ב-12 במאי, בתשע מסיבות עיתונאים בו-זמנית ברחבי העולם, אסטרופיזיקאים חשף את התמונה הראשונה של החור השחור בלב שביל החלב. בתחילה, למרות שזה היה מדהים, התמונה שהופקה בקפידה של טבעת האור מסביב לבור החושך המרכזי של הגלקסיה שלנו נראתה רק מוכיחה את מה שמומחים כבר ציפו: החור השחור הסופר-מאסיבי של שביל החלב קיים, הוא מסתובב, והוא מציית לדרישות של אלברט איינשטיין. תורת היחסות הכללית.
ובכל זאת, בבדיקה מעמיקה יותר, הדברים לא ממש מסתדרים.
לפי הבהירות של בייגל האור, העריכו חוקרים כמה מהר החומר נופל על קשת A* - השם שניתן לחור השחור המרכזי של שביל החלב. התשובה היא: לא מהר בכלל. "זה סתום עד לטפטוף קטן," אמר פריה נטרג'אן, קוסמולוגית מאוניברסיטת ייל, משווה את הגלקסיה לראש מקלחת שבור. איכשהו רק אלפית מהעניין זה זורם אל שביל החלב מהמדיום הבין-גלקטי שמסביב עושה את זה עד למטה ואל החור. "זה חושף בעיה ענקית," אמר נטראג'אן. "לאן הולך הגז הזה? מה קורה לזרימה? ברור מאוד שההבנה שלנו לגבי צמיחת חורים שחורים היא חשודה".
במהלך רבע המאה האחרונה, אסטרופיזיקאים הבינו איזה קשר הדוק ודינמי קיים בין גלקסיות רבות לבין החורים השחורים במרכזן. "היה מעבר עצום בתחום", אומר ראמש נאריין, אסטרופיזיקאי תיאורטי באוניברסיטת הרווארד. "ההפתעה הייתה שחורים שחורים חשובים כמעצבים וכבקרים של האופן שבו גלקסיות מתפתחות."
החורים הענקיים האלה - ריכוזי חומר כה צפופים שכוח הכבידה מונע אפילו מאור לברוח - הם כמו מנועים של גלקסיות, אבל החוקרים רק מתחילים להבין כיצד הם פועלים. כוח הכבידה מושך אבק וגז פנימה אל המרכז הגלקטי, שם הוא יוצר דיסק הצטברות מתערבל סביב החור השחור הסופר-מסיבי, מתחמם והופך לפלזמה לבנה-לוהטת. לאחר מכן, כאשר החור השחור בולע את החומר הזה (בין אם בטפטוף או בהתפרצויות פתאומיות), האנרגיה יורקת חזרה אל הגלקסיה בתהליך משוב. "כשאתה מגדל חור שחור, אתה מייצר אנרגיה ומשליך אותה לסביבה בצורה יעילה יותר מאשר באמצעות כל תהליך אחר שאנו מכירים בטבע", אמר. אליוט קווארט, אסטרופיזיקאי תיאורטי באוניברסיטת פרינסטון. משוב זה משפיע על קצב היווצרות כוכבים ודפוסי זרימת גז ברחבי הגלקסיה.
אבל לחוקרים יש רק רעיונות מעורפלים לגבי האפיזודות ה"אקטיביות" של חורים שחורים סופר מסיביים, שהופכים אותם למה שנקרא גרעינים גלקטיים פעילים (AGNs). "מהו מנגנון ההפעלה? מהו מתג הכיבוי? אלו השאלות הבסיסיות שאנו עדיין מנסים להגיע אליהן", אמר קירסטן הול של מרכז הרווארד-סמית'סוניאן לאסטרופיזיקה.
משוב כוכבי, המתרחש כאשר כוכב מתפוצץ כסופרנובה, ידוע כבעל השפעות דומות למשוב AGN בקנה מידה קטן יותר. מנועי הכוכבים האלה גדולים מספיק כדי לווסת גלקסיות "גמדיות" קטנות, בעוד שרק מנועי הענק של חורים שחורים סופר-מאסיביים יכולים לשלוט בהתפתחות הגלקסיות ה"אליפטיות" הגדולות ביותר.
