חזית המדע / צילום: מכון ICRAR
זה שנים שחוקרים יודעים שתופעות טבע עוצמתיות מתרחשות בכוכבים שהיו פעם גדולים וקרסו. הקרינה שנפלטת מהם גבוהה, הפיצוצים שמתרחשים בהם חזקים והשדות המגנטיים אדירים. אבל מה גורם לתופעות האלה ואיך הן מתרחשות? מחקריו של פרופ' פז בנימיני, ראש מרכז המחקר באסטרופיזיקה באוניברסיטה הפתוחה (ARCO), עשויים להשלים כמה חתיכות בפאזל של היקום.
● חזית המדע | 400 חוקרים השיקו את אחד הפרויקטים השאפתניים של המדע: מיפוי האקספוזום
● חזית המדע | המומחים מגלים: איך מחסור בשינה משפיע על קבלת ההחלטות
● חזית המדע | מרגישים שאין לכם משמעות בחיים? החוקרת שמגלה מה מניע אותנו
מאמר שפרסם לאחרונה בכתב העת המדעי היוקרתי Nature, ומאמר נוסף שלו שצפוי לראות אור באותו כתב עת, מתארים תופעות מפתיעות המתרחשות בגרמי השמים הקיצוניים הללו, וחושפים קבוצה חדשה של כוכבים.
תגליות היסטוריות
בנימיני מעיד שכבר כילד הוא אהב כוכבים, "אבל גם דינוזאורים ומדע בדיוני וכל מה שילדים אוהבים כשהם גיקים", כדבריו. כשנרשם ללימודי פיזיקה ומתמטיקה באוניברסיטה העברית, הוא לאו דווקא תכנן להפוך לאסטרופיזיקאי. הבחירה נעשתה לאחר שנחשף לעבודתו של פרופ' צבי פירן, חוקר מהאוניברסיטה העברית שהגילוי כי מתכות כבדות נוצרות בהתנגשות בין כוכבי ניטרונים מיוחס לו. "הספיקו לי כמה שיעורים שהוא נתן כמחליף בקורס באסטרופיזיקה כדי לבקש ממנו להיות המנחה שלי לתואר השני", הוא אומר ומספר שקורס נוסף, בשם "בעיות בקירוב ושערוך", משפיע על מחקרו עד היום.
"בקורס הזה למדנו איך אפשר לקחת בעיה שיש לך מעט מאוד מידע עליה, ובאמצעות שיטות מתמטיות יצירתיות להגיד עליה בכל זאת משהו משמעותי. אהבתי את הגישה הזאת, לעומת בעיות אחרות בפיזיקה שדורשות עיבוד של המון מידע. אני גם מצייר, וזה קצת כמו ציור אימפרסיוניסטי ואקספרסיוניסטי, שתופס את המהות של דבר, גם אם כל משיכת מכחול נראית לא כל כך מדויקת מקרוב. יש דברים שכאשר לוקחים צעד אחורה רואים אותם טוב יותר. כך נראה גם המחקר שלי עד היום".
כיום, תחום המחקר של בנימיני הוא אנרגיות גבוהות, כאלה שנפלטות באירועים בעלי עוצמות אפיות כמו התנגשות בין כוכבים, התנגשות בין כוכבים לחורים שחורים וקריסה.
בתחום המחקר הזה מתרחשות בשנים האחרונות תגליות מרשימות והיסטוריות. כך לדוגמה, ב־2015 התגלו לראשונה גלי הכבידה, אחרי שנים שבהן הם היו השערה בלבד. התצפית הזאת אישרה תיאוריות לגבי המקור של יסודות כבדים ביקום כמו זהב ופלטינה.
ב־2019 צולם לראשונה אופק אירועים של חור שחור, תצפית שאיששה תחזיות בנות מאה שנה של תורת היחסות הכללית של איינשטיין והפכה רעיון מתמטי־תיאורטי לתופעה נצפית שניתנת למדידה.
ככל שמכשירי המדידה שלנו הופכים טובים יותר, כך מתגלות עוד תופעות לא צפויות, שמולידות בתורן תיאוריות חדשות.
