פתח ליקום

הקדמה:

 

אסטרופיסיקה הוא מקצוע מדעי, שנולד בראשית שנות ה-60 מזיווג מוצלח בין אסטרונומיה לפיסיקה. ההתוועדות בין השניים החלה כבר בשנת 1947, לאחר שפון וויצזקר ובאטה העלו מחשבות ראשונות בקשר לתהליכים התרמו-גרעיניים המתרחשים בכוכבים, אך כאמור יצא הזיווג הממשי לפועל רק בתחילת שנות החמישים, עת החלו לטפל בבעיות של אטימות חומר של כוכבים לקרינה, בשאלות של יצירת אלמנטים כבדים, היווצרות גלאכסיות ועוד, הקשורות לפיסיקה המודרנית — כמו תורת הקוונטים והפיסיקה הגרעינית. בכך ניתקה האסטרונומיה מהקשר הקלאסי למתימטיקה, נצמדה לפיסיקה, והפכה בתור אסטרופיסיקה לחלק מן הפיסיקה העוסק בפיסיקה של גופים שמימיים.

מעבר זה משתקף היטב בהכשרתו של ד״ר גיורא שביב (32), שקיבל תואר ״מוסמך״ במתימטיקה-פיסיקה, ואילו את הדוקטורט — במדעי הגרעין (שני התוארים השלים בטכניון). ואמנם מגדיר עצמו ד״ר שביב כפיסיקאי, שתחומו הספציפי הוא האסטרופיסיקה.

כיוון שביקשנו את ד״ר שביב לשוחח על התהוות הגלאכסיות והכוכבים, ולא על תיאוריות קוסמולוגיות הדנות בהתהוות היקום, וויתרנו ממילא על הנסיון לסקור את ההשערות השונות בדבר התהוות היקום: אם נמצא היקום במצב של בריאה מתמדת, או אם היה כל החומר, המצוי כיום ביקום, במצב של נוזל גרעיני, מרוכז בתוך גרעין קדום ודחוס להדהים; או אם היקום מורכב מחומר ואנטי-חומר, שההתנגשות ביניהם יוצרת מחזוריות של התפשטות והתכווצות. עם זאת, לאחרונה נתגלתה ביקום קרינה, שהמדענים קבעו את מקורה כהתפוצצות האדירה של כדור גז ראשוני. התפוצצות שפיזרה את החומר כיקום והביאה להתפשטותו.

האין תגלית נסיונית זו מאשרת את התיאוריה של ״המפץ הגדול״ ומבכרת אותה ע״פ שאר התיאוריות ?

ד״ר שביב: קרוב לודאי, שמבין התיאוריות הקוסמולוגיות — זו של ״המפץ הגדול״ (BIG BANG) היא המבוססת ביותר כיום. תיאוריה זו, שפותחה בעיקר ע״י גאמוב, קובעת ביסודה, שהיקום התחיל את קיומו בהתפוצצות אדירה, שגרמה לחומר להתפשט לכל עבר. ואמנם אנו רואים כיום, שכל הגלאכסיות מתרחקות מאתנו. באשר לקרינה שהזכרת, היא נתגלתה בתחילת שנות הששים, באמצעות אנטנה-קרן מסוג חדש, שנועדה להקטין עד מינימום את הרעשים העצמיים של האנטנה. והנה, כאשר כיוונו אותה לשמיים קיבלו מכל הכיוונים רעש, המתאים בערך לשלוש מעלות קלווין (הסקאלה של קלווין מתחילה באפס מוחלט, שהוא 273.16- מעלות צלזיוס — המערכת). שני מדענים מאוניברסיטת פרינסטון, דיקי ופיבלס, חקרו קרינה זאת וזיהו אותה עם קרינת הרקע של שלוש מעלות, שמקורה בהתפשטותו של אותו כדור אש ראשוני.

עכשיו, מהוכחה ניסויית זאת אפשר לחשב מה היתה הטמפרטורה של אותו כדור אש, (עשרה מיליארד מעלות), מהו ההרכב הנוכחי של היסודות ביקום (בהגבלה מסויימת), וכן את גיל היקום. כיצד? אנו יודעים שכל הגלאכסיות מתפשטות וכי מהירות נסיגתן מאתנו היא פרופורציונלית למרחק הגלאכסיות מאתנו. חוק זה ידוע בשם החוק של האבל (Hubble). אם נניח עכשיו, שהחוק הזה מביע את ההתפשטות של כל2 היקום, ניתן לחשב שהיקום החל להתפשט לפני עשרה מיליארד שנה, אם כי היום מעריכים שזה קרה לפני 15 מיליארד שנה. מה קורה עכשיו; אם אני יודע את הזמן, את הצפיפות ואת הטמפרטורה, ואני יודע בערך גם את הצפיפות הנוכחית ביקום, אני יכול לחשב בקלות רבה מה צריכה להיות כמות המימן, ההליום ושאר היסודות שיצאו מכדור האש הראשוני. מסתבר מהחישובים, שכמות ההליום היא כ-27% במאסה, כלומר: בכל גראם אתה מוצא 0.27 גראם הליום.

