עמוד הבית > מדעי כדור-הארץ והיקום > אסטרונומיה [מדעי החלל] > גרמי שמים > מערכת השמש
ישראל. משרד הביטחון


תקציר
המאמר עוסק בתיאוריות של האסטרו-פיסיקה על השמש. מה קורה בשמש שלנו? מהו מקור האנרגיה שלה? איך היא נוצרה?



מקור האנרגיה של השמש
מחבר: פרופ' דרור שדה


האסטרו-פיסיקה היא הפיסיקה של הכוכבים. הפיסיקה עוסקת בחומר, באנרגיה והקשר ביניהם. האסטרו-פיסיקה עוסקת בחומר ובאנרגיה ובקשר שביניהם - בתוך הכוכבים. ההבדל בין האסטרו-פיסיקה לאסטרונומיה בכך שהאסטרונומיה עוסקת במקומם של הכוכבים, גודלם וצורתם ואילו האסטרו-פיסיקה עוסקת במה שקורה בתוכם.

האסטרו-פיסיקה יודעת להסביר מה קורה בשמש שלנו, מהו מקור האנרגיה שלה ואיך היא נוצרה. השמש שלנו היא כוכב בגודל ממוצע בגלקסיה שלנו. בגלקסיה שלנו ישנם כ-100 מיליארד כוכבים כמו השמש שלנו. השמש שלנו מאירה - כולנו רואים זאת. השאלה היא מהו מקור האנרגיה של השמש? אסטרו-פיסיקאי בשם האנס בטה מצא לכך תשובה בשנות ה-30 של המאה הזאת. הוא טען: אני רואה על השמש להבות, הווה אומר משהו נשרף עליה. מהו הדבר שבוער על כדור הארץ? נפט או עץ, למשל. בערה זו היא ריאקציה כימית של חימצון. עתה נעשה חשבון פשוט: אילו כל, המאסה1 של השמש היתה נפט, אחרי כמה זמן היה הנפט נגמר אם היה בוער בקצב ובעוצמה שאנו רואים בשמש?

התשובה היא שתוך עשרת-אלפים שנה לערך היתה כל השמש נשרפת ללא שיור. יתר על כן, שריפה צריכה חמצן ועל השמש אין חמצן כלל. ידוע שהשמש קיימת הרבה יותר מעשרת-אלפים שנים. היא מאירה כבר לפחות מיליארד שנים, בעוד שהמקור הכי אנגרטי שאנחנו מכירים על כדור הארץ יכול לספק לשמש אנרגיה לעשרת אלפים שנה.

לפיכך טען האנס בטה שאין שריפה רגילה המספקת אנרגיה לשמש. ברור שלשמש מקור אנרגיה שהוא לפחות פי מיליון יותר גדול מזה המוכר על כדור הארץ. האנס בטה העלה השערה שמקור האנרגיה של השמש בריאקציות גרעיניות ועבור רעיון זה קיבל את פרס נובל לפיסיקה.

בשנות השלושים הפיסיקה הגרעינית התקדמה בצעדי ענק והריאקציות הגרעיניות היו ידועות היטב. מהי ריאקציה גרעינית? אנו יודעים שבריאקציה כימית, למשל, חמצן מתחבר עם שני מימנים וכך נוצרים מים, כלומר, כל פעם שאטום מתחבר עם אטום או אטומים אחרים ונוצר דבר שלישי - זאת היא ריאקציה כימית. בריאקציה גרעינית מתחברים שני גרעינים ובכך יוצרים גרעין שלישי. למשל: באטום של מימן ישנו גרעין שהוא הפרוטון וישנו אלקטרון שמסתובב סביב הפרוטון. בריאקציה גרעינית הפרוטון, שהוא הגרעין של המימן, מתחבר עם נויטרון ונוצר דבר חדש, דויתריום. דויתריום יכול להתחבר עם דויתריום אחר ולתת הליום, שלושה הליומים יכולים להתחבר ביחד וליצור פחמן וכך הלאה. אלו הן ריאקציות גרעיניות, כלומר ריאקציות בהן משתתפים גרעיני האטום וסוג כזה של ריאקציה, אמר האנס בטה, מתחולל על השמש.

