מה קורה כשהשמש מתפרצת: המחקר שמשנה את מה שחשבנו על זמן

"השמש היא מקום מאוד סוער", אומר פרופ' יצחק אוריון, שהוביל לאחרונה מחקר חלוצי שעשוי לשנות את כל מה שאנחנו יודעים על גילו של כדור הארץ ופיזיקה גרעינית. אוריון והצוות שלו, מהמחלקה להנדסה גרעינית באוניברסיטת בן גוריון בנגב, גילו שכאשר השמש מתפרצת, יש שינויים בקצב הקרינה שאנחנו יכולים להרגיש בכדור הארץ, וזה משפיע על מדידת הזמן שלנו.

 פרופ’ יצחק אוריון / צילום: דני מכליס אוניברסיטת בן גוריון בנגב

"השמש היא כור היתוך גרעיני שעובד בעיקר על גז מימן, אך יש בה מגוון גזים, שבוערים בטמפרטורה מאוד גבוהה", אומר אוריון. בשמש גם פועלים שדות מגנטיים עוצמתיים, וכל זה מסתובב ורוגש ורועש. נוצרים אזורים חמים יותר וקרים יותר יחסית, ומעבר של חום ממקום למקום, כמו מזג האוויר שלנו, אבל בשמש. ולפעמים התהליך הזה יוצא משיווי משקל, ממש כמו שבכדור הארץ יכולה לפרוץ פתאום סערה.

"אחת הדרכים שבהן יכול להיווצר בשמש חוסר שיווי משקל היא 'התפרצות שמש'. מין התלקחות קטנה, בשוליים החיצוניים של השמש. פתאום אנחנו רואים נקודה בוהקת, יותר מהשמש עצמה. זה יכול לקרות למשך דקה או שתיים, או לפעמים למשך שעות או אפילו חצי יום. פתאום, בגלל אותו מזג אוויר של השמש, ניצתים גזים שקיימים רק בשוליים של השמש, באזור שנקרא קורונה - הוא נקרא כך הרבה לפני הקורונה 'שלנו'. הכוונה היא לעטרת השמש, שיש בה גזים שבדרך כלל רדומים. אז הטמפרטורה עולה למיליון מעלות, והגזים האלה ניצתים".

התפרצויות השמש האלה משפיעות גם עלינו. "יש שינוי בקרינה, שאנחנו יכולים למדוד על פני כדור הארץ, גם אם עד לאחרונה לא ידענו את זה", אומר אוריון, שגילה את כל זה יחד עם הדוקטורנט שלו יונתן ואלך והסטודנטים לתואר שני אנטולי רודינאנסקי ויעל פלג. המאמר בנושא פורסם לאחרונה בכתב העת GSC.

לא רק שאנחנו מרגישים את ההתפרצויות הללו כאן על כדור הארץ, השינויים הללו גם משבשים כל מיני כלים שפיתחו בני האדם לאורך השנים למדידת זמן. ייתכן שעד היום בכלל תיארכנו לא נכון את שכבות כדור הארץ ושכבות מסוימות הן הרבה יותר צעירות מכפי שחשבנו - כולל כל המאובנים, הנפט וממצאים אחרים בהן. אם הממצא החלוצי הזה אכן יאושש על ידי הקהילה המדעית, נצטרך להביא אותו בחשבון בכל פעם שמודדים זמן בשעון גרעיני, וזו גם תהיה התחלה של פיזיקת גרעין חדשה.

  

סערה מדעית בגלל חלקיק שמש

אוריון מבלה חלק לא מבוטל מימי העבודה שלו בהצבת מכשירים בתוך בונקר של בטון עם הגנה מלאה של עופרת. בתוך הבונקר נמצאים גלאים רדיואקטיביים. שום דבר לא אמור להפריע לגלאים הללו, שום דבר לא אמור לחדור את הקירות. אבל יום אחד משהו כנראה בכל זאת חדר.

"התחלנו לראות פתאום ירידות חשודות ברמות הקרינה. אין הרבה דברים שיכולים להסביר ירידות בקרינה רדיואקטיבית", אומר אוריון. "אם אלה היו עליות, עוד אפשר היה לומר עליהן כל מיני דברים. אבל ירידות ממש לא היו צפויות להתרחש". לאוריון וצוותו דווקא היה רעיון מה יכול היה לגרום לירידות האלה: חלקיק הנויטרינו.