מבחינת גודל, שביל החלב, גלקסיה ספירלית טיפוסית, יושבת באמצע. עם מעט סימנים ברורים לפעילות במרכזה, הגלקסיה שלנו נחשבה זמן רב שנשלטת על ידי משוב כוכבי. אבל כמה תצפיות אחרונות מצביעות על כך שמשוב AGN מעצב אותו גם כן. על ידי לימוד הפרטים של יחסי הגומלין בין מנגנוני המשוב הללו בגלקסיה הביתית שלנו - והתמודדות עם חידות כמו האפלולית הנוכחית של קשת A* - אסטרופיזיקאים מקווים להבין כיצד גלקסיות וחורים שחורים מתפתחים יחד באופן כללי. שביל החלב "הופך למעבדה האסטרופיזית החזקה ביותר", אמר נטרג'אן. בכך שהוא משמש כמיקרוקוסמוס, הוא "עשוי להחזיק את המפתח".
מנועים גלקטיים
עד סוף שנות ה-1990, האסטרונומים קיבלו בדרך כלל את נוכחותם של חורים שחורים במרכזי הגלקסיות. עד אז הם יכלו לראות קרוב מספיק אל העצמים הבלתי נראים הללו כדי להסיק את המסה שלהם מתנועות הכוכבים סביבם. א נוצר מתאם מוזר: ככל שהגלקסיה מסיבית יותר, כך החור השחור המרכזי שלה כבד יותר. "זה היה צמוד במיוחד, וזה היה מהפכני לחלוטין. איכשהו החור השחור מדבר לגלקסיה", אמר טיזיאנה די מתאו, אסטרופיזיקאי באוניברסיטת קרנגי מלון.
המתאם מפתיע כשחושבים שהחור השחור - גדול ככל שיהיה - הוא חלק קטן מגודלה של הגלקסיה. (קשת A* שוקל כ-4 מיליון שמשות, למשל, בעוד ששביל החלב מודד כ-1.5 טריליון מסות שמש.) בגלל זה, כוח המשיכה של החור השחור מושך רק בעוצמה כלשהי באזור הפנימי ביותר של הגלקסיה.
למרטין ריס, האסטרונום המלכותי של בריטניה, משוב AGN הציע דרך טבעית לחבר את החור השחור הזעיר יחסית לגלקסיה בכללותה. שני עשורים קודם לכן, בשנות ה-1970, שיער ריס נכון שחורים שחורים סופר-מאסיביים להפעיל את הסילונים הזוהרים נצפה בכמה גלקסיות מרוחקות, זוהרות בבהירות הנקראות קוואזרים. הוא אפילו מוּצָע, יחד עם דונלד לינדן-בל, שחור שחור יסביר מדוע מרכז שביל החלב זוהר. האם אלו יכולים להיות סימנים לתופעה כללית השולטת בגודלם של חורים שחורים סופר מסיביים בכל מקום?
הרעיון היה שככל שחור שחור בולע יותר חומר, כך הוא נהיה בהיר יותר, והאנרגיה המוגברת והמומנטום מוציאים גז החוצה. בסופו של דבר, הלחץ החיצוני עוצר גז ליפול לתוך החור השחור. "זה יפסיק את הצמיחה. בתנועות ידיים, זה היה הנימוק", אמר ריס. או, במילותיו של די מתאו, "החור השחור אוכל ואז בולע". גלקסיה גדולה מאוד מטילה משקל רב יותר על החור השחור המרכזי, מה שמקשה על הפרחת גז החוצה, וכך החור השחור גדל לפני שהוא בולע.
אולם מעטים אסטרופיזיקאים היו משוכנעים שניתן לפלוט את האנרגיה של חומר נופל בצורה כה דרמטית. "כשעשיתי את התזה שלי, כולנו היינו אובססיביים לחורים שחורים כנקודת אל-חזור - רק גז נכנס", אמר נטראג'אן, שעזר לפתח את מודל המשוב הראשון של AGN כסטודנט לתואר שני של ריס. "כולם היו צריכים לעשות את זה בזהירות רבה ובזהירות מכיוון שזה היה כל כך קיצוני."
אישור לרעיון המשוב הגיע כמה שנים מאוחר יותר, מהדמיות מחשב שפותחו על ידי די מתאו והאסטרופיזיקאים וולקר ספרינגל ו לארס הרנקוויסט. "רצינו לשחזר את גן החיות המדהים של הגלקסיות שאנו רואים ביקום האמיתי", אמר די מתאו. הם הכירו את התמונה הבסיסית: גלקסיות מתחילות קטנות וצפופות ביקום המוקדם. העבירו את השעון קדימה וכוח הכבידה מרסק את הגמדים הללו יחד בלהט של מיזוגים מרהיבים, היוצרים טבעות, מערבולות, סיגרים וכל צורה שביניהם. הגלקסיות גדלות בגודלן ובמגוון שלהן עד שאחרי מספיק התנגשויות הן הופכות לגדולות וחלקות. "זה נגמר בבתם", אמר די מתאו. בסימולציות, היא ועמיתיה יכלו ליצור מחדש את הכתמים הגדולים חסרי המאפיינים הללו, המכונים גלקסיות אליפטיות, על ידי מיזוג גלקסיות ספירליות פעמים רבות. אבל הייתה בעיה.
