כאן על כדור הארץ, כמו גם במקומות אחרים ברחבי היקום, ניתן למצוא מגוון עצום של יסודות טבעיים. יותר מ-90 מינים של אטומים - ממימן ועד פלוטוניום - זוהו בסביבות שונות, אך מבחינה אסטרופיזית, מעט מאד אירועים מסוגלים ליצור את היסודות הכבדים מכולם. מהיכן הגיעו בסופו של דבר היסודות הכבדים הללו, כולל כסף, יוד, טונגסטן, פלטינה, זהב, כספית, אורניום ועוד? במשך כל המאה ה-20 וחלק גדול משנות ה-2000, היו לנו רק רעיונות תיאורטיים, לא האישור התצפיתי שרצינו.
נראה היה שהמצב הזה השתנה בצורה דרמטית ב-17 באוגוסט 2017, כאשר זיהינו את האותות הראשונים מצמד כוכבי נייטרונים מתמזגים (Neutron star merger): אירוע קטקליזמי, יוצר חור שחור, המכונה קילונובה. התמזגות כוכבי הנייטרונים האחת הזו, שהתרחשה בגלקסיה במרחק של 130 מיליון שנות אור בלבד, ואירוע גל הכבידה ה-8 שנצפה אי פעם, נראו כי סיפקו את התשובה. מגוון רחב של יסודות כבדים נוצרו בהתמזגות הזו והתגלו בזוהר שלה, כולל כל כך הרבה זהב שאם היינו מניחים אותו על משקל, היה שוקל בערך פי עשרים מהירח של כדור הארץ.
אבל עכשיו, שבע שנים מאוחר יותר, כבר לא נראה שאפשר להסביר את כמות הזהב הקיימת ביקום על ידי התמזגות כוכבי נייטרונים בלבד. הנה הסיבה שהרעיון הטוב ביותר למקור הזהב פשוט לא מסתדר.
בכל פעם שאנחנו בונים מכשיר לגישוש ולמחקר של היקום, אנחנו מטבענו מניחים הנחה: שמה שאנו מתבוננים בו, בכל חלק מהיקום (בזמן ובמרחב) שאנחנו מסוגלים למדוד, הוא פרוקסי טוב עבור החבילה המלאה של מה שיש במרחבי הקוסמוס בחוץ.
כאשר אנו מביטים אל היקום עם הטלסקופים שלנו, איננו צריכים לסקור את כל השמים; אנחנו סוקרים חלק מהשמיים, ומסיקים את מה שאנחנו רואים באזור הזה כדי להסיק מסקנות לגבי האוכלוסייה הכוללת של אובייקטים במקומות אחרים, כולל היכן שלא הסתכלנו. באופן דומה, כאשר אנו מסתכלים על מרחב גדול למדי למשך זמן מספיק, אנו יכולים לחזות את מה שעלינו לצפות שיתרחש על פני טווחי זמן ארוכים בהרבה, כמו שנים, עשורים, מאות או אלפי שנים, פשוט על ידי אקסטרפולציה של שיעור האירועים שנצפו לאורך הזמן שאספנו את הנתונים שלנו.
אבל יש פגם בשיטה הזו. לפעמים, יש לנו מזל: אנחנו רואים אירוע נדיר או אובייקט כי במקרה חיפשנו במקום הנכון בזמן הנכון, ובסופו של דבר אנחנו מגזימים באופן משמעותי בתדירות שאירועים כאלה מתרחשים. לפעמים לא מתמזל מזלנו: אנחנו מפספסים אירועים או אובייקטים נפוצים יחסית, כי במקרה הסתכלנו על מקום וזמן מסוימים שבהם לא נמצאו אירועים או אובייקטים כאלה. רק עם נתונים טובים ומקיפים יותר נוכל להסביר את ההטיות הפוטנציאליות הללו.