"חלקיק הנויטרינו", מסביר אוריון, "הוא חלקיק שמגיע מהשמש, והוא החלקיק הכי קטן בטבע, וגם חסר מטען חשמלי". לכן הוא יכול היה לחדור לתוך בונקר הבטון, אף שעל פניו, הוא היה אמור להיכנס ולצאת בלי שיבחינו בו כלל.

"עד היום מדדו את הנויטרינו רק בקושי", אומר אוריון. המיזמים שנועדו למדוד אותו הם מורכבים בסדר גודל של מאיץ חלקיקים. אחד מהם הוא ה-IceCube באנטארקטיקה, שנבנה בהשקעה של 279 מיליון דולר. מדובר באיגלו קרח בצורת קובייה בעובי של קילומטר, שבתוכו יש גלאים. "המטרה היא להגיע למצב שבו לא יכולה להיות הפרעה לחומר, אלא כשהנויטרינו עובר דרכו. הוסכם שרק כך אפשר לגלות את החלקיק הזה - עם מאסה גדולה של חומר יציב. החוקר שגילה אותו לראשונה בשיטה הזאת, פרופ' ריימונד דיוויס שמו, זכה בנובל על כך. הוא זכה בפרס ב-2002 עבור מחקרים שערך בשנות ה-60 עד ה-80 של המאה הקודמת".

 מעבדת IceCube באנטרטיקה / צילום: Shutterstock

ב-2009 הציע חוקר בשם פרופ' אפרים פישבך, מאוניברסיטת פרדו שבארה"ב, דרך נוספת למדוד נויטרינו, הרבה יותר פשוטה. הוא טען, למעשה, מה שטוענים אוריון וצוותו היום. "פישבך אמר שהוא ראה ירידה בקריאות מגלאים רדיואקטיביים, ואמר שאלה למעשה נויטרינו שפגע במקור רדיואקטיבי".

הדבר הוביל לסערה מדעית גדולה, וחוקרים המתמחים בנושא נעמדו משני צדי המתרס. מתנגדי הרעיון ניסו לתת הסברים חלופיים. חלקם הראו שאינם מצליחים לשחזר את הניסויים של פישבך, אך לא ברור אם התנאים שבהם נערכו הניסויים היו דומים. פישבך עצמו הצהיר בראיון לתוכנית Big Picture Science של מכון SETI: "אני לא מנסה בשום אופן לומר כי הניסוי הזה הוא הוכחה לכך שחלקיקי נויטרינו פוגעים בקרינה הרדיואקטיבית. אני רק אומר שזהו הסבר שנראה מתאים לתופעה מאוד מעניינת, ואם ההסבר הזה אינו נכון, בכל מקרה מדובר בתופעה חדשה שגילינו, שמציאת ההסבר לה תהיה פריצת דרך במדע".

"אני חושב שהביקורת ערערה אותו", אומר אוריון, "ועכשיו הוא לא בטוח בעצמו שמה שהוא מצא הוא נכון. אבל אנחנו בעצם שחזרנו את הממצאים, כמה פעמים, עם מספר רב של גלאים וחומרים רדיואקטיביים, והראינו שהירידה בפעילות של הגלאים תואמת את הופעת התפרצויות השמש".

יותר מ-4 מיליארד שנה של שינויים

התפרצויות השמש מופיעות באופן אקראי, אך יש בהן גם מחזוריות. לדוגמה, הן מגיעות לשיאן בערך פעם ב-11 שנה. "לא יודעים למה כל 11 שנה, אבל יודעים שזה לא תמיד היה 11 שנה. השמש היא קצת כמו יצור חי, כוכב שעובר שינויים כבר יותר מ-4 מיליארד שנה. היא לא תמיד האירה באותה עוצמה, לא באותו צבע אור. כשהיא הייתה כוכב צעיר יותר, כנראה שההתפרצויות היו תכופות יותר".

כחוקר המגלה עניין בהתפרצויות שמש, אוריון נעזר במדידות של נאס"א ויודע מתי הן מופיעות, וראה שיש מתאם בין התופעה הזו לבין הקריאות המוזרות בגלאים אצלו. יותר התפרצויות שמש משמעותן שחלקיקי נויטרינו רבים יותר מגיעים לכדור הארץ, וזה אומר פחות התפרקות של החומר הרדיואקטיבי. אם זה אכן ההסבר היחיד האפשרי, הרי שאוריון וצוותו, כמו פישבך, הצליחו לבנות גלאי נוטרינו זול וזמין יחסית, שמייתר כנראה חלק מהפעילות של אותו גלאי שנבנה לאורך שנים במאות רבות של מיליוני דולרים באנטאקטיקה, ושל גלאי ענק אחרים דומים לו (אם כי יש להם גם שימושים אחרים).

