מחקר XRISM מגלה עדויות להתפרצות מגנטית בסגנון שמש בקרום החורים השחורים הענקיים

הפיזיקה המגנטית שמאחורי סערות השמש מפעילה גם את חורי התולעת במרכז הגלקסיות

מחקר חדש שנערך בפקולטת הטכנולוגיות של הטכניון בישראל מציג תגלית מרתקת על דינמיקות מגנטיות שמזכירות את הפעילות הסולארית גם בתוך חורי תולעת הנמצאים בלב גלקסיות רחוקות. החוקרים, בהובלת צוות מאוניברסיטת הטכניון, גילו לראשונה תבנית של פרץ סולארי, מתוך תבנית התפרצויות בשמש, בחלק מפני השטח של חור שחור מרכזי בגלקסיה NGC 3783. נתונים אלה נלקחו ממתקן המשדר קרני רנטגן, XRISM, שנכנס לפעולה בשנה האחרונה, ובהמשך הוצגו כמסקנה במאמר שפורסם בכתב העת The Astrophysical Journal Letters.

הפרץ התרחש מחור שחור במרכז הגלקסיה NGC 3783, שמשקלו עומד על כ-28 מיליון מונים של מהות השמש. יחד עם הפרץ, החוקרים זיהו זרימת גז מהירה מאוד שמזכירה את תהליך ההתרסה של מטען קורונה, תהליך שמפעיל סערות מגנטיות ואורורים על פני כדור הארץ.

הממצאים מראים קשר מעניין בין שני מקומות – השמש והחור השחור – באמצעות תהליך מגנטי משותף. המסקנות מבוססות על פרץ אחד בלבד, והחוקרים מציינים כי נדרשים אירועים נוספים כדי לקבוע האם זהו תבנית שגרתית או מקרה יוצא דופן.

איך השמש יוצרת סערה

האטמוספירה החיצונית של השמש, הקרויה קורונה, מלאה בלולאות מגנטיות המשזירות יחדיו חיידקי שדה מגנטי. כאשר הלולאות הללו נוטות ומתפתלות, הן עלולות לקרוע ולהתחבר מחדש, לשחרר אנרגיה שהצטברה. תהליך זה, הידוע כ-reconnection מגנטי, מחמם את הגז הסביבתי, מאיץ חלקיקים ומסוגל לירות אל החלל מיליארדי טונות של חומר סולארי, תהליך הנקרא קורונלית מטען או CME.

כש-CME מגיע לכדור הארץ, הוא עלול לגרום לסערות מגנטיות שמביאות להבהרות באורורה והפרעות לווייניות ורשתות חשמל. תהליך הפרץ המגנטי מלווה בדרך כלל בתבנית זמנים ספציפית: תחילה מופיעות קרני רנטגן קשות – החלטיות לידר – אחריהן עלייה איטית וירידה באורכי גל נמוכים יותר כאשר הקרינה הופכת ל"רכה".

המנגינה הזאת נקראת אפקט נויברט, על שמו של חוקר שניהל תצפיות ראשונות במגמה ב-1968 על פני השמש. בפשטות, הקרינה הקשה משקפת את קצב ההתחממות של הקרינה הרכה, שכן אלקטרונים במהירות הגבוהה מאוד שנפלטים מתהליך ההתחברות מפעילים את הגז הקרוב ומחממים אותו.

תבנית הפריצה שהופיעה לראשונה על השמש בשנת 1968

גם בחורים שחורים, כמו בשמש, יש קורונות – אזורים חמים ומגנטיים באיזור הקרוב לאופק האירועים, שמאירים באור חזק במיוחד בקרני רנטגן. חוקרים משערים זמן רב כי תהליך ה-reconnection המגנטי משפיע על חלק מהפרצי האור שנראה בחורים שחורים, אך ההוכחות הישירות התעכבו.

במקרה של NGC 3783, הקרינה הקשה הגיעה לפני הרכות בערך ב-30,000 שניות, שהם קצת יותר מ-8 שעות, והקצב של שינוי הקרינה הקשה הושווה לזה של הקרינה הרכה. החוקרים תיארו במאמרם כי תבנית זו תואמת את התבנית המוכרת שנצפתה בשמש. התאמה זו הוכחה על ידי נתוני XRISM ו-XMM-Newton של סוכנות החלל האירופית.

קרינת הוולטרי שאותה זיהו הייתה באיחור של כ-60,000 שניות מ-קרני הרנטגן הקשות, תואמת את ההשערה כי האנרגיה מתפשטת החוצה לאחר ההצתה הראשונית. במחקר שנערך על השמש, אפקט נויברט מופיע בכמחצית מהפרצים, והחוקרים מציינים כי זהו אחד מהסימנים המובהקים של תהליך ההתחברות המגנטית.

בתוך כך, החוקרים גילו כי קיימת זרימה מהירה במיוחד של חומר שנעתה במהירות של כ-20 אחוזים ממהירות האור. ההשערה שלהם היא שהזרימה הזאת ממלאת את התפקיד של CME, ומניעה את החומר החוצה לאחר ההתפרצות המגנטית.