בנימיני מתמקד במחקרו בתופעה שנקראת התפרצויות גלי רדיו מהירות. טלסקופים נתקלים מדי פעם בפרצי אנרגיה בתדרי רדיו חזקים מאוד וקצרים, שמגיעים ממקומות רחוקים מאוד ביקום, מיליארד שנות אור. חלק מההתפרצויות הללו נצפו כמה פעמים באותו מקום, ואילו במקרים אחרים הופיעה התפרצות פעם אחת בלבד במקום מסוים.
בנימיני יצא לחקור מה גורם להתפרצויות הללו. תשובה מוחלטת עדיין אין, אבל בהחלט נרשמה התקדמות.
האנשים הירוקים הקטנים
"התצפית הראשונה של פרצי גלי רדיו מהירים התקבלה ב־2007, ובחמש השנים האחרונות אנחנו מגלים אותם יותר ויותר", אומר בנימיני. "עד היום התגלו כ־1,000 כאלה".
המכשיר העיקרי שמודד את התופעה הזאת הוא טלסקופ CHIME הקנדי, שנועד במקור למדוד תופעה אחרת - מעברי אנרגיה באטומי מימן במרחקים קוסמולוגיים. "החוקרים שעבדו איתו לא הצליחו להגיע בדיוק לתוצאה שהם כיוונו אליה במקור", אומר בנימיני, "אבל הם גילו במקרה שהמכשיר שלהם אידיאלי למדידת פרצי רדיו מהירים. הוא סורק חתך די גדול של השמים, ואף שאינו יכול לראות רחוק מאוד, זה לא נורא, כי ההתפרצויות הללו הן ממילא עוצמתיות".
ההשערה הייתה שפרצי רדיו מהירים מגיעים מסוג מסוים של כוכב?
"זו בדיוק השאלה ששאלנו. אחת ההשערות הייתה שמדובר במגנטרים".
מגנטרים הם גרמי שמים ממשפחת כוכבי הניטרונים. "כוכב ניטרונים הוא כוכב שפעם היה גדול כמו השמש, אבל הוא קרס פנימה ונדחס והיום הוא בערך בגודל של רעננה", מסביר בנימיני. מדובר בכוכב קטן מאוד, בקוטר של 10 ק"מ בערך.
קיומם של כוכבי ניטרונים שוער לראשונה בשנות החמישים של המאה ה־20. מאז התרבו העדויות לקיומם והיום הם נתפסים כמציאות ברורה. הם בקושי נראים בטלסקופ אופטי. מה שכן רואים זו קרינת רנטגן המופקת מהם בכמות רבה, כי הם דחוסים מאוד.
חלק מכוכבי הניטרונים נקראים פולסרים, והם מתאפיינים בהבזקי קרינה מחזוריים, מאוד מדויקים. כשהם אותרו לראשונה, הם נקראו "אנשים ירוקים קטנים", כדי לרמוז שדפוס מדויק כל כך מתאים לתקשורת של יצור תבוני, של חייזר. בנימיני טוען שמלכתחילה זו הייתה בדיחה ואף אחד בקהילה המדעית לא באמת האמין שהפולסים נוצרו על ידי חייזרים.
עד היום נמצאו כ־3,000 כוכבי פולסר כאלה, והם יחסית צפויים. אם אנחנו יודעים מה מחזור הסיבוב שלהם, נדע מתי נראה את הקרינה מהם.
הנה עוד פרט לגבי הפולסרים, שהוא בעצמו כבר צפוי וניתן לחיזוי, לצערנו: הם התגלו על ידי אישה, באמצע המאה ה־20, אך היא לא קיבלה מיד קרדיט על עבודתה. מי שאיתרה לראשונה את הפולסרים הייתה ג'ייסלין בל בורנל, דוקטורנטית באוניברסיטת קיימברידג', במעבדה של פרופ' אנטוני הוויש, אך בשנת 1974 מי שקיבל את פרס נובל עבור הגילוי היה הוויש, לצד חוקר נוסף. נדרשו שנים רבות עד שבל בורנל קיבלה את הקרדיט על חלקה בגילוי.
רעידת אדמה כוכבית
במקביל לגילוי הפולסרים החלו התצפיות של מגנטרים, אבל החוקרים לא הבינו מה הם רואים.
