פיצוץ אדיר בחלל פתר תעלומה בת אלף שנה

כשהכוכבים הסתדרו בשורה: כוכב שסיים את חייו בגלקסיה רחוקה והתפוצץ בעוצמה רבה פתר תעלומה אסטרונומית מהמאה ה-11

מחקר חדש בהשתתפות חוקר מאוניברסיטת תל אביב גילה סופרנובה מסוג חדש – סופרנובת לכידת אלקטרונים (Electron Capture Supernova). בעוד סופרנובות כאלו נחזו תיאורטית לפני כ-40 שנה, עד כה לא נצפה מקרה משכנע של אחת כזו ביקום. סופרנובות לכידת אלקטרונים נוצרות מהפיצוצים של כוכבים הכבדים פי 8-9 מהשמש. תגלית זו גם שופכת אור על תעלומת הסופרנובה משנת 1054 שנצפתה ע״י אסטרונומים עתיקים, ושרידיה מופיעים כיום כערפילית הסרטן.

החוקר, ד”ר יאיר הרכבי, הוא אסטרופיזיקאי מהפקולטה למדעים מדויקים ע”ש סאקלר באוניברסיטת תל אביב. המחקר התפרסם בכתב העת היוקרתי Nature Astronomy.

הפרת האיזון בין כוחות מנוגדים

מהי סופרנובה? זהו פיצוץ של כוכב בעקבות הפרת האיזון שקיים בכוכבים במהלך חייהם בין שני כוחות מנוגדים.

כוח המשיכה מנסה לכווץ כל כוכב. השמש שלנו, למשל, מוחזקת נגד כיווץ כזה בזכות קיומה של בעירה גרעינית בליבה שלה, אשר מייצרת לחץ שמתנגד לכוח המשיכה. כל עוד יש בעירה גרעינית, כוח המשיכה לא יצליח לגרום לכוכב לקרוס. אולם, בסופו של דבר, הבעירה הגרעינית מסתיימת, ממש כמו שהדלק ברכב אוזל, והכוכב קורס. עבור כוכבים כמו השמש, הליבה הקרוסה נקראת ננס לבן. החומר הוא כה דחוס, עד שכוחות קוונטיים בין האלקטרונים מונעים קריסה נוספת שלו.

עבור כוכבים הכבדים פי 10 מהשמש, הכוחות הקוונטיים לא מספיקים לעצור את הדחיסה, והליבה ממשיכה לקרוס עד היווצרותם של כוכב נויטרונים או חור שחור, זאת בליווי פיצוץ ענק. בטווח מסות הביניים, ישנם כוכבים שכאשר הם קורסים, אלקטרונים נדחסים (וליתר דיוק, נלכדים) לתוך גרעיני האטומים. במצב כזה, אין אפשרות לכוחות הקוונטיים לעצור את הדחיסה והכוכב קורס ומתפוצץ.

עד כה נצפו שני סוגים עיקריים של סופרנובות: סוג אחד הוא פיצוץ גרעיני של ננס לבן הסופח חומר מבן זוג (כוכב סמוך או כאשר שני ננסים לבנים מתנגשים). ננס לבן הוא ליבה דחוסה שנותרת כאשר כוכב הכבד עד פי 8 מהשמש מסיים את חייו. סוג שני הוא פיצוץ בעקבות קריסת הליבה של כוכב הכבד פי 10 (או יותר) מהשמש, אשר סיים את ה״דלק״ הגרעיני שלו, וקורס לתוך עצמו. מחקר עיוני באסטרופיזיקה שיער כי כוכבים בטווח מסות הביניים (בין 8 ל-10 מסות שמש), יתפוצצו בצורה אחרת, הקשורה בלכידת אלקטרונים.

זו התיאוריה שגובשה בשנות ה-80 על ידי קניצ׳י נמוטו מאוניברסיטת טוקיו, ואחרים. במהלך העשורים שחלפו, אסטרופיזיקאים גיבשו תחזיות לאופן שבו אמור להראות פיצוץ שנוצר כתוצאה מלכידת אלקטרונים בליבת כוכב שקורס. הכוכב אמור לאבד חומר בעל הרכב כימי מסוים בשנים שלפני קריסתו, והפיצוץ עצמו אמור להיות חלש יחסית, לייצר מעט נשורת גרעינית, ולפזר יסודות עתירי נויטרונים.

