חייהם ומותם של הכוכבים הראשונים

לפני כמה שבועות הרצה בסמינר המחלקתי ד"ר דן וויילן הרצאה שהוא נתן לה את הכותרת "למצוא את הפיצוצים הגדולים ביקום". ההרצאה התמקדה בכוכבים ראשוניים והפיצוצים שלהם. כוכבים ראשוניים (אוכלוסייה III) הם כוכבים ענקיים שנוצרו מוקדם מאוד וחיו זמן קצר מאוד. הם הכוכבים הראשונים שנוצרו ביקום, ולכן חומרי הבנייה היחידים שהיו להם הם מימן והליום (ואלקטרונים חופשיים), מה שחייב אותם להיות מאוד גדולים (25-500 מסות שמש, ואולי אף יותר!) בשביל להתחיל היתוך גרעיני, דבר שבתורו דן אותם לחיים קצרים (2-3 מליון שנים, הרף עין ביחס לחיי כוכבים של היום) לפני שהתפוצצו כסופרנובות. מכיוון שהם מורכבים רק ממימן והליום, הסיכוי שיש כאלו ביקום של היום הוא קלוש עד אפסי, מה שאומר שצריך לחפש אותם ביקום המוקדם - אבל זה רחוק מאוד, ולכן לא ניתן יהיה לזהות כוכבים בודדים באף טלסקופ שמתוכנן כרגע (כולל אלו שמתוכננים לעוד יותר מעשור). מה שכן ניתן לזהות זה את הסופרנובות כשהם מתפוצצים, ומהן אולי ללמוד על הכוכבים עצמם.

ערפילית הסרטן, שהיא שארית מסופרנובה

למרות שיש רק מימן, הליום, ואלקטרונים חופשיים, יש מעל 400 אינטראקציות חופשיות, דבר שהופך כל נסיון לעשות סימולציות של הכוכבים הראשונים למסובך מאוד. זה קצת פחות נורא מאיך שזה נראה על פניו, כי לא כל האינטראקציות משמעותיות באותה מידה בכל מצב, ולכן ניתן להסתפק בכ90-100 אינטראקציות, שמהן רק חלק מופעל בכל מצב, אבל זה עדיין מסובך מכדי שניתן יהיה למדל את זה בדיוק מלא. בנוסף, מכיוון שהם חיו ביקום המוקדם, אנחנו לא יכולים לראות אותם ישירות ככוכבים בודדים, מה שאומר שאנחנו לא יכולים ללמוד עליהם מתצפיות ישירות. כל זה מוביל לכך שההבנה שלנו להווצרות ומהלך החיים שלהם עדיין לוקה מאוד בחסר. עם זאת יש דברים שאנחנו מצפים להם.
נקודה אחת שקשורה לכך היא שאף תהליך איבוד מסה בכוכבים שמוכר לנו (כמו רוח סולרית) לא צפוי לפעול במקרה של כוכבים ראשוניים, ולכן כאשר הם מתפוצצים הם מכילים את כל המסה שספחו במהלך חייהם הקצרים. העובדה הזו אומרת שכשכוכב כזה מסיים את חייו ומתפוצץ, המידע שמתקבל מהסופרנובה יכול לשפוך אור על מהלך ההתפתחות שלו.