בעוד שלגלקסיות ספירליות כמו שביל החלב יש כוכבים צעירים רבים שזוהרים בכחול, גלקסיות אליפטיות ענקיות מכילות רק כוכבים ותיקים מאוד שזוהרים באדום. "הם אדומים ומתים", אמר ספרינגל, ממכון מקס פלנק לאסטרופיזיקה בגרצ'ינג, גרמניה. אבל בכל פעם שהצוות הפעיל את הסימולציה שלו, הוא ירק אליפטיים שזוהרו בכחול. כל מה שהיה מכבה את יצירת הכוכבים לא נתפס בדגם המחשב שלהם.
ואז, אמר ספרינגל, "היה לנו רעיון להגדיל את מיזוג הגלקסיות שלנו עם חורים שחורים סופר מסיביים במרכז. נתנו לחורים השחורים האלה לבלוע גז ולשחרר אנרגיה עד שכל העניין התפרק, כמו סיר בסיר לחץ. לפתע, הגלקסיה האליפטית הייתה עוצרת את היווצרות הכוכבים והייתה אדומה ומתה."
"הלסת שלי נשמטה," הוא הוסיף. "לא ציפינו שהאפקט יהיה כל כך קיצוני".
על ידי שחזור אליפטיים אדומים ומתים, הסימולציה חיזקה את תיאוריות המשוב של החורים השחורים של ריס ונטרג'אן. חור שחור, למרות גודלו הזעיר יחסית, יכול לדבר עם הגלקסיה כולה באמצעות משוב. במהלך שני העשורים האחרונים, המודלים הממוחשבים שוכללו והורחבו כדי לדמות חלקים גדולים של הקוסמוס, והם תואמים באופן כללי את גן החיות האקלקטי של הגלקסיות שאנו רואים סביבנו. הדמיות אלה גם מראות שאנרגיה שנפלטה מחורים שחורים ממלאת את החלל בין הגלקסיות בגז חם שאחרת כבר היה צריך להתקרר ולהפוך לכוכבים. "אנשים כבר משוכנעים שחורים שחורים סופר מסיביים הם מנועים סבירים מאוד", אמר ספרינגל. "אף אחד לא מצא דגם מצליח בלי חורים שחורים."
תעלומות של משוב
עם זאת, הדמיות המחשב עדיין בוטות באופן מפתיע.
כאשר החומר זוחל פנימה אל דיסק ההצטברות סביב חור שחור, החיכוך גורם לאנרגיה להידחף החוצה; כמות האנרגיה שאבדה בדרך זו היא משהו שהקודנים הכניסו לסימולציות שלהם ביד באמצעות ניסוי וטעייה. זה סימן שהפרטים עדיין חמקמקים. "יש אפשרות שבמקרים מסוימים אנו מקבלים את התשובה הנכונה מהסיבה הלא נכונה", אמר קוואטארט. "אולי אנחנו לא קולטים מה בעצם הדבר החשוב ביותר לגבי איך חורים שחורים גדלים וכיצד הם משליכים אנרגיה לתוך הסביבה שלהם."
האמת היא שאסטרופיזיקאים לא באמת יודעים איך משוב AGN עובד. "אנחנו יודעים כמה זה חשוב. אבל זה בורח לנו בדיוק מה גורם למשוב הזה", אמר די מתאו. "הבעיה המרכזית והעיקרית היא שאנחנו לא מבינים משוב לעומק, פיזית."
הם יודעים שאנרגיה מסוימת נפלטת כקרינה, מה שנותן למרכזי הגלקסיות הפעילות את הזוהר הבהיר האופייני להם. שדות מגנטיים חזקים גורמים לחומר לעוף החוצה מדיסקת ההצטברות מדי, בין אם כרוחות גלקטיות מפוזרות או בסילונים צרים חזקים. המנגנון שבאמצעותו החורים השחורים נחשבים לשגר סילונים, הנקרא תהליך בלנדפורד-זנג'ק, זוהה בשנות ה-1970, אבל מה שקובע את כוחה של האלומה, וכמה מהאנרגיה שלה נקלטת בגלקסיה, הוא "עדיין בעיה פתוחה ובלתי פתורה", אמר נאראין. הרוח הגלקטית, הנובעת בצורה כדורית מדיסקת ההצטברות ולכן נוטה לקיים אינטראקציה ישירה יותר עם הגלקסיה מאשר הסילונים הצרים, מסתורית אפילו יותר. "שאלת מיליארד הדולר היא: איך צימוד האנרגיה לגז?" אמר ספרינגל.
