התרשמות האמן מאירוע מיקרועדשות שנגרם על ידי חור שחור שנצפה מכדור הארץ לעבר הענן המגלן הגדול. האור של כוכב רקע הממוקם ב-LMC מכופף על ידי חור שחור קמאי (עדשה) בהילה הגלקטית ומוגדל כאשר הוא נצפה מכדור הארץ. מיקרועדשות גורמת לשינוי אופייני מאוד של בהירות של כוכב הרקע, המאפשרת לקבוע את המסה והמרחק של העדשה. קרדיט: J. Skowron / OGLE. תמונת רקע של הענן המגלן הגדול: נוצרה עם bsrender שנכתב על ידי קווין לוך, באמצעות מסד הנתונים של ESA/Gaia. קרדיט: J. Skowron / OGLE. תמונת רקע של הענן המגלן הגדול: נוצרה עם bsrender שנכתב על ידי קווין לוך, באמצעות מסד הנתונים של ESA/Gaia
אוכלוסייה של חורים שחורים עצומים שמקורם הוא אחת התעלומות הגדולות באסטרונומיה המודרנית זוהתה על ידי LIGO ובתולה גגלאי גלי ravitational.
לפי אחת ההשערות, ייתכן שהעצמים הללו נוצרו ביקום המוקדם מאוד ועשויים להרכיב חומר אפל, חומר מסתורי הממלא את היקום. צוות של מדענים הכריז על תוצאות של תצפיות ארוכות של כמעט 20 שנה המצביעות על כך שחורים שחורים מסיביים כאלה עשויים להוות לכל היותר כמה אחוזים מהחומר האפל. לכן, דרוש הסבר נוסף למקורות גלי כבידה.
תוצאות המחקר פורסמו בשני מאמרים, ב טֶבַע וה כתב עת אסטרופיזי סדרת משלים. המחקר נערך על ידי מדענים מסקר OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) מהמצפה האסטרונומי של אוניברסיטת ורשה.
הבנת הרכב החומר האפל של היקום
תצפיות אסטרונומיות שונות מצביעות על כך שחומר רגיל, שאנו יכולים לראות או לגעת בו, מהווה רק 5% מתקציב המסה והאנרגיה הכולל של היקום. בתוך ה שביל החלבעל כל קילוגרם של חומר רגיל בכוכבים, יש 15 פאונד של "חומר אפל", שאינו פולט שום אור ומקיים אינטראקציה רק באמצעות כוח המשיכה שלו.
"טבעו של החומר האפל נותר בגדר תעלומה. רוב המדענים חושבים שהוא מורכב מחלקיקים יסודיים לא ידועים", אומר ד"ר פזמק מרוז ממצפה הכוכבים האסטרונומי, אוניברסיטת ורשה, המחבר הראשי של שני המאמרים. "למרבה הצער, למרות עשרות שנים של מאמצים, אף ניסוי (כולל ניסויים שבוצעו עם מאיץ ההדרונים הגדול) לא מצא חלקיקים חדשים שיכולים להיות אחראים לחומר אפל."
אירועי מיקרו עדשות צפויים לעומת נצפו על ידי עצמים מסיביים לעבר הענן המגלן הגדול כפי שנראה דרך הילה של שביל החלב. אם החומר האפל ביקום היה מורכב מחורים שחורים ראשוניים משוערים, יותר מ-500 אירועי מיקרועדשות היו מתגלים במהלך סקר OGLE בשנים 2001-2020. במציאות, פרויקט OGLE רשם רק 13 זיהויים של אירועי מיקרועדשות, ככל הנראה שנגרמו על ידי כוכבים רגילים. קרדיט: J. Skowron / OGLE. תמונת רקע של הענן המגלן הגדול: נוצרה עם bsrender שנכתב על ידי קווין לוך, באמצעות מסד הנתונים של ESA/Gaia. קרדיט: J. Skowron / OGLE. תמונת רקע של הענן המגלן הגדול: נוצרה עם bsrender שנכתב על ידי קווין לוך, באמצעות מסד הנתונים של ESA/Gaia
המסתורין והפוטנציאל של חורים שחורים ראשוניים
מאז הגילוי הראשון של גלי כבידה מזוג חורים שחורים מתמזגים ב-2015, הניסויים של LIGO ובתולה זיהו יותר מ-90 אירועים כאלה. אסטרונומים שמו לב שחורים שחורים שזוהו על ידי LIGO ובתולה הם בדרך כלל מסיביים יותר באופן משמעותי (20-100 מסות שמש) מאלה המוכרים בעבר בשביל החלב (5-20 מסות שמש).
