חור שחור

ציור של חור שחור במערכת כוכבים זוגית ה"בולע" גז מבן הזוג שלו. חור שחור כזה מתאפיין בדיסקת ספיחה מסביבו ושני סילונים שעוזבים אותה

חור שחוראנגלית: Black Hole) הוא גרם שמים בעל שדה כבידה כה חזק עד שמהירות המילוט שלו גדולה ממהירות האור. משמעות הדבר היא ששום חומר ואף אור, אינו יכול להתנתק ממנו. כל מסה הנדחסת לכדור בעל רדיוס קטן או שווה לרדיוס שוורצשילד מהווה למעשה חור שחור[1]. חור שחור יכול להיווצר כתוצאה מקריסה כבידתית בשלבים אחרונים של התפתחות כוכב כבד מאוד[2].

אף על פי שהחור השחור עצמו אינו מקרין (ומכאן מגיע שמו), תהליך קוונטי המכונה קרינת הוקינג גורם לפליטת קרינה וחלקיקים מסיביים מהגבול החיצוני של החור השחור, הקרוי אופק אירועים. מסתו של החור השחור גדלה כאשר גוף חוצה את אופק האירועים מבחוץ פנימה, ומאידך, מסתו קטנה בעקבות קרינת הוקינג[3].

קיימות שתי שאלות פתוחות מפורסמות הקשורות לחורים שחורים. ידוע כי מאחורי כל אופק אירועים נמצאת סינגולריות כבידתית - נקודה במרחב בה הצפיפות היא אינסופית, כיוון שהמסה מרוכזת בנקודה קוונטית אחת. השאלה הראשונה היא שאלת נכונותה של השערת הצנזורה הקוסמית, שלפיה כל סינגולריות מוסתרת מאיתנו על ידי אופק אירועים. השאלה השנייה קשורה למציאת פתרון לפרדוקס השמדת המידע הנובע מכך שחורים שחורים "מתאדים" מבלי לאבד מידע[4].

את החורים השחורים ניתן לסווג לחמש קבוצות על-פי גודלם (מהקטן לגדול): חור שחור זעיר, חור שחור קדמון (שנוצר בתקופת המפץ הגדול), חור שחור כוכבי, חור שחור בינוני וחור שחור על-מסיבי. כיום ישנן ראיות אסטרונומיות לקיומם של סוג שלישי וסוג חמישי[5], ואילו השלושה האחרים עדיין היפותטיים. למרות ראיות לקיומם של חורים שחורים, קיים מיעוט בקרב הפיזיקאים, שלא מסכימים כי חורים שחורים מסוג כלשהו אכן קיימים[6].

החור השחור המסיבי ביותר שהתגלה עד היום (2018) הוא בעל מסה של כ-30 מיליארד מסות שמש.

היסטוריה

קרל שוורצשילד, מפתח רעיון החורים השחורים במסגרת תורת היחסות הכללית

הרעיון כי עשוי להתקיים ביקום גוף כה מסיבי עד שאפילו אור לא יוכל לברוח ממנו הועלה לראשונה על ידי הגאולוג הבריטי ג'ון מישל, ששימש בתקופה זו ככומר. הוא רשם את הרעיון במכתב[7] שנשלח בשנת 1783 לידידו הנרי קוונדיש, והלה פרסם אותו בכתבי החברה המלכותית של לונדון. באותו זמן התאוריה הניוטונית של הכבידה והמושג של מהירות מילוט היו כבר ידועים היטב, וכמו כן מהירות האור הייתה ידועה בקירוב. מישל שהאמין בהיפותזה נוספת של אייזק ניוטון, לפיה האור עשוי מחלקיקים, הסיק ששדה הכבידה של כוכב מאט את האור שעוזב את פניו, ועל פי חישוביו, בגוף בעל רדיוס הגדול פי 500 מזה של השמש וצפיפות השווה לזו של השמש תהיה מהירות המילוט מפני השטח גדולה ממהירות האור. אף על פי שלא ייחס לכך סבירות גבוהה, מישל הביא בחשבון את האפשרות שישנם עצמים רבים כאלה ברחבי היקום ללא ידיעתנו. הוא גם הציע דרך למצוא אותם במערכת כוכבים זוגית - שיטה שמשמשת גם כיום.