ואלך, שהמאמר הזה היה חלק מעבודת הדוקטורט שלו, מבהיר: "רוב החלקיקים מהשמש נחסמים על ידי האטמוספירה, ואם אני סגרתי את המערכת שלי בתוך מקלט, אז גם מה שחדר את האטמוספירה לא ייכנס. חוץ מאותו חלקיק חמקמק, נויטרינו ללא מטען, ששום דבר לא עוצר אותו, אפילו לא קיר בעובי של כדור הארץ. והנה, אנחנו מזהים שחומר רדיואקטיבי כן עוצר אותו. אנחנו רואים זאת שוב ושוב".

ההחלטה שלכם לחפש את החומר נבעה מעבודתו של פישבך? חשבתם שהוא צדק כשטען שראה נויטרינו בכמויות משתנות בגלל התפרצויות השמש, והחלטתם להוכיח שהוא צדק? או שזה קרה במקרה?
אוריון: "הסיפור התחיל ממי שהיה בעבר ראש המכון הגיאולוגי הישראלי בירושלים, ד"ר גידי שטייניץ ז"ל. הוא הגיש הצעת מחקר בנושא מחזוריות בהתפרצויות שמש, ואני גויסתי כדי לעבור עליה. ושם נתקלתי בעבודתו של פישבך, וראיתי שזה משהו שאי אפשר להמשיך את היום בלי להסביר אותו".

פישבך שמח לשמוע שאישררתם את הממצאים שלו?
אוריון: "כשהצגנו לו את התוצאות הוא איחל לנו בהצלחה אבל לא ממש רצה בזה חלק".
ואלך: "ותוך כדי כך שטייניץ, שהיה איתו בקשר, נפטר. אז בעצם הקשר לא המשיך והוא לא התעניין".

הממצאים שלכם התקבלו בקהילה המדעית טוב יותר מכפי שהתקבלו ממצאיו?
אוריון: "לפני הפרסום פנינו לכמה גורמים וזכינו לביקורות. למה אני אומר זכינו? כי בזכות הביקורות שיפרנו את ההסברים. היו כמה אנשים מאוד סקפטיים. כתבו לי שזה פשוט לא ייתכן. זו ביקורת שאני לא יודע מה לעשות איתה. עורך של כתב עת כתב לי 'אני לא מפרסם דברים כל כך חדשים'. זו תגובה של כתב עת מדעי?. הנושא הוצג בשלושה כנסים בינלאומיים וגם זכה לביקורות מעודדות".

כדור צעיר בכמה מיליוני שנים

לגילויים החדשים יש גם היבטים פרקטיים למדי. "ראינו שכאשר יש התפרצות שמש, ולכן עלייה גדולה בכמות הנויטרינו, אנחנו רואים ירידה בקצב הפירוק של החומר הרדיואקטיבי", אומר אוריון. "את בטח מכירה את הרעיון של זמן מחצית חיים, שמשמעותו תארוך של חומר לפי ריכוזים של חומרים מסוימים בו, שאנחנו יודעים את הקצב שבו הם מתפרקים. אבל כאשר עושים תארוך על בסיס התפרקות של חומרים רדיואקטיביים, פתאום התפרצויות השמש משנות לנו הכול. ההתפרצויות מאיטות כביכול את קצב ההתפרקות, והגיל של החומר הנמדד מתארך לכאורה.

"למשל, כשאנחנו מחפשים מאגרי אנרגיה מתחת לאדמה, כמו מאגרי הגז הטבעי שהביאו את ישראל לביטחון אנרגטי, שהוא חלק מהביטחון הכלכלי שלנו. איך מגלים מאגרים כאלה? אנחנו קודחים, מוצאים חומר מסוים, מעריכים את הגיל שלו, ואז אומרים 'בעומק הזה אמור להיות כלוא נפט' או 'כאן צריך להיות כלוא גז טבעי'. אותו העיקרון נכון אם אנחנו מחפשים מאובנים של דינוזאורים. אנחנו צריכים לחפש באותה שכבה שמקורה בתקופה שבה חיו להערכתנו דינוזאורים באותו מקום".