הכוכבים הראשונים לפי דמיונו של אמן

דבר נוסף שאנו מצפים לו הוא שבכל גלקסיה נוצר כוכב אחד כזה, או לכל היותר כמה כוכבים בודדים. הסיבה לכך היא שבשלב כל כך מוקדם של היקום הגלקסיות (אם ניתן לקרוא להן כאלה, שכן עוד אין להן כוכבים) קטנות מאוד, ולכן רק במרכזן יש סביבה דחוסה מספיק בשביל שבעירה גרעינית תוצת. מצד שני, הכוכבים האלה חיים כל כך מעט זמן, ומתפוצצים בכזו עוצמה, שהרבה לפני שחלקים אחרים בגלקסיה מספיקים להתכווץ וליצור כוכבים ראשוניים נוספים, הם כבר מועשרים במתכות מהסופרנובה של הכוכב הראשון. הסיבה שיתכנו כמה כוכבים כאלה היא שישנם תהליכים שגורמים לדסקה הראשונית של הגלקסיה להתפרק למספר גושים שיכולים להיות צפופים מספיק כדי להתחיל היתוך, אבל גם אז מדובר לכל היותר במספר כוכבים קטן.
בכוכבים הראשונים יש כל מיני תופעות מאוד מעניינות, שלא קיימות בכוכבים אחרים. למשל, יש תחום מסות שבו הכוכבים האלו מתפוצצים לחלוטין, ולא משאירים מאחוריהם חור שחור או כוכב ניוטרונים. זה דבר שאנחנו לא מכירים בכוכבים אחרים, שלא יכולים להגיע למסות כאלה. דבר נוסף שייחודי לכוכבים כאלה הוא שיש מצבים בהם אלמנטים כבדים נלכדים בחור השחור או כוכב הניוטרונים במרכז הסופרנובה ולכן לא משתחררים לגז הבין כוכבי (כמובן, זה לא קורה בתחום המסות שבו אין כוכב ניוטרונים או חור שחור). עוד דבר אחד קשור להיווצרות הדור הבא של הכוכבים - יתכן וישנם גושים של מימן מסביב לכוכבים הראשונים, וזה עלול להוביל למצבים בהם חלק מהמתכות שעפות מהסופרנובה נלכדות בעננים האלה, מה שבתורו יכול לגרום להם להתקרר וליצור כוכבים חדשים מדור ב' מהר מאוד אחרי מות הכוכב הראשוני.

מודל ממוחשב של טלסקופ החלל ג'ימס ווב (JWST)

כפי שצויין למעלה, את הכוכבים הראשונים עצמם אנחנו לא מצפים לראות, אבל הסופרנובות שלהן בהחלט אמורות להיות נראות, ויכולות ללמד אותנו לגבי הכוכבים עצמם. לקראת סוף ההרצאה ד"ר ויילן דיבר מעט על משימות עתידיות שבזכותן נוכל בתקווה לחקור את הסופרנובות האלה - JWST ו-WFIRST. הראשון הוא טלסקופ החלל ג'יימס ווב, הטלסקופ העצום שנאס"א מתכננת לשלוח בעוד כמה שנים ושאמור להחליף את טלסקופ האבל (ושהזכרתי אותו כאן). השני הוא טלסקופ שמיועד להיות משוגר כמה שנים מאוחר יותר ולהיות הפרוייקט הגדול של נאס"א אחרי JWST. הסיבה שאנו מדברים על שני טלסקופים שונים הוא שיש איזון בין גודל האזור בשמיים שעליו מסתכלים לרזולוציה שאליה ניתן להגיע. JWST אמור להתמקד באזורים קטנים אך ברזולוציה חסרת תקדים, בעוד שWFIRST יסתכל על כל השמיים. ביחד הם יכולים לתת לנו נתונים משלימים.

בעוד שמרבית המדענים מדברים על כוכבים ראשונים במסות של עד 500 מסות שמש, אין מניעה תאורטית לכוכבים במסות גדולות יותר, ויש אנשים שעושים מחקרים תאורטיים לגבי כוכבים שכאלה. בין השאר, יש מדען שביצע סימולציות והראה שאם יווצר כוכב במסה של 55,000 מסות שמש (!) הוא יתפוצץ לחלוטין (ולא ישאיר חור שחור), והפיצוץ שלו יהיה כל כך חזק שהוא יקרע את הגלקסיה שלו לגזרים. כל פיצוץ שכזה ביקום אמור להיות נראה ע"י WFIRST, כך שיש למה לחכות... בנוסף, ד"ר וויילן טען שכל החורים השחורים במסות של עד 1000 מסות שמש מגיעים מכוכבים שהתפוצצו, אבל לא ברור לגבי חורים שחורים מסיביים יותר. זו שאלה חשובה, כי היא מתקשרת למקור של החורים השחורים הסופר מסיביים שקיימים במרכז כל גלקסיה ולא ברור איך נוצרו, כמו גם לרעיון שהחומר האפל הוא למעשה חורים שחורים קדומים (כלומר כאלה שנוצרו הרבה לפני הכוכבים הראשונים).

