מאמר מספר 69 - על חורים שחורים – חלק שישי סוגי חורים שחורים, אנטרופיה וקרינת הוקינג

מאמר מספר 69 - על חורים שחורים – חלק שישי סוגי חורים שחורים, אנטרופיה וקרינת הוקינג

מאת עמי אור

 סוגי חורים שחורים

חור שחור לא מסתובב וללא מטען - אופק האירועים של חור שחור שאינו מסתובב, הקרוי חור שחור מטיפוס שוורצשילד, הוא כדורי, והסינגולריות שלו נקודתית.

חור שחור מסתובב -  מבנה של חור שחור מסתובב. מסביב לאופק האירועים קיים אזור הקרוי ארגוספירה שבו גופים חייבים להסתובב עקב גרירת המרחב (frame dragging) על ידי סיבוב החור (וראה האיור המצורף).

אם לחור השחור יש תנע זוויתי, הנרכש בדרך כלל מהכוכב המקורי ממנו נוצר, אז הוא מתחיל "לסחוב" איתו את המרחב־זמן שנמצא סביב אופק האירועים. חור שחור מסתובב נקרא חור שחור מטיפוס קר (Kerr). האזור המסתובב שנמצא סביב אופק האירועים נקרא בשם ארגוספירה. כיוון שהארגוספירה נמצאת מחוץ לאופק האירועים, עצמים יכולים לשרוד בה בלי ליפול לחור השחור, אולם תנועתו של המרחב־זמן בתוך הארגוספירה מונעת מעצמים המצויים בה להישאר במקום.

חללית שנכנסת לתוך הארגוספירה מבחוץ מסוגלת לצאת ממנה עם אנרגיה גדולה מהאנרגיה ההתחלתית שלה, בעזרת תהליך הקרוי תהליך פנרוז. בתהליך זה, החללית, בעודה נמצאת בארגוספירה, משליכה קפסולה אל עבר החור השחור, והיא עצמה בורחת אל מחוץ לארגוספירה. אמנם מסת החור השחור גדלה, אבל האנרגיה הסיבובית שלו פוחתת ומכאן המקור לעודף האנרגיה של החללית.

הבדל נוסף בין חור שחור נייח לחור שחור מסתובב הוא צורת הסינגולריות. בחור שחור מסתובב צורתה טבעת, לעומת נקודה בחור שחור נייח. כמו כן, בחור שחור מסתובב, ניתן להגדיר שני משטחים המוגדרים כאופק אירועים. בתוך אופק האירועים הפנימי אין היפוך של זמן ומרחב, ועל־כן גוף שנמצא שם לא בהכרח יגיע לסינגולריות. פתרון המשוואות של חור שחור מטיפוס קר מאפשר תאורטית מסע בזמן.

חור שחור טעון  - חור שחור טעון, הקרוי גם חור שחור מטיפוס רייסנר־נורדסטרום (Reissner-Nordström) מכיל שני משטחים המוגדרים כאופק אירועים (בדומה לחור שחור מסתובב), אולם אין מסביבו ארגוספירה, והסינגולריות שלו נקודתית.

חור שחור טעון ומסתובב - חורים שחורים שהם גם טעונים וגם מסתובבים קרויים חורים שחורים מטיפוס קר־ניומן (Kerr-Newman).

 אנטרופיה וקרינת הוקינג

בשנת 1971, הוכיח סטיבן הוקינג שהשטח הכולל של אופק האירועים של כל חור שחור קלאסי (בלי לקחת בחשבון את תורת הקוונטים) לעולם לא יכול לקטון. הדבר נשמע דומה למדי לחוק השני של התרמודינמיקה ומכיוון שכך, הציע יעקב בקנשטיין, הישראלי, את האפשרות, לפיה האנטרופיה של החור השחור תלויה בשטח אופק האירועים. בשנת 1974 מצא הוקינג שחישובי תורת השדות הקוונטית, באזור של מרחב־זמן מעוקם מאוד, כלומר בקרבת חורים שחורים, צופה כי לגוף כזה תהייה קרינת גוף שחור, הידועה כיום בשם קרינת הוקינג. קרינה זו נפלטת מהאזור הסמוך לאופק האירועים והיא מובילה להפחתת מסת החור השחור. הניתוח של חור שחור כגוף בעל טמפרטורה הפולט קרינה, מאפשר לחשב את האנטרופיה ולמצוא את היחס בינה ובין שטח אופק האירועים, ובכך הוקינג חיזק את השערתו של בקנשטיין. מאוחר יותר, נתגלה כי חורים שחורים הם בעלי אנטרופיה מקסימלית, כלומר האנטרופיה המקסימלית לאזור כל שהוא בחלל, היא האנטרופיה של החור השחור הגדול ביותר שהוא יכול להכיל. קביעה זו הובילה להצעת העיקרון ההולוגרפי.