מבצע תצפיות של עשרה ימים על NGC 3783

המחקר הובל על ידי הסטודנטית דוקטורט של הטכניון, גל מרדי, יחד עם פרופ' עודד בהאר וצוות מחקר בינלאומי מהארץ, מיפן, מאירופה ומארה"ב. התצפיות התקיימו במסגרת קמפיין בן עשרה ימים שהחל ביולי 2024 באמצעות XRISM, משימת משותפת של סוכנויות JAXA, NASA ו-ESA, בתמיכה מ-XMM-Newton, צ'אנדרה, NuSTAR, סוויפט ו-NICER.

הפרץ שנחקר הוערך כחלק באורך של יום-יומיים, עם המשך של שחרור אנרגיה שמניע את ההתחברות המגנטית במשך כ-100,000 שניות. XRISM ידוע בדייקנות הגבוהה של ספקטרומטר קרני הרנטגן שלו, אך ניתוח הזמני שלו התבסס בעיקר על מצלמת התמונה Xtend יחד עם XMM-Newton, ובחן כיצד משתנה העוצמה באורכי גל שונים של קרני הרנטגן לאורך הזמן.

החוקרים העריכו כי השדה המגנטי באיזור הפרץ עלה על כ-13,000 גאוס, בהשוואה למגנט של מקרר שכרבע מזה. הלולאות המגנטיות שגרמו לפרץ היו קרובות מאוד לחורי השחור – כ-30 רדיוסי כבידה, מרחק זעיר באסטרונומיה.

פרץ אחד, כמה הערות חשובות

המחקר מודה במגבלותיו. המסקנות מבוססות על אירוע אחד בלבד, והחוקרים מציינים כי לא בטוח אם ההערכות על עוצמת השדה המגנטי, גודל הלולאה, והאנרגיות שטןות הן מייצגות את התופעה באופן כללי. הערכותיהם על השדה המגנטי נעשות על מגוון שיטות, וחלק מהמדידות הן הגבלות עליונות בלבד.

הסיכום של הטכניון מציין כי תוצאות אלה מצביעות על קיומו של תהליך של התפרצויות מגנטיות, אך זהו צעד מקורי ואזהרני יותר מלטעון שזה הוכחה מוחלטת. בנוסף, חשוב לציין כי הפרצות בחורים שחורים הרבה יותר בהירות ואינטנסיביות מאלה של השמש, והאפקטים של ההארה המתווספת של חלקיקים במהירויות קרובות למהירות האור עלולים להסבך את ההשוואות.

בכל אופן, אין כל קשר ישיר בין אירועי גאומגנטיות על פני כדור הארץ לבין הפרצים בחורים שחורים. NGC 3783 היא גלקסיה מרוחקת מאוד, וסיכוייהם להשפיע עלינו אדישים. ההתרחשות מעניינת בעיקר על מנת להבין את הפיזיקה של תהליכים מגנטיים ביקום, שכן אותם חוקי חוקים שמנהלים את סערות השמש עשויים להיות חלק מסודר שמסביר כיצד חורים שחורים משחררים מתקפות של קרינה ורוחות שמעצבות את ההיבטים הקוסמיים של הגלקסיות שבהן הם שוכנים. אסטרונומים מתכננים להמשיך ולבדוק תבניות של אפקט נויברט בחלק מהגלקסיות הפעילות כדי לגלות האם תופעה כזאת היא נפוצה.

החוקרים מציינים כי זיהוי תבנית זו עלול להיות קשה במרבית חורי השחור, שכן הפעמים שהן נוצרות קצרת טווח, ומתרחשות אירועים חופפים שיכולים לערבב את הסיגנל, וכן המיקום הגיאומטרי של הגז הקרוב לחור השחור עלול להסתיר את הזמינות הזמנית של התבנית. לכן, נדרש תהליך תצפיות רב-טכנולוגי עקבי וממושך כדי לתפוס אותות כאלה במרבית המקרים.

מה שמומלץ לדעת בשביל הקורא

• מה איתר XRISM? זיהה פרץ בקרבת חור השחור ב-NGC 3783 שהראה תבנית אפקט נויברט, המאפיינת פרצים שמש כמו בשמש, וגם זרימה מהירה שהושוותה ל-CME.
• זו הפעם הראשונה? כן, החוקרים מדווחים כי זוהי ההחלטה הראשונה על אפקט נויברט סביב חור שחור.
• כמה גדול חור השחור? כ-28 מיליון פעמים מסתם השמש.
• האם סופר המהירות של XRISM היה זה שגילה את התבנית? לא בדיוק; ניתוח הזמנים התבסס בעיקר על מצלמת Xtend של XRISM ו-XMM-Newton.
• זה משפיע על כדור הארץ? לא, NGC 3783 היא גלקסיה מרוחקת מאוד מנו ועל כן אין לכך השפעה ישירה עלינו.
• האם הממצאים בטוחים? אין זה בטוח במאה אחוז, ומדובר באירוע בודד, עם מספר אי-ודאויות שמזכירות שיש צורך במחקרים נוספים לאישור הממצאים.