מדובר בנושא שיכול ללמד אותנו הרבה מאוד, ולכן נותר רק לקוות שהטלסקופים המדוברים ישוגרו לפי התכנית ויספקו את התצפיות שמצפים להן.

ובצד השני של הזירה...

ביום חמישי התארח אצלנו פרופ' פיל לובין, אסטרונום ותיק, שעבד בזמנו על טלסקופ החלל COBE (הטלסקופ הראשון שהראה שיש תנודות בקרינת הרקע הקוסמית) וכיום הוא חלק מהצוות של טלסקופ החלל פלנק, שחוקר גם הוא את קרינת הרקע הקוסמית (ושעל פי הדובר, רגיש פי מליון מCOBE!). באופן לא מפתיע, הוא התמקד בהכרזה של צוות BICEP2 מלפני כחודש וחצי על גילוי ראיות לאינפלציה בקיטוב של קרינת הרקע הקוסמית. כתבתי על ההכרזה והמשמעויות שלה כאן. מאז ההכרזה, התפרסמו הרבה מאוד מאמרים בנושא, חלקם מאששים את התגלית וחלקם טוענים שהיא אינה נכונה מסיבות כאלה ואחרות. החלק הטכני של ההרצאה היה מסובך ולא מאוד מעניין, אבל הוא סיפר מספר אנקדוטות מאוד מעניינות ושיש הרבה מה ללמוד מהן, ובין השאר מעמידות בספק את ההכרזה של צוות BICEP2.