מה מביא אותך למספר הזה?

כפי שאמרתי, יש לי כל האינפורמציה הדרושה על התפשטות כדור הגז. עכשיו, אני יכול לחשב ולמצוא, כי במצב הדחיסות והטמפרטורה שהיו קיימים אז, יכול הגז להתקיים רק במצב של פרוטונים ואלקטרונים ועוד כמה חלקיקים אחרים. כאשר הטמפרטורה יורדת יוצרים הפרוטונים ריאקציות ביניהם, המולידות דאוטריום — הוא המימן הכבד (דאוטריום: גרעין מימן שצירף לפרוטון היחיד שלו נייטרון — המערכת). עכשיו, מאחר שמשני דאוטריומים אני מקבל הליום, אני יכול לנבא את כמות ההליום שתיווצר באותו יקום קדום. מדוע? הסתכל על החומר כאילו נמצא בתחרות: כאשר חם מאוד — כל גרעין דאוטריום מתפרק תיכף להיווצרותו בגלל קרינת הפוטונים החזקה; כאשר הצפיפות יורדת — יורדת גם הטמפ׳, קרינת הפוטונים חלשה יותר — ואז, כמובן, יכולים גרעיני הדאוטריום ליצור יסודות כבדים יותר. אלא שיש גם כאן מעין קונפליקט: מאחר שצפיפות החומר יורדת, הסיכוי ששני פרוטונים ייפגשו קטן יותר. כלומר, קצב הריאקציה נחלש ועמו קצב יצירת ההליום. כאמור, כמות ההליום היא כ-27%.

מה אחוז המימן ?

כל היתר, פרט לאחוז מבוטל של יסודות כבדים.

מאחר שהמימן בוער ללא הפוגה בכוכבים, צריך להניח שכמות המימן אינה קבועה, לא?

כמובן. אבל אנחנו מדברים על המצב הראשוני. ולכן אנו מחפשים מקום ביקום, שהמאסה שלו לא עברה ריאקציות גרעיניות; ז. א. פני שטח של כוכב מהדור הראשון. הצרה היא, שאפילו אמצא כוכב כזה, ספק אם אוכל לוודא מה אחוז ההליום שם, כיוון שההליום מתגלה רק כשהוא עובר יוניזציה (תהליך בו רוכשים האטומים מטען חשמלי כתוצאה מפליטת או קליטת אלקטרונים — המערכת), ולכך דרושה טמפרטורה של 30 אלף מעלות, בעוד טמפרטורת פני השטח בכוכבים הזקנים מגיעה רק ל-3,000 — 4,000 מעלות.

על מידות היקום ומהותו

לפני שנעבור הלאה, אולי תיתן מושג כללי על היקום : מה הן גלאכסיות; מה מספרן; מספר הכוכבים בכל גלאכסיה; האם גלאכסיה היא אוסף סתמי של כוכבים או היא מתנהגת כגוף אחד?

ובכן כך. גלאכסיה היא אוסף של כ-10¹¹ (מאה אלף מיליון) כוכבים, שמהווה יחידה בלתי תלויה בגלאכסיות האחרות, והיא נעה ומסתובבת כגוש אחד — כשם שכוכבי הלכת במערכת השמש הם גופים עצמאיים, אבל נעים כגוף אחד עם מערכת השמש סביב מרכז הגלאכסיה. מספר הגלאכסיות הידוע לנו, כלומר: מה שמתגלה לטלסקופ בהר פאלומר — הוא בסדר גודל של עשרת אלפים. הגלאכסיה עצמה דומה לדיסקית שטוחה מאד, שקוטרה 120 אלף שנות אור ועוביה 200 שנות אור. המרחק הממוצע בין גלאכסיה אחת לשניה הוא מסדר גודל של 1 — 5 מיליון שנות אור; כלומר, פי עשר מקוטר הגלאכסיה.

נחזור לכדור האש הראשוני, שהיה דחוס עד כדי…

— זה לא נכון שהוא היה דחוס כל כך. מדובר בצפיפויות של 10-2 (אחד חלקי מאה) גראם לסמ״ק.

גאמוב מדבר על צפיפות של 100 מיליון טון חומר בסמ״ק.

גם מספר זה אינו גדול כל כך, אבל צפיפות כזאת לא היתה קיימת. תראה, את גאמוב אפשר כבר להכניס לארכיון — אם כי היה בוודאי פיסיקאי גדול. אנו מעריכים שהצפיפות היתה בשעור מאית ואפילו אלפית גראם לסמ״ק, לעומת הצפיפות הממוצעת כיום — אם תפזר את כל החומר באורח אחיד ביקום — שהיא 10-30 גראם לסמ״ק. פרוש הדבר, שיש לך בערך חלקיק אחד של חומר על מיליון סמ״ק. אם אתה משווה את שתי הצפיפויות מתברר לך, שהיקום הקטין את צפיפותו מאז ב-27 סדרי גודל.3

אותו תאור ציורי, אם כן, של כדור גז לוהט וקטן יחסית, שהכיל בתוכו במצב דחוס את כל החומר המצוי כיום ביקום — איננו נכון?

