ננסים לבנים, יסודות כבדים

לא כל הפיצוצים שווים. כוכבים שמתים בהתפוצצות נחלקים, בדרך כלל, לאחתמשתי קבוצות: כוכבים צעירים וענקיים שמתמוטטים תחת המשקל העצום שלהם וזורקים את השכבות החיצוניות שלהם לכל עבר, וכוכבים מבוגרים יותר, שמאסתם דומה לזו של השמש שלנו, שעוברים פיצוץ תרמו-גרעיני. אבל התפוצצות הכוכב הידוע כ-SN 2005E, שנרשמה בינואר 2005, אינה מתאימה לאף אחת משתי הקבוצות האלה. כך עולה מניתוח שביצעו ד"ר אבישי גל-ים והחוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר חגי בנימין פרץ מהמחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרו-פיסיקה במכון ויצמן למדע, ושותפיהם למחקר.

 

המדענים מצאו, שהפיצוץ העיף רק כמות קטנה של חומר - השווה בערך לשליש ממאסת השמש שלנו, וכי הוא התרחש בגלקסיה בודדת באיזור שבו לא נוצרים כוכבים. בהתפוצצות של כוכב ענק נפלטת כמות גדולה הרבה יותר של חומר, ומטבע הדברים היא מתחוללת באיזור שבו נולדים כוכבים (זאת משום שהכוכבים הענקיים מתאפיינים בחיים קצרים, ואינם מתרחקים ממקום הולדתם).

מצד שני, האירוע גם אינו מתאים לדפוס של התפוצצות תרמו-גרעינית טיפוסית: הוא פלט כמות קטנה מדי של קרינה, והחומר שהתפזר ממנו כלל יסודות שאינם אופייניים לפיצוצים תרמו-גרעיניים אחרים. ניתוח ספקרטרוסקופי של החומר שהתפזר הראה, שנמצאות בו כמויות סידן העולות פי חמישה עד עשרה על אלה שנמצאו בהתפוצצויות של כוכבים אחרים. בנוסף, נראה שנמצא שם גם שיעור גבוה יחסית של איזוטופ רדיואקטיבי של טיטניום.

 

במאמר שפורסם בכתב-העת המדעי Nature דיווחו ד"ר פרץ וד"ר גל-ים, כי הפיצוץ יוצא הדופן מתאים למודל שבו כוכב קומפקטי מהסוג הקרוי ננס לבן "גונב" שכבה עבה של הליום מכוכב שכן. לפי המודל הזה, הכוכב עובר סוג מיוחד של התפוצצות תרמו-גרעינית, אשר משמידה את ההליום אבל אינה הורסת את שאר חלקי הננס הלבן. לעומת זאת, בסוג סופרנובה נפוץ הקרוי Ia, שגם בה מעורב ננס לבן (המכיל בעיקר פחמן וחמצן), הכוכב מתפוצץ לרסיסים לאחר ש"גנב" חומר משכנו.

 

ממצאים אלה הובילו את המדענים למסקנה, שהסופרנובה SN 2005E משתייכת לסוג חדש ונדיר יחסית של כוכבים מתפוצצים. המדענים סבורים, שאורן החלש יחסית של סופרנובות אלה מקשה על גילויין, אך למעשה הן רבות למדי, ובעלות תרומה משמעותית ליצירת יסודות מסוימים ביקום - ובפרט סידן וטיטניום.

   

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 אשר דוחף את החומר החוצה. בסופרנובות שאנו מכירים, אלה של כוכבים הגדולים פי 100-10 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, ומשאירה 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 שמאסתו 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 רומזים שכוכבים סופר-ענקיים אמנם נדירים, אבל קיימים. ייתכן 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 חמישה 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 העניקו 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 באזורים גדולים ובלתי-מוכרים של היקום".