מחקר ההתנגשות בחלל והקשר הישראלי

הקשר הישראלי לתגלית שמסעירה את העולם המדעי: חוקרים ממכון ויצמן, אוניברסיטת תל-אביב והאוניברסיטה העברית בירושלים היו שותפים במחקר הבינלאומי, שניתח ופענח את הנתונים שהתקבלו מהתנגשות ומיזוג של שני כוכבי נויטרונים - תהליך שנצפה לראשונה בחודש אוגוסט. המחקרים פורסמו ב-Astrophysical Journal, Nature, Physical Review Letters, Science ובכתבי-עת מובילים נוספים ברחבי העולם.

וגם: הפרופ' הישראלי שידע הכל כבר ב-1989

לפני כשנתיים, חוללו כבר גלאי ה"ליגו" תגלית מרעישה אחרת: הם איפשרו למדענים לצפות לראשונה בגלי כבידה. גלים אלה, שאת קיומם ניבא אלברט אינשטיין, נוצרו בהתנגשות שני חורים שחורים ענקיים, ונדרשו להם יותר ממיליארד שנה כדי להגיע לכדור-הארץ. בעקבות תגלית זו, הוענק בתחילת החודש פרס נובל בפיזיקה לשנת 2017 עבור "תרומה מכרעת לבניית גלאי ה'ליגו' ותצפית על גלי כבידה".

המיזוג בין שני כוכבי הנויטרונים התרחש בעבר "קרוב" יחסית: לפני "רק" כ-120 מיליון שנה. אך חשובה במיוחד היא העובדה כי מיזוג זה סיפק למדענים מידע רב יותר מאשר המיזוג בין החורים השחורים. "כאשר מתנגשים שני חורים שחורים, כל מה שאפשר לגלות, אלה גלי כבידה, כיוון שכל השאר נבלע פנימה", הסביר פרופ' אבישי גל-ים מהמחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן למדע. "לעומת זאת, כוכבי נויטרונים 'שוקלים' פחות מחורים שחורים. לכן, כאשר הם מתנגשים ומתמזגים, חלק מהקרינה והמאסה נפלט - ואז אפשר לגלות אותם, במקביל לגלי הכבידה".

חתימה אופטית

גלי הכבידה מורגשים על-ידי הגלאי במשך שבריר שנייה בלבד, אך שאר הקרינה ממיזוג כוכבי הנויטרונים מגיעה במשך ימים אחדים. קרינה זו הגיעה בתצורות מוכרות יותר, ובהן קרינת איקס ("רנטגן"), קרינת גאמה, וכן קרינה באורכי הגל אולטרה-סגול, אינפרה-אדום ואור הנראה לעין. "טלסקופים רבים הבחינו בקרינה זו, אשר הופיעה כנקודה חדשה בשמים, אך תחילה לא היינו בטוחים כי נקודה זו היא באמת מיזוג הכוכבים שגילו הגלאים 'ליגו' ו'וירגו'", אומר פרופ' ערן אופק, גם הוא מהמחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן למדע.

הגלקסיה NGC4993 והקילונובה. ארבעת התצלומים שצולמו באורכי גל שונים מוזגו לידי תמונה אחת - במרכז - למטה - הגדלה. הקילונובה נראית מעט שמאלה ומעט למעלה ממרכז הגלסיה(צילום: ESO/J.D. Lyman, A.J. Levan, N.R. Tanvir)

(הדמיה: ESO/J.D. Lyman, A.J. Levan, N.R. Tanvir)

חוקרים ברחבי העולם, כולל קבוצתו של פרופ' אופק, פיענחו את המידע על המיזוג והגיעו למסקנה כי הנקודה אכן הייתה "חתימתו האופטית" של מיזוג כוכבי הנויטרונים אשר גילו הגלאים. פרופ' אופק ומדענים אחרים קבעו כי כמות החומר שנפלט הייתה שקולה, בערך, למאית מאסת השמש וכי החומר הזה טס בחלל במהירות של כרבע ממהירות האור. "זו הפעם הראשונה שכמות גדולה כל כך של חומר נצפתה בתנועה מהירה כל כך", אומר פרופ' אופק.

פרופ' גל-ים ומדענים אחרים ניתחו את הקרינה, וממצאיהם סיפקו ראיות לכך שמיזוג הכוכבים הוביל להיווצרות יסודות כבדים. על היווצרותם של יסודות קלים ידוע רבות, אך מקור היסודות הכבדים היה עד עתה בגדר תעלומה. מכיוון שגרעינים של יסודות אלה מכילים נויטרונים רבים, הציעה תיאוריה אחת כי מקורם במיזוג כוכבי נויטרונים: כוכבים אלה דחוסים בנויטרונים, והתנגשותם יכולה לגרום התנגשויות מהירות בין נויטרונים, דבר שעשוי להוביל להיווצרות יסודות כבדים. "התיאוריה הזאת קיימת לפחות 50 שנה, ורק כעת, סוף-סוף, אנחנו יכולים לחזק את הראיות שזה אכן מה שאירע", אומר פרופ' גל-ים. "כל יסוד בטבע קולט ופולט אור בחלק שונה של הספקטרום, וכך, באמצעות טכנולוגיה הקרויה ספקטרוסקופיה, יכולנו לקבוע אילו יסודות פלטו את הקרינה שנצפתה בעקבות מיזוג הכוכבים".