אבל לפעמים השכבות לא מסתדרות, ונראה שמה שצעיר יותר דווקא נמצא יותר למטה. "פרופ' רבקה עמית, ראש המכון הגיאולוגי הנוכחית, אמרה שבאמת יש בכך מסתורין, אי ודאות, והממצא שלנו אולי יכול להסביר אותה".

איך?
"אם ההתפרצויות מאיטות את קצב ההתפרקות, אז מה שצעיר ייראה כאילו הוא שקע מזמן. וזה עוד יותר נכון לגבי העבר הרחוק, אז השמש הייתה יותר פעילה, כלומר ההתפרצויות השפיעו עוד יותר".

יכול להיות שכדור הארץ שלנו הרבה יותר צעיר מכפי שנראה? או שהדינוזאורים חיו בתקופה קרובה יותר לימינו מכפי שאנחנו חושבים?
"אני בטוח שיש קבוצות שרוצות שאגיד שכדור הארץ הוא בן 5,000 שנה, אבל זה לא עד כדי כך. ההבדל הוא כמה עשרות מיליוני שנים לכל היותר. כדור הארץ, גם תחת ההנחות האלה, עדיין קיים 4.5 מיליארד שנה. אולם המדידות האלה כן יכולות להשפיע על ההערכה שלנו, אילו בעלי חיים או צמחים התקיימו באיזה זמן. ייתכן שהגילוי הזה משפיע על שאלות כמו מהו העץ הכי עתיק בעולם".

אם אנחנו מגיעים לכוכבי לכת רחוקים, ורוצים לדעת מתי הם נוצרו, גם אז יהיה צורך בכיול על פי הממצאים של אוריון וקבוצתו. "נניח שהגענו לכוכב לכת שסובב סביב שמש אחרת, אז גם הקרינה שלה היא אחרת מאשר של השמש שלנו, וההשפעה שלה על התפרקות החומרים הרדיואקטיביים תהיה שונה".

שעונים רדיואקטיביים בחלל הם כלי מקובל, "אבל אם אנחנו רוצים להשוות בין שני שעונים בשני מקומות שונים, צריך כעת להביא בחשבון את פליטת הנויטרינו מהשמש ואת ההתפרצויות שלה. למשל, אם מישהו ירצה להוכיח את תורת היחסות של אינשטיין והשפעתה על הזמן באמצעות שעונים גרעיניים, הוא יצטרך להביא בחשבון שהמדידה באמצעות השעונים האלה משתנה לפי המרחק מהשמש ופעילות השמש".

אם נויטרינו נכלא בתוך חומר רדיואקטיבי ולא ידענו את זה קודם, מה זה מחדש מבחינת הפיזיקה?
אוריון: "כאן החידוש הכי משמעותי. יש פה תהליך שהפיזיקה הגרעינית עדיין לא הסבירה, מנגנון פיזיקלי שלא היה ידוע עד עכשיו. איך זה שחלקיק קטן שלא חשבנו שמשפיע על גרעין האטום גורם לתופעות שלא הכרנו".

ויש לכם תיאוריה לגבי זה, שאנחנו מסוגלים להבין?
ואלך: "התיאוריה האמיתית מתאימה יותר לפיזיקאים, אבל אפשר לתאר את זה קצת כמו האבקה של פרחים. האבקנים יכולים להיתפס בפרח רק אם הוא פתוח. גרעין רדיואקטיבי הוא בעצם 'פתוח', משום שהוא לא יציב. בחומר יציב הנויטרינו לא יכול להיתפס. אבל כשהוא נתפס בחומר הלא-יציב, הוא משנה מעט את מאזן הכוחות שבו וכך מאט את קצב ההתפרקות שלו".

אוריון: "אנחנו מנסים עכשיו לאסוף כמה שיותר מידע ניסיוני כדי לבסס את המודל התיאורטי. אפילו כסטודנט, חיכיתי לרגע שבו אוכל לומר 'אנחנו כרגע לא מבינים את המדע. יש כאן משהו שדורש הסבר חדש. זו הרגשה טובה. המטרה כרגע, ברמת הפיזיקה הניסיונית, היא להראות מדידה של חלקיקי נויטרינו שמגיעים ממקור מבוקר, כאן על גבי כדור הארץ".