האנרגיה של השמש, אם כן, מקורה בריאקציה גרעינית שבה גרעין כמו פרוטון - שהוא הקל ביותר - מתחבר עם נויטרון - גם הוא גרעין קל - ויוצרים ביחד גרעינים כבדים יותר ויותר. בתהליך כזה נוצרת אנרגיה. על כל גרם של מימן מקבלים פי מיליון יותר אנרגיה מאשר לו שרפו אותו בתהליך כימי רגיל. תיאוריה זו הסבירה את מקור האנרגיה של השמש. השמש יכולה "לשרוף" את המימן הזה וליצור לאט לאט את כמות האנרגיה הגדולה שאנחנו רואים וחשים. בסופו של דבר ייהפך כל המימן שבשמש לגרעינים כבדים כמו פחמן וברזל ולגרעינים עוד יותר כבדים במשך הרבה מיליארדים של שנים. ההערכה כיום היא שמדובר בתהליך של 10 או 20 מיליארד שנים.

כאן נעשה אתנחתא קלה ונאמנים לשיטה המדעית נשאל : מנין לנו שזה נכון? מישהו הלך לשמש, בדק ומצא שבאמת מתרחשת שם ריאקציה גרעינית? הרי אפילו בימינו, כשהלווינים והחלליות הם חיזיון נפרץ, עוד לא שלחו חללית לשמש.

התשובה לכך ניתנה, בעצם, על-ידי פילוסון אנגלי מפורסם בשם קרל פופר, שמיין את התיאוריות המדעיות לנכונות ולתיאוריות פסבדו-מדעיות, או שרלטניות. תיאוריה מדעית נכונה, הוא אמר, היא תיאוריה שאפשר להכחיש אותה בניסוי. זה נראה קצת אבסורד. אין הוא אומר שתיאוריה נכונה היא זאת שהכחשנו אותה, אלא תיאוריה שניתן להכחיש אותה. ואם במהלך ניסוי לא נתגלתה התופעה בהתאם לניבוי של התיאוריה, נצטרך לוותר על התיאוריה ולהגיד: היא לא נכונה. האנס בטה אמר שיש ביכולתנו לערוך ניסוי לבדיקת התהליכים על השמש. אם התיאוריה של האנס בטה נכונה, הרי ככל שהכוכב יותר "זקן", הוא כבר שרף הרבה מחומר הדלק שלו, כלומר מהפרוטונים, ואנחנו צריכים למצוא עליו יותר גרעינים כבדים כמו פחמן, חמצן, ברזל ונחושת. האסטרונומיה מאפשרת בדיקה כזאת באמצעות הקווים הספקטראליים של השמש ושל כוכבים יותר זקנים. קו ספקטראלי הוא קו אור בעל תדירות מדויקת מאוד. לכל אטום קו או כמה קווים אופיניים. ואכן מדדנו ובדקנו ואמנם נכון הדבר: הקווים הספקטראליים מראים שככל שכוכבים זקנים יותר הם בעלי גרעינים יותר ויותר כבדים. התיאוריה עמדה בניסוי מכריע ולכן היא מקובלת כיום. בטה וכל האסטרו-פיסיקאים האחרים באותה תקופה קיבלו את פסק הדין של הניסוי.2

תיאוריה שלפי פופר אינה מדעית, או פסבדו-מדעית, היא - למשל - האסטרולוגיה. אסטרונומים ואנשי מדע אחרים אינם מתייחסים לאסטרולוגיה כאל תיאוריה מדעית, מפני שאין אפשרות לסתור אותה. לדוגמא, שאינה הוכחה, אפשר לדון בשני תאומים שנולדו בדיוק באותו הרגע. אם מצב הכוכבים בשמים ברגע מסוים הוא שקובע את עתיד הילדים, האם מציאת שני תאומים כאלה השונים זה מזה תכלית שוני, תוכיח את אי נכונותה של האסטרולוגיה? האסטרולוג יטען שאולי הירח היה במקום שונה בשני המקרים, ואולי השמש זזה ברגע זה וכיו"ב טענות. אך ידוע לאסטרונומים שהתזוזה היחסית של גרמי השמיים הינה אפסית בפרק זמן של דקות. ככל שאנשי מדע מנסים לסתור את האסטרולוגיה, היא מעלה טיעון חדש ובלתי צפוי. משום כך, תיאוריות האסטרולוגים אינן עומדות בניסוי מכריע המפריך אותן או מאשרן.

