חתן פרס נובל שגילה חור שחור בלב הגלקסיה מדבר על מדע ופוליטיקה

הרעיון של חור שחור הוא אחד הממתקים שמציעה הפיזיקה של ימינו לאנשים מהיישוב, לצד רעיונות כמו מסע בזמן, יקומים מקבילים וחומר אפל. הוא מעין "הוטל קליפורניה" של היקום - אפשר ללכת לבקר בו, אבל לא תוכלו אף פעם לעזוב, כפי שאומר חתן פרס נובל לשנת 2020, ריינהרד גנזל, בראיון לגלובס.

"כשאת נוסעת לכיוון חור שחור, תגיעי בשלב מסוים לאזור שנקרא Event Horizon ("אופק האירועים"). אם את חכמה, זה השלב שבו תסתובבי חזרה. אם את ממש גיבורה ורוצה לראות איך נראה חור שחור בכל מחיר, את תעברי את אופק האירועים, ובהתחלה לא תרגישי שום שינוי, אבל את כבר לא תוכלי לחזור הביתה לעולם".

מי שחצה את אופק האירועים ויביט לאחור, יראה את האור מבחוץ, מעוות על ידי כל מיני אפקטים של כוח המשיכה. אבל מבחוץ, אף אחד לא יוכל לראות אותו. גם אם יאיר בפנס החוצה, האור, ממש כמוהו, יישאב במהירות למרכז החור. כך הוא ישוט לכיוון המאסה הגדולה שבמרכז החור, במהירות הולכת וגוברת, עד שהגוף לא יוכל לעמוד עוד במהירות הזאת ושאריותיו יוטחו בעוצמה במאסה שבמרכז החור ויהפכו לחלק ממנה.

"כל דבר שעובר את אופק האירועים יישאב לבסוף למאסה שבמרכז החור. כל המאסה מאופק האירועים ופנימה, מרוכזת בנקודה האחת הזאת", אומר גנזל.

תחרות בין אירופה לארה"ב בדרך לנובל

גנזל קיבל פרס נובל עבור הגילוי שיש לנו מפלצת כזאת ממש במרכז שביל החלב שלנו. אבל אין מה לדאוג, הוא אומר. "במיקום שלנו בשביל החלב, יש מספיק מאסה בינינו לבין החור. המאסה של הגלקסיה שלנו לא מוכתבת על ידי החור, וזה נכון להרבה גלקסיות. החורים הם לרוב לא יותר מ-0.5% מהמאסה".

החור שבמרכז היקום שלנו מוסתר מאיתנו על ידי אור כוכבים. כדי לחקור אותו, השתמשו גנזל ואנשי הצוות שלו בגלאי אינפרה אדום. הם זיהו באמצעותם כוכבים שנעים במסלול קבוע סביב משהו שאינו נראה לעין. "עשינו זאת באמצעות טלסקופים עוצמתיים שהוקמו במקומות שונים. ניצלנו קפיצות טכנולוגיות שאירעו בשנים קודמות, הן באופטיקה והן ביכולות החישוביות שאפשרו לנו לסנכרן את התמונות מכל הטלסקופים".

הקבוצה של גנזל עבדה במקביל לקבוצה אמריקאית בהובלת פרופ’ אנדראה גץ, שותפתו לפרס נובל (שותף נוסף לפרס הוא פרופ’ רוברט פנרוז, שקיבל את מחציתו). שתי הקבוצות התחרו זו בזו, ראש בראש והגיעו לקו הסיום כמעט יחד.

"אנשים אוהבים לראות תחרות, ואז את התהליך שבו שני מתחרים מגיעים לאותו מקום מכיוונים שונים", אומר גנזל. "זה כמו לשמוע הופעה בסטריאו. אם רק קבוצה אחת הייתה מגיעה לכך, זה היה פחות אמין. עובדה היא ששתי הקבוצות הגיעו למסקנות דומות ביותר".

אך היו תקופות שבהן התחרות ירדה גם לפסים אישיים והיחסים בין הקבוצות נעכרו. היום גנזל אומר שהם ביחסים קורקטיים. "לאנדראה יש היום טלסקופ ענק, אבל לא תזמורת של טלסקופים כמו שלנו יש. אני חושב שזה גורם לה להיכנס קצת למגננה. במאה ה-20, אמריקה הייתה כל כך הרבה יותר מתקדמת מאירופה, בעיקר מאיתנו הגרמנים. לנו הייתה פיזיקה אבל להם הייתה אסטרונומיה. היום זה השתנה. עם טלסקופ ESO (ראו מסגרת), ברור שאנחנו הכי טובים. אני מבין שלאמריקאים קצת קשה להכיל את זה". אם תשאלו את גץ, היא כמובן תגיד לכם שהטלסקופ שלה בסדר גמור, תודה.