זה אף פעם לא היה נכון. זה חסר משמעות לומר מה היו ממדיו הליניאריים של אותו כדור. אנו יכולים לומר מה היתה הטמפרטורה שם, וכן ניתן להראות מהי הצפיפות המקסימלית שאפשר להגיע אליה, והיא משהו בסדר גודל של 10¹⁵ גראם לסמ״ק, אך אותה ניתן לקבל בקצה השני של האבולוציה — בכוכבים המתים. מה שאנחנו יכולים להגיד על אותו כדור, שהוא היה מורכב מפרוטונים ואלקטרונים. יסודות כבדים יותר ממימן לא יכלו להמצא שם, כיוון שבטמפרטורה של 30 עד 50 ביליון מעלות קלווין, יש לפוטונים מספיק אנרגיה (קרינת גאמה) כדי לפרק את כל הגרעינים.

מה קרה אחרי ההתפוצצות-התפשטות של כדור האש ?

בשלב מסויים של התפשטות היקום הפך החומר בלתי יציב — מה שנקרא קריסה גראויטציונית. תאר לעצמך שבתווך-חומר אין-סופי מופיעה איזו הפרעה קטנה — הנגרמת, נאמר מהגדלת הצפיפות. מה יקרה להפרעה זאת — האם תתגבר ותיהפך לכדור חומר צפוף או תתפזר ותיעלם? מסתבר, שהתנאי להתגברות ההפרעה הוא שיהיה לה גודל מסויים וכי צפיפות החומר תגיע אף היא למאסה קריטית מסויימת. אם שני התנאים מתקיימים יפרד גוש החומר באזור ההפרעה מיריעת החומר המתפשט וייצור גוש בלתי תלוי במה שמתרחש סביבו.

כשאתה אומר הפרעה, אני מניח שאתה מתייחס לקביעתו של ז׳ינס, כי גז הנתון לכוח הגראוויטציה נוטה להתקבץ לענני-ענק נפרדים, וכי התקיימותו בתור גוש נפרד מותנה בכך, שהראדיוס שלו לא יהיה קטן מ-200 אלף קילומטר.

נכון. כשהיקום מתפשט הוא חם, והחלקיקים (פרוטונים ואלקטרונים) בתוכו נעים בתנועה אקראית בכל הכיוונים. עכשיו, כאשר במקום כלשהו מתרכזים יחד כמה חלקיקים, מעלה צפיפות זאת את כוח הגראוויטציה וזו מושכת אליה חלקיקים נוספים — עד שמתקבלת מאסה קריטית, שהיא בערך עשר בחמישית או בשישית מאסות שמש (מיליון שמשות!), המביאה להנתקותו של גוש זה מיריעת החומר המתפשט. מכל גוש כזה נוצרת גלאכסיה של כוכבים, אלא מה, אנו יודעים שהמאסה של גלאכסיה היא הרבה יותר גדולה מעשר בשישית שמשות.

כיצד ליישב שני גדלים אלה? התשובה היא, שהזנחנו תופעה מסויימת. ברגע שנוצרת מאסה קריטית זאת, היא מתחילה להתכווץ בהשפעת הגראוויטציה, והטמפרטורה (כפי שקורה תמיד כאשר דוחסים חומר) עולה. נוצר כאן משחק מאוד עדין בין כוח הגראוויטציה המכווץ את המאסה, לבין לחץ הגז; והתוצאה היא: שיווי משקל בין שני הכוחות. אולם, אם ידם של כוחות הגראוויטציה על העליונה — נוצרת התכווצות מהירה המביאה לעליה תלולה בטמפרטורה. עכשיו, ז׳ינס הניח שכוחות הגראוויטציה מנצחים תמיד ועל כן ההתמוטטות מהירה מאד. כתוצאה מכך נוצרת קרינה חזקה מאד, אבל היא אינה יכולה לצאת החוצה בגלל ההתמוטטות המהירה, ולכן הגוף נשאר תמיד חם. מה שג׳ינס לא הביא בחשבון, כאמור, שלחץ הגז מספיק בכל זאת לבלום במידת מה את כוחות הגראוויטציה; הקריסה לכן איטית; למאסה יש שהות לספח אליה חומר מהסביבה, לגדול, ולהגיע למספר הנוכחי של מאסה.

כיצד נוצרים כוכבים ?

הקושי העומד בפנינו בהערכת היווצרות הגלאכסיות נובע מכך, שהחומר היה מצוי במצב של מערבולות, וקשה לנו מאד בפיסיקה לחשב את התנהגותן. מערבולות אלו הן שנתנו למאסה הראשונית של החומר את תנועתה הסיבובית, והתפתחות הגלאכסיות השונות תלויה באופן קריטי בכמות התקיפה הזויתית שקיבלו ברגע היווצרותן. אם הגלאכסיה מסתובבת מהר מאד על צירה היא תקבל צורה ספירלית, כמו גלאכסיה שביל החלב שלנו, ואם תנועתה איטית היא מקבלת צורה של גוף אליפטי דחוס למדי.