ועתה נחזור אל התיאוריות של האסטרו-פיסיקה על השמש. בין השאר אנו מסתמכים בתחום זה על תורת היחסות הפרטית, שפותחה על-ידי איינשטין ב-1905, ומצאה את הקשר בין מאסה לאנרגיה. פרוטונים מפסידים קצת מהמאסה שלהם בריאקציה הגרעינית שמתרחשת על השמש והמאסה הזאת נהפכת לאנרגיה של חום ותנועה קינטית. הפרוטונים, אחרי התחברותם לדויתריום, נעים מהר ונוצרת תנועה חזקה מאוד של חלקיקים - פרוטונים, נויטרונים, וגרעינים של הליום, פחמן וחמצן - היוצרת חום של כ-5000 מעלות צלסיוס על פני השמש. בגלל החום שואפים כל החלקיקים לצאת החוצה, להתרחק מן השמש. מה, איפוא, מחזיק אותה, שלא תתפרק ותיהפך לקרעים של גז המתעופפים לכל הכיוונים? ישנו כוח הפוך, הכוח הגרוויטנציוני, שמושך את כל חלקיקי השמש חזרה למרכז.

הפיסיקה מבחינה בארבעה כוחות-יסוד בטבע: הכוח החשמלי - האלקטרו-מגנטי - היוצר משיכה או דחייה בין שני מטענים; הכוח הגרוויטנציוני, שהוא כוח משיכה בין שתי מאסות; הכוח הגרעיני, הפועל בין שני גרעינים ובדרך כלל בעל אנרגיה הרבה יותר גדולה משני הכוחות הקודמים. הכוח הגרעיני מתחלק, לאמיתו של דבר, לשניים: הכוח החזק והכוח החלש. באסטרונומיה אנו עוסקים הרבה בכוח הגרוויטציוני, שהוא הכוח שאוחז את הכוכבים בשלמותם, מושכם אחד לשני ומסובבם אחד סביב השני. כדור הארץ מסתובב מסביב לשמש בגלל כוח הגרוויטציה וחלקי השמש נמשכים זה לזה בגללו, אך קיים גם כוח הקרוי צנטריפוגלי, שדוחף את כדור הארץ מן השמש. ברגע ששני הכוחות האלה - הגרוויטציוני והצנטריפוגלי - משתווים, מוצא לו כדור הארץ את המסלול שבו ינוע כמעט לנצח מסביב לשמש.

מסתבר, אם כן, שהכוח הגרוויטציוני הוא ששומר על כך שחלקיקיה לא ייפרדו אחד מהשני. הוא מושך את כל החלקיקים לתוך השמש בעוד שהחום שבתוך השמש גורם לכך שהחלקיקים ישאפו לצאת החוצה. בראדיוס מסוים של השמש שני הכוחות האלה משתווים, ואף חלקיק לא יוצא ואף חלקיק לא נכנס ושיווי המשקל נשמר. כבר ברור לנו כי ברגע שהשמש תתקרר היא תקטן. שכן, ברגע שיהיה פחות חום - יהיה פחות כוח שישאף לזרוק את החלקיקים החוצה. שיווי המשקל יופר והשמש תתחיל להתכווץ. ובכך אנחנו כבר מתקרבים בצעדי ענק לכוכב שבו הצפיפות תגדל ותלך. הכוכב הזה ייהפך לחור שחור.

1. מאסה ומשקל שונים זה מזה בכך שהמשקל משתנה בהתאם למקום של המשקל (למשל על הירח משקלנו קטן פי 6 ממשקלנו על כדור הארץ) ואילו המאסה הינה גודל קבוע.
2. ניסוי אחר, שלא נתן תוצאות עד היום, מחפש נויטרינים מהשמש. מסתבר שאחד מתוצרי הלוואי של הריאקציות הגרעיניות על השמש הוא חלקיק בשם נויטