מסע פיזיקלי אל בטן האדמה

האנושות שלחה במאות השנים האחרונות משלחות מחקר למקומות הנידחים ביותר על פני כדור הארץ, אך להגיע אל מרכז הכדור קשה הרבה יותר, ואנו מתקשים ללמוד על המבנה הפנימי שלו. בהיעדר היכולת לראות את ליבת כדור הארץ ישירות, מדענים מנסים ללמוד על מבנהו הפנימי באמצעים עקיפים, למשל מדידות של אופן התפשטותן של רעידות אדמה.

לאחרונה פרסמה קבוצת מחקר מהמכון לפיזיקה יסודית בוולנסיה שבספרד מאמר שבו תיאור שיטה מקורית ומעניינת למדידת אספקטים שונים של מבנה כדור הארץ, כגון צפיפותו, מסתו ומומנט ההתמד שלו. בשונה ממדידות קודמות, הם הסיקו מסקנות לגבי מבנה כדור הארץ לא בעזרת תצפיות עליו, אלא על ידי התבוננות בדבר שונה לחלוטין – חלקיק חמקמק בשם ניטרינו.

הניטרינו הוא חלקיק יסודי חסר מטען חשמלי וכמעט חסר מסה, שנע במהירויות הקרובות למהירות האור. כמויות אדירות של חלקיקים כאלו שוטפות את כדור הארץ בכל רגע נתון, אך מכיוון שהחלקיקים אינם מקיימים כמעט שום יחסי גומלין עם חומר אחר, רובם פשוט עוברים דרך החומר כאילו לא היה – דרכנו, דרך בתינו ואפילו דרך כדור הארץ כולו. ובכל זאת קיים סיכוי זעיר שניטרינו ייבלע באטום שדרכו הוא עובר, אם הוא נושא אנרגיה גבוהה מספיק. ואכן שיעור זעיר מתוך אותם מיליארדי ניטרינים השוטפים את עולמנו נבלע באטום זה או אחר. המדענים ניצלו את העובדה הזאת כדי ללמוד על תכונות החומר שדרכו הניטרינו עובר – כדור הארץ.

הטכניקה מזכירה צילום CT בבית חולים. בצילום כזה קרני רנטגן עוברות דרך הגוף בדרכן לגלאי. אם הן עוברות דרך רקמה שצפיפותה נמוכה, רק מעט קרניים ייבלעו ברקמה והיתר יעברו דרכה ויגיעו אל הגלאי. לעומת זאת, אם הן עוברות באזור צפוף – למשל דרך עצם או חומר ניגוד – רבות מהקרניים ייבלעו ורק מעט יגיעו לגלאי. צילום הגוף מכמה זוויות מאפשר לבנות תמונה מלאה של צפיפות החומר בגופנו.

בצורה דומה אפשר לשקף את צפיפות כדור הארץ. החוקרים נעזרו בגלאי הניטרינו IceCube בקוטב הדרומי, שמזהה את האנרגיה וכיוון התנועה של ניטרינים שנבלעים בו. הם התמקדו בניטרינים שנוצרים באטמוספרה של כדור הארץ. אלה מגיעים אל הגלאי דרך כדור הארץ מזוויות שונות, ולמעשה עוברים דרך שלל חתכים של כדור הארץ. ספירת כמות הניטרינים המגיעה מכל כיוון מאפשרת להעריך מה הסיכוי שניטרינו שעובר דרך חתך מסוים של כדור הארץ ייבלע בו.

בדומה לצילום הרפואי, ככל שהגלאי קלט פחות ניטרינים, החוקרים הסיקו שהחלקיקים עברו דרך חומר בעל צפיפות גבוהה יותר. מכאן יכלו לבנות תמונה של צפיפות פנים כדור הארץ, ולהעריך את הגדלים המאפיינים אותו כגון המסה והצפיפות בכל קליפה וקליפה.

הגדלים שהתקבלו בניסוי תאמו את הערכים שנמדדו בעבר בשיטות הסיסמולוגיות המקובלות. עם זאת, אי הוודאות במדידה הנוכחית הייתה גדולה מאוד, שכן הגלאי מאתר מעט מאוד מהניטרינים ששוטפים את כדור הארץ, כך שדרושות עוד שנים רבות של גילוי ניטרינים לפני שייאספו מספיק דגימות שיאפשרו לחוקרים להסיק מסקנות ברמת ביטחון גבוהה.

כשזה יקרה, החוקרים מעריכים שהדמיית כדור הארץ באמצעות ניטרינים תוכל להתחרות ברמת הדיוק שלה בשיטות המקובלות כיום. אף שבתוצאות המדידה כשלעצמן לא היה חידוש, העובדה שמדידה עצמאית בעזרת ניטרינים הניבה תוצאה דומה לנתונים הידועים לנו מדגימה את אמינות השיטה. ומאחר שהניטרינים באמת עוברים בכל כדור הארץ, אולי תוכל יום אחד השיטה הזו לחשוף לנו יותר פרטים על ליבת כוכב הלכת ממה שאפשר ללמוד בדרכים אחרות.