התשובה נישאת ברוח
מדענים ניתחו את הרכב היסודות הנפלטים מכוכב, רגע לפני התפוצצותו
גילוי סופרנובה – התפוצצות של כוכב מרוחק – שתועדה לפני כמה חודשים, הניעה אסטרופיזיקאים לצפות במחזה המרשים בעזרת טלסקופים ברחבי העולם. מותו הדרמטי של הכוכב, מסוג נדיר, שמסתו עולה לפחות פי עשרה על זו של השמש שלנו, חשף בפני המדענים פרטים מעניינים על מהלך חייהם של גופים שמימיים 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 לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן למדע, מסביר כי כדי לזהות את סוג 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, אטומי מימן – שהם הקלים ביותר – עוברים מיזוג ליצירת אטומי הליום, ובנקודה זו נפסק התהליך, ואולם בכוכבים כבדים וחמים יותר המיזוג 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 מסה 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.
צילום: מכון ויצמן למדע
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 למיזוג גרעיני. מדענים מתעניינים בשכבה זו, משום שבה נוצר החנקן. בניגוד לפחמן, המכיל שישה פרוטונים (שמקורם במיזוג של שלושה גרעיני הליום) או חמצן המכיל שמונה פרוטונים (שמקורם בארבעה גרעיני הליום), אטום החנקן מכיל מספר אי זוגי של פרוטונים – שבעה. כלומר, הוא נוצר במיזוג של אטומים בעלי מספר זוגי ואטומים בעלי מספר אי זוגי של פרוטונים – לדוגמה, שלושה גרעיני הליום (שני פרוטונים) וגרעין 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 – זהו אירוע הסופרנובה שבו אנו צופים.
את היסודות שנסחפו ברוח הכוכבית לפני ההתפוצצות הסופית של הכוכב אפשר לזהות רק בחלון זמן קצר ביותר – כיום אחד לאחר התפוצצות הסופרנובה – משום שהקרינה החזקה הנוצרת בהתפוצצות קורעת את האלקטרונים מהאטומים (ואז אי אפשר לזהותם). 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 ((Kulkarni 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 ישֵנים, הוא העריך את הנתונים, הבין את משמעותם ויצר קשר עם ד"ר אסף חורש, שהיה אז חוקר בתר0╬דוקטוריאלי במכון הטכנולוגי של קליפורניה בפסדינה (ומאז הצטרף למכון ויצמן למדע). ד"ר חורש ביצע תצפיות ספקטרוסקופיות באמצעות טלסקופ קֶק המוצב בהוואי, מערבית לזה שבקליפורניה, ולכן היה יכול להאריך את שעות התצפית בסופרנובה לאחר שהבוקר כבר עלה בקליפורניה. תגובתו המהירה אפשרה לו להקליט את הספקטרום הנפלט של החומרים הנישאים ברוח – 15 שעות בלבד לאחר שזוהתה 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 (Wolf–Rayet) המוכרים מהגלקסיה שלנו. ממצאי מחקרם התפרסמו באחרונה בכתב העת Nature. "בזכות היכולת לצפות בסופרנובה זמן כה קצר לאחר הפיצוץ הצלחנו לראשונה למדוד את הֶרכב היסודות על פניו של כוכב, בדיוק לפני התפוצצותו", מסביר פרופ' גל־ים. כעת, לאחר שצוות המדענים הוכיח כי התארגנות גלובלית יעילה ושהפעלה מתוזמנת של טלסקופים ברחבי העולם מאפשרות לאסוף נתונים על אירועים מהירים, הוא מקווה כי יהיה אפשר לצפות בסופרנובות "צעירות" נוספות. הבנת האופן שבו כוכבים אלה חיים ומתים חשובה, לדבריו, לא רק מפני שהיא פותחת לנו צוהר לאופן פעולתו של היקום. "כל היסודות הכבדים ביקום – אלה שמסתם גדולה מזו של הליום – נוצרו בכבשן ההיתוך של הכוכבים הגדולים והתפזרו ביקום בהתפוצצויות סופרנובה. לכן, מקורן של שאלות מדעיות רבות – ביחס לאופן יצירתם של יסודות שונים ותפוצתם בחלל – טמון באותן התפוצצויות המתרחשות ברחבי הקוסמוס".