הפרויקט שלא עמד בלחצים הפוליטיים

"אני ממש אוהב את אמריקה", מודה גנזל, "גרתי שם תקופה. אני מבין שהם התחילו לפתח איזו אשליה שהם מדינה יוצאת דופן, והם באמת מדינה יוצאת דופן, אבל בסוף הם רק מדינה אחת. שיתוף פעולה הוא מאוד חשוב. שיתוף פעולה בינלאומי הוא היום הדרך היחידה שבה אפשר לייצר את המדע מהסוג שמשכנע את הציבור לתת לנו את הכסף. השאלה היא מתי אנשים יגידו ‘אני מעדיף לשים את הכסף הזה על מלחמה".

גנזל נזכר שבמהלך המלחמה הקרה, "המדע היה הדרך היחידה שבה דיברנו עם הרוסים. היום ישנם מדענים רוסים בין הקולגות הכי קרובים שלי. הם רוצים שלום, אבל בואי לא ניכנס לזה".

אחד משיתופי הפעולה של גנזל עם קולגות רוסים, הטלסקופים eROSITA ו-ART-XC שהוצבו בחלל בהשקעה של עשרות מיליוני דולרים, לא עמד בלחצים הפוליטיים. גרמניה החליטה להפסיק כל שיתוף פעולה מדעי עם רוסיה. "כמה ימים אחרי הפלישה, נאלצנו לכבות אותו. אנחנו מקווים שהטלסקופ לא ייפגע, עד שנמצא דרך להפעיל אותו שוב ולהתחיל את המחקר שנערך בו מההתחלה".

פרס נובל שקיבלתם היה עבור "איתור מאסה גדולה במרכז שביל החלב", אבל כבר עם הצגת המחקר הוסיפו אנשי הפרס, "מה שיכול רק להיות חור שחור". מדוע?
"אם תשבי בארוחה משפחתית ותגידי לדוד שלך שמצאת חור שחור באמצע הגלקסיה, הוא יגיד לך, ‘כן, סיפור טוב’", צוחק גנזל. "עדיין אי אפשר לשלול באופן מוחלט שקורה שם משהו אחר שאנחנו לא מבינים. היכולות החישוביות שלנו לא מושלמות. אז הם השאירו בכותרת, אבל רק בכותרת, מקום לספק.

"לכן אנחנו ממשיכים כל הזמן במדידות כדי לחזק את ההוכחה שלנו. כעת אנחנו ניגשים להוכיח את הממצאים שלו באמצעות גלי כבידה. על פי תורת היחסות, אם מאסה גדולה נשאבת כרגע לחור שחור, אנחנו אמורים לראות שינויים בשדה כוח המשיכה, ובהשפעה של כוח המשיכה על גופים באותה הסביבה. אלה כלי כבידה, וזו בעצם ‘הצעקה האחרונה’ של עצם בזמן שהוא נופל לתוך החור".

מה קורה כשמכבים את אור השמש

פרופ’ פנרוז הראה בשנות ה-50 של המאה ה-20 שהתיאוריה של אלברט אינשטיין חייבת לכלול חורים שחורים כדי להגדיר היטב את היקום כפי שאנחנו מכירים אותו. במקביל, החלה קהילה האסטרופיזיקאים לזהות בשנות ה-60 של המאה ה-20 קרינת רנטגן המגיעה בעוצמה גבוהה מכוכבים רחוקים, שאורם נראה חלש.

"התופעות הללו זכו לשם קוואזר", אומר גנזל. "הבנו שהאור הזה שנוצר על פי החישובים שלנו כבר לפני 2.4 מיליארד שנה, פולט אנרגיה בעוצמה של פי 1,000 מזו של הגלקסיה שלנו". מאז נמצאו גם קוואזרים שפולטים אנרגיה גדולה פי 100,000 מזו של כל הגלקסיה שלנו.

החוקרים הבינו שהדבר שיוצר עוצמה כזאת של קרינה עם עוצמה לא תואמת של אור לא יכול להיות כוכב שפועל על היתוך מימן כמו השמש שלנו, "כי אז היינו צריכים לראות אור עצום".

הפתרון היה כזה: במרכז התופעה נמצא כנראה חור שחור שבולע לתוכו כל הזמן מאסה. החומר שנופל לתוך החור השחור משחרר אנרגיה בעצם תהליך המשיכה (עד שהוא עובר את אופק האירועים שממנו כבר לא משתחררת קרינה), וזה מה שגורם לקרינה הגבוהה.
אבל כל זה היה נכון במתמטיקה של תורת היחסות, אומר גנזל. "האם זה באמת מה שקיים בעולם? לא כל מה שעובד מתמטית באמת ניתן להוכחה".

