האנטומיה של חורים שחורים

1. האנטומיה של חורים שחורים פרופ' גדעון דרור

2. ראשי פרקים • קצת היסטוריה • חורים שחורים • סוגים של חורים שחורים • תצפית בחורים שחורים • קרינת הוקינג

3. קצת היסטוריה • פייר סימון דה-לפלס – מתמטיקאי ופיסיקאי. בהסתמך על חוק הכבידה של ניוטון, העלה את הרעיון של "כוכב שחור" (הראשון היה אנגלי בשם ג'ון מיצ'ל). • כוכב שמהירות המילוט ממנו שווה למהירות האור.

4. עוד קצת היסטוריה • אלברט אינשטיין (1879-1955( • מפרסם את תורת היחסות הכללית – כבידה אינה כוח אלא עקמומיות של המרחב והזמן. • כבידה היא גיאומטריה! • קרל שוורצשילד (1873-1916) מצא פיתרון של תורת היחסות הכללית המתאר מה שאנו מכנים כיום "חור שחור". הוא סבר שזהו פתרון "לא פיסיקלי".

5. חור שחור – סוף סוף • ג'ון וילר (1911- ) – פיסיקאי תיאורטי שעסק ביחסות כללית. • ב 1967 טבע את המונח "חור שחור.

6. חורים שחורים • חור שחורהוא עצם בעל שדהכבידהכה חזק עד ששום גוף, לרבות אור, אינו יכול להתנתק ממנו. אם ננסה לחשב אתמהירות המילוטמהחור השחור, נמצא שהיא עוברת את מהירות האור.

7. מהירות מילוט Ve r • מחוק הכבידה העולמית ומחוקי הדינמיקה- • לדוגמא: • ירח: 2.4 ק"מ בשנייה (מסה 7*1022ק"ג, רדיוס 1737 ק"מ) • כדור הארץ: 11.2 ק"מ בשנייה (מסה 6*1024ק"ג, רדיוס 6400 ק"מ) • צדק: 59.5 ק"מ בשנייה (מסה 1.9*1027ק"ג, רדיוס 71492 ק"מ) • שמש: 617.5 ק"מ בשנייה (מסה 2*1030ק"ג, רדיוס 695000 ק"מ) • ננס לבן : 6175 ק"מ בשנייה (מסה 2*1030ק"ג, רדיוס 6950 ק"מ) • מה יקרה אם נקטין את הרדיוס עוד יותר? m

8. Ve מהירות מילוט r m • אם מציבים במקום Veאת מהירות האור c ניתן למצוא את הרדיוס של כוכב, שמהירות ההימלטות ממנו היא מהירות האור (להלן רדיוס שוורצשילד) • תוצאה זו מתקבלת גם מחישוב מורכב בהרבה (ונכון) בעזרת תורת היחסות הכללית. • מהירות האור היא המהירות הגבולית האפשרית לגוף חומרי. ומכאן, אם אור אינו יכול להימלט מכוכב שחור – דבר אינו יכול להימלט ממנו!!

9. זה נהיה עוד יותר גרוע • הוא גם אינו יכול להחזיק את עצמו כנגד כוח כבידה כה חזק. • כוכב כזה חייב לקרוס לגודל מזערי – נקודתי.

10. תרגיל - רדיוס שוורצשילד של כדור הארץ • G = 6.6742x10-11 m3/kg/s2 • me = 5.9742x1024kg • c = 2.9979x108 m/s • c2 = 8.9874x1016 m2/s2 • rs = 8.8731x10-3m

11. מבנה של חור שחור לא מסתובב • החור השחור מוקף באופק המאורעות, שהוא מעטפת הכדור ממנו דבר אינו יכול להימלט אל העולם שמחוץ לו. • המרחק בין אופק המאורעות לבין החור השחור הוא רדיוס שוורצשילד (RSch= 2GM/c2) • במרכז החור השחור נקודה בה מרוכזת כל המסה. צפיפות המסה אינסופית. נקודה זו נקראת סינגולריות.

12. גיאומטריה של חורים שחורים (קצת יחסות כללית) • ככל שמתקרבים לחור השחור, מגלים שההיקף של מעגל סביב החור השחור אינו מקיים את נוסחת ההיקף שנלמדת בבי"ס היסודי s = 2r. • הסיבה, הצפיפות העצומה סמוך לחור השחור מעקמת את המרחב-זמן, ובכך עוסקת תורת היחסות הכללית.

13. נפילה לחור שחור • סמוך לחור שחור ניתן לצפות בתופעות מוזרות ביותר. נניח שמורידים אסטרונאוט (רובוטי) לכיוון חור שחור בעזרת כבל חזק במיוחד...

14. נפילה לחור שחור 2 • גם הצבע הנראה של אוביקטים משתנה עקב תופעה הנקראת הסטה לאדום כובדית.

15. סוגים של חורים שחורים • חורים שחורים באים בשלוש מידות • מסה של כוכב (Small) • פי 5-20 ממסת השמש • נוצרים לאחר שכוכב מסיבי מאוד מסיים את חייו, בדרך כלל בהתפוצצות סופרנובה. • סופר מסיביים (Extra Large) • בעלי מסה של מליוני שמשות • שוכנים בליבות של גלקסיות • בינוניים (Medium) • מאות עד אלפי מסות שמש.

16. תצפיות בחורים שחורים Sidney Harris “זה שחור ונראה כמו חור. הייתי אומרת שזה חור שחור.”

