התלקחויות מהחור השחור הבינארי הסופר-מסיבי OJ 287 מציבות מגבלה על "משפט ללא שיער"

של נאס"א מצפה אינפרא אדום שפיצר צפה לאחרונה בהתלקחות מבינארי ענק חור שחור מערכת OJ 287, בתוך מרווח הזמן המשוער שחזה המודל שפותח על ידי אסטרופיזיקאים. תצפית זו בדקה היבטים שונים של תורת היחסות הכללית, "משפט ללא שיער", והוכיחה כי OJ 287 הוא אכן מקור לאינפרא אדום גלי כבידה.

אל האני בג"ץ 287 גלקסיה, הממוקם בקבוצת הסרטן במרחק של 3.5 מיליארד שנות אור מכדור הארץ, יש שניים חורים שחורים - הגדול יותר עם פי 18 מיליארד מסה של השמש ומקיפה זה קטן יותר חור שחור עם פי 150 מיליון בערך מהשמש מסה, והם יוצרים בינארי חור שחור מערכת. בעודו מקיף את הגדול יותר, הקטן יותר חור שחור מתרסק דרך דיסק ההצטברות העצום של גז ואבק המקיף את בן לוויה הגדול יותר, יוצר הבזק אור בהיר יותר מטריליון כוכבים.

הקטן יותר חור שחור מתנגש עם דיסק הצבירה של הגדול יותר פעמיים בכל שתים עשרה שנים. עם זאת, בשל מוארך לא סדיר מסלול (הנקראת quasi-Keplarian בטרמינולוגיה המתמטית, כפי שמוצג באיור למטה), ההתלקחויות יכולות להופיע בזמנים שונים - לפעמים בהפרש של שנה אחת בלבד; פעמים אחרות, בהפרש של עד 10 שנים (1). מספר ניסיונות לדגמן את מסלול וחיזוי מתי יתרחשו התלקחויות לא הצליחו עד ב-2010, אז יצרו אסטרופיזיקאים מודל שיכול לחזות את התרחשותן בשגיאה של כשבוע עד שלושה שבועות. הדיוק של המודל הוכח על ידי חיזוי הופעת התלקחות בדצמבר 2015 תוך שלושה שבועות.

עוד פיסת מידע חשובה שנכנסה ליצירת תיאוריה מוצלחת של בינארי חור שחור מערכת OJ 287 היא העובדה כי סופר מסיבי חורים שחורים יכול להיות מקורות של גלי כבידה - אשר הוקמה לאחר תצפית ניסויית של גלי כבידה בשנת 2016, הופק במהלך המיזוג של שני סופר-מסיביים חורים שחורים. OJ 287 צפוי להיות המקור לאינפרא אדום גלי כבידה (2).

בשנת 2018, קבוצה של אסטרופיזיקאים סיפקה מודל מפורט עוד יותר, וטענה כי היא מסוגלת לחזות את התזמון של התלקחויות עתידיות תוך מספר שעות (3). לפי מודל זה, ההתלקחות הבאה תתרחש ב-31 ביולי 2019 והשעה הייתה חזויה בשגיאה של 4.4 שעות. הוא גם חזה את בהירות ההתלקחות שנגרמה כתוצאה מהשפעה שתתרחש במהלך אותו אירוע. האירוע נתפס ואושר על ידי של נאס"א שפיצר מֶרחָב טלסקופ (4), שפרש בינואר 2020. כדי לצפות באירוע החזוי, שפיצר היה תקוותנו היחידה מכיוון שלא ניתן היה לראות את ההתלקחות הזו על ידי אף טלסקופ אחר על הקרקע או בכדור הארץ מסלול, שכן השמש הייתה בקבוצת הכוכבים של סרטן כאשר OJ 287 וכדור הארץ נמצאים בצדדים מנוגדים שלו. תצפית זו גם הוכיחה כי OJ 287 פולט גלי כבידה באורך גל אינפרא אדום, כפי שצפוי. על פי התיאוריה המוצעת הזו, ההתלקחות הנגרמת כתוצאה מ-OJ 287 צפויה להתרחש בשנת 2022.

התצפיות על התלקחויות אלו מציבות מגבלה על "אין משפט שיער” (5,6) הקובע כי בעוד חורים שחורים אין להם משטחים אמיתיים, יש גבול סביבם שמעבר לו שום דבר - אפילו לא אור - יכול לברוח. גבול זה נקרא אופק האירועים. משפט זה גם מניח שהחומר שיוצר חור שחור או נופל לתוכו "נעלם" מאחורי חור שחור אופק האירועים ולכן אינו נגיש לצמיתות לצופים חיצוניים, מה שמרמז על כך חורים שחורים יש "אין שיער". אחת התוצאות המיידיות של המשפט היא שה- חורים שחורים ניתן לאפיין לחלוטין עם שלהם מסה, מטען חשמלי וספין פנימי. על פי כמה מדענים, הקצה החיצוני הזה של החור השחור, כלומר אופק האירועים, יכול להיות גבשושי או לא סדיר, ובכך לסתור את "משפט ללא שיער". עם זאת, אם צריך להוכיח את נכונותו של "משפט ללא שיער", ההסבר הסביר היחיד הוא שהתפלגות המסה הלא אחידה של החור השחור הגדול תעוות את שטח סביבו בצורה כזו שתוביל לשינוי נתיב של הקטן חור שחור, ובתמורה לשנות את התזמון של ה חורים שחורים התנגשות עם דיסק ההצטברות באותו ספציפי מסלול, ובכך גורם לשינוי בזמן הופעת ההתלקחויות שנצפו.

כצפוי, חורים שחורים קשה לחקור. לפיכך, ככל שאנו מתקדמים, תצפיות ניסויות רבות נוספות לגבי חור שחור יש לחקור אינטראקציות, עם הסביבה כמו גם עם חורים שחורים אחרים, לפני שניתן לאשר את תקפותו של "משפט ללא שיער".

***

הפניות:

1. Valtonen V., Zola S., ואח'. 2016, "סחרור חור שחור ראשוני ב-OJ287 כפי שנקבע על ידי התלקחות המאה של תורת היחסות הכללית", Astrophys. J. Lett. 819 (2016) מס' 2, L37. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8205/819/2/L37
2. אבוט BP., ואח'. 2016. (שיתוף פעולה מדעי LIGO ושיתוף פעולה בתולה), "תצפית על גלי כבידה ממיזוג חור שחור בינארי", פיזיק. הכומר לט. 116, 061102 (2016). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102
3. Dey L., Valtonen MJ., Gopakumar A. ואח' 2018. "אימות נוכחותו של חור שחור בינארי מסיבי יחסית ב-OJ 287 באמצעות התלקחות מאה היחסות הכללית שלו: פרמטרי מסלול משופרים", אסטרופיות. J. 866, 11 (2018). DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/aadd95
4. ליין ס., דיי ל., ואח' 2020. "תצפיות שפיצר על התלקחות אדינגטון החזויה מ- Blazar OJ 287". Astrophysical Journal Letters, vol. 894, מס' 1 (2020). DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab79a4
5. Gürlebeck, N., 2015. "משפט ללא שיער לחורים שחורים בסביבות אסטרופיזיות", מכתבי סקירה פיזית י"ב, 114 (151102). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.151102
6. הוקינג סטיבן וו., et al 2016. שיער רך על חורים שחורים. https://arxiv.org/pdf/1601.00921.pdf

***