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 התפרסמו באחרונה 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".
מדעני מכון ויצמן זיהו את הכוכב המתפוצץ הגדול ביותר שנצפה מעולם. בהמשך התהליך הפך הכוכב לחור שחור גדול
בתצפית ראשונה מסוגה בעולם, הצליחו מדענים ממכון ויצמן למדע לצפות בהתפוצצות של כוכב שמאסתו גדולה מפי-50 ממאסת השמש שלנו. זהו הכוכב המתפוצץ הגדול ביותר שנצפה מעולם. תצפיות המשך העלו שמרבית מאסת הכוכב קרסה אל תוך עצמה, דבר שגרם להפיכת הכוכב לחור שחור גדול.
כוכבים, כמו בני-אדם, אינם חיים לנצח. למעשה, הדרך שבה הם מסיימים את חייהם קבועה מראש, ותלויה בגודל הכוכב וב"משק האנרגיה" שלו. תהליך הפקת האנרגיה של הכוכבים, ובהם גם השמש שלנו, מתחיל כאשר החום והלחץ בליבת הכוכבים גורמים לגרעיני מימן להתמזג זה עם זה, כך שארבעה גרעיני מימן יוצרים יחד גרעין הליום. אלא שמאסת גרעין ההליום קטנה במעט מהמאסה המשותפת של ארבעת גרעיני המימן שיוצרים אותו. לאן, אם כן, "נעלמת" המאסה החסרה? מתברר שהיא הופכת לאנרגיה לפי נוסחת שוויון המאסה והאנרגיה של איינשטיין E=mc2. במלים אחרות, מעט מאוד מאסה יוצרת הרבה מאוד אנרגיה.
כוכבים בדומים לשמש שלנו, גומרים את הדלק העומד לרשותם ומסיימים את חייהם תוך כדי התנפחות שקטה יחסית. אבל כוכבים שמאסתם גדולה פי שמונה ויותר ממאסת השמש, יורדים מהבמה תוך הפגנת כעס רב יותר. כאשר כוכב גדול כזה מכלה כמעט את כל המימן שבו, הוא עובר להפיק אנרגיה בתהליכים גרעיניים אחרים, המתחוללים בשכבותיו השונות של הכוכב. בשלב מסוים, לאחר שלבים שונים של מיזוג גרעיני, הופכת ליבתו של הכוכב לברזל, המתפרק לניטרונים ולפרוטונים עצמאיים. תהליך זה גורם לקריסת הליבה (והשכבות הסמוכות אליה) אל תוך עצמה, ולהשלכת שאר החומר של הכוכב, אל החלל, במהירות עצומה. התפוצצות זו, המאירה את מרחבי החלל, קרויה סופרנובה.
סופרנובה משחררת בתוך ימים אחדים כמות אנרגיה העולה על האנרגיה ששיחררה, משחררת ותשחרר השמש שלנו במשך כל חייה. בהירותה של התפוצצות כזאת היא כה רבה, עד שאם היא מתרחשת במרחק מאות שנות אור אחדות מכדור-הארץ, היא עשוייה להיראות כנקודה בהירה ברקיע, גם בשעות היום. באותו זמן ממשיכה ליבתו של הכוכב לקרוס, בתהליך שבו הלחץ הכבידתי גורם להפיכה של פרוטונים ואלקטרונים לניטרונים. בסופו של התהליך נדחסת ליבה שקוטרה כ-10,000 קילומטרים, לכדור צפוף שקוטרו כעשרה קילומטרים בלבד, כך שמתקבל כוכב ניטרונים שארגז רגיל מהחומר שלו שקול כנגד כדור-הארץ כולו.
כאשר הכוכב המתפוצץ גדול עוד יותר, כלומר, כאשר מאסתו שווה לפי-20 ממאסת השמש שלנו, הקריסה שלאחר ההתפוצצות ממשיכה, כך שהמאסה מתרכזת בקוטר כה קטן, וכוח הכבידה שלה כה גדול, עד שאפילו גלי האור אינם מסוגלים להשתחרר ממנו. מכיוון שכך, כוכב שהגיע למצב כזה אינו נראה לעין, מה שהקנה לו את הכינוי "חור שחור".
הסופרנובה האחרונה שנראתה בגלקסייה שלנו, "שביל החלב", התרחשה בשנת 1604. הסופרנובה האחרונה שנצפתה בעין, התרחשה בשנת 1987 בגלקסיה הסמוכה הקרויה "ענן מגלן הגדול". מאז נצפו סופרנובות שונות באמצעות טלסקופים, לווייני מחקר וטלסקופי חלל. אבל כל הכוכבים המתפוצצים אותם ניתן היה למדוד, היו בעלי מאסה שלא עלתה על פי 20 ממאסת השמש שלנו. התיאוריה המקובלת הראתה שגם כוכבים גדולים וכבדים פי עשרות ומאות מהשמש שלנו מסיימים את חייהם בהתפוצצות סופרנובה, ובתהליך הקריסה שלאחריה, שבו הם הופכים לחורים שחורים. אלא שתופעה זו לא נצפתה בפועל, עד למחקרם האחרון של ד"ר אבישי גל-ים מהפקולטה לפיסיקה של מכון ויצמן למדע, ושותפו פרופ' דגלס ליאונרד מאוניברסיטת San Diego State ארה"ב.
ד"ר גל-ים ופרופ' ליאונרד צפו באיזור מסוים בחלל, באמצעות הטלסקופ קק הפועל בפסגת הר מאונה קיאה בהוואי, וכן באמצעות טלסקופ החלל האבל. הם הצליחו לאתר ולמדוד כוכב לפני התפוצצותו כסופרנובה והראו שמאסתו של הכוכב שווה לפי 50 - 100 ממאסת השמש שלנו. לאחר שהכוכב התפוצץ התברר שהחומר שהושלך ממנו בתהליך ההתפוצצות מהווה רק חלק קטן ממאסת הכוכב. ד"ר גל-ים מעריך שרוב חומר הכוכב עבר תהליך של קריסה אל תוך עצמו, שיסתיים בהיווצרות חור שחור. ואומנם, הכוכב שנראה באמצעות הטלסקופים, "נעלם" לאחר ההתפוצצות ואינו מופיע עוד בתמונות חדשות שמצולמות באמצעות טלסקופ החלל. משמעות הדבר היא שהקריסה אכן הושלמה, ושהמאסה הצפופה של ליבת הכוכב מפעילה עכשיו כוחות כבידה כה חזקים עד שאפילו האור הנראה אינו יכול לעזוב את הכוכב, דבר שהופך אותו, ככל הנראה, ל"חור שחור".
מידע נוסף, ותמונות, אפשר לקבל במשרד דובר מכון ויצמן למדע: 08-934-3856