בשנת 1796 הגיע המתמטיקאי הצרפתי פייר סימון לפלס למסקנות דומות, כנראה מבלי להכיר את עבודתו של מישל, והוא פרסם את חישוביו בשתי המהדורות הראשונות של ספרו "Exposition du Système du Monde"[8]. הפרק הושמט מהמהדורות הבאות. למעשה, עד שנות ה-70 של המאה ה-20 הוענקה זכות הבכורה על גילוי החורים השחורים ללפלס, ורק אז התגלה מחדש מכתבו של מישל בין פרסומי החברה המלכותית. במאה ה־19 הרעיון זכה לתשומת לב מעטה מאוד כיוון שבאותה התקופה הפרדיגמה השולטת הייתה שהאור הוא גל חסר מסה, ולפיכך הכבידה אינה משפיעה עליו. גם ההכרה בתכונות החלקיקיות של האור (פוטונים) בתחילת המאה ה-20 לא שינתה את הגישה, היות שהפוטון הוא חלקיק חסר מסה ולא היה מצופה ממנו להיות מושפע מכבידה.

הסבר ניוטוני לתופעת החור השחור

לפי הפיזיקה הניוטונית יכולתו של גוף חסר כוח הנעה עצמית להשתחרר משדה הכבידה של אחר מותנית בכך שמהירותו תהיה גבוהה ממהירות המילוט. מהירות המילוט היא פונקציה של המסה והרדיוס של הגוף ממנו מנסים להימלט ואינה תלויה במסתו של הגוף הנמלט:

כאשר היא מהירות המילוט; הוא מרחק הגוף הנמלט ממרכז הגרם השמימי; היא מסת הגרם השמימי; ו- הוא קבוע הכבידה העולמי.

לפי הנחתו של ג'ון מישל חור שחור הוא גוף שאינו מאפשר הימלטות של אור, כלומר מהירות המילוט ממנו גבוהה ממהירות האור ולכן האור לא יכול להימלט ממנו, לפיכך כאשר מהירות המילוט היא מהירות האור כאשר היא מהירות האור- מטר לשנייה, בחור שחור

כאשר הוא רדיוס שורצשילד- הרדיוס המקסימלי לקיומו של חור שחור. מן המשוואה ניתן להסיק שגוף יהפוך לחור שחור רק אם מסתו תהא גדולה מספיק ורדיוסו קטן מספיק על מנת לעמוד ברדיוס שורצשילד.

הסבר מודרני לקיומם של חורים שחורים

בשנת 1915 פיתח אלברט איינשטיין את תורת היחסות הכללית. עוד לפני כן הוא חזה שהכבידה משפיעה על מסלול האור[9]. מספר חודשים מאוחר יותר מצא קרל שוורצשילד, על מיטת חוליו, את הפתרונות הראשונים למשוואת השדה של איינשטיין[10][11], ושלח את מאמריו לאיינשטיין. הפתרונות שלו תיארו את שדה הכבידה הנובע ממסה נקודתית ומכוכב כדורי, ותוך כדי כך הוא הראה שהגוף אותו מכנים כיום חור שחור אכן יכול להתקיים. שוורצשילד עצמו, וגם איינשטיין ששלח את מאמריו לפרסום, לא האמינו בקיומם של חורים שחורים ביקום, והתייחסו לחור שחור כאל מושג "לא פיזיקלי". על פי רדיוס שוורצשילד כוכב בעל מסה של השמש יצטרך להתכווץ לרדיוס של שלושה קילומטרים על מנת להפוך לחור שחור. כיווץ שכזה אינו אפשרי כיוון שכוכבים, על פי הידוע בעת ההיא, מסיימים את חייהם כננסים לבנים, שהם גופים שאינם מגיעים לצפיפות כזאת (צפיפות ננס לבן היא בערך טון לסמ"ק, פי מליון מצפיפותם של מים).