"ההסבר מדוע שתי האוכלוסיות הללו של חורים שחורים כה שונות היא אחת התעלומות הגדולות ביותר של האסטרונומיה המודרנית", אומר ד"ר מרוז.
הסבר אפשרי אחד מניח שגלאי LIGO ובתולה חשפו אוכלוסייה של חורים שחורים ראשוניים שייתכן שנוצרו ביקום המוקדם מאוד. קיומם הוצע לראשונה לפני למעלה מ-50 שנה על ידי הפיזיקאי התיאורטי הבריטי המפורסם סטיבן הוקינג, ובאופן עצמאי על ידי הפיזיקאי הסובייטי יעקב זלדוביץ'.
"אנחנו יודעים שהיקום המוקדם לא היה הומוגני באופן אידיאלי – תנודות בצפיפות קטנות הולידו גלקסיות וצבירי גלקסיות נוכחיים", אומר ד"ר מרוז. "תנודות צפיפות דומות, אם הן עולות על ניגודיות צפיפות קריטית, עלולות לקרוס וליצור חורים שחורים."
מאז הגילוי הראשון של גלי כבידה, יותר ויותר מדענים משערים שחורים שחורים ראשוניים כאלה עשויים להוות חלק משמעותי, אם לא כולו, מהחומר האפל.
התרשמותו של האמן מהענן המגלן הגדול מושך על ידי עצמים מסיביים בהילה של שביל החלב. קרדיט: J. Skowron / OGLE
חקר חומר אפל בעזרת טכניקות מיקרועדשות
למרבה המזל, ניתן לאמת השערה זו באמצעות תצפיות אסטרונומיות. אנו רואים שכמויות גדולות של חומר אפל קיימות בשביל החלב. אם הוא היה מורכב מחורים שחורים, היינו צריכים להיות מסוגלים לזהות אותם בשכונה הקוסמית שלנו. האם זה אפשרי, בהתחשב בכך שחורים שחורים אינם פולטים שום אור שניתן לזהות?
על פי תורת היחסות הכללית של איינשטיין, האור עשוי להיות כפוף ומוסט בשדה הכבידה של עצמים מסיביים, תופעה הנקראת מיקרו-עדשה גרביטציונית.
"מיקרו-עדשה מתרחשת כאשר שלושה עצמים – צופה על כדור הארץ, מקור אור ועדשה – מתיישרים למעשה באופן אידיאלי בחלל", אומר פרופ' אנדז'יי אודלסקי, החוקר הראשי של סקר OGLE. "במהלך אירוע מיקרועדשות, האור של המקור עשוי להיות מוטה ומוגדל, ואנו רואים התבהרות זמנית של אור המקור."
משך ההבהרה תלוי במסה של אובייקט העדשה: ככל שהמסה גבוהה יותר, האירוע ארוך יותר. אירועי עדשות מיקרו על ידי עצמים במסת שמש נמשכים בדרך כלל מספר שבועות, בעוד שאירועים על ידי חורים שחורים שהם 100 מסיביים יותר מהשמש יימשכו כמה שנים.