מנין נוצרו המערבולות — מהתכווצותה המהירה של הגלאכסיה, או הן פרי התפוצצות כדור האש?

ראית איך נוצרות מערבולות בקומקום רותח ? המים מתחילים לרתוח במספר מקומות בעת ובעונה אחת, נכון? כך גם ביקום; במקום מסויים מתמוטט פתאום החומר, אח״כ במקום שני ושלישי. המערבולות הן תוצאה של התמוטטות לא מסודרת זאת. אבל אפשר לתאר היווצרות מערבולות גם מהתפוצצות; נסה לפוצץ מטען חומר מתחת לגל אבנים — האבנים יתפזרו לכל עבר בתנועה אקראית מטורפת.

11

וכיצד נוצרו כוכבים ?

בשלב מאוחר יותר עבר ענן מערבולי זה פרגמנטציה נוספת, כלומר — הוא התחלק לגושים משניים, ומכל גוש כזה נוצר כוכב.

לפני שניכנס להתנהגות מפורטת של הכוכב, האם אתה מוכן לתאר באורח כללי מהו כוכב, מה הרכבו, ומה מבדיל אותו מכוכב לכת?

ובכן, כוכב הוא גוף המייצר את האנרגיה שהוא מקרין, בעוד כוכב לכת הוא גוף שהטמפרטורה שלו אינה גדולה דיה לייצר ריאקציות גרעיניות, ולכן אין לו מקור אנרגיה משלו. מבחינת ההרכב הכימי לא צריך להיות הבדל עקרוני בין השניים. אלא מה, במידה והמאסה של הפלנטה קטנה יברחו מהאטמוספירה שלו הגזים הקלים ולא יהיה לו מספיק כוח גראוויטציוני לדחוס את החומר שלו עד להפיכתו לנוזל, ואת הנוזל לגז, וגז זה לצופף עד שיתעוררו בו ריאקציות גרעיניות.

עכשיו, אחת השאלות המענינות היא אם יש לנו הוכחה תצפיתית לקיומה של אבולוציה בכוכב. התצפיות על הגלאכסיה שלנו מורות, כי מצויות שתי אוכלוסיות של כוכבים: כוכבי הקבוצה הראשונה מצטיינים במהירות תנועה גבוהה מאד ביחס לגלאכסיה ואילו לכוכבי הקבוצה השניה מהירות תנועה נמוכה. כמו כן, אצל הקבוצה הראשונה, שנקרא לה ״הזקנה״, אין כמעט אלמנטים כבדים, כמו פחמן, חנקן וכיו״ב, כי אם בעיקר מימן והליום, בעוד שאצל הקבוצה הצעירה אתה מוצא מתכות בכמות העולה פי עשר על זו של ״הזקנה״.

ההסבר לקיומן של שתי קבוצות אלה הוא זה: כשהגלאכסיה אך נוצרה, וצורתה היתה עדיין כדורית, נוצרו הכוכבים שהם כיום הזקנים ביותר והם שומרים עדיין על המהירות המערבולית הגבוהה שהיתה לענן הגז באותו שלב, וגם על הרכבו המקורי הבנוי ממימן ומהליום. עם חלוף הזמן החלה הגלאכסיה מתכווצת בהשפעת סיבובה המהיר, מערבולות הגז שככו עקב החיכוך הפנימי, הצפיפות גברה בכמה סדרי גודל — וכתוצאה מכך עלתה הטמפרטורה בגלאכסיה. בחלק גדול מן הכוכבים הזקנים החלו ריאקציות תרמו-גרעיניות, כלומר, הם החלו ״לבעור״ באמצעות תהליך של היתוך גרעינים קלים לגרעינים של יסודות כבדים יותר — מימן להליום, והליום לבורון, ולחנקן, לפחמן וכו׳, תוך כדי עליה גוברת והולכת של הטמפרטורה, עד לברזל. משהגיעו לברזל — התפוצצו, פיזרו את תוכנם בחלל, ומתוכן זה נוצרו הכוכבים הצעירים. בכוכבים אלה כמובן, מצויים אלמנטים כבדים, וגם מהירותם נמוכה, כיוון שנוצרו בשלב שהגלאכסיה איבדה כבר ממהירותה.

לידתו ומותו של כוכב

אמרת שבתהליך הבערה של הכוכב נוצרים כל היסודות עד לברזל, שמספרו האטומי הוא 26. השאלה היא, כיצד נוצרים יתר היסודות בטבע מ-26 עד 92. האם נכונה תאוריית YLEM של גאמוב, לפיה נוצרים כל היסודות בטבע בשעה הראשונה של התפוצצות כדור האש הראשוני?

לא. זה איננו נכון. התברר שהתיאוריה התעלמה מנתונים מרכזיים. כמות היסודות הכבדים שאתה יכול ליצור ב״מפץ הגדול״ היא לא יותר מאלפית עד אחד לעשרת אלפים מכמות החומר המצויה ביקום. פרוש הדבר, שהסינטזה של היסודות מעבר להליום נעשית בכוכבים עצמם. ועוד זאת: התפשטות היקום אחרי ההתפוצצות מהירה מדי מכדי שהליום אחד יספיק ״לתפוש״ הליום אחר וליצור איתו גרעין כבד יותר כמו פחמן. במקרה הוציא עכשיו חבר שלי את העבודות האחרונות בנושא זה, מהן מוכח שלא יכולים להיווצר כמעט שום אלמנטים כבדים יותר מהליום בשעת ״המפץ הגדול״.

