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.
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.
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.
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.
 |
| 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.
אין תגובות:
הוסף רשומת תגובה