(העיקרון ההולוגרפי הוא תיאוריה מדעית הטוענת שכל היקום הידוע לנו הוא הולוגרמה תלת מימדית. העיקרון מציג את הרעיון שאומר שכל העולם התלת ממדי שאנחנו מכירים, הוא השלכה הולוגרפית של נתונים רחוקים שכתובים אי שם על משטח דו-מימדי, מה שאומר שהיקום הוא סוג של הולוגרמה. הרעיון אומר שאנחנו קיימים על גבול דו מימדי שבו נמצא כל המידע על היקום. היקום התלת מימדי שאנחנו רגילים אליו, הוא הגבול הדו מימדי שמתבטא בתור הולוגרמה תלת מימדית. הרעיון הועלה לראשונה על ידי פרופ׳ ג׳רארד ט׳ הופט בשנות התשעים ולאחר מכן פותח על ידי פרופ׳ לאונרד סוסקינד. העיקרון ההולוגרפי מתבסס על תיאוריה נוספת שאומרת שכאשר עצם כלשהו נכנס לחור שחור, הוא מסתובב ונכנס בהדרגה עד שהוא מגיע למרכז החור השחור, ושם נעלם. כל עצם מכיל מידע אודות סידור החלקיקים המרכיבים אותו. המידע הזה לא יכול "להיעלם", ולכן התיאוריה אומרת שכל המידע על אותם חפצים שנכנסו לחור השחור, נשמר מקודד על פני החור השחור, הנקרא "אופק האירועים", כמו הולוגרמה)

קרינת הוקינג מורכבת משלל החלקיקים היסודיים, ומשום שהיא מכילה גם פוטונים, ניתן להסיק כי חורים שחורים אינם שחורים לחלוטין. מעבר לכך, התופעה מראה שהמסה של החור השחור קטנה ככל שעובר הזמן בהינתן שאינו סופח אליו חומר מבחוץ. על אף שתופעות אלו הן זניחות בעצמים בקנה מידה אסטרונומי, הן נעשות משמעותיות עבור חורים שחורים זעירים, מפני שטמפרטורת החור השחור (טמפרטורת הוקינג) גדולה יותר ככל שמסת החור השחור קטנה יותר. חורים שחורים זעירים צפויים "להתאדות", ולבסוף להיעלם בפרץ של אנרגיה. מכיוון שכך, כל חור שחור שאינו מגדיל את מסתו צפוי להיעלם תוך זמן סופי. בהקשר זה ראוי להזכיר גם את פרדוקס השמדת המידע הנובע מכך שקרינת הוקינג הנוצרת על אופק האירועים, ככל הנראה, אינה מכילה מידע על תוכנו של החור השחור. פיזיקאים מסוימים טוענים שקרינה זו מכילה בסופו של דבר מידע, אך אין ראיות פיזיקליות ספציפיות לכך מלבד העיקרון ההולוגרפי - עיקרון על פיו המידע שאותו נושא גוף מסוים מרוכז על־פני המעטפת החיצונית שלו; היות שמקורה של קרינת הוקינג באופק האירועים (המעטפת החיצונית של החור השחור), ייתכן שקרינת הוקינג, בכל זאת, נושאת מידע כלשהו.

קרינת הוקינג נוצרת על שפת אופק האירועים בצורה הבאה: התורה הקוונטית אינה פוסלת יצירה יש מאין של חלקיקים מתוך הקצף הקוונטי, בתנאי כי משך זמן קיומם הוא קצר ביותר וכי החלקיקים הנוצרים הם חלקיק והאנטי חלקיק שלו. בצורה כזו לא מופרים חוקי השימור. הוקינג הניח את ההנחה הבאה, (וגם אישש אותה לאחר מכן מתמטית) נניח כי זוג חלקיקים כזה נוצר בדיוק על אופק האירועים. אחד מהחלקיקים חוזר לתוך אופק האירועים – כלומר נכנס חזרה לחור השחור, ואילו החלקיק הנגדי לו, ממשיך לעבר החלל הרגיל. אותו חלקיק נקרא קרינת הוקינג.

 המאמר הבא: מאמר 70 חורים שחורים - המשך