כדי לנסות להוכיח זאת, שאלו את עצמם החוקרים מה היה קורה אם היינו מכבים במערכת השמש שלנו את אור השמש בלי להזיז אותה. מה היה קורה לתנועת כוכבי הלכת? "גילינו ששום דבר לא היה משתנה, כי האור משפיע מעט, והמאסה של השמש היא זו שמשפיעה על תנועת כוכבי הלכת".

כלומר אם היינו רואים את כוכבי הלכת ממשיכים להסתובב באותה צורה, היינו מבינים שהם סובבים גוף עם מאסה רבה, מעין שמש ללא אור. "כך אנחנו בעצם יכולים לדעת לאיזו גלקסיה יש חור שחור. ואנחנו באמת רואים כוכבים כאלה הנראים כסובבים מאסות בלתי נראות, במקומות שבהם יש קוואזר". זו הייתה סוג של הוכחה לכך שהקוואזר הוא הקרינה שנובעת מכך שמאסה נשאבת לתוך החור השחור.

ציפייה לתשובות מפיזיקת הקוואנטים

גנזל חוקר היום כיצד נולדות גלקסיות. "אנחנו יכולים לראות גלקסיות שונות בגילאים שונים ביקום. אם אנחנו מסדרים את התמונות לפי זמן, אפשר לראות מעין סרט של איך מתפתחת גלקסיה".

לדברי גנזל, בכל רגע נתון גלקסיות גדלות משום שהן מושכות מאסה מבחוץ. חלק מהמאסה הזאת הולכת לחור השחור, אבל הקצב נעשה אטי יותר עם השנים, בגלל התפשטות היקום. "בשביל החלב נוצרים כוכב אחד או שניים חדשים בכל שנה. לפני 10 מיליארד שנה, כשהגלקסיה נוצרה, הקצב היה פי אלף מזה".

עם זאת, יש יוצאי דופן. "אם מאכילים חור שחור הרבה מאוד בבת אחת, זה עוצר את צמיחת הגלקסיה. אז מקבלים גלקסיות מתות, כלומר אינן מוסיפות עוד כוכבים. אנחנו חושבים שהמשיכה של החור השחור במקרה הזה היא כל כך חזקה, עד שהוא ניקה את האבק הבין-כוכבי, הדלק לכוכבים החדשים. אנחנו חושבים שזה קרה בעיקר לגלקסיות שנוצרו בראשית ימי היקום. הן צמחו מאוד מהר".

לפי תורת היחסות של אינשטיין, שניבאה את החור השחור, המאסה אמורה להיות מרוכזת בנקודה אחת בקוטן אינסופי במרכז החור, "אבל אומרים הפיזיקאים: ‘אין כזה דבר שהוא אינסופי בקוטן’. גם הרעיון של כדור מאסה מרוכז אינו סביר מנקודת המבט של הפיזיקה הקוואנטית. בסקאלות הקטנות האלה, הפיזיקה הקוואנטית קצת מרככת את הכדורים האלה, הופכת אותם לקצת נקודה, קצת גל, ואי אפשר לדעת בדיוק היכן הם. אז האם יכול לקרות דבר כזה גם למאסה גדולה?"

הפיזיקה הקוואנטית מערערת על האבסולוטיות המטרידה של רעיון החור השחור. אולי היא נותנת מפתח קטן להציץ אל מה שיש בתוכו. "תורת הקוואנטים אומרת שאין אפשרות שדבר יקרה בלי להשאיר סימן. אז איפה המידע על מה שנמצא במרכז החור השחור אגור ואיך קוראים אותו?"

השאלה הזאת מובילה אותנו לשאלת האי-ודאות שעומדת בבסיס התורה הקוואנטית. "אמרנו שברגע שעברת את אופק האירועים, אין אפשרות להוציא מהחור כלום, אבל על פי עקרון האי-ודאות, גם מקרים מאוד לא סבירים קורים, הם פשוט קורים לעתים מאוד רחוקות. לפי תורת הקוואנטים, ייתכן שחלקיק יוצא ואנטי-חלקיק נכנס. אנחנו קוראים לזה ‘אדים קוואנטיים העולים מהחור השחור’, ואולי אותם נוכל למדוד. אם כן, זה יהיה מאוד מלהיב".

האם ישראל תצטרף למערכת הטלסקופים האירופית?

