כשכוכב נייטרונים מתפוצץ נוצר זהב בקנה מידה עצום

התלקחות עוצמתית של מגנטאר גילתה מקור בלתי צפוי לזהב ופלטינה ומציעה פתרון לתעלומה בת 20 שנים

במהלך פריצת דרך מחקרית, קישרו מדענים אות מסתורי משנת 2004 להתלקחות עוצמתית של מגנטאר – כוכב נויטרונים עם שדה מגנטי חזק במיוחד – אשר יצר כמויות עצומות של יסודות כבדים, ובהם זהב ופלטינה, ואולי אחראי לכ־10% ממלאי היסודות האלה בגלקסיה שלנו. גילוי זה מערער על ההנחה כי רק התנגשות בין כוכבי נויטרונים יכולה לייצר יסודות כאלה, ומציב תעלומות חדשות של מיליוני “מפעלי ייצור” כוכביים שעתידים להתגלות.

בני־תמותה זכו סוף־סוף לרמז נדיר על מפעל חדש לייצור יסודות כבדים: התלקחות ענקית ממגנטאר – כוכב נויטרונים עם שדה מגנטי עוצמתי פי טריליונים מהשדה המגנטי של כדור הארץ. המודלים של חישוב כמות החומר המיוצר מצביעים על כך שהתפרצויות כאלה יכולות להסביר עד 10% מהכמות הגלובלית של זהב ופלטינה.

התעלומה מתחילה בפיצוץ בהיר שזוהה בדצמבר 2004 על-ידי טלסקופ חלל: המגנטאר שחרר גלי אור וקרינת חלקיקים בעוצמה השווה למה שהשמש מייצרת במיליון שנה. על אף שההתלקחות הראשית זוהתה במהירות, אות חלש נוסף שזוהה כעשר דקות לאחר מכן נשאר בלתי מוסבר – עד למחקר הנוכחי.

צוות החוקרים במרכז לאסטרופיזיקה חישובית של מכון פלאטרון בניו-יורק פענח לאחרונה כי האות השני מצביע על יצירת יסודות כבדים, ובכללם זהב ופלטינה. על פי חישוביהם, ההתלקחות ב-2004 יצרה מסת יסודות כבדים במסה של כמחצית מכדור הארץ. המאמר, שפורסם ב-29 באפריל ב-The Astrophysical Journal Letters , הוא רק התיעוד השני אי-פעם של היווצרות ישירה של יסודות אלה: הפעם הראשונה הייתה בהתנגשות שני כוכבי נויטרונים ב-2017.

“זו רק הפעם השנייה שבה ראינו עדות ישירה למקום שבו נוצרים היסודות הללו,” אומר בריאן מצגר, מדען בכיר במרכז וחבר סגל באוניברסיטת קולומביה. “זו קפיצה משמעותית בהבנת היווצרות של יסודות כבדים.”

היסודות שסביבנו לא היו תמיד במקומם: מימן, הליום וקצת ליתיום נוצרו במפץ הגדול, אך כמעט כל יתר היסודות נוצרו בתוך כוכבים בחייהם או במותם האלימים. היסודות הכבדים מברזל נוצרים בתהליכי “הלכידה המהירה של ניטרונים” (r-process) המתרחשים רק בסביבות קיצוניות שבהן יש עודף ניטרונים חופשיים. עד כה הניחו מדענים כי אתרי ה-r-process  העיקריים הם סופרנובות והתנגשויות כוכבי נויטרונים.

התצפיות מ-2017 הוכיחו כי התנגשות שני כוכבי נויטרונים יוצרת סביבת r-process מתאימה, אך צפיפות האירועים הנמוכה לא הספיקה להסביר את כל היסודות הכבדים בגלקסיה. כבר אז עלתה השערה שמגנטארים עשויים לתרום תרומה משמעותית.

כיצד התלקחויות מגנטאר יוצרות מתכות כבדות

בשנת 2024 חישבו מצגר ועמיתיו כי התלקחויות ענק יכולות לזרוק חומר מהקרום של המגנטאר לחלל, שם יתאפשרו תגובות r-process לצורך ייצור יסודות כבדים. “מדהים לחשוב שחלק מהמתכות היקרות שמותקנות בטלפונים ובמחשבים שלנו נוצרו בתנאים קיצוניים כאלה,” אומר אנירוד פאטל, דוקטורנט באוניברסיטת קולומביה ומוביל המחקר החדש.

המודלים מראים שההתלקחות מייצרת גרעינים רדיואקטיביים כבדים שפירוקם מוביל ליסודות יציבים כמו זהב, ולפליטת העטרה של קרני גמא שאפשרה – בדיעבד – זיהוי התהליך.

אות נשכח מתפרש מחדש

ב-2024 נתחו החוקרים גם את התפרצות קרינת הגמא הנוספת שהתגלתה ב-2004, והתברר כי זו הייתה הקרינה שנוצרה מהתפרקות הגרעינים הרדיואקטיביים שיצר הפיצוץ. “המקרה הזה נשכח לאורך השנים,” אומר מצגר "אבל המודלים שלנו התאימו באופן מושלם לאות ההוא.”

על סמך נתוני 2004 מעריכים החוקרים כי ההתלקחות יצרה כ-2 מיליון ביליוני–ביליוני קילוגרמים של יסודות כבדים (בערך מסת מאדים). מכך מסיקים כי בין 1% ל-10% מכלל יסודות ה-r-process  בגלקסיה שלנו נוצרו בהתלקחות מגנטארים. שאר האחוזים עשויים להגיע מהתנגשויות, אך עם תיעוד של רק התלקחות אחת והתנגשות אחת קשה לקבע חלוקה מדויקת.

הקשר להיסטוריה הגלקטית המוקדמת

“מה שמושך את תשומת לבנו הוא שהתלקחויות ענק כאלו יכולות לקרות כבר בשלבים המוקדמים של ההיסטוריה הגלקטית,” מוסיף פאטל, “הן עשויות להסביר מדוע בגלקסיות צעירות רואים יותר יסודות כבדים ממה שהתנגשות כוכבי נויטרונים לבדה הייתה מפיקה.”

תצפיות עתידיות של טלסקופים ייעודיים, כמו NASA’s Compton Spectrometer and Imager  שישוגר ב-2027, יסייעו ללכוד בזמן אמת התלקחויות נוספות. ואולם, כדי לאשר תהליך r-process צריך לכוון טלסקופ אולטרה־סגול לעבר המקור תוך 10–15 דקות מרגע גילוי קרינת הגמא –אתגר מדעי שדורש יכולת תגובה מיידית.

למאמר המדעי