המדענים הצליחו לזהות יסודות כבדים נדירים יחסית, כגון טלור, אך גם שכיחים יותר, כגון צזיום ויוד. "הממצאים שלנו מצביעים, בין היתר, על כך שכל אטום של יוד על-פני כדור-הארץ, כולל היוד שבו אנו משתמשים לחיטוי פצעים, הגיע בעבר הרחוק ממיזוג של כוכבי נויטרונים", אומר פרופ' גל-ים. לדבריו, מקורותיהם של יסודות כבדים יותר כגון אורניום וזהב, עשויים גם הם להיות במיזוג כוכבי נויטרונים, אך מסיבות שאינן ברורות בינתיים, לא זוהו יסודות אלה במיזוג הנוכחי.

פרופ' אופק ופרופ' גל-ים הם חלק משיתופי פעולה מדעיים בינלאומיים נרחבים שעסקו בפיענוח הניתונים ממיזוג כוכבי הנויטרונים. במכון ויצמן אמרו כי תוצאות הניתוחים האלה עשויות להוביל, בהמשך, לתגליות נוספות על מקורותיהם של יסודות כבדים, ולספק תשובות לשאלות פתוחות אודות טבעה של הכבידה, והתפוצצויות שבהן "מתים" כוכבים.

"התנהגות שלא דומה לשום דבר שאנו מכירים"

ד"ר יאיר הרכבי, שנמצא כיום בהשתלמות באוניברסיטת סנטה ברברה בקליפורניה, ועתיד להצטרף בקרוב לחוג לאסטרונומיה של אוניברסיטת תל אביב, הוביל את אחת הקבוצות שאיתרה את מיקומו המדויק של האירוע: גלקסיה בשם NGC4993, שנמצאת 'בשכונה שלנו' ביקום. למחקר שמתפרסם בכתב העת Nature שותפים גם פרופ' דובי פוזננסקי פרופ' דן מעוז מאוניברסיטת תל אביב ותלמידיהם.

"כשהפנינו את הטלסקופ אל אזור האירוע, גילינו עצם שדעך בבהירותו פי 100 בכמה ימים, ומהר מאוד הפך מכחול לאדום", אומר ד"ר הרכבי. "התנהגות זו אינה דומה לשום דבר שאנחנו מכירים. בזכות רשת הטלסקופים שלנו ב-Las Cumbres Observatory שפרוסה מסביב לעולם, יכולנו לעקוב אחר ההשתנות המהירה של העצם כל כמה שעות, ולחזות בדעיכתו המהירה בזמן אמת. הנתונים שאספנו ילמדו אותנו על התהליכים שמתרחשים בהתמזגות כוכבי נויטרונים ועל חשיבותם ביצירת החומרים שמרכיבים את היקום שלנו".

(צילום: ESO/N.R. Tanvir, A.J. Levan and the VIN-ROUGE collaboration)

פרופ' אהוד נקר ותלמיד המחקר אור גוטליב, אף הם מאוניברסיטת תל אביב, מובילים את הניתוח התיאורטי עבור קבוצה נוספת של מדענים, בהובלת חוקרים מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech). "מזה מספר שנים אנחנו מפתחים תחזיות תאורטיות כיצד יראה הפיצוץ ממיזוג כוכבי נויטרונים בכל אורכי הגל," אומר פרופ' נקר. "כפי שקורה לא פעם, הטבע יצירתי מאיתנו, ולצד תחזיות שלנו שהתממשו יפה, למשל בתחום הרדיו, ישנם בפיצוץ מאפיינים מפתיעים ונדרשת עוד עבודה על מנת להבינם".

פרופ' נקר הוסיף: "אחת התוצאות המעניינות שעולות מניתוח התצפיות היא היסודות מהם מורכב החומר שהועף בפיצוץ. עד לגילוי הזה, לא ידענו מתי והיכן ביקום נוצרים כחצי מהיסודות שכבדים מברזל, על אף חשיבותם בחיינו. היום, לאור התצפיות, אנחנו יכולים כמעט בוודאות לומר שעיקר הזהב ביקום, כולל טבעת הנישואין שלי, מקורו במיזוגים של כוכבי נויטרונים. כך גם לגבי אורניום למשל, ומתכות רבות אחרות״.

פרופ' דובי פוזננסקי, אף הוא אסטרונום מאוניברסיטת תל אביב, מוסיף: "קשה להפריז בחשיבות גילויים של גלי הכבידה ושל קרינה בו זמנית. זו תגלית שפותחת עידן חדש בחקר היקום. עד לאחרונה היה באפשרותנו להתבונן ביקום כמעט אך ורק באמצעות גלי האור המגיעים אלינו - חוש הראיה. היכולת לקלוט גם גלי כבידה היא אנאלוגית לחוש המישוש. היום יש לנו את היכולת לחקור את היקום באמצעות שילובם של שני החושים. לראות ולמשש בו זמנית.״

"אין לנו ספק שזו רק ההתחלה" מוסיף פרופ' דן מעוז. "היכולת לגלות אור וגלי כבידה ביחד מבשרת על עידן חדש באסטרונומיה, ואנחנו מצפים להרבה תגליות מפתיעות בשנים הקרובות."

