לראשונה תועדה התנגשות של כוכבי ניטרונים

פברואר 2016 דיווחו מדענים בגלאי ליגו (LIGO) על המדידות הראשונות של גלים כבידתיים, כ-100 שנה אחרי שאלברט איינשטיין חזה את קיומם ואחרי עשרות שנים של ניסיונות כושלים לזהות גלים כאלה. על הגילוי הזה קיבלו השנה שלושה ממקימי הגלאי פרס נובל בפיזיקה. מאז זיהו החוקרים בגלאי LIGO ובגלאי המקביל באיטליה, VIRGO, עוד שני אירועים של גלים כבידתיים. שלושת הגלים שנמדדו נוצרו מהתנגשות בין חורים שחורים והתמזגות שלהם. כעת מדווח צוות בינלאומי של מדענים, בהשתתפות חוקרים מישראל, על זיהוי ראשון של גלים כבידתיים ממקור אחר – התנגשות של שני כוכבי ניטרונים.

התצפית החדשה פותחת צוהר אל אחד האירועים בעלי האנרגיה הגבוהה ביותר המתחוללים ביקום ומאפשרת לחקור בדרכים חדשות תהליכים שעדיין איננו מבינים עד תום, כמו היווצרות היסודות הכבדים ביקום. הגילוי מוכיח כי היכולת למדוד גלים כבידתיים היא כלי חשוב באסטרונומיה התצפיתית המודרנית.

צפו במסיבת העיתונאים של מדעני LIGO המכריזים על הגילוי ומסבירים את הממצאים:

הכוכבים הדחוסים ביותר

הגלים הכבידתיים הם למעשה תנודות של המרחב-זמן כתוצאה מתנועה של גופים כבדים. הגלים האלה קטנים למדי, וכדי שיתקבלו גלים גדולים מספיק כך שייקלטו במכשירי מדידה על כדור הארץ, הם צריכים להגיע ממקור רב עוצמה. התנגשויות של חורים שחורים מייצרות גלים כאלה, אבל התקווה הייתה שאחרי הוכחת ההיתכנות עם זיהוי ההתנגשויות שלהם, יגיעו גם תצפיות של אירועים נוספים, שאפשר לזהות בעזרת גלי כבידה ואז לצפות בהם גם באמצעים אחרים.

אחד האירועים שהחוקרים קיוו למדוד הוא התנגשות של כוכבי ניטרונים. כשהשמש שלנו תסיים את דרכה היא תתנפח לענק אדום, ואז תתכווץ לננס לבן. אבל כוכבים גדולים יותר, פי 10 עד 30 מהשמש שלנו, עשויים לסיים את חייהם ככוכבי ניטרונים, העשויים מהחומר הדחוס ביותר בעולם. בכוכבים כאלה הליבה קורסת לתוך עצמה בלחץ כה גבוה, עד שבאטומים המרכיבים אותם האלקטרונים מתאחים עם הפרוטונים, והופכים לניטרונים. מהכוכב הגדול נשאר גוש חומר בקוטר 10 קילומטרים בערך, בעל מסה כפולה מזו של השמש שלנו.

כששני כוכבי ניטרונים מתקרבים מאוד, הם מתחילים לחוג זה סביב זה במעגלים קטנים והולכים, ומאיצים בספירלה עד להתנגשות ביניהם. ההתנגשות גורמת לפליטה עצומה של קרינה בטרם שרידי הכוכבים שהתנגשו יוצרים יחד חור שחור. עם זאת, באזור ההתנגשות נותר החומר חם למשך ימים אחריה, מעין זוהר שמותיר זכר לאירוע האלים שהתרחש. הזוהר הזה מאפשר להמשיך למדוד את התהליכים הייחודיים שקורים בסביבות ההתנגשות.

עד היום לא הצליחו מדענים לצפות בהתנגשויות כאלה, בגלל שהשמים גדולים וקשה לדעת מתי להסתכל ולאן. האירוע שנצפה ב-17 באוגוסט 2017, בשני גלאי LIGO (במדינת וושינגטון ובלואיזיאנה) ובגלאי VIRGO, איפשר למדענים לזהות את הכיוון והמרחק המדויקים של מקור הגלים הכבידתיים, ולכוון אליו טלסקופים נוספים עם מצלמות ומכשירי מדידה לסוג הקרינה ולעוצמתה. בתצפיות השתתפו בין השאר טלסקופ החלל "האבל" וטלסקופים העושים שימוש בקרני רנטגן וסוגים נוספים של קרינה. התהליך דומה לצפייה מדויקת במיקום של ברק כדי לזהות היכן יישמע הרעם, אלא שכאן מקור האירוע הוא במרחק 100 מיליון שנות אור, במערכת הכוכבים "הידרה", ולא מעבר לרכס הקרוב.