הרעיון של שימוש במיקרו-עדשות כבידה כדי לחקור חומר אפל אינו חדש. הוא הוצע לראשונה בשנות ה-80 על ידי האסטרופיזיקאי הפולני המפורסם בוהדן פאצ'ינסקי. הרעיון שלו היווה השראה לתחילתם של שלושה ניסויים מרכזיים: OGLE הפולני, MACHO האמריקאי ו-EROS הצרפתי. התוצאות הראשונות של ניסויים אלה הוכיחו שחורים שחורים פחות מסיביים ממסת שמש אחת עשויים להוות פחות מ-10% מהחומר האפל. עם זאת, תצפיות אלו לא היו רגישות לאירועי מיקרועדשות בקנה מידה ארוך במיוחד, ולכן לא היו רגישות לחורים שחורים מסיביים, בדומה לאלו שהתגלו לאחרונה עם גלאי גלי כבידה.
לילה מעל מצפה הכוכבים של לאס קמפנס בצ'ילה (מופעל על ידי מכון קרנגי למדע). תחנת התצפית של פרויקט OGLE והעננים המגלן הגדולים והקטנים. קרדיט: Krzysztof Ulaczyk
מחקרים תצפיתיים ארוכי טווח מאת OGLE
במאמר החדש ב- סדרת מוסף כתב עת אסטרופיזי, אסטרונומים של OGLE מציגים את התוצאות של ניטור פוטומטרי בן כמעט 20 שנה של כמעט 80 מיליון כוכבים הממוקמים בגלקסיה סמוכה, הנקראת הענן המגלן הגדול, ואת החיפושים אחר אירועי מיקרו-עדשות כבידה. הנתונים המנותחים נאספו במהלך השלב השלישי והרביעי של פרויקט OGLE מ-2001 עד 2020.
"מערך הנתונים הזה מספק את התצפיות הפוטומטריות הארוכות, הגדולות והמדויקות ביותר של כוכבים בענן המגלן הגדול בהיסטוריה של האסטרונומיה המודרנית", אומר פרופ' אודלסקי.
השלכות של ממצאים אחרונים על חומר אפל
המאמר השני, שפורסם ב טֶבַעדן בהשלכות האסטרופיזיות של הממצאים.
"אם כל החומר האפל בשביל החלב היה מורכב מחורים שחורים של 10 מסות שמש, היינו צריכים לזהות 258 אירועי מיקרועדשות", אומר ד"ר מרוז. "עבור 100 חורים שחורים במסת שמש, ציפינו ל-99 אירועי מיקרועדשות. עבור 1000 חורים שחורים במסת שמש – 27 אירועי מיקרועדשות."
לעומת זאת, האסטרונומים של OGLE מצאו רק 13 אירועי מיקרועדשות. הניתוח המפורט שלהם מוכיח שניתן להסביר את כולם על ידי אוכלוסיות הכוכבים הידועות בשביל החלב או בענן המגלן הגדול עצמו, לא על ידי חורים שחורים.
"זה מצביע על כך שחורים שחורים מאסיביים יכולים להרכיב לכל היותר כמה אחוזים מהחומר האפל", אומר ד"ר מרוז.
החישובים המפורטים מראים שחורים שחורים של 10 מסות שמש עשויים להוות לכל היותר 1.2% מהחומר האפל, 100 חורים שחורים במסת השמש – 3.0% מהחומר האפל, ו-1000 חורים שחורים במסת השמש – 11% מהחומר האפל.
"התצפיות שלנו מצביעות על כך שחורים שחורים קדומים אינם יכולים להוות חלק ניכר מהחומר האפל, ובו זמנית להסביר את הנצפה חור שחור שיעורי המיזוג הנמדדים על ידי LIGO ובתולה", אומר פרופ' אודלסקי.
לכן, נחוצים הסברים אחרים לחורים שחורים מסיביים שזוהו על ידי LIGO ובתולה. על פי אחת ההשערות, הם נוצרו כתוצר של התפתחות כוכבים מסיביים, בעלי מתכת נמוכה. אפשרות נוספת כוללת מיזוגים של עצמים פחות מסיביים בסביבות כוכבים צפופות, כמו צבירים כדוריים.
"התוצאות שלנו יישארו בספרי הלימוד באסטרונומיה בעשורים הבאים", מוסיף פרופ' אודלסקי.