ניתוח אותות הרדיו

גם חוקרים באוניברסיטה העברית השתתפו במחקר הבינלאומי. באוניברסיטה העברית אמרו כי מלבד החשיבות העצומה של גילוי גלי גרביטציה ממיזוג של שני כוכבי נויטרונים, זוהי למעשה הפעם הראשונה שבה נתגלתה קרינה אלקטרומגנטית המלווה אירוע שכזה. ניתוח נתונים מטלסקופים ברחבי העולם בתחומי האולטרא-סגול, אור נראה, ואינפרא אדום, על ידי צוות בינלאומי שבו שותפים פרופ׳ פירן וד"ר אסף חרש, מצביע על כך שבפעם הראשונה ובהתאם לתחזיות אנו עדים ליצירת מסה עצומה של יסודות כבדים כגון זהב ופלטינה.

ד"ר חרש אמר: "ניתן לומר שבכל אחד מאיתנו יש קצת חומר ממיזוג של כוכבי נויטרונים". במקביל, צוות מצומצם הכולל מדענים מארה״ב, הודו, אנגליה, הולנד, אוסטרליה וגם ישראל, ערך חיפוש אחר קרינת רדיו מהאירוע. קרינת הרדיו צפוייה להתגלות בהשהייה מסויימת לאחר מיזוג כוכבי הנויטרונים ואכן בתצפיות הראשונות לא התגלתה קרינה כזו. אולם כ-16 ימים לאחר גילוי גלי הגרביטציה, גילה הצוות לראשונה קרינת רדיו שמאז רק הולכת ומתבהרת.

ד״ר חרש, שעיקר מחקרו עוסק בתצפיות רדיו של פיצוצים קוסמיים, אמר: "בשנים האחרונות ערכנו מחקרים שהכינו והובילו אותנו לגילוי הנוכחי. תצפיות הרדיו באירוע זה מניבות תוצאות ייחודיות, לדוגמה הן יכולות לענות לנו על שאלות כגון האם במיזוג נוצר סילון של חומר, ומה המהירות והאנרגיה הטמונה בחומר המועף בארוע אלים שכזה".

בשנים הקרובות מתכנן צוות המחקר להמשיך לחקור את אירוע זה באמצעות רשת של טלסקופי רדיו ברחבי העולם, שכן קרינת הרדיו צפוייה להימשך בשנה שנתיים הקרובות בעוד קרינה באורכי גל אחרים צפוייה לדעוך.

החוקר הישראלי שחזה הכול

כבר בשנת 1989 הציעה קבוצת חוקרים בראשותו של פרופ' צבי פירן, ממכון רקח לפיזיקה באוניברסיטה העברית, תחזית מדעית ושיערו כי כתוצאה מהתנגשות בין שני כוכבי נויטרונים, יווצר חור שחור ויתגלה מקור חדש של גלי גרוויטציה.

כוכבי נויטרונים הם כוכבים מיוחדים ונדירים שנוצרים בעת שכוכב רגיל מת בהתפוצצות סופרנובה. זוג כוכבי הנויטרונים הופך בהתנגשות לחור שחור. כוכב נויטרונים שגודלו כעשרה ק״מ (פחות מגודלה של ירושלים) מכיל חומר במשקל העולה פי מיליון על משקל כדור הארץ כולו.

החוקרים סברו כי התמזגות בין שני כוכבי נויטרונים תפלוט כמות עצומה של גלי גרוויטציה. גלי גרוויטציה קשים מאד לזיהוי והחוקרים לא שיערו כי פחות מ-30 שנה מאוחר יותר ייבנה גלאי בעל יכולות מדידה ותצפית של גלי הגרוויטציה. התחזית שהתפרסמה במאה שעברה במגזין Nature נתקלה בספקנות מרובה, אולם עם הזמן החלו מצטברות עדויות עקיפות התומכות בה.

ומה לגבי העתיד? נאס"א בחרה לאחרונה בחוקרי הטכניון מהפקולטה לפיזיקה, פרופ' אהוד בכר ופרופ' שלומית טרם, לבניית גלאי חדשני לאיתור קרינת X וקרינת גמא הנפלטת מכוכבי נויטרונים.

הקרינה נפלטת בעקבות התנגשויות בין כוכבים. הגלאי, שפיתוחו נתמך על ידי סוכנות החלל הישראלית במשרד המדע, ישוגר בשנת 2022 לתחנת החלל הבינלאומית ושם יפעל לצד טלסקופ רנטגן ייחודי שנאס"א תבנה לצורך המשימה. על המשימה כולה אחראי ד"ר ג'ורדן קאמפ ממרכז גודארד לטיסות חלל של נאס"א.