תהליך שתועד בפעם הראשונה: התנגשות והתמזגות של שני כוכבי ניטרונים | איור: Science Photo Library

מקור היסודות הכבדים

אחד התהליכים המסקרנים שאפשר ללמוד עליהם מהתנגשות כוכבי ניטרונים הוא הולדת היסודות הכבדים. היסודות הקלים, בראשם מימן והליום, נפוצים מאוד ביקום. מימן הוא היסוד הפשוט ביותר: גרעין המורכב מפרוטון אחד בלבד. היתוך גרעיני של אטומי מימן יוצר אטום הליום, וזה מקור החום בשמש שלנו, וברוב הכוכבים ביקום. בתנאים מסוימים יש גם היתוך של אטומי הליום ליסודות כבדים יותר, ושלהם ליסודות כבדים עוד יותר. אבל ככל שהיסודות נעשים כבדים יותר, כך קשה יותר לייצר אותם בתהליכי היתוך כאלה, ויסודות הכבדים מברזל (מספר אטומי 26) וניקל (28) לא נוצרים בליבות של כוכבים.

ההנחה המקובלת היא שיסודות כבדים יותר נוצרים בהתפוצצויות כוכבים המכונות סופרנובה. אבל גם הפיצוצים האלה לא מספקים הסבר מלא. סברה נוספת היא שלפחות חלק מהיסודות הכבדים כמו זהב, פלטינה ואפילו אורניום מיוצרים באירועים קוסמיים עתירי אנרגיה, כמו התנגשותם של כוכבי ניטרונים. הממצאים ממיזוג כוכבי הניטרונים וממדידות הקרינה בעקבותיהם מתפרסמים כעת בשורה ארוכה של מאמרים מדעיים.

כמה מצוותי המחקר ניתחו את ההרכב של פליטת האור בנסיון להבין אלו יסודות נוצרים בהתנגשויות כאלה. במאמר שמתפרסם בכתב העת Nature מדווחים החוקרים, בהשתתפות פרופ' צבי פירן מהאוניברסיטה העברית בירושלים, כי על פי המודל שלהם נוצרים בתהליך יסודות כבדים. הם מדווחים על זיהוי החתימה של יסודות מקבוצת הלנתנידים, שמספרם האטומי 57-71, וכוללים מתכות מעבר כמו איטרביום, צריום ונאודימיום. צוות חוקרים אחר מדווח במאמר נוסף ב-Nature על זיהוי ספציפי של כמה יסודות כבדים, בהם צזיום (55) וטלוריום (52). בעבודה הזו שותפים שלושה מדענים ממכון ויצמן למדע, פרופ' אבישי גל-ים, ד"ר עופר ירון ואילן מנוליס.

במאמר המתפרסם בכתב העת Science מפרט צוות גדול של חוקרים את המודל של פליטת הקרינה בעת התנגשות של כוכבי ניטרונים, שבעזרתו וידאו החוקרים כי אכן מדובר במיזוג של שני כוכבים כאלה. בעבודה הזו שותפים פרופ' אהוד נקר מאוניברסיטת תל אביב ותלמיד המחקר אור גוטליב; פרופ' צבי פירן וד"ר אסף חורש מהאוניברסיטה העברית בירושלים וכן ד"ר ערן אופק ממכון ויצמן למדע.

צוות אחר של חוקרים עקב אחר פליטת הקרינה שנותרה מהאירוע הקוסמי וניתח את סוגי הקרינה ועוצמתה. הם הראו במאמר בכתב העת Nature כי הקרינה שנוצרת בחומר החם שנותר לאחר המיזוג מקורה ביסודות רדיואקטיביים שנוצרו בפיצוץ העז, והם דועכים בהדרגה כפי שצפוי בתהליכים כאלה. המנגנון הזה מאפשר להסביר את היווצרותם של יסודות כבדים בתהליכי ההיתוך הגרעיני שמתרחשים בפיצוץ העז. את העבודה הזו הוביל ד"ר יאיר הרכבי, כיום בהשתלמות באוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה, ושותפים לו בין השאר פרופ' דן מעוז, פרופ' דובי פוזננסקי ומיכאל זלצמן, שלושתם מאוניברסיטת תל אביב.

מבט לעתיד

האסטרונומיה התחילה את דרכה כתחום ויזואלי, שבו המדענים חוקרים את מה שהם רואים בתחום האור הנראה. עם התקדמות הטכנולוגיה נוספו סוגי קרינה נוספים שאנו יכולים לקלוט ואינם נראים לעין אנוש, כמו קרינה תת-אדומה, קרינה על סגולה, קרינת רנטגן וגלי רדיו. היכולת לקלוט גלים כבידתיים מרחיבה את טווח התצפית שלנו לא רק לעוד קרינה באורך גל שונה, אלא לסוג שונה לגמרי של גלים, המספקים עדויות לאירועים קוסמיים שעד עכשיו היו סמויים מהעין מבחינתנו, או שהיינו זקוקים להרבה מזל כדי להבחין בהם. התוספת הזו מאפשרת למדענים לקבל תמונה מלאה יותר ויותר של היקום ולחשוף עוד טפח מסודותיו.