כיצד, אם כן, נוצרים האלמנטים הכבדים?

אלה נוצרים בשעת התפוצצות, כאשר כוכב הברזל בולע נייטרונים, המסתובבים חופשי. הנייטרונים הופכים פרוטונים ע״י התפרקות באתה, מצטרפים לגרעין הברזל והופכים אותו לגרעין נחושת — וכך הלאה. ככל שמספר הנייטרונים גדול יותר, זמן הפיכתם לפרוטונים קצר יותר. זהו תהליך מהיר מאד, שאושר אגב נסיונית בפיצוץ אטומי. התברר, ששטף הנייטרונים בשעת ההתפוצצות12 מצליח להפיק מגוף הפצצה את כל האלמנטים הכבדים. קיים גם תהליך איטי יותר, שאינו מאפשר לנייטרונים להצטבר, אך אינו שונה בעיקרו מהתהליך המהיר.

ד״ר שביב, מה מביא בעצם כוכב להתפוצץ ?

ובכן, הסיפור הוא כזה. כל הכוכבים שמאסתם גדולה מהמאסה של צ׳אנדרסקאר (על שם האסטרופיסיקאי ההודי הידוע), שהיא 1.44 של מאסה השמש, חייבים להתפוצץ. (אינני רוצה להכנס לתיקונים רלטיביסטים של המספר הזה, כי בכך עוסקת העבודה של חברי, ד״ר עתי קובץ, ושלי, שעדיין לא פורסמה). ובכן, במהלך ההתפוצצות פולטים אותם הכוכבים את כל כמות המאסה שמעל ל-1.44 מאסות שמש, ומאסה זו שנפלטת לחלל יכולה ליהפך בעצמה לכוכב, או להסתפח לכוכב קיים ולגרום להתפוצצותו; אם כי בעית הסיפוח אינה כה פשוטה, ברוב המקרים יקיפו חלקיקי החומר את הכוכב וייזרקו שוב לחלל, או יחלפו על-ידו ויגיעו למהירות אפס באין סוף — משהו בדומה לטילים המשוגרים לעבר הירח. מכל מקום במידה שכוכב, שמאסתו קטנה מ-1.44 מאסות שמש, נכנס לתוך ענן אבק הנע במצב חופשי בגלאכסיה, והוא מצליח לספח אליו אבק זה — הוא חייב להתפוצץ. אנו יודעים שאורך חייו של כוכב הוא ביחס הפוך למאסה בחזקה די גבוהה, ולכן כוכב שמאסתו שווה לעשר מאסות שמש יחיה אולי מיליון שנה, בעוד כוכב כמו השמש שלנו חי עשרה מיליארד שנה. התמונה שמתקבלת מכך היא של התפתחות כוכבים מעבר למאסה מסויימת, ואז הם מתים ו״מולידים״ כוכבים קטנים, העלולים אף הם למות פתאום כאשר יחצו ענן אבק.

כלומר, אין ביקום כוכבים גדולים יותר מ-1.44 מאסות שמש?

בפרוש לא. המספר 1.44 מבטא את גבול שיווי המשקל בין כוחות הגראוויטציה, הפועלים לדחיסת החומר, לבין התנגדות הגז לכוח זה. כאשר אתה דוחס גז גדל כידוע הלחץ הנגדי שלו, אבל עד גבול מסויים. אם תמשיך לדחוס אותו תקבל בסופו של דבר קריסה. פרוש הדבר, שכל כוכב הגדול מ-1.44 מאסות שמש נחרץ דינו להתפוצץ, אבל יכולים להתקיים כוכבים שמאסתם קטנה ממספר זה. כוכב כזה יתכווץ ויעלה לסרוגין את הטמפרטורה שלו, עד לטמפרטורה הסופית שהוא מסוגל להגיע אליה. אם ימשיך להתכווץ הוא יתחיל להתקרר, ובסופו של דבר יעלם. זהו כוכב מת, אבוד. לכוכבים אלה אנו קוראים ננסים שחורים ; ננסים — כיוון שהם קטנים מאד ודחוסים מאד; שחורים — כיוון שאינם פולטים שום קרינה וע״כ איננו מסוגלים לראותם.

לעולם ועד?

