חור לבן

גרם שמיים היפותטי

תמונת אמן של חור לבן

חור לבן (באנגלית: White Hole) הוא אובייקט קוסמי היפותטי באסטרופיזיקה וקוסמולוגיה, המהווה את ההיפוך המדויק בזמן של חור שחור. בעוד שחור שחור פועל כ"בולע" אולטימטיבי של חומר ואור שממנו דבר אינו יכול להימלט, חור לבן הוא אזור במרחב-זמן הפולט חומר ואנרגיה באופן רציף או מיידי, כאשר חדירה אליו מבחוץ נחשבת לבלתי אפשרית מבחינה פיזיקלית.[1]

על פי תורת היחסות הכללית, חורים לבנים מופיעים כפתרונות מתמטיים לגיטימיים של משוואות השדה של איינשטיין, בפרט במסגרת ההרחבה המקסימלית של מטריקת שוורצשילד (דרך קואורדינטות קרוסקל-סקרש).[2] למרות קיומם התאורטי, עד כה לא זוהה בוודאות אף עצם אסטרונומי כחור לבן, והקהילה המדעית חלוקה בשאלה האם אובייקטים אלו יכולים להתקיים בטבע או שהם תוצרי לוואי מתמטיים בלבד.[3]

רקע היסטורי ותאורטי

המושג התאורטי של חורים לבנים צמח מתוך הפיתוח המתמטי של פיזיקת החורים השחורים. בעוד שחורים שחורים זכו לביסוס תצפיתי נרחב דרך מערכות כפולות וזיהוי חורים שחורים על-מסיביים במרכזי גלקסיות, החורים הלבנים נותרו במישור התאורטי.[1]

בשנת 1965, הפיזיקאים איגור נוביקוב ויובל נאמן הציעו באופן בלתי תלוי כי חורים לבנים עשויים להיות "ליבות מאחרות" (Lagging cores), כלומר חלקים של ההמפץ הגדול הראשוני שקצב התפשטותם התעכב במיליארדי שנים.[4][5] בתחילה, הם הוצעו כהסבר אפשרי לאובייקטים הבהירים ביותר ביקום, כגון קוואזרים וגרעינים גלקטיים פעילים, בשל האנרגיה העצומה שהם פולטים.[6]

עם זאת, בשנות ה-70 של המאה ה-20, מחקרים הראו כי חורים לבנים הפולטים חומר באופן רציף הם אינם יציבים. הפיזיקאי דאגלס ארדלי (Eardley) הוכיח כי חומר המצטבר סמוך לאופק האירועים של חור לבן יוצר עקב כבידתו הסחה לכחול אינסופית (blue sheet) של אנרגיה מרוכזת, מה שמוביל לקריסה מהירה של החור הלבן והפיכתו לחור שחור. תופעה זו כונתה "מותם של החורים הלבנים".[7]

המבנה המתמטי של חור לבן

דיאגרמה של מבנה המרחב-זמן של חור שחור במתיחה מקסימלית. הציר האופקי מייצג את המרחב והציר האנכי מייצג את הזמן

מבחינה גאומטרית, חור לבן מתואר כהיפוך זמן של חור שחור. אם נתבונן בקואורדינטות קרוסקל-סקרש הממפות את המרחב-זמן סביב מסה נקודתית, נמצא ארבעה אזורים נפרדים:

  1. האזור החיצוני הסטנדרטי (היקום שלנו).
  2. פנים החור השחור (אזור שממנו אי אפשר לצאת).
  3. יקום מקביל (אזור המחובר דרך גשר איינשטיין-רוזן).
  4. פנים החור הלבן (אזור שאי אפשר להיכנס אליו).[8]

בחור לבן, הסינגולריות נמצאת בעבר של כל חלקיק הנפלט ממנו, בניגוד לחור שחור שבו הסינגולריות (או הרינגולריות) נמצאת בעתיד של כל חלקיק שנכנס אליו. האופק של חור לבן נקרא "אופק אירועים בעבר".[6]

תחיית החורים הלבנים: "מפצים קטנים" וכוכבי פלאנק

בעשור השני של המאה ה-21, החל עניין מחודש בחורים לבנים, הפעם לא כאובייקטים סטטיים אלא כאירועים קוונטיים חולפים.