"האנרגיה של הפולסרים נובעת מעצם הסיבוב", אומר בנימיני, "בכל פעם שהם מסתובבים, הם מייצרים קרינה ואחרי מיליוני שנים הם ידעכו". לעומת זאת, אצל המגנטרים, נראה היה שנמצא פרדוקס: מהירות הסיבוב נמוכה, הרבה יותר מזו של פולסרים, אבל עוצמת הקרינה גבוהה. מאז שנות ה־2000, מקובלת ההנחה שהאנרגיה של המגנטר נוצרת משדה מגנטי עוצמתי בתוך הכוכב. מכאן גם שמו.
"לעומת כ־3,000 פולסרים שאנחנו מכירים, עד היום מצאנו רק כ־30 מגנטרים", אומר בנימיני. "הסיבה העיקרית היא כנראה שהם חיים פחות זמן. פולסר יכול לחיות מיליון שנה במצב שבו אנחנו יכולים לזהות אותו, ואילו מגנטר יחיה רק 10,000 שנה. השדה המגנטי שלו כל כך עוצמתי, שהעוצמה שלו דועכת מהר ולאחר זמן הוא יהיה לא ממוגנט ולא קורן".
ואז מה קורה לו?
"אנחנו לא יודעים, כי אנחנו מפסיקים לראות את זה".
אנחנו רגילים לחשוב על כוכבים כעל צבר גזים ללא גבול מוגדר, כמו השמש שלנו. אבל כוכבי ניטרונים כמו הפולסרים והמגנטרים כל כך דחוסים, שיש להם קליפה, קרום, קצת כמו אדמת כדור הארץ. הקליפה הזאת עשויה מניטרונים ומחלקיקים אחרים.
וכשיש "אדמה" יכולה להיות גם "רעידת אדמה". במגנטרים, לפעמים השדות המגנטיים כל כך עוצמתיים, עד שנוצרת מתחת לקליפה פעילות שמזכירה קצת את הפעילות הגעשית של כדור הארץ. הפעילות הזאת לפעמים יוצרת תופעות כמו רעידת אדמה. קוראים להן רעידות כוכב, Starquakes, והן פורצות סדקים בקליפה. מתוך הסדקים הללו כנראה נובע פרץ אנרגיה מסוגים שונים, קרינת רנטגן וקרינת גמא. כך, למגנטרים יש גם קרינה מחזורית, שנובעת מהשדה המגנטי שלהם, וגם פרצי קרינה שנובעים כנראה מרעידות הכוכב.
אז מה הקשר בין מגנטרים ורעידות הכוכב שלהם לבין פרצי הרדיו העוצמתיים והבלתי צפויים שבהם פתחנו? האם הם בכלל מגיעים מהמגנטרים? זו אחת השאלות ששאל בנימיני.
"התפרצויות גלי רדיו מהירות אינן אירוע רגיל שקורה למגנטר כל הזמן", אומר בנימיני, "אבל לפני כמה שנים נצפתה מאחד המגנטרים הידועים בגלקסיה שלנו, שביל החלב, גם התפרצות כזאת. כלומר, באותו מקום שבו ישנו המגנטר, ובזמן שהיה פעיל במיוחד בהתפרצות קרני רנטגן, נצפתה התפרצות רדיו. ראינו את זה רק פעם אחת בכל השנים שבהן אנחנו עוקבים אחרי הנקודה הזאת, אבל ראינו את זה".
השאלה שבנימיני ביקש לבדוק במאמר שפורסם לאחרונה היא היכן מתקיים הפיצוץ שיוצר את קרינת הרדיו העוצמתית. תיאוריה אחת היא שאכן מדובר במגנטר וקרינת הרדיו נוצרת כתוצאה מרעידות האדמה שבו. אפשרות אחרת היא שגוף כלשהו - אולי מגנטר ואולי לא - פולט שטף של חלקיקים שרק במרחק גדול ממנו פולטים את האנרגיה שמאפשרת להם לייצר קרינה.
התשובה לשאלה איזה הסבר נכון קשורה באפקט שגורם לכוכבים לנצנץ, בניגוד לפלנטות. "כוכבים הם כל כך קטנים יחסית לשדה הראייה שלי, שחלקיקים באטמוספירה יכולים לטשטש לי לרגעים את כל האור מהכוכב ואחר כך לזוז ולגלות אותו. כך נוצר הנצנוץ. הצענו לבדוק אותה תופעה בקרינות רדיו עוצמתיות, תוך שימוש במקרה אחד שאנחנו מכירים, ובו בינינו לבין מקור הקרינה יש מסך פלזמה, חומר מיינן.