אנו מסוגלים לגלות את קיומם אם הם מצויים בסמוך לכוכב אחר, ועל כן משפיעים על מסלולו של הכוכב הגלוי. שיעור השיבוש של מסלול הכוכב מגלה לנו את מקומו של הננס השחור ואת המאסה שלו. אגב, מאחר שאני יכול לספור כמה כוכבים מצויים בגלאכסיה שלנו, ולחשב את סה״כ המאסה של הגלאכסיה, אני יכול לדעת מתנועתו וממהירותו של כוכב מסויים אם מצויים ננסים שחורים בגלאכסיה. כיצד? אני יודע שתנועת הכוכב מושפעת מסה״כ המאסה בגלאכסיה, לכן מהירותו של כוכב יכולה לגלות לי מה כמות החומר בגלאכסיה המשפיעה על מסלולו. והנה מתברר לי מתנועת הכוכב, שכמות החומר בגלאכסיה גדולה ב-20% מזו שאני רואה; המסקנה היא, ש-20% אלה הם ננסים שחורים.

 

13

אלה הם חיי כוכב

לאחר שהצגת את שתי המיתות הצפויות לכוכבים, אולי תפרט עכשיו את מהלך חייו של הכוכב.

כפי שאמרתי, חלק מהחומר של הגלאכסיה יוצר צבירי כוכבים, וצבירים אלה, לאחר פרגמנטציה נוספת, יוצרים כוכבים. כוכבים אלה הם מאסות של גז בעלות טמפרטורה נמוכה יחסית (כעשרת אלפים מעלות בערך). בהתגבר כוחות הגראוויטציה קורס הכוכב. כתוצאה מכך נדחס החומר בבת אחת והטמפרטורה עולה בשעור חריף מאד. תהליך זה קורה מספר פעמים. עם כל קריסה עולה הטמפרטורה, הכוכב פולט חום ועל-כן מפסיד אנרגיה — כתוצאה מכך מתכווץ שוב הכוכב וכך חוזר חלילה עד שהטמפרטורה שמתקבלת היא כזאת שהיא מציתה ריאקציה תרמו-גרעינית. כלומר, הכוכב מתחיל לבעור ע״י הפיכת גרעיני המימן להליום, והאנרגיה שנפלטת מהריאקציות הגרעיניות מאזנת את הקרינה הנפלטת מפני השטח של הכוכב. כאשר האנרגיה הגרעינית נגמרת (המימן כלה) מופקת האנרגיה ע״י התכווצות נוספת המעלה שוב את הטמפרטורה, וכך הלאה.

האם כל הגז בכוכב משתתף בבערה או רק מה שבמרכזו ?

בדיוק עכשיו אני כותב מאמר בנושא זה, בשיתוף עם אחד האסטרופיסיקאים הגדולים בארה״ב — סלפטר, המוכיח שאין תהליך ערבוב בשמש. הבערה מקיפה כ-10% מהחומר ומתנהלת בעיקר במרכז. אילו היה חל ערבוב, אז בשלב הברזל היה כל הכוכב מורכב מברזל.

מה הבערה שאנו רואים ע״פ השמש?

על פני השמש לא בוער כלום. הטמפרטורה של שפת השמש (6,000°) היא המעבירה אלינו חום, אך היא עצמה פונקציה של החום במרכז השמש.

כלומר, כל המאסה בין המרכז לשפת הכוכב משמשת רק כמו מוליך חום?

בדיוק. אם היית עושה חתך בשמש היית מוצא במרכז רק קרני איקס וטמפרטורה של 14 מיליון מעלות. טוב, מה קורה כשבערת המימן במרכז הכוכב מסתיימת, כלומר; כאשר המימן הפך להיות הליום. ובכן, הכוכב קורס פעם נוספת, והטמפרטורה עולה עד שהיא מצליחה להבעיר את ההליום, וכך הלאה. עכשיו, באם מאסת הכוכב קטנה מ-1.44 מאסות שמש, תביא התכווצותו לטמפרטורה המקסימלית שהוא יכול להגיע אליה, ואם זו אינה יכולה להבעיר את היסוד הבא בתור, יתקרר הכוכב וימות מיתת נשיקה, כשבהרכבו מצויים כל היסודות שהצליח להתיך בתהליך הבערה עד אז. במידה שהמאסה שלו מספיק גדולה ליצירת טמפרטורות גבוהות יותר — תימשך מגמה מטורפת זאת של עליית החום, עד שיהיה מורכב כולו מברזל.

מכך משתמע, שקיימים ביקום כוכבי חנקן, חמצן וכדומה ?

נכון, בהחלט. קיימים כוכבים מתים במצב של חמצן, מגנזיום ועוד.

אגב, למה תהליך הפיכת היסודות הקלים לכבדים נעצרת בברזל ?

כדי לקבל מגרעיני ברזל גרעין כבד יותר צריך להשקיע אנרגיה, והלוא לכוכב אין אנרגיה משלו, הוא עצמו צורך אותה. נוסף לכך, הטמפרטורה הנוכחית היא כה גבוהה עד שלפוטונים יש מספיק אנרגיה לפרק את הגרעינים. ואמנם גרעין הברזל מתפרק לגרעיני הליום, דבר המביא לאי יציבות הכוכב ולקריסתו הפתאומית. התוצאה היא, שאתה מקבל כוכב העשוי כולו מנייטרונים.