מודל "המפץ הקטן" (Small Bang)

אלון רטר ושלמה הלר הציעו כי חורים לבנים אינם פולטים חומר באופן מתמשך (מה שגורם לאי-יציבות), אלא מופיעים כהתפרצות ספונטנית וחד-פעמית של חומר ואנרגיה, בדומה למפץ הגדול אך בקנה מידה קטן בהרבה. הם כינו אירוע זה בשם "Small Bang". על פי גישה זו, החור הלבן מופיע בנקודה חסרת קואורדינטות מוגדרות מראש במרחב-זמן, פולט את כל מסתו בבת אחת, ונעלם.[9]

כוכבי פלאנק ומנהור קוונטי

הפיזיקאים קרלו רובלי ופרנצ'סקה וידוטו הציעו כי חורים שחורים עשויים לעבור מנהור קוונטי ולהפוך לחורים לבנים בתום חייהם. על פי מודל זה, כאשר כוכב קורס, הוא אינו מגיע לסינגולריות בעלת צפיפות אינסופית. במקום זאת, כאשר צפיפות האנרגיה מגיעה לצפיפות פלאנק, נוצר לחץ קוונטי הדוחף את החומר החוצה (החזר – Bounce).[10]

עקב ההתרחבות הזמנית העצומה (gravitational time dilation) סביב חור שחור, התהליך שנמשך זמן קצר מאוד עבור החומר הקורס, נראה לצופה חיצוני כמיליארדי שנים. לפיכך, חור שחור הוא למעשה "כוכב קופץ" (bouncing star) הנראה בהילוך איטי מאוד, שבסופו הוא יתפוצץ כחור לבן.[11]

מועמדים לתצפית וחתימות אנרגטיות

הקושי המרכזי בזיהוי חורים לבנים הוא העובדה שהם אינם קיימים לאורך זמן כפי שחורים שחורים קיימים. ניתן לזהותם רק סביב רגע פליטת האנרגיה.[1]

התפרצויות קרינת גמא (GRBs)

רטר והלר הציעו לזהות את האירוע האסטרונומי GRB 060614 כחור לבן. התפרצות זו, שנצפתה בשנת 2006, הייתה חריגה מאוד: היא נמשכה 102 שניות (בדומה להתפרצויות ארוכות המקושרות לסופרנובה), אך לא הראתה שום סימן לפליטת סופרנובה למרות מרחקה הקרוב יחסית לכדור הארץ. חור לבן עשוי להוות הסבר טבעי להתפרצות אנרגטית עצומה במרחב ריק שאינה קשורה למוות של כוכב מסיבי.[12]

התפרצויות רדיו מהירות (FRBs)

הצעה נוספת מקשרת בין חורים לבנים קטנים (שמקורם בחורים שחורים ראשוניים מימי היקום הקדום) לבין התפרצויות רדיו מהירות (Fast Radio Bursts). אותות אלו נמשכים מילי-שניות בודדות ונושאים אנרגיה רבה. אורך הגל הנצפה של FRBs תואם במידה מסוימת את התחזיות התאורטיות לרדיוס שוורצשילד של חורים שחורים קטנים המתפוצצים כחורים לבנים בימינו.[13]

תהליכי פיזיקה באנרגיות גבוהות

חורים לבנים מהווים מוקד למחקר בתחום של התנגשויות חלקיקים באנרגיות גבוהות מאוד.

תהליך סופר-פנרוז (Super-Penrose Process)

הפיזיקאי א.ב. זסלבסקי חקר את האפשרות של הפקת אנרגיה בלתי מוגבלת מהתנגשויות חלקיקים סמוך לאופק של חור לבן טעון או מסתובב. נמצא כי בעוד שבחורים שחורים קיימות מגבלות מסוימות על פליטת האנרגיה לאינסוף, חורים לבנים יכולים תאורטית לשמש כמאיצי חלקיקים טבעיים המייצרים חלקיקים באנרגיות עצומות ("סופר-פנרוז"), אשר יכולים להיפלט ליקום שלנו או ליקומים מקבילים.[14][15]

קשר לתאוריה מאוחדת גדולה (GUT)

ישנן תיאוריות המציעות כי קריסה של כוכבי ענק לחור שחור (ובסופו של דבר הפיכה לחור לבן) עוברת דרך סקאלות האנרגיה של GUT. בתהליך זה, חומר (באריון) עשוי להתפרק לחלקיקים יסודיים יותר, מה שמאפשר המרה של כמעט 100% מהמסה לאנרגיה טהורה, תופעה המאפיינת חורים לבנים.[16]

היבטים קוסמולוגיים: היקום כחור לבן

אחת ההשערות המרתקות היא שהיקום כולו הוא למעשה פנים של חור לבן.

