרדה (רזולוציה) גבוהה יותר בעצמים רחוקים פחות. "טלסקופ אופק האירועים" הוא מיזם שמאגד כ-30 טלסקופים ומערכי טלסקופים בכל העולם. הם פועלים יחד בעזרת אינטרפרומטריה – מדידה מדויקת של זמן הגעתם של גלי הרדיו לכל טלסקופ ושקלול של הפרשי הזמנים בהגעה למקומות שונים על כדור הארץ. נתונים אלו מאפשרים לחשב במדויק נתונים כמו מרחקו וגודלו של האובייקט. לאחר עיבוד המידע הרב במחשבי-על באמצעות אלגוריתמים מיוחדים ניתן ליצור תמונה שלו.

במקרה של הצילום שלפנינו, החוקרים החליטו לצלם את החור השחור במרכז אחת הגלקסיות השכנות, בין השאר מפני שהוא קרוב אלינו יחסית, כ-55 מיליון שנות אור. אף על פי שטלסקופים ראשונים הצטרפו למיזם כבר ב-2006, ניסיון ראשון לצלם באמצעותו את החור השחור הזה בוצע רק בסוף 2017, והצילום מתפרסם כעת, לאחר חודשים ארוכים של עיבוד הנתונים.

בין אנשי המפתח בפריצת הדרך הזו, ד"ר קייטי באומן, שהובילה את פיתוח התוכנה שאפשרה את הצילום, שהורכב ממידע שהגיע משמונה טלסקופי רדיו קרקעיים. ד"ר באומן החלה לעבוד על פיתוח האלגוריתם לפני כשלוש שנים, במהלך לימודי הדוקטורט שלה במדעי המשב, במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT).

הטלסקופים, שנפרשו מאנטרקטיקה ועד לספרד וצ׳ילה הצליחו לצלם הילה של אבק וגז מסביב לחור שחור. כמות הנתונים שנאספו משמונת הטלסקופים, הייתה כה גדולה שלא התאפשר להעבירם באמצעות רשת האינטרנט ונדרש להעבירה באופן פיזי על גבי מאות כוננים קשיחים.

כעת, לאחר שפריצת הטכנולוגית הושגה, יש להניח שנזכה בקרוב לראות צילומים מדהימים של עולמות שבעבר היו קיימים רק בדמיוננו.

 

 

אהבת?
שתף עם חבריך