ב-1930, מצא סוברהמניאן צ'נדראסקאר כי תורת היחסות הפרטית מדגימה למעשה שגוף מעל מסה מסוימת, הנקראת כיום גבול צ'נדראסקאר, לא יסיים את חייו כננס לבן, אלא יקרוס לכוכב נייטרונים. כך, כוכבים שמסתם לאחר הקריסה היא פי 1.44 ממסת השמש קורסים לכוכב נייטרונים - גוף שבו הפרוטונים מאוחים לאלקטרונים והופכים לנייטרונים. צפיפות כוכב הנייטרונים היא בערך אלף טון למילימטר מעוקב. לכוכב נייטרונים בעל מסה גדולה מפי 3 ממסת השמש יש רדיוס קטן מרדיוס שוורצשילד, ולכן הוא חור שחור. מאחר שכוכבים מאבדים מסה במשך מחזור החיים שלהם, כוכב בעל מסה גדולה פי 30 מן השמש יסיים את חייו ככוכב נייטרונים בעל מסה גדולה פי 3 ממסת השמש, ויהפוך לחור שחור.

את טיעוניו של צ'נדראסקאר ניסה לסתור ארתור אדינגטון, המנחה שלו בלימודי הדוקטורט. היום ידוע שצ'נדראסקאר צדק, ומוכר גם גבול נוסף (גבול טולמן-אופנהיימר-וולקוף), שגוף בעל מסה גדולה ממנו יקרוס באופן מלא, ולא יהיה דבר שיעצור את הפיכתו לחור שחור. את מנגנון הקריסה המלאה הבינו בשנת 1939 רוברט אופנהיימר והארטלנד סניידר[12]. תוצאה, שקמו לה מסתייגים רבים בזמנו, ועל אף שהיא התייחסה רק לכוכב שהוא כדור מושלם, הראתה לראשונה את מנגנון ההיווצרות של חורים שחורים. עצמים שכאלה נקראו למשך תקופה מסוימת כוכבים שעברו קריסה כבידתית מלאה או כוכבים קפואים[13], מכיוון שצופה חיצוני לא יראה את המשך הקריסה מעבר לרדיוס שוורצשילד ולגביו הכוכב "יקפא" במצב זה. עצמים אלו לא היוו מרכז התעניינות גדול במיוחד בפיזיקה התאורטית עד לשנות ה־60 המאוחרות.

העניין בכוכבים קורסים עלה שוב בשנת 1967 עם גילוים של הפולסרים, שאז עדיין לא ידעו כי אלו כוכבי נייטרונים, והיו השערות שונות באשר לזהותם. ג'ון ארצ'יבלד וילר טבע בשנה זו את המונח "חור שחור", כאופציה לא מקובלת לזהותם של הפולסרים, והחל להשתמש בשם זה מבלי להסביר את כוונתו. השם הקליט התפשט בקרב הפיזיקאים תוך זמן קצר ותורגם לרוב השפות. אפילו בצרפתית וברוסית, בהן הייתה לביטוי זה משמעות אחרת קודם לכן, הצירוף מוכר כיום רק במשמעותו האסטרונומית. ניתן גם להזכיר כי בינואר 1967, עת רווחו עדיין שמות אחרים לחורים שחורים, המונח כוכב שחור הופיע בפרק "מחר הוא אתמול" בעונה הראשונה של מסע בין כוכבים.