סימן אחד לכך שעדיין קיימת בעיה הוא שהחורים השחורים בסימולציות קוסמולוגיות מתקדמות מסתיימים קטן יותר מאשר הגדלים הנצפים של חורים שחורים סופר מסיביים אמיתיים במערכות מסוימות. כדי לכבות את היווצרות הכוכבים וליצור גלקסיות אדומות ומתות, ההדמיות זקוקות לחורים שחורים כדי להוציא כל כך הרבה אנרגיה שהם יחנקו את השטף הפנימי של החומר, כך שהחורים השחורים יפסיקו לגדול. "המשוב בסימולציות אגרסיבי מדי; זה מעכב את הצמיחה בטרם עת", אמר נטראג'אן.
שביל החלב מדגים את הבעיה ההפוכה: סימולציות בדרך כלל מנבאות שלגלקסיה בגודלה צריך להיות חור שחור שגדול פי שלושה עד פי 10 מזה של מזל קשת A*.
על ידי מבט מקרוב על שביל החלב והגלקסיות הסמוכות, החוקרים מקווים שנוכל להתחיל לפענח בדיוק כיצד משוב AGN עובד.
מערכת אקולוגית של שביל החלב
בדצמבר 2020, חוקרים עם טלסקופ הרנטגן eROSITA דיווחו שכן הבחין בזוג בועות משתרעים עשרות אלפי שנות אור מעל ומתחת לשביל החלב. הבועות העצומות של קרני רנטגן דמו לבועות מבלבלות לא פחות של קרני גמא ש-10 שנים קודם לכן, זיהה טלסקופ החלל פרמי גמא בוקעות מהגלקסיה.
שתי תיאוריות מקור של בועות פרמי עדיין היו בוויכוח חריף. כמה אסטרופיזיקאים הציעו שהם היו שריד של סילון שנורה מתוך קשת A* לפני מיליוני שנים. אחרים חשבו שהבועות הן האנרגיה המצטברת של כוכבים רבים שמתפוצצים ליד המרכז הגלקטי - סוג של משוב כוכבי.
מתי Hsiang-Yi Karen Yang מאוניברסיטת טסינג הואה הלאומית בטייוואן ראתה את התמונה של בועות הרנטגן eROSITA, היא "החלה לקפוץ למעלה ולמטה". ליאנג היה ברור שלקרני הרנטגן יכול להיות מקור משותף לקרני הגמא אם שתיהן נוצרו על ידי אותו סילון AGN. (קרני הרנטגן יבואו מגז מזועזע בשביל החלב ולא מהסילון עצמו.) יחד עם מחברים שותפים אלן צויבל ו מתאוש רושקובסקי, היא החלה לבנות מודל ממוחשב. התוצאות, פורסם ב אסטרופיזיקה של הטבע באביב האחרון, לא רק משכפלים את צורת הבועות שנצפו וחזית הלם בהירה, אלא צופים שהן נוצרו במהלך 2.6 מיליון שנה (התרחבו כלפי חוץ מסילון שהיה פעיל במשך 100,000 שנים) - מהר מדי מכדי להיות. מוסבר על ידי משוב מדהים.
הממצא מצביע על כך שמשוב AGN עשוי להיות הרבה יותר חשוב בגלקסיות דיסקים רגילות כמו שביל החלב ממה שחוקרים נהגו לחשוב. התמונה המתגלה דומה לזו של מערכת אקולוגית, אמר יאנג, שבה AGN ומשוב כוכבים שלובים בגז המפוזר והחם המקיף את הגלקסיות, הנקרא המדיום הcircumgalactic. אפקטים ודפוסי זרימה שונים ישלטו בסוגי גלקסיות שונים ובזמנים שונים.