כשהאירוע של 17 באוגוסט 2017 הוכרז לעולם, הוא לווה בסרטון שכעת כבר מפורסם שבו המנכ"ל של LIGO, ד"ר דיוויד רייצה (Dr. David Reitze), שלף את שעון הזהב של סבא רבא שלו - חפץ שעכשיו הוא בן יותר מ-100 שנה בעצמו - והכריז כי "סביר להניח שהזהב בשעון הזה נוצר בהתנגשות של שני כוכבי נייטרונים לפני מיליארדי שנים". הרבה יסודות כבדים אחרים, כולל פלטינה ואורניום, נוצרו גם הם, ויצרו בסך הכל כ-16,000 מסות כדור הארץ של יסודות כבדים: כ-5% ממסת השמש, מאירוע יחיד בלבד.
בהתבסס על:
משך הזמן שגלאי גלי כבידה כמו LIGO ו-VIRGO פעלו,
שטח כיסוי השמיים שהגלאים האלה היו מסוגלים לקלוט ממנו אותות,
הרגישות של אותם גלאים, כולל כמה רחוק מכדור הארץ ניתן היה לצפות באירועים כאלה,
שיעורי האירועים שנצפו של התמזגויות של חור שחור-חור שחור, התמזגויות כוכב נייטרונים-כוכב נייטרונים והתמזגויות של חור שחור-כוכב נייטרונים באותו רגע,
והכמויות הכוללות של יסודות כבדים שנוצרו באירוע קילונובה זה,
זה נראה כאילו התעלומה נפתרה. הזהב של היקום, כמו גם כמעט כל שאר היסודות הכבדים מעל זירקוניום (שהוא רק יסוד מס' 40 בטבלה המחזורית), הופקו בעיקר בהתמזגויות כוכב נייטרונים-כוכב נייטרונים.
אבל אז קרה דבר מצחיק בשבע השנים הבאות, שהביא אותנו עד היום: רק התמזגות אחת נוספת של כוכב נייטרונים-כוכב נייטרונים זוהתה, ובניגוד לאירוע הראשון, היא לא ייצרה קילונובה ולא יצרה שום יסודות כבדים. למרות זמן תצפיות נוסף של מספר שנים, שדרוגים משמעותיים של הגלאים הקיימים שמגדילים את טווח הרגישות שלהם, ומספרים עצומים של התמזגויות של חור שחור-חור שחור והתמזגויות רבות של חור שחור-כוכב נייטרונים שנצפו לאחר מכן - מה שמביא את המספר הכולל של אירועי גלי כבידה עד ללמעלה מ-100 - אירוע אחד מ-17 באוגוסט 2017 נותר ההתמזגות היחידה שנצפתה ישירות בין כוכב נייטרונים לכוכב נייטרונים שייצרה יסודות כבדים.
זה לימד אותנו משהו יוצא דופן וחשוב: ההערכה הראשונית שלנו, שכ-100% מהיסודות הכבדים ביותר ביקום הופקו מהתמזגויות של כוכב נייטרונים-כוכב נייטרונים, כבר לא תואמת את הנתונים שאספנו. משהו אחר, מעבר למה שראינו עד כה, חייב להיות במשחק. שלושה הסברים אפשריים עולים מיד במחשבה, אבל בשלושתם יש בעיות מורכבות.
אולי קצב התמזגויות כוכב נייטרונים-כוכב נייטרונים, שיצר קילונובות, היה גדול יותר בעבר מאשר היום.
אולי הסופרנובות הבהירות והאנרגטיות ביותר יוצרות שפע גדול יותר מהצפוי של יסודות כבדים, והן ממלאות תפקיד חשוב אפילו עבור יסודות כבדים יותר מזירקוניום.
או אולי, בשלב הענק של חייו של כוכב מפותח, תוספת איטית של נייטרונים מאפשרת ליסודות לבנות את דרכם במעלה הטבלה המחזורית, וליצור את אותם יסודות כבדים שנצפו.
עם זאת, לכל תרחיש משכנע יש את הפגמים שלו.
