גילוי סופרנובה – התפוצצות של כוכב מרוחק – שאירעה לפני מספר חודשים, הניעה אסטרופיסיקאים לצפות במחזה המרשים בעזרת טלסקופים ברחבי העולם. מותו הדרמטי של הכוכב, מסוג נדיר, שמסתו עולה לפחות פי 10 על זו של השמש שלנו, חושף בפני המדענים פרטים מעניינים על החיים של גופים שמימיים מרתקים אלה, ומסייע להשלים פרטים בתמונה המתארת את היווצרותם של היסודות הכבדים ביקום.

כדי להבין את תכונותיו של הכוכב שהתפוצץ זיהו המדענים את תערובת היסודות שנסחפו מפני השטח שלו ממש לפני תחילת ההתפוצצות. פרופ' אבישי גל-ים, מהמחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן למדע, מסביר כי כדי לזהות את הכוכב, יש לבדוק אם החומרים הנסחפים ממנו לחלל מכילים אחוזים גדולים של יסודות כמו פחמן, חמצן וחנקן. יסודות אלה נוצרים בתהליך היתוך גרעיני שמספק את האנרגיה לכוכב. בשמש שלנו, לדוגמה, אטומי מימן – שהם הקלים ביותר – עוברים היתוך ליצירת אטומי הליום, ושם נפסק התהליך. אולם בכוכבים כבדים וחמים יותר ההיתוך נמשך: אטומי הליום מתאחדים ויוצרים אטומים כבדים יותר ויותר – עד אטומי ברזל.

מדענים מאמינים כי כוכבים מסוג זה מורכבים משכבות, בדומה לבצל. היסודות הכבדים ביותר, כמו ברזל, ממוקמים בליבתם, ואילו הקלים יותר יוצרים את השכבות החיצוניות. מפני השטח של הכוכבים נושבות רוחות כוכביות, המעיפות לחלל את היסודות המצויים בשכבות החיצוניות. בכוכבים כמו זה שהתפוצץ, רוחות אלה כה חזקות, עד שהן יכולות לסחוף מדי 10,000 שנה מאסה זהה לזו של השמש שלנו. בנקודה מסוימת במהלך חיי הכוכב נסחף ברוח כל המימן הקל המרכיב את השכבה החיצונית של הכוכב, ובהמשך נסחפות ממנו גם שכבות ההליום, הפחמן, החמצן והחנקן.

שכבה הנמצאת מתחת לפני השטח של הכוכב מכילה תערובת של מימן, הליום ויסודות כבדים יותר. שכבה כזו צריכה להיות חיצונית דיה כדי להכיל גם את המימן הקל, ועדיין חמה מספיק כדי לספק את הטמפרטורות הקיצוניות הנדרשות להיתוך גרעיני. מדענים מתעניינים בשכבה זו, משום שבה נוצר החנקן. בניגוד לפחמן, המכיל שישה פרוטונים (שמקורם בהיתוך של שלושה אטומי הליום), או חמצן המכיל שמונה פרוטונים (שמקורם בארבעה אטומי הליום), אטום החנקן מכיל מספר אי-זוגי של פרוטונים – שבעה. כלומר, הוא נוצר בהיתוך של אטומים בעלי מספר זוגי ואטומים בעלי מספר אי-זוגי של פרוטונים – לדוגמה, שלושה אטומי הליום (שני פרוטונים) ואטום מימן (פרוטון אחד). לכן, מדידת כמויות החנקן עשויה לחשוף מה מסתתר מתחת לפני השטח של הכוכב.

בעוד הרוח מעיפה לחלל את השכבות החיצוניות של הכוכב, ליבתו ממשיכה לייצר ולצבור ברזל, עד שהיא כבדה מכדי להיות יציבה. בשלב זה הליבה קורסת בתנועה פתאומית ואלימה, וגורמת להעפת השכבות החיצוניות של הכוכב לחלל – זה הוא אירוע הסופרנובה שבו אנו צופים.

את היסודות שנסחפו ברוח הכוכבית לפני ההתפוצצות הסופית אפשר לזהות רק בחלון זמן קצר ביותר – כיום אחד לאחר הסופרנובה – משום שהקרינה החזקה הנוצרת בהתפוצצות קורעת את האלקטרונים מהאטומים. בעזרת טלסקופים המצוידים בציוד ספקטרוגרפיה ומכוּונים לצפייה בסופרנובה אפשר לזהות את היסודות באמצעות מדידת הספקטרום שלהם – כלומר, האור הנפלט כאשר אלקטרונים מתחברים מחדש עם האטומים שמהם נקרעו. אולם יש לבצע תצפיות אלה במהירות, לפני ששאריות הכוכב המתפזרות במהירות לאחר ההתפוצצות יבלעו את השאריות האחרונות של הרוח הכוכבית, וימחקו את עקבותיו האחרונות של הכוכב הגווע.