17. היכן ניתן לגלות חורים שחורים גרעיני גלקסיות כוכבים בינאריים חור שחור אחד גדול בגלקסיה מיליוני מסות שמש תהליכי יצירה אינם מובנים מיליוני חורים שחורים קטנים בגלקסיה כ 10 מסות שמש נוצרו מקריסה של כוכב

18. כוכבים בינאריים כמו רוב הכוכבים, גם חורים שחורים מהווים לעתים קרובות חלק ממערכת של כוכב כפול. אם בן הזוג הוא ענק אדום, לחור השחור יהיה קל למשוך ממנו חומר. בגלל חוק שימור התנע הזוויתי, החומר הנופל אל החור השחור ייצור סביבו דיסקה, הנקראת דיסקת ספיחה". החיכוך בדיסקה יגרום לחימום ולקרינה.

19. כוכבים בינאריים מערכות כאלו נוטות לפלוט קרינת x. אחת הדוגמאות המפורסמות הוא Cygnus X-1

20. Cygnus X-1 • אחד המקורות החזקים של קרינת x בשמים. • בסמוך מאוד אליו, כוכב בהיר מאוד מטיפוס B בעל מסה של 30 מסות שמש. • מדידות הראו כי הכוכב הבהיר נע במסלול מעגלי בערך, במחזור של 5.6 יום. • בן הזוג חייב להיות בעל מסה של 7 מסות שמש, אבל הוא בלתי נראה וקטן מאוד. • מסקנה: בן הזוג הוא חור שחור, הקורן בקרינת x בעת שחומר מבן הזוג נופל אליו.

22. Cygnus X-1בהירות של קרינת x ביחס לזמן • Cygnus X-1 משנה את עוצמת הקרינה שלו במידה משמעותית מאוד בפרקי זמן קצרים ביותר • הדבר העיד על כך שהוא קטן ביותר – כ 1000 ק"מ.

23. גרעיני גלקסיות יש עדויות רבות לכך שבמרכזן של גלקסיות רבות (אולי כולן) שוכנים חורים שחורים סופר מסיביים. ניתן להבחין בהם, בין השאר על פי השפעתם על התנועה של כוכבים סמוכים. כוכבים קרובים למרכז הגלקסיה נעים במהירות קיצונית, המצביעה על ריכוז של מסה גדולה מאוד.

24. גרעין גלקסית שביל החלב • הסרטון מראה מעקב של עשר שנים אחר כוכבים בגרעין גלקסית שביל החלב. • ניתוח התנועה מגלה שהעצם סביבו נעים הכוכבים הוא בעל מסה של 4 מליון מסות שמש. • שימו לב ל SO-2 ו SO-16

25. גרעינים פעילים של גלקסיות בגלקסיות מסוימות החור השחור שבגרעין מתבטא ביתר דרמטיות, על ידי פליטה של קרינה אנרגטית מאוד מדיסקת הספיחה, ש"נאכלת" בהדרגה על ידי החור השחור. החומר בדיסקה מסתובב במהירויות עצומות. לתופעה זו קוראים גרעינים פעילים של גלקסיות (Active Galactic Nuclei = AGN) The Circinus galaxy

27. פעילות גרעין שביל החלב את ה AGN רואים בדרך כלל בקרינת x , היות ודיסקת הספיחה נמצאת בטמפרטורה של מליוני מעלות. זהו צילום של מרכז גלקסית שביל החלב. החור השחור המסיבי sagitarius A* מסומן בחץ Chandra satellite image

28. לא לכל הגלקסיות יש גרעינים פעילים, ולא קל לדעת על סמך התבוננות בקרינה נראית

29. JETS • חלק מהחורים השחורים הסופר מסיביים פולטים סילונים אדירים של חומר טעון (אלקטרונים, פרוטונים וכו') • חומר זה מואץ על ידי השדה המגנטי של החור השחור ותוך כדי כך פולט קרינת רדיו, שניתן לגלותה.

30. JETS

31. M87

32. M87 - jet

33. Centaurus A Cen A באור נראה Chandra image of Cen A גרעיןCen A בקרינת x

34. 3C75 radio image

35. חורים שחורים בינוניים • חורים שחורים בעלי מסות של כמה מאות עד כמה אלפי מסות שמש נצפו הרחק ממרכזן של גלקסיות אחדות. • לעתים קרובות מדובר בגלקסיות עתירות כוכבים צעירים ומסיביים, התפרצויות סופרנובה. • בצילום, NGC253.

36. V4641

37. קרינת הוקינג • קרינת הוקינג נחזתה באופן תיאורטי ע"י הפיסיקאי סטיבן הוקינג. • קרינת הוקינג, אם היא קיימת, גורמת לחורים שחורים לזהור (חלקיקים ופוטונים). • זהו אפקט קוונטי (לא קל להסביר על רגל אחת...) • האפקט מנבא שככל שהחור השחור קטן יותר,כך הקרינה חזקה יותר. חורים שחורים זעירים צפויים "להתאדות". • נכון להיות, לא זכה לאישור תצפיתי.

38. שירוש כמה אגדות אורבניות • חורים שחורים אינם מהווים "שואבי אבק" קוסמיים. רק בתוך אופק המאורעות כח המשיכה שלהם כה אדיר • הרחק מהחור השחור, כח הכבידה אינו גדול יותר מהמקרה שבו כל המסה מפוזרת לגודל של כוכב רגיל. • אילו חור שחור שמסתו מסת שמש אחת היה מחליף את השמש, מסלולי כל הפלנטות לא היו משתנים (אבל היה קצת קר...)

39. מחילות תולעת • הסיבוך הכרוך בשימוש במחילת תולעת (אפילו אם היא יציבה) לצורך מסע במרחב / זמן הוא כוחות גיאות... • החשש הוא של "ספגטיזציה פרקטלית"