תרחיש מס' 1: קצב ההתמזגות של כוכב נייטרונים-כוכב נייטרונים מתפתח והיה גדול יותר בעבר.
כאשר אנו מביטים על פני היקום למרחקים קוסמיים גדולים, אנו גם מסתכלים אחורה בזמן. אבל כשזה מגיע לזיהוי התמזגויות של כוכב נייטרונים-כוכב נייטרונים, אפילו מצפי הכוכבים החזקים ביותר שלנו יכולים לזהות אירועים כאלה רק אם הם נמצאים בטווח של כמה מאות מיליוני שנות אור מכדור הארץ. למרות שזה מקיף מיליוני גלקסיות, ומחזיר אותנו מאות מיליוני שנים אחורה בהיסטוריה הקוסמית, עלינו לזכור שעכשיו עברו 13.8 מיליארד שנים מאז התרחש המפץ הגדול. כשזה מגיע להתמזגויות של כוכב נייטרונים-כוכב נייטרונים, אנחנו רגישים רק למה שהתרחש במהלך 1-3% מההיסטוריה של היקום שלנו.
ההתמזגויות של כוכב נייטרונים-כוכב נייטרונים שאכן מייצרות קילונובות - כלומר אלו שלא קורסות ישירות לחור שחור מבלי לפלוט כל פליטה - יוצרות גם התפרצויות קצרות של קרני גמא, כך שאפשר לחשוב על לעקוב אחר מספר התפרצויות קצרות של קרני גמא שנצפו ולראות אם הקצב שלהן השתנה במהלך ההיסטוריה של היקום. למרבה הצער, ישנן פחות מ-2000 התפרצויות קרני גמא מכל הסוגים שאותרו אי פעם, רק לכרבע מהן יש מדידות של הסחה לאדום/מרחק הקשורות אליהן, ורובן הן התפרצויות ארוכות או אולטרה-ארוכות של קרני גמא, לא התפרצויות קצרות של קרני גמא.
במילים אחרות, הנתונים שאספנו, עד כה, לא מראים שום אינדיקציה לאבולוציה בקצב ההתמזגויות של כוכבי נייטרונים. עם זאת, זה יהיה מוקדם לשלול תרחיש כזה. כוכבי נייטרונים, אחרי הכל, מתעוררים כגופות של כוכבים מסיביים שנולדו, שרפו את הדלק שלהם ומתו באירוע סופרנובה קטקליזמי. אם שני כוכבים נוצרים קרוב זה לזה עם אותה מסה בערך, יהיה להם בערך אותו אורך חיים וניתן לצפות שיעברו בערך את אותו גורל. במילים אחרות, אם אתם רוצים לראות כוכבי נייטרונים מתמזגים עם כוכבי נייטרונים אחרים, עליכם להסתכל על הסביבות שבהן נוצרו, חיו ומתו כוכבים מסיביים במאות מיליוני השנים האחרונות.
אבל היום, כוכבים חדשים נוצרים בטפטוף יחסי בהשוואה למבול של היווצרות כוכבים מוקדם יותר בהיסטוריה הקוסמית. קצב היווצרות הכוכבים כיום הוא רק כ-3% ממה שהיה בשיא היקום: לפני 10-11 מיליארד שנים. זה בהחלט סביר שבזמן שבו נוצרו יותר כוכבים, יותר כוכבי נייטרונים במערכות בינאריות נוצרו וגם התמזגו, ושרוב היסודות הכבדים ביותר של היקום, הגלקסיות ומערכת השמש שלנו נוצרו לפני זמן רב מאד, וזה יצריך מצפה כוכבים עתידי וטכנולוגיה מתקדמת יותר כדי לקבוע את הקביעה הזו.
תרחיש מס' 2: הסופרנובות הבהירות והאנרגטיות ביותר יוצרות שפע גדול של יסודות כבדים.