המירוץ לצפייה בספקטרום של הסופרנובה הצעירה נפתח בטלסקופים הרובוטיים במצפה "פאלומר" בקליפורניה, שהם חלק מפרויקט רב-לאומי בשם iPTF, בראשותו של פרופ' שרי קולקרני מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה. טלסקופים אלה מתוכנתים לזהות אירועים חולפים, כלומר, שינויים פתאומיים בשמי הלילה שעשויים להיות סופרנובה חדשה, ולהזעיק את חברי הצוות. בצדו השני של כדור הארץ קיבל את ההודעה ד"ר יאיר הרכבי, שהיה אז תלמיד מחקר בקבוצתו של פרופ' גל-ים. בעוד המדענים האמריקאים ישנים, הוא העריך את הנתונים, הבין את משמעותם, ויצר קשר עם ד"ר אסף חורש, שהיה אז חוקר בתר-דוקטוריאלי במכון הטכנולוגי של קליפורניה בפסדינה (ומאז הצטרף למכון ויצמן למדע). ד"ר חורש ביצע תצפיות ספקטרוסקופיות באמצעות טלסקופ קק המוצב בהוואי, מערבית לזה שבקליפורניה, ולכן יכול היה להאריך את שעות התצפית בסופרנובה לאחר שהבוקר כבר עלה בקליפורניה. תגובתו המהירה איפשרה לו להקליט את הספקטרום הנפלט של החומרים הנישאים ברוח - 15 שעות בלבד לאחר ההתפוצצות.

בחינת הנתונים שנאספו גילתה לפרופ' גל-ים, לד"ר הרכבי, לד"ר חורש ולעמיתיהם לצוות, כי הרוח הבין-כוכבית סביב הכוכב שהתפוצץ אכן הכילה כמויות גדולות של חנקן, בדומה לכוכבים מסוג הקרוי וולף-ראייה המוכרים מהגלקסיה שלנו. ממצאי מחקרם מתפרסמים השבוע בכתב-העת Nature. "בזכות היכולת לצפות בסופרנובה זמן כה קצר לאחר הפיצוץ הצלחנו לראשונה למדוד את הרכב היסודות על פניו של כוכב, בדיוק לפני התפוצצותו", מסביר פרופ' גל-ים. כעת, לאחר שצוות המדענים הוכיח כי התארגנות גלובלית יעילה והפעלה מתוזמנת של טלסקופים ברחבי העולם מאפשרות לאסוף נתונים על אירועים מהירים, הוא מקווה כי אפשר יהיה לצפות בסופרנובות "צעירות" נוספות. הבנת האופן בו כוכבים אלה חיים ומתים חשובה, לדבריו, לא רק מפני שהיא פותחת לנו צוהר לאופן פעולתו של היקום. "כל היסודות הכבדים ביקום – אלה שמאסתם גדולה מזו של הליום – נוצרו בכבשן ההיתוך של כוכבים גדולים, והתפזרו ביקום בהתפוצצויות סופרנובה. לכן, מקורן של שאלות מדעיות רבות – ביחס לאופן יצירתם של יסודות שונים ותפוצתם בחלל – טמון באותן התפוצצויות המתרחשות ברחבי הקוסמוס".

מידע נוסף ותמונות אפשר לקבל במשרד הדובר, מכון ויצמן למדע: 08-9343856
 

מה מתרחש כאשר כוכב ענק  – גדול פי כמה מאות מהשמש שלנו – מתפוצץ? תיאוריה בעניין הזה פותחה לפני שנים, אבל התצפית הראשונה בהתפוצצות כזאת בוצעה רק לאחרונה, על-ידי צוות של מדענים מישראל, גרמניה,ארצות-הברית, אנגליה וסין, בראשות ד"ר אבישי גל-ים ממכון ויצמן למדע. הצוות עקב במשך שנה וחצי אחר התפוצצות כזאת (סופרנובה), ומצא שהתצפית מתאימה לתחזיות העולות מהתיאוריה על התפוצצות של כוכבים שגודלם פי 150 או יותר ממאסת השמש שלנו. ממצאים אלה, העשויים להרחיב את הבנתנו באשר למגבלות טבעיות על גודלם של כוכבים, וכן באשר לתהליכי יצירת היסודות ביקום, התפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Nature.