  • המפץ הגדול כחור לבן: המפץ הגדול מתאים להגדרה של חור לבן בכך שהוא התפרצות של חומר וקרינה מתוך סינגולריות בעבר, שאינה ניתנת לחדירה מבחוץ.[1]
  • אינפלציה קוסמית: מודלים המשתמשים בקואורדינטות איזוטרופיות (גשר איינשטיין-רוזן) מראים כי צופה בתוך האזור הפנימי של חור כזה יחווה התפשטות מואצת הדומה לאינפלציה קוסמית. במובן זה, היקום שלנו עשוי להיות אזור פנימי של חור שחור שנוצר ביקום "אם" אחר, ומופיע עבורנו כחור לבן מתפשט.[17]

חור לבן ופרדוקס המידע

ערך מורחב – פרדוקס השמדת המידע

בעיית איבוד המידע בחורים שחורים (פרדוקס השמדת המידע) היא אחת השאלות הפתוחות הגדולות בפיזיקה. מודל המעבר מחור שחור לחור לבן מציע פתרון אפשרי: המידע שנפל לחור השחור אינו נעלם לנצח בסינגולריות, אלא נשמר בתוך "כוכב פלאנק" ומשתחרר בחזרה ליקום כאשר החור השחור הופך לחור לבן. בדרך זו, התהליך כולו הוא יוניטרי (משמר מידע), ואין צורך בתיאוריות שנויות במחלוקת כמו "חומות אש" (firewalls) באופק האירועים.[18]

ראו גם

לקריאה נוספת

  • Rovelli, C., & Vidotto, F. (2015). Introduction to Covariant Loop Quantum Gravity. Cambridge University Press.
  • Hawking, S. W. (1974). "Black hole explosions?". Nature, 248, 30-31.

קישורים חיצוניים

ויקישיתוף מדיה וקבצים בנושא חור לבן בוויקישיתוף

הערות שוליים

  1. 1 2 3 4 Retter, Alon & Heller, Shlomo (2012). "The Revival of White Holes as Small Bangs". New Astronomy, May 2011. p. 17.
  2. ↑ Kruskal, M. D. (1960). "Maximal Extension of Schwarzschild Metric". Physical Review, Vol. 119, No. 5, p. 1743.
  3. ↑ Zaslavskii, O. B. (2020). "Super-Penrose process for extremal rotating neutral white holes". Kharkov, Ukraine, p. 2.
  4. ↑ Ne’eman, Y. (1965). "Expansion as an energy source in quasi-stellar radio sources". ApJ, 141, p. 1303.
  5. ↑ Novikov, I.D. (1965). "Delayed explosion of a part of the Friedmann Universe and quasars". Sov. Astr. AJ, 8, p. 857.
  6. 1 2 Retter, Alon & Heller, Shlomo (2012). "The Revival of White Holes as Small Bangs". New Astronomy, May 2011. p. 18.
  7. ↑ Eardley, D.M. (1974). "Death of white holes in the early universe". Phys. Rev. Let., 33, p. 442.
  8. ↑ Kruskal, M. D. (1960). "Maximal Extension of Schwarzschild Metric". Physical Review, Vol. 119, No. 5, p. 1744.
  9. ↑ Retter, Alon & Heller, Shlomo (2012). "The Revival of White Holes as Small Bangs". New Astronomy, May 2011. p. 21.
  10. ↑ Rovelli, Carlo & Vidotto, Francesca (2014). "Planck stars". Marseille, France, p. 1.
  11. ↑ Haggard, Hal M. & Rovelli, Carlo (2014). "Black hole fireworks: quantum-gravity effects outside the horizon spark black to white hole tunneling". Marseille, France, p. 1.
  12. ↑ Retter, Alon & Heller, Shlomo (2012). "The Revival of White Holes as Small Bangs". New Astronomy, May 2011. p. 23-24.
  13. ↑ Barrau, Aurélien, Rovelli, Carlo & Vidotto, Francesca (2014). "Fast Radio Bursts and White Hole Signals". Grenoble, France, p. 2.
  14. ↑ Zaslavskii, O. B. (2020). "Super-Penrose process for extremal charged white holes". Kharkov, Ukraine, p. 6-7.
  15. ↑ Zaslavskii, O. B. (2020). "Super-Penrose process for extremal rotating neutral white holes". Kharkov, Ukraine, p. 10.
  16. ↑ Chang, Yi-Fang (2013). "Grand Unified Theory Applied to Gravitational Collapse". International Journal of Modern Applied Physics, p. 9-10.
  17. ↑ Poplawski, Nikodem J. (2010). "The universe as a black hole in isotropic coordinates". Bloomington, USA, p. 1-4.
  18. ↑ Haggard, Hal M. & Rovelli, Carlo (2014). "Black hole fireworks: quantum-gravity effects outside the horizon spark black to white hole tunneling". Marseille, France, p. 10.