הראיון עם גנזל נערך על רקע המאמץ המשותף של קהילת הפיזיקה והחדשנות בישראל לשכנע את ממשלת ישראל להשקיע בהצטרפות למערכת הטלסקופים האירופית ESO (בשמה המלא European Southern Observatory) הנחשבת מערכת הטלסקופים המתקדמת ביותר בעולם. כפי שהסביר גנזל, אי-אפשר היום לבצע מחקר בסדר הגודל הזה בלי טלסקופ ענק או חיבור מידע מכמה טלסקופים ענקיים הפונים אל אותו אירוע מזוויות שונות.

להקפיץ את תעשיות האופטיקה והחיישנים

במערכת ESO חברות 16 מדינות אירופיות המובילות בתחום החלל. הטלסקופים עצמם נמצאים במדבר אטקמה בצ’ילה, אך המיזם מנוהל מגרמניה. יש המקבילים אותו למאיץ החלקיקים ב- CERN מבחינת ההשפעה על תחום המחקר שלו.

ביום חמישי האחרון נערך אירוע בהשתתפותם הווירטואלית של גנזל ובכירים בקהילת האסטרונומיה והפיזיקה, וכן מקבל מקבלי ההחלטות בנושא, בתמיכת האקדמיה הלאומית למדעים. "אנחנו מעוניינים לשקף למקבלי ההחלטות את התמיכה מקיר לקיר בהצטרפות לקהילה הזאת ואת היתרונות של ההצטרפות עבור האקדמיה והתעשיות הישראליות", אומר פרופ’ עודד אהרונסון, יו"ר החטיבה לאסטרונומיה, מדעים פלנטריים וחקר החלל באגודה הישראלית לפיזיקה, חוקר במכון ויצמן ואחד ממובילי היוזמה. "כן, ההצטרפות עולה כסף, כמה עשרות מיליוני אירו ועוד עלות שנתית של כמה מיליוני אירו בודדים, וההסכמה צריכה להגיע מגופים הכוללים את ות"ת, משרד האוצר ומשרד החוץ.

 אתר ESO בקוקימבו, צ'ילה / צילום: Reuters, RODRIGO GARRIDO

"התועלת, מלבד הנגישות לתשתיות המאפשרות את המחקר המדעי הכי טוב בתחום והשותפות בקבוצות המדע המובילות, היא גם האפשרות להציע טכנולוגיות חדשות לטלסקופים. בעבר חברות ישראליות מובילות בחדשנות רצו להציע ל-ESO לבנות עבורם מכשירים, בתשלום כמובן, אבל רק חברות ממדינות שהן חברות ב-ESO מקבלות את ההזדמנות הזו. הצטרפות ל-ESO יכולה להקפיץ את תעשיות האופטיקה והחיישנים, ולאפשר הכשרה של כוח אדם בתחומים שהם בחוד החנית".

מערך ESO כולל בין היתר את הטלסקופ הגדול בעולם, שזכה לשם היצירתי ELT, שפירושו Extremely Large Telescope. הוא יורש את ה-VLT שהקדים אותו, קיצור של Very Large Telescope כמובן.

"קשה כבר לעשות מדע פורץ דרך עם טלסקופ בינוני במצפה רמון", אומר אהרונסון, וגנזל מסכים: "יש לכם טלסקופ טוב שם בנגב, אבל זה כבר לא מספיק".

אהרונסון עצמו חוקר כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש שלנו, ואת תהליך ההיווצרות שלהם. הטלסקופים של ESO פותחים חלון לתגליות בתחום הזה.

"ויש גם פוליטיקה": מי מפחד מהצטרפות ישראל

גנזל מציין שגם ESO צריכה להחליט אם ברצונה לקבל את ישראל. חלק מהמדינות הפחות חזקות במיזם חוששות שאם ישראל תיכנס היא תתפוס יותר מדי "זמן אוויר" של הטלסקופ באמצעות הצעות מחקר טובות, ולחברים האחרים לא יישאר. "ויש גם פוליטיקה", הוא מודה. עם זאת, חלק מהחוקרים נלהבים לעבוד עם הישראלים. "הם נחשבים לתיאורטיקנים מהמובילים בעולם", הוא אומר.

פרופ' ריינהרד גנזל

אישי: בן 69, נולד בגרמניה לאב שהיה גם הוא פיזיקאי במכון פלאנק. בילדותו, בנו השניים מעבדת פיזיקה ביתית, שהסיטה את המסלול של גנזל הצעיר מארכיאולוגיה, שבה התעניין תחילה, לפיזיקה
מקצועי: חוקר במכון מקס פלנק לפיזיקה אקסטרה טרסלית
עוד משהו: המסר שלו למדענים צעירים הוא ש"כדי להיות חוקר מצליח, חייבים לרצות בזה מאוד ולהקריב. כל הקולגות המצליחים שלי נותנים 150% מעצמם"