כחלק מצוות של פרוייקט ענקי, הוא הקפיד להיזהר מאוד בדבריו - בתחילת ההרצאה הוא שם שקופית שלמה של הסתייגות שהבהירה שכל המידע שמוצג בהרצאה הוא מידע שזמין באופן פומבי, ושכל דעה שמוצגת בהרצאה היא דעה אישית שלו ולא התייחסות רשמית של צוות פלנק. בהמשך התברר מדוע היה לו כל כך חשוב להדגיש את זה. אבל ביחס למישהו ששם שקופית הסתייגות שכזו, הוא סיפר כמה אנקדוטות די עסיסיות מתוך הפרוייקט... כמו למשל שהוא ואדם נוסף מהפרוייקט שיחקו עם כל מיני מפות של המידע שמגיע מפלנק, ויום אחד האדם השני הפנה את תשומת ליבו לכך שצוות הפרסום של הESA (סוכנות החלל האירופאית, שאחראית על פרוייקט פלנק) פרסמו את אחת מהמפות האלה מבלי להודיע או להתייעץ בהם.
הוא הראה מפה שכזו, והסביר שיש בה חלק ריק, ושיש חלק ריק מכמה סיבות, בין השאר סיבות פוליטיות. אם הבנתי נכון, הסיבה הפוליטית נוגעת לBICEP2, ומתקשרת לסיפור הבא:
מישהו מהפרוייקט של פלנק הרצה פעם בכנס והראה בו שקופית שהכילה גרף שלא היה אמור להתפרסם עדיין, שהכיל מידע לגבי הקיטוב של קרינת הרקע הקוסמית שמדד פלנק. מישהו אחר ככל הנראה צילם את השקופית הזו במכשיר נייד, ולאחר מכן עשה חישוב לאחור (reverse engineering) מהגרף כדי לקבל מספר כלשהו ששימש לחישוב הגרף. הדבר הזה נפוץ דרך האינטרנט, ומישהו פרסם מאמר שמתבסס על החישוב הזה. הבעיה היא שמכיוון שכל החישוב נעשה מתוך גרף שצולם בטלפון, ושלא באמת היה אמור להיות מופץ מראש, היה חסר למי שעשה את החישוב ידע שהיה לצוות של פלנק כשהכינו את הגרף, ולכן החישוב לא מדוייק. הוא סיכם את הסיפור באמירה ש"זה מצב מוזר במדע שלא נתקלתי בו לפני כן".
הקשר לBICEP2 ולהכרזה שלהם הוא שככל הנראה גם הם השתמשו בחישוב הזה, כנראה דרך המאמר שהזכרתי. אמנם לא בשביל התוצאה הראשית שלהם, אבל בהכרזה הם טענו גם שהתוצאות שלהם מתיישבות עם אלו של פלנק, ולשם כך הם השתמשו בחישוב הזה. פרופ' לובין דיבר בטון די מריר על כך שהצוות של BICEP2 הכריז הכרזה מאוד יומרנית, בלי "אבל" ו"אולי", ולא השאירו לעצמם מקום לתמרן במקרה של טעות; וכמובן גם על כך שהם השתמשו במידע של פלנק שכלל לא פורסם ולשם כך נעזרו בחישוב שנעשה מתוך תמונה שצולמה בפלאפון. הוא הוסיף ודיבר על כך שהיום הרבה מדענים מחליטים לפרסם בגדול אפילו אם המידע שלהם לא בטוח מספיק, כי הגישה בעיתונות מעודדת את זה - אנשים זוכרים את ההודעות הגדולות, ולא יזכרו את ההודעות על טעויות שיבואו אח"כ.
הוא ציין שחוקרים אחרים לקחו את אותה תמונה ועשו ניתוח טוב יותר (אם כי עדיין לא מושלם, כמובן, כי זה לא ישירות מתוך המידע) עם הנחות מלאות יותר, ואם משתמשים בניתוח הזה ההסכמה של BICEP2 עם פלנק פתאום כבר לא משמעותית כל כך, בטח לא ברמה שניתן להכריז עליה בלי שמץ של ספק, ושלמעשה יתכן והמדידות של BICEP2 יכולות לנבוע מאבק בין כוכבי ובין גלקטי, ולאו דווקא מהאינפלציה, דבר שמעמיד את הכל בסימן שאלה. הוא הדגיש שהוא לא טוען שהתוצאות של BICEP2 אינן נכונות, רק שצריך להיזהר מאוד עם הפירוש. אני מוסיף שצריך עכשיו לחכות לפרסום התוצאות של פלנק בנושא, כדי שניתן יהיה לראות היכן באמת דברים עומדים; זה כנראה ייקח עוד זמן מה, מכיוון ש, כפי שהסביר פרופ' לובין עצמו, מבחינת צוות פלנק האפשרות למשוך תוצאה משמעותית היא לא אופציה, ולכן הם עובדים קשה מאוד לוודא שהם יכולים לעמוד מאחורי התוצאות העיקריות שהם מפרסמים.

בין אם יתברר שההכרזה של BICEP2 נכונה ובין אם לא, אני חושב שיש כאן כמה לקחים לא נעימים לגבי איך שהמדע עובד היום, אבל גם את ההבנה שבסופו של דבר הוא עובד. זה נכון שהיום אנשים מפרסמים במטרה ליצור כמה שיותר באזז, ומוכנים להקריב לשם כך מהדיוק והאמינות של הדברים שהם אומרים (וזאת מכיוון שלמי שמפורסם יותר קל יותר לקבל תקציבים למחקר שלו), אבל בו זמנית יש לשים לב גם לכך שהיום, בעידן האינטרנט, המהירות בה דברים כאלה מתגלים ומתנהל סביבם דיון משמעותי היא גבוהה מאוד, דבר שמבטיח שבמרבית המקרים גם אם הציבור הרחב יזכור משהו לא נכון בסופו של דבר, בקרב הקהילה המדעית הדברים מתוקנים מהר. אני מקווה שפלנק יפרסמו את התוצאות שלהם בקרוב, ושלא נצטרך לחכות יותר מדי להכרעה.


לקריאה נוספת:
ערך הוויקיפדיה (באנגלית) על טלסקופ החלל COBE
האתר של נאס"א על טלסקופ החלל COBE
ערך הוויקיפדיה (באנגלית) על טלסקופ החלל פלנק
האתר של סוכנות החלל הארופאית על פלנק