מאמר מספר 70 - על חורים שחורים – חלק שביעי  - משפט האין שיער, גילוי חורים שחורים וסגיטריוס A

מאמר מספר 70 - על חורים שחורים – חלק שביעי  - משפט האין שיער, גילוי חורים שחורים וסגיטריוס A

מאת עמי אור

"לחור שחור אין שערות"

משפט האין-שיער (באנגלית: No hair theorem) הוא משפט בתורת היחסות הכללית המגדיר את התכונות של חור שחור יציב, שאותן ניתן למדוד מחוץ לאופק האירועים שלו. תכונות אלו הן: מסת החור השחור, התנע הזוויתי שלו והמטען החשמלי, והן מגדירות את החור השחור עבור כל צופה חיצוני, ומאפיינות אותו באופן מלא. הצופה החיצוני אינו יכול למדוד את צפיפות החומר המקומית באזורים השונים של החור השחור או להבחין בשדות מקומיים. שם המשפט, שאותו טבע ג'ון וילר, מסמל את העובדה שאופק האירועים של החור השחור הוא משטח נטול אינפורמציה (למעט שלושת הפרמטרים האמורים), בדומה לראש נטול שערות.

משפט האין-שיער הוא אוסף של מספר תוצאות תאורטיות שהושגו בסוף שנות ה - 60 של המאה העשרים ובתחילת שנות ה - 70, שהתגבשו להוכחה שלמה בעבודתם של סטיבן הוקינג וורנר ישראל.

משפט האין-שיער מתייחס לחור שחור במצב יציב. במשך פרק הזמן הקצר לפני שהחור השחור מתייצב הוא מכיל עדיין את התכונות העודפות שאותן יכול צופה חיצוני למדוד. התהליך המהיר של איבוד התכונות הללו מכונה "התקרחות". כך, למשל, מקורם של חלק מתוצרי ההתפרקות של חור שחור זעיר צפוי לנבוע משלב ה"התקרחות" הקצר לאחר היווצרותו.

המשפט מתייחס לצופה חיצוני. צופה שנמצא פנימה לאופק האירועים יוכל למדוד פרמטרים נוספים, כמו למשל פיזור המסה בתוך החור השחור או שדות חשמליים ומגנטיים מקומיים. (אבל כמובן שלא יוכל לצאת משם ולמסור את המידע).

לפי משפט האין-שיער, ניתן למיין את החורים השחורים הרגילים, שיש להם מסה, לארבעה סוגים (כמפורט למעלה): חור שחור נייח וחסר מטען, הקרוי "חור שחור מטיפוס שוורצשילד" (על שם קרל שוורצשילד); חור שחור מסתובב חסר מטען, הקרוי "חור שחור מטיפוס קר" (על שם רוי קר - Roy Kerr); חור שחור נייח בעל מטען, הקרוי "חור שחור מטיפוס רייסנר-נורדסטרום" (Reissner-Nordström); וחור שחור מסתובב ובעל מטען, הקרוי "חור שחור מטיפוס קר-ניומן" (Kerr-Newman).

גוף שנכנס לחור שחור נושא עמו מידע נוסף על שלושת הפרמטרים המוגדרים על ידי משפט האין-שיער, אך מידע זה אובד עבור צופים חיצוניים כאשר הגוף עובר את אופק האירועים. תופעה זו היא המקור לפרדוקס פיזיקלי הקרוי "פרדוקס השמדת המידע". לפרדוקס זה טרם נמצא פתרון.

משפט האין-שיער לא מאפשר לצופים חיצוניים להבחין בסינגולריות הכבידתית המצויה בתוך החור השחור. בכך נמנע פרדוקס פיזיקלי נוסף שעלול לנבוע ממצב שבו צופה יכול להבחין בנקודת סינגולריות. השערה זו בדבר מיקומן ה"מוסתר" של נקודות הסינגולריות מאחורי אופק אירועים קרויה "השערת הצנזורה הקוסמית". (וראה דיון בנושא זה גם בפוסטים שיפורסמו על זמן).