"ההבדל המשמעותי בין נצנוץ כוכבים לנצנוץ של הבזק קרינת הרדיו הוא שבשני הנצנוץ אינו פונקציה של הזמן אלא פונקציה של התדר (בתדירות אחת העוצמה גבוהה, בתדירות סמוכה היא נמוכה וכן הלאה). זאת משום שהתפרצויות הרדיו הן כל כך קצרות".
ומתברר שגורם השמים שנבחן במחקר של בנימיני אכן מנצנץ. כלומר, הוא אכן קטן. בנימיני והחוקרים שעבדו איתו הצליחו כך לומר דבר מה על גודל של כוכב שנמצא במרחק מיליארדי שנות אור מפה. "זה כמו לראות חיידק אחד על פלוטו", אומר בנימיני.
אם האובייקט קטן, כנראה הקרינה מגיעה ממקום שקרוב לשפה, "ואם כך, אנחנו חושבים שאכן המקור הוא 'רעידות אדמה' על גבי מגנטר".
עכשיו, הוא אומר, המטרה היא למצוא עוד מבחנים שיפסלו או יאששו את התיאוריה. "יש כבר כמה גילויים נוספים שתומכים במודל הזה", הוא אומר.
הטבע תמיד מפתיע
מאמר נוסף של בנימיני, שטרם פורסם, מציע הסבר "פשוט ופרובוקטיבי" כדבריו לגלי הרדיו העוצמתיים והמהירים שנדמה שאינם מחזוריים או שהמחזוריות שלהם אי טית מאוד.
"אנחנו מציעים שמדובר במגנטר שהאט כל כך את מהירות הסיבוב שלו, עד שהוא לא מסתובב פעם בשנייה בערך, הקצב הטיפוסי למגנטר, אלא אפילו פעם ב־16 ימים".
אחרי שקיומם של עצמים כאלה, המסתובבים לאט מאוד, שוער על ידי בנימיני וקבוצתו, אותרו כמה כאלה בפועל ובגלקסיה שלנו: "לא מצאנו מחזור של 16 יום, אבל כן בעלי מחזורים של 1,000 שניות או 5,000 שניות, הרבה יותר מכפי ששוער". צוות פיזיקאים תצפיתיים אוסטרלי מצא כוכב כזה שפולט גם קרינת רנטגן, מתואמת עם קרינת הרדיו. "אם זה קורה, כנראה מדובר במגנטר".
אתם בעצם מציעים משפחה חדשה של כוכבים?
"כן, כוכבי ניטרונים שנעים הרבה יותר לאט מכפי שהמדע חשב שאפשר עד כה. באופן כללי, בכל פעם שאנחנו מנסים לשים חסמים לטבע, אנחנו מגלים שהוא יכול לעשות כל מיני דברים מפתיעים שחשבנו שהם בלתי אפשריים".
אחד ההסברים שהוצעו לכך שתנועת הכוכב איטית באופן הלא־צפוי הזה, היא שהפיצוצים המתרחשים בו ומעיפים חומר מהשפה שלו אוספים מספיק אנרגיה כדי לשנות את הקונפיגורציה של השדות המגנטיים הקיימים בו, וזה מה שמאט את הכוכב. "זה אמנם קורה לזמן מאוד קצר ביחס לחיים של כוכב, אולי 100 שניות בכל אירוע כזה, אבל זו האטה מאוד יעילה. ואם למגנטר יש שדה מגנטי מאוד עוצמתי בתחילת חייו, הוא יכול ליצור מספיק פיצוצים כאלה, כך שזה יהיה מנגנון ההאטה הדומיננטי שלו".
אתה מתאר עולם של פיצוצים הרבה יותר עוצמתיים מכפי שחשבנו שמתרחשים בכוכבים סביבנו.
"כן, לאובייקטים האלה יש כנראה את השדות המגנטיים הכי חזקים בטבע ואת הפיצוצים הגדולים ביותר שאנחנו מכירים, בין אלה שלא הורסים את המערכת לגמרי. יש כנראה הרבה יותר כאלה בגלקסיה שלנו מכפי שהערכנו עד כה".