"הסוד טמון באיזון" אומר ד"ר אבישי גל-ים מהמחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן למדע. "במהלך חיי הכוכב נשמר איזון בין כוח הכבידה שמושך את החומר שלו פנימה, לבין החום שנוצר בתגובה הגרעינית במרכזו שדוחף את החומר החוצה. בסופרנובות שאנו מכירים, אלה של כוכבים הגדולים פי 10-100 מהשמש שלנו, התגובה הגרעינית מתחילה במיזוג של מימן להליום, כמו בשמש שלנו. אבל בכוכבים שבהם המימן אוזל, נמשך מיזוג גרעיני של יסודות כבדים יותר, עד שליבת הכוכב הופכת לברזל. בשלב הזה, מכיוון שאטומי ברזל אינם מתמזגים בקלות, התגובה הגרעינית מסתיימת - והאיזון מופר. בהיעדר כוח שדוחף החוצה, כוח הכבידה משתלט ומאסת הכוכב קורסת פנימה. תוך כדי הקריסה, משתחררת אנרגיה רבה הגורמת לפיצוץ, והכוכב משליך את השכבות החיצוניות שלו למרחבי היקום".

אבל התהליך הפיסיקלי המתרחש בכוכב סופר-ענק שונה. בכוכבים האלה נוצרים פוטונים (חלקיקי אור) כל כך אנרגטיים, עד שהם עשויים להתמזג זה בזה ולהפוך לזוגות חלקיקים: אלקטרונים והחלקיקים ההפוכים להם, פוזיטרונים. כלומר, חלקיקים בעלי מאסה (אלקטרונים ופוזיטרונים) נוצרים מהפוטונים, שאין להם מאסה, דבר ששואב אנרגיה מהכוכב. שוב, האיזון מופר, אבל הפעם, הכוכב מתמוטט בשלב שבו ליבתו עשויה חמצן, ולא ברזל. החמצן החם והדחוס מתפוצץ בתגובה תרמו-גרעינית דוהרת שמשמידה את מרכז הכוכב לגמרי ומשאיר אחריה רק אבק כוכבים זוהר. "מודלים של 'סופרנובות זוגות' חושבו לפני עשורים, לדוגמא על-ידי פרופ' זלמן ברקת ופרופ' גדעון רכבי מהאוניברסיטה העברית, ופרופ' גיורא שביב מהטכניון" אומר ד"ר גל-ים, "אבל אף אחד לא ידע האם פיצוצים ענקיים כאלה באמת מתחוללים בטבע. הסופרנובה החדשה שגילינו מתאימה למודלים האלה".

באמצעות ניתוח המידע שאספו מהסופרנובה החדשה, אמדו המדענים את גודל הכוכב ומצאו שמסתו גדולה בערך פי 200 ממסת השמש. תוצאה זו מעניינת במיוחד, מכיוון שעד כה סברו מדענים רבים שבחלק היקום שלנו אין כוכבים שגודלם עולה על כ-150 מאסות שמש, וייתכן שקיים אילוץ פיסי מסוים שמגביל את היקף הכוכבים. הממצאים שעולים מהמחקר של ד"ר גל-ים ושותפיו למחקר מציעים שכוכבים סופר-ענקיים אמנם נדירים, אבל קיימים. יתכן אפילו שכוכבים גדולים עוד יותר – עד פי 1,000 מהשמש – התקיימו ביקום הצעיר. "זו הפעם הראשונה שיכולנו לנתח תצפיות על כוכב מתפוצץ עצום כל כך", אומר ד"ר פאולו מצאלי ממכון מקס פלנק לאסטרופיסיקה שבגרמניה, שהוביל את המחקר התיאורטי של הפיצוץ. "הצלחנו למדוד את הכמויות של יסודות חדשים שנבראו בפיצוץ הזה, כולל ניקל רדיואקטיבי שזה עתה נוצר, שמאסתו עולה פי חמש ויותר על מאסת השמש. פיצוצים כאלה עשויים להיות 'מפעלים' חשובים לייצור מתכות כבדות ביקום".

הסופרנובה הענקית שנצפתה נמצאת בגלקסיה זעירה – רק מאית מגודל הגלקסיה שלנו. מדענים סבורים שגלקסיות  גמדיות כאלה עשויות – מסיבות שונות – להוות בית לכוכבים ענקיים כאלה. ד"ר גל-ים: "הגילוי והניתוח של הפיצוץ הייחודי הזה העניק לנו תובנות חדשות באשר למידות המרביות אליהן יכולים כוכבים מאסיביים כאלה להגיע, ובאשר לדרך שבה הענקים האלה תורמים להרכב היסודות ביקום שלנו. אנו מקווים להרחיב את הבנתנו עוד יותר כשנמצא דוגמאות חדשות של כוכבים כאלה. לשם כך התחלנו לבצע באחרונה סקרים חדשים באיזורים גדולים ובלתי מוכרים של היקום".