Other Languages
English: Black hole
Afrikaans: Swartkolk
Alemannisch: Schwarzes Loch
aragonés: Forato negro
العربية: ثقب أسود
অসমীয়া: কৃষ্ণগহ্বৰ
asturianu: Furacu prietu
azərbaycanca: Qara dəlik
башҡортса: Ҡара упҡын
Boarisch: Schwoaz Loch
žemaitėška: Jouduojė skīlie
беларуская: Чорная дзірка
беларуская (тарашкевіца)‎: Чорная дзірка
български: Черна дупка
भोजपुरी: ब्लैक होल
བོད་ཡིག: ནག་ཁུང་།
brezhoneg: Toull du
bosanski: Crna rupa
буряад: Хара нүхэн
català: Forat negre
нохчийн: Ӏаьржа Ӏуьрг
کوردی: کونی ڕەش
čeština: Černá díra
kaszëbsczi: Czôrnô dzura
Чӑвашла: Хура хăвăл
Cymraeg: Twll du
dansk: Sort hul
Ελληνικά: Μαύρη τρύπα
Esperanto: Nigra truo
español: Agujero negro
eesti: Must auk
euskara: Zulo beltz
føroyskt: Svørt hol
français: Trou noir
Frysk: Swart gat
Gaeilge: Dúpholl
Gàidhlig: Toll Dubh
galego: Burato negro
𐌲𐌿𐍄𐌹𐍃𐌺: 𐍃𐍅𐌰𐍂𐍄𐌰𐌻𐌿𐌺
ગુજરાતી: કૃષ્ણ વિવર
Gaelg: Towl doo
Fiji Hindi: Karia kund
hrvatski: Crna rupa
hornjoserbsce: Čorna dźěra
Kreyòl ayisyen: Twou nwa
magyar: Fekete lyuk
Հայերեն: Սև խոռոչ
interlingua: Foramine nigre
Bahasa Indonesia: Lubang hitam
íslenska: Svarthol
italiano: Buco nero
Basa Jawa: Bolongan ireng
ქართული: შავი ხვრელი
қазақша: Қара құрдым
한국어: 블랙홀
къарачай-малкъар: Къара тешик
Kurdî: Çala Reş
kernowek: Toll du
Кыргызча: Кара көңдөй
Lëtzebuergesch: Schwaarzt Lach
Limburgs: Zwart laok
lumbaart: Büs negher
lietuvių: Juodoji bedugnė
latviešu: Melnais caurums
Malagasy: Lavaka mainty
македонски: Црна дупка
മലയാളം: തമോദ്വാരം
монгол: Хар нүх
Bahasa Melayu: Lohong hitam
မြန်မာဘာသာ: တွင်းနက်
नेपाल भाषा: ब्ल्याक होल
Nederlands: Zwart gat
norsk nynorsk: Svart hòl
norsk: Sort hull
Novial: Nigri true
occitan: Trauc negre
Livvinkarjala: Mustu loukko
ਪੰਜਾਬੀ: ਕਾਲ਼ਾ ਛੇਕ
Piemontèis: Përtus nèir
پنجابی: بلیک ہول
português: Buraco negro
română: Gaură neagră
русский: Чёрная дыра
русиньскый: Чорна дїра
саха тыла: Хара дьөлөҕөс
sicilianu: Purtùsu nìuru
Scots: Black hole
srpskohrvatski / српскохрватски: Crna rupa
සිංහල: කළු කුහර
Simple English: Black hole
slovenčina: Čierna diera
slovenščina: Črna luknja
српски / srpski: Црна рупа
Basa Sunda: Liang hideung
svenska: Svart hål
Kiswahili: Shimo jeusi
తెలుగు: కృష్ణబిలం
тоҷикӣ: Вартаи сиёҳ
Türkmençe: Gara girdap
Tagalog: Black hole
Türkçe: Kara delik
татарча/tatarça: Кара тишек
українська: Чорна діра
اردو: ثقب اسود
oʻzbekcha/ўзбекча: Qora tuynuk
vèneto: Buxo nero
vepsän kel’: Must reig
Tiếng Việt: Lỗ đen
Winaray: Itom nga luho
მარგალური: უჩა რხვილი
ייִדיש: שווארצע לאך
Vahcuengh: Hwzdung
中文: 黑洞
文言: 黑洞
Bân-lâm-gú: O͘-khang
粵語: 黑洞