אם הברזל בכוכב הופך חזרה להליום, מתי נוצרים היסודות הכבדים יותר ?14

תהליך זה נמשך מספר שבועות, וזה נותן לגרעיני הברזל שהות זמן מספקת לצבור נייטרונים ולהרכיב גרעינים כבדים יותר. עכשיו, המאסה של כוכב נייטרונים יכולה, לכל היותר, להגיע ל-0.7 מאסות שמש. כלומר, אם היה לנו כוכב ברזל בעל 20 מאסות שמש, הרי שעם הפיכתו לכוכב נייטרונים הוא צריך להפטר בדרך כלשהי מ-19.3 מאסות שמש. שחרור זה, קרוב לודאי, הוא אותה התפוצצות אדירה בשמיים הקרויה סופר-נובה. סופר נובות כאלה, שהופיעו במוקדי-אור אדירי עוצמה וקצרי ימים, נתגלו ע״י הסינים במאה ה-11 וכן ע״י טיכו ברהה, קפלר ואחרים. והמענין הוא, שבאותם מקומות שהופיעו סופר נובות אנו מגלים בהם כוכבי נייטרונים.

 

ענקים אדומים וננסים צבעוניים

ד״ר שביב, הזכרת קודם כוכבים הקרויים ננסים שחורים. מה הם הענקים האדומים והננסים הלבנים ? איזה כוכב הופך ענק אדום, והאם כל ענק סופו להיות ננס לבן ?

ובכן, ראשית כל, כל כוכב מגיע לשלב של ענק אדום. דבר זה נובע מהבערה פנימית שלו. מעטפת הגז החיצונית מתפשטת עקב החום והכוכב הופך ענק. מאידך, עקב ההתפשטות יורדת הטמפרטורה ואז אנחנו מקבלים צבע אדום, שהרי בטמפרטורה גבוהה מאד מתקבל צבע כחול. עכשיו, כאשר הבערה במרכז הכוכב נגמרת מתחיל הענק האדום להתכווץ ; ואם המאסה שלו מעל ל-1.44 מאסות שמש הוא יתפוצץ. אם המאסה קטנה יותר ממספר זה, הוא יוסיף להתכווץ, יעלה בהתמדה את הטמפרטורה שלו — יהפוך אגב כך לננס כחול — עד שיגיע לטמפרטורה המקסימלית שיכולה המאסה שלו להפיק. אז ייעצר, יתקרר אט אט, יחליף את הצבע הכחול בלבן, ואת הלבן בצהוב, ואת הצהוב באדום, ואת האדום בשחור. כשיגיע לשחור — הוא ננס שחור; וכאמור, שוב איננו רואים אותו. מה שאנחנו יכולים עוד לומר על הננסים השחורים הוא, שמולקולות הגז מתחילות ליצור קשרים ביניהם, להתגבש, וליהפך לבסוף למוצק.

האם נהפכים הם לכוכבי לכת?

הננסים השחורים דומים לכוכבי לכת מבחינה זאת שאינם מקרינים אנרגיה משלהם, אך שונים מהם באופן דרסטי בצפיפות. הצפיפות הממוצעת של כוכבי לכת היא כ-1 עד 5 גרם לסמ״ק, ואילו הצפיפות של הננסים השחורים היא כ-106 עד 109 גרם לסמ״ק.

מה הם הפולסרים המסתוריים?

הזכרת קודם את כוכבי הנייטרונים, המתגלים במקום שהיו שם סופר נובות. איזה מן יצורים הם?

מה שאנחנו יודעים הוא, שהם דחוסים מאד; משהו מסדר גודל של 1014 — 1016 גראם לסמ״ק. ועל כן, המצב היחידי שחומר מסוגל להתקיים בצפיפות כזאת הוא במצב של נייטרונים. בהתחלה הוא חם מאד, והוא פולט קרני איקס; במשך הזמן הוא מתקרר עד שהוא הופך לכוכב נייטרונים מת.

 

ואז הוא הופך פולסר?

בדיוק. עכשיו, כל כוכב מסתובב סביב צירו, וכאשר אתה דוחס אותו ומקטין בכך את מימדיו, גדלה מהירות הסיבוב שלו. אם למשל אדחוס את השמש שלנו לצפיפות של כוכב נייטרונים היא תגביר את מהירות סיבובה מפעם אחת ב-27 יום, לסיבוב אחד מדי שניה. יש כוכבי נייטרונים המסתובבים אחת למאית שניה.

אבל מה בכל זאת יוצר את הפולסים של הפולסרים ?

ובכן, אנחנו יודעים שהכתמים השחורים ע״פ השמש הם שדות מגנטיים המאיצים חלקיקים ומשגרים אותם לכל עבר. כל פעם ששדה מגנטי כזה עובר מול כדור הארץ נגרמות אצלנו הפרעות אטמוספריות. תאר לך עכשיו שדה מגנטי כזה על כוכב נייטרונים ; מאחר שהשדה שלו הרבה יותר חזק מאלו שע״פ השמש, עקב דחיסותו, הוא מאיץ לעברנו חלקיקים במהירות כה גדולה, עד שנוצרים למעשה גלי רדיו, בקצב של23 מהירות הסיבוב של כוכב הנייטרונים. מתקבל משהו בדומה לאלומת האור של מגדלור.