למרות שקל לקבץ את כל סוגי ייצור היסודות הכבדים תחת הדגל של "היתוך גרעיני", המציאות הרבה יותר מורכבת. היתוך גרעיני כולל בדרך כלל יסודות קלים המתמזגים ליסודות כבדים יותר בטמפרטורות ובצפיפות גדולים באמצעות תגובות גרעיניות. אבל התהליכים האלה, המתרחשים בדרך כלל בליבות הכוכבים, יביאו אתכם רק עד הלום: עד ליסודות כמו ברזל, ניקל וקובלט, אבל לא רחוק יותר. מעבר לכך, זה לא מועיל מבחינה אנרגטית למזג גרעיני אטום יחד, כך שהתגובות הללו אינן מתרחשות באופן ספונטני.
אבל אתם יכול להמשיך לטפס בטבלה המחזורית על ידי הוספת נייטרונים ליסודות הכבדים שלכם שכבר קיימים, ואירועי סופרנובה של קריסת ליבה מייצרים מספר עצום של חלקיקים, ואולי זה כולל נייטרונים, בפרק זמן קצר מאד. כפי שאסטרופיזיקאים רבים עשו, גם אתם עשויים לתהות האם קריסה של כוכב מספיק מסיבי עשויה להוביל לייצור של יסודות כבדים אלה?
ב-9 באוקטובר 2022, אסטרונומים זיהו את התפרצות קרני הגמא הבהירה ביותר בכל הזמנים, המכונה בפשטות B.O.A.T, וחשבו שזה יהיה מצע בדיקה נהדר, ברגע שהזוהר הראשוני של ההתפרצות עצמה יתפוגג, כדי לראות אם יסודות כבדים הופקו לאחר האירוע הזה או לא. אם כן, זה עשוי לשנות את האופן שבו תפסנו את סיפור החשד למקור של היסודות הכבדים הללו.
באמצעות נתוני טלסקופ החלל ג'יימס וב (JWST), שיתוף פעולה של כשני תריסר אסטרונומים ביצע ניתוח ספקטרוסקופי של שארית הסופרנובה האחראית להתפרצות קרני הגמא הבהירה ביותר בכל הזמנים, וקבע שהתשובה, בודאות, היא שלילית. נראה כי פרץ קרני גמא זה, הבהיר ביותר שנצפה אי פעם, מקורו בכל זאת בסופרנובה שגרתית מהירה. מה שיצר את חלק התפרצות קרני הגמא של הקטקליזם הזה - ככל הנראה שילוב של סיבוב מהיר, שדות מגנטיים חזקים, וקרניים מקבילות הדוקות של סילוני קרינה שנפלטו - לא נראה שיצר כמויות בולטות של יסודות כבדים.
במקום זאת, תצפיות המשך אלה העלו כי סופרנובות רגילות:
לא מייצרות מספר גדול של נייטרונים ברצף מהיר,
לא מייצרות כמויות אדירות או אפילו משמעותיות של יסודות כבדים מאד,
ואינן משמשות מקור מרכזי למה שאסטרונומים מכנים חומר r-process,
מה שמציע שסופרנובות המייצרות סילוני קרני גמא בהירים אינן האחראיות ליצירת היסודות הכבדים ביקום. זה היה רעיון חכם והגיוני לבדוק, אבל עכשיו, כשהראיות המרכזיות הגיעו, פסק הדין הוא שהן לא. כפי שאמרה זאת החוקרת אשלי וילאר, "[חלק] שיערו כי פרץ קרני גמא זוהר כמו B.O.A.T. יכול ליצור הרבה יסודות כבדים כמו זהב ופלטינה. אם הם היו צודקים, ה-B.O.A.T. היה צריך להיות מכרה זהב. זה באמת מדהים שלא ראינו שום ראיות ליסודות הכבדים האלה".
תרחיש מס' 3: כוכבים מפותחים רגילים יוצרים את היסודות הכבדים הללו על ידי הוספה איטית של נייטרונים ליסודות שקיימים בשפע.