סופרנובה מסוג שלישי

במחקר החדש, שפורסם ב-Nature Astronomy, מוצגת הסופרנובה SN2018zd שהתגלתה ב-2018 ע״י האסטרונום החובב קואיצ׳י איטאגאקי מיפן. במחקר השתתף גם ד״ר יאיר הרכבי מהחוג לאסטרופיזיקה באוניברסיטת תל אביב. לסופרנובה הזו, הממוקמת בגלקסיה NGC 2146, יש בדיוק את כל התכונות המצופות מסופרנובת לכידת אלקטרונים, אשר לא נצפו עד כה באף סופרנובה אחרת. כמו כן, מאחר שסופרנובה זו קרובה אלינו יחסית – רק כ-31 מיליון שנות אור מאיתנו – הצליחו החוקרים לזהות את הכוכב כפי שנראה לפני הפיצוץ בתמונות ארכיון שצולמו ע״י טלסקופ החלל האבל. לראיה, גם הכוכב עצמו מתאים לתחזיות של כוכבים שאמורים לעבור סופרנובת לכידת אלקטרונים, ושונה מכוכבים שהתפוצצו כסופרנובות מהסוגים המוכרים.

בעוד סופרנובות אחרות שהתגלו בעבר הציגו חלק מהתכונות המצופות מסופרנובת לכידת אלקטרונים, רק SN2018zd מציגה את כל שש התכונות המתאימות: כוכב בתחום המסות המתאים בטרם הפיצוץ; איבוד חומר לפני הפיצוץ; הרכב כימי מיוחד; פיצוץ חלש יחסית; פיזור של נשורת גרעינית מועטה; פיזור של יסודות עתירי נויטרונים. “תחילה, תהינו מהי הסופרנובה המוזרה הזו”, אומר דאיצ׳י היראמטסו מאוניברסיטת סנטה ברברה בקליפורניה, שהוביל את המחקר. ״לאט לאט, הבנו שאפשר להסביר את כל התכונות של הסופרנובות באמצעות תרחיש לכידת האלקטרונים״.

ערפילית הסרטן

התגלית שופכת אור גם על אחת הסופרנובות המפורסמות ביותר מהעבר. בשנת 1054, התפוצץ כוכב בגלקסיה שלנו, שביל החלב. לפי רישומים סיניים מאותה התקופה, הפיצוץ היה כה בהיר עד כי נראה במשך היום, ובלילה הטיל צל. השאריות של אותה סופרנובה, הקרויות כיום “ערפילית הסרטן”, נחקרו לעומק ונמצאו כבעלות הרכב לא שגרתי. שוער כי אותה סופרנובה נבעה מלכידת אלקטרונים, אך מכיוון שהיא התרחשה לפני כמעט 1000 שנה, לא ניתן היה להוכיח זאת. כעת, עם הגילוי של SN2018zd, מתחזקת ההשערה שגם הסופרנובה של שנת 1054 אכן הייתה מסוג לכידת אלקטרונים.

“זה מדהים שבאמצעות כלים מודרניים אנחנו שופכים אור גם על אירועים היסטוריים ביקום” אומר ד”ר הרכבי. “כיום, עם טלסקופים רובוטיים שסורקים את השמים ביעילות חסרת תקדים, אנחנו יכולים לגלות עוד ועוד תופעות נדירות אך קריטיות להבנת חוקי הטבע, בלי שנצטרך לחכות עוד 1000 שנה בין אירוע אחד לשני”.

ד”ר הרכבי הוא חבר בפרויקט הסופרנובה העולמי, ועושה שימוש ברשת הטלסקופים לאס קומברס כדי לחקור תופעות משתנות ונדירות כמו סופרנובות, מיזוגי כוכבי נויטרונים, וקריעה של כוכבים ע”י חורים שחורים.

קישור למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

• מחקר ישראלי פתר חידת הפסים בצדק, שבתאי אורנוס ונפטון
• הכל בגלל אלקטרון קטן