וזה סוד האותות המסתוריים שראו בהם פעם עדות לקיומם של יצורים נבונים ביקום?

למה פעם? הפולסרים נתגלו בסה״כ לפני שנתיים.

תופעות מוזרות ביקום

אם כבר נגענו בתופעה החדשה של פולסרים, אולי תקדיש כמה מילים על תופעות מוזרות אחרות ביקום. באחד הגליונות של סייאנטיפיק אמריקן מתואר כוכב, שתהליך הקריסה נמשך אצלו, ללא כל התפוצצות, עד לנקודה קריטית — היא נקודת הסינגולריות — בו נפח הכוכב מגיע לאפס וכוחות הגראוויטציה לאין סוף. בשלב זה החומר בעצם מושמד, והכוכב נעלם מעינינו, כיוון שאפילו פוטונים אינם יכולים להשתחרר מכוחות הגראוויטציה ולחמוק החוצה. מה פרוש התופעה הזאת? האם זהו מן ״חור בחלל״ שאפילו אם נקרין לעברו קרני אור או גלי רדיו — הן יבלעו ולא נדע כי באו אל קירבו?

נכון שבכוכב הקורס לסינגולריות קורים כל מיני דברים מוזרים, בעיקר מבחינת הזמן. אבל החומר קיים וניתן לגלות את קיומו של כוכב כזה בתחבולה מחוכמת. תאר לעצמך שבמקום מסויים בקוסמוס מצוי כוכב כזה; אני לא רואה אותו, אבל אני רואה את הכוכבים שמאחוריו. עכשיו, בגלל עוצמת השדה הגראוויטציוני האדירה של כוכב זה יתעקמו קרני האור של הכוכבים מאחוריו שיעברו לידו; ואז יתגלה לעינינו מן זר של כוכבים סביב לנקודה מסויימת ביקום. במרכזו של זר כזה צריך להמצא כוכב במצב של סינגולריות.

האם גילו זרים כאלה ?

לא. אבל אם קיימים כוכבים כאלה, אגלה אותם בשיטה זאת.

האם אתה יכול להגיד משהו על הקואזרים והתופעה המוזרה של ההיסט לאדום?

אין כאן דבר מוזר, אם אתה מביא בחשבון את המרחקים האסטרונומיים שלהם מאתנו.

עד כמה שידוע לי נכשלו הנסיונות להסביר את ההיסט לאדום של הקואזרים כפונקציה של התרחקותם מאתנו (אפקט דופלר) — כפי שמקובל עם גרמי שמיים אחרים, ומנסים להסביר את התופעה בהשפעת שדות הגראוויטציה שלהם על האור; האם זה כך ?

הבעיה המרכזית היא זאת: אם גופים אלה מתרחקים אמנם במהירות עצומה, והם נמצאים במרחק קוסמולוגי מאתנו — אז אינני מבין בכלל כיצד אני רואה אותם! במילים אחרות, אינני מסוגל כלל להסביר את תפוקת האנרגיה העצומה של גופים אלה. ויותר מזה: מהמהירות שהם משנים את עוצמת האור שלהם אנו למדים שאינם יכולים להיות גדולים יותר מעשר שנות אור; כלומר, זהו גוף מטורף לגמרי! אתה בטח תגיד: טוב, אז הצפיפות שלו עצומה. לא. הצפיפות שלו אינה משוגעת, כיוון שהקווים הספקטרליים שפולטים הקואזרים יכולים להיווצר רק בצפיפות מאד נמוכה. ואחרון, גם ההנחה שההיסט לאדום נובע מהשפעת שדות גראוויטציונים על האור — אין לה תוקף, כי קיים גבול מירבי של הסטה לאדום, שמעבר לו אינך יכול לקבל.

כיצד מסבירים בכל זאת תופעה מוזרה זאת ?

אתה שואל לדעתי האישית ?

כן.

תראה, כיוון שהקואזרים רחוקים מאד מאתנו, הרי הקרינה שמגיעה אלינו מהם משקפת את מצבם כאשר קרינה זאת יצאה מהם. כלומר, יתכן שאנחנו רואים את זמן היווצרות הגלאכסיות, והקואזרים, יתכן והם אותן הפרעות בחומר המתפשט מכדור האש הראשוני. • •

- לִבְנֵי-אָדָם כּוֹכָבִים וּמַזָּלוֹת, אַךְ הֵם רוֹאִים אוֹתָם אִישׁ אִישׁ בְּצוּרָה אַחֶרֶת. לָאֵלֶּה הַיּוֹצְאִים לְמַסָּעוֹת יְשַׁמְּשׁוּ הַכּוֹכָבִים מוֹרֵי- דֶרֶךְ. וְאִלּוּ בְּעֵינֵי הָאֲחֵרִים אֵין הֵם אֶלָּא אוּרִים זְעִירִים. הַמְּלֻמָּדִים יִרְאוּ אוֹתָם כִּבְעָיוֹת מַדָּעִיוֹת בִּלְבַד.

״הנסיך הקטן” — אנטואן דה סנט-אכזופרי

24