עם זאת, בליבותיהם של כוכבים מסיביים מפותחים מתרחשות תגובות היתוך שמייצרות לעתים קרובות נייטרונים: על פני תקופות של אלפי שנים ולא בפרץ מהיר בבת אחת. נייטרונים אלה, הנפלטים בעיקר במהלך היתוך פחמן והיתוך ניאון, יכולים להיספג על ידי כל גרעין אטום - קל, בינוני או אפילו כבד - ואם גרעין האטום החדש עשיר מדי בנייטרונים, אחד מאותם נייטרונים (בטא) מתפרק לפרוטון, ומקפיץ את האטום למספר יסוד גבוה יותר בטבלה המחזורית. בניגוד לתהליך r-process המהיר, תהליך לכידת נייטרונים איטי זה ידוע כתהליך s-process.
תהליך זה מובן היטב ואכן מתרחש בכוכבים, והוא אחראי על חלק ניכר מהיסודות שנמצא כי מתרחשים באופן טבעי: כולל בדיל, בריום, חלק מהלנתנידים, טונגסטן, כספית ואפילו עופרת. עם זאת, חלק מהיסודות הם מחוץ לתחום. אם האיזוטופ החדש יהיה יציב יותר על ידי "יריקת" גרעין הליום (תהליך פירוק אלפא), הוא יעשה זאת באופן ספונטני, וימנע היווצרותם של יסודות מסוימים. כמו כן, לא ניתן ליצור יסודות כבדים יותר מאשר ביסמוט באמצעות תהליך זה, שכן כאשר ביסמוט-209 לוכד נייטרון, הוא תחילה מתפרק (בטא) לפולוניום ולאחר מכן (אלפא) מתפרק בחזרה לעופרת, ומונע היווצרות של היסודות הכבדים ביותר כגון ראדון, רדיום, תוריום, אורניום ופלוטוניום. תרחיש זה יוצר חלק מהיסודות הכבדים, אבל הוא לא יכול להסביר את כולם.
כאשר אנו מחברים את כל זה יחד, זה אומר שעדיין יש לנו חוסר בהבנה שלנו כיצד היסודות הכבדים ביותר ביקום - מגלקסיות רחוקות לפלנטה שלנו - מתרחשים. כוכבים מפותחים יכולים ליצור רק חלק קטן מהם; נראה כי סופרנובות אינן מייצרות כאלה בכמויות משמעותיות; ואירועי קילונובה, המופעלים על ידי התמזגות של שני כוכבי נייטרונים, אינם תכופים מספיק כדי להסביר את היסודות שאנו צופים בהם. חייב להיות משהו אחר במשחק מעבר למה שידוע היום. בעוד שתרחיש "ברירת המחדל" עשוי להיות לטעון ששיעור הקילונובות חייב היה להיות גדול בהרבה בעבר מאשר היום, העמדה האחראית ביותר שיש לנקוט, מבחינה מדעית, היא לקבוע שאיננו יודעים וחייבים לאסוף את הנתונים הקריטיים אם אנו מקווים לגלות.
אולי האסטרטגיה המוצלחת ביותר תהיה לתמוך בבנייתו של גלאי גלי כבידה מבוסס הדור הבא: כזה שזרועות הלייזר שלו יהיו ארוכות פי עשרה בערך מהתצורה הפועלת כעת של LIGO עם זרועות של 4 קילומטרים. זה יכול להגדיל במידה ניכרת את הטווח שבו ניתן לראות התמזגויות של כוכב נייטרונים-כוכב נייטרונים ממאות מיליוני שנות אור למיליארדי שנות אור, להגדיל באופן דרמטי את נפח החיפוש שלנו כמו גם את היכולת שלנו להסתכל אחורה בזמן כשקצב היווצרות הכוכבים ביקום היה הרבה יותר גדול. עם זאת, כרגע אנו נאלצים להודות שההסברים הטובים ביותר הקיימים שלנו למקורם של יסודות כבדים, כולל זהב, פשוט אינם מסתדרים. כדי למצוא את התשובה המדעית הטובה ביותר, נדרשת עבודה נוספת.
מקורות:
Comments