מחקר מקרה של העבר וההווה של שביל החלב יכול לחשוף את יחסי הגומלין של תהליכים אלה. טלסקופ החלל גאיה של אירופה, למשל, מיפה את המיקומים והתנועות המדויקות של מיליוני כוכבי שביל החלב, ומאפשר לאסטרופיזיקאים לשחזר את ההיסטוריה של מיזוגיו עם גלקסיות קטנות יותר. אירועי מיזוג כאלה עלו בהשערה להפעיל חורים שחורים סופר מסיביים על ידי ניעור חומר לתוכם, מה שגורם להם להתבהר לפתע ואף לשגר מטוסים. "יש ויכוח גדול בתחום אם מיזוגים חשובים או לא", אמר קוואטארט. נתוני כוכב גאיה מציע שביל החלב לא עבר מיזוג בזמן שבו נוצרו בועות ה-Fermi וה-eROSITA, וסותרו מיזוגים כמפעילים של מטוס ה-AGN.
לחלופין, כתמי גז עלולים במקרה להתנגש עם החור השחור ולהפעיל אותו. זה עשוי לעבור בצורה כאוטית בין אכילה, גיהוק אנרגיה כמו סילונים ורוחות גלקטיות, לבין הפסקה.
התמונה האחרונה של טלסקופ אופק האירועים של קשת A*, החושפת את הטפטוף הנוכחי של חומר נופל, מציגה חידה חדשה לפתרון. אסטרופיזיקאים כבר ידעו שלא כל הגז שנמשך לגלקסיה יגיע לאופק החורים השחורים, שכן רוחות גלקטיות נדחפות החוצה כנגד זרימת ההצטברות הזו. אבל עוצמת הרוחות הנדרשת כדי להסביר זרימה כה מחודדת היא לא מציאותית. "כשאני עושה סימולציות, אני לא רואה רוח ענקית", אמר נאראיאן. "זה לא סוג הרוח שאתה צריך בשביל הסבר מלא על מה שקורה."
הדמיות מקוננות
חלק מהאתגר בהבנת אופן פעולתן של גלקסיות הוא ההבדל העצום בין קשקשי האורך המופעלים בכוכבים ובחורים שחורים לבין קנה המידה של גלקסיות שלמות וסביבתם. כאשר מדמים תהליך פיזי במחשב, החוקרים בוחרים קנה מידה וכוללים השפעות רלוונטיות בקנה מידה זה. אבל בגלקסיות, אפקטים גדולים וקטנים מקיימים אינטראקציה.
"החור השחור הוא באמת זעיר, בהשוואה לגלקסיה הגדולה, ואי אפשר לשים את כולם בסימולציה ענקית אחת", אמר נאראין. "כל משטר צריך מידע מהבחור השני, אבל לא יודע איך ליצור את הקשר."
כדי לנסות לגשר על הפער הזה, Narayan, Natarajan ועמיתיו משיקים פרויקט שישתמש בסימולציות מקוננות כדי לבנות מודל קוהרנטי של האופן שבו גז זורם דרך שביל החלב והגלקסיה הפעילה מסייר 87 הסמוכה. "אתה מאפשר למידע להגיע מ- הגלקסיה תגיד לחור השחור מה לעשות, ואז אתה מאפשר למידע מהחור השחור לחזור אחורה ולומר לגלקסיה מה לעשות", אמר נאראין. "זו לולאה שהולכת סבבה וסיבוב."
ההדמיות אמורות לעזור להבהיר את דפוס הזרימה של הגז המפוזר בגלקסיות ובסביבתה. (תצפיות נוספות על המדיום ההיקפי על ידי טלסקופ החלל ג'יימס ווב יעזרו גם כן.) "זה חלק קריטי בכל המערכת האקולוגית הזו," אמר קוואטארט. "איך מורידים את הגז אל החור השחור כדי להניע את כל האנרגיה שיוצאת החוצה?"
באופן מכריע, בסכימה החדשה, כל הכניסות והיציאות בין סימולציות של סולמות שונות חייבות להיות עקביות, ולהשאיר פחות חוגים להסתובב. "אם ההדמיה מוגדרת כראוי, היא תחליט באופן עקבי כמה גז צריך להגיע לחור השחור", אמר נאראין. "אנחנו יכולים לבדוק את זה ולשאול: למה זה לא אכל את כל הגז? למה זה היה כל כך קשוח ולקח כל כך מעט מהגז הזמין?" הקבוצה מקווה ליצור סדרה של צילומי מצב של הגלקסיות במהלך שלבים שונים של התפתחותן.
לעת עתה, הרבה על המערכות האקולוגיות הגלקטיות הללו עדיין ידועה. "זה באמת עידן חדש, שבו אנשים מתחילים לחשוב על התרחישים החופפים האלה", אמר יאנג. "אין לי תשובה ברורה, אבל אני מקווה שאעשה זאת בעוד כמה שנים".
הערת העורך: פריה נטרג'אן מכהנת כיום במועצה המייעצת המדעית של קוונטה.