 גילוי חורים שחורים

 לא ניתן לצפות בחורים שחורים בעזרת פליטת אור ישירה כמו מכוכבים, משום שעוצמתה של קרינת הוקינג חלשה מכדי להתגלות עבור חורים שחורים כוכביים. אולם, ניתן לגלות אותם בעזרת בחינת תופעות הנובעות מנוכחותם, כגון עידוש כבידתי או כוכבים החגים סביב אזור בו אין חומר נראה. בנוסף, באם סביב אופק האירועים ישנם כוכבים או גז, תיווצר דיסקת ספיחה סביב החור השחור היכולה להגיע לטמפרטורות גבוהות למדי, כך שכן ניתן לאתר את הפליטה ממנה.

 במערכת כוכבים זוגית שאחד ממרכיביה הוא חור שחור, ייתכן כי חומר מבן־הזוג יילכד בשדה הכבידה של החור השחור, ינוע לעברו, וייאסף בדיסקת ספיחה (Accretion disc) 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 מתלהט הגז לטמפרטורות של מיליוני מעלות וכתוצאה מכך, הוא מקרין קרינת רנטגן. התחממות זו היא יעילה מאוד, ויכולה להפוך עד מספר אחוזים מהמסה של הגז לקרינה, בתהליך יעיל הרבה יותר מאשר היתוך גרעיני, למשל. תופעה נוספת הצפויה להתרחש, היא היווצרות שני סילוני חלקיקים במהירויות קרובות למהירות האור הנפלטים בכיוון הניצב לדיסקת הספיחה.

יש לציין, כי התנע הזוויתי של החומר בדיסקת הספיחה, מועבר לחור השחור וגורם להאצת סיבובו העצמי (חור שחור מסתובב)

 למעשה, דסקות ספיחה, סילוני חלקיקים ועצמים מסתובבים ניתן למצוא לא רק בקרבת חורים שחורים אלא גם סביב עצמים אחרים, כוכבי נייטרונים למשל. הדינמיקה של גופים אלו בקרבת עצמים שאינם חורים שחורים יכולה להיות זהה לזו שבקרבת חורים שחורים. הערכה של מסת הגוף הדחוס וצפיפותו יכולה להכריע אם מדובר בחור שחור או בעצם קומפקטי אחר. אם יש ראיות לכך שמסה מסוימת מרוכזת בתוך אזור המוגבל על ידי רדיוס שוורצשילד המתאים למסה זו, אז על־פי תורת היחסות הכללית לפנינו חור שחור.

 *Sagittarius A - מרכז גלקסיית שביל החלב

 כוכבים מאסיביים מקיפים את החור השחור במרכז שביל החלב.

מדענים ערכו תצפיות על תנועת כוכבים סביב מרכז גלקסיית שביל החלב, שמהווה מקור של קרינת רדיו וקרינת רנטגן, הקרוי *Sgr A, והתמקדו בקבוצה של 28 כוכבים.

כאשר נעזרו ברדיו-טלסקופ בתחום המיקרוגל המסוגל לצפות דרך האבק הבין־כוכבי, (המסתיר את ליבת הגלקסיה שלנו) גילו כי הכוכבים האלו מקיפים עצם בלתי נראה.

על פי חישובים שערכו, הכוכבים, שאחד מהם הספיק לסיים הקפה מלאה, מקיפים עצם דחוס במרכז הגלקסיה. על פי הערכה זו, מסתו קרובה ל ־ 4 מיליון מסות שמש, והוא מהווה דוגמה לחור שחור על־מסיבי.

 ב-10 באפריל 2019 הודיעה קבוצת מדענים, בהם קייטי באומן, כי הצליחה לייצר תמונה של החור השחור שבמרכז הגלקסיה, באמצעות שימוש בטלסקופים הפזורים במספר מקומות על פני כדור הארץ ותזמון ביניהם באמצעות שעון אטומי.

המאמר הבא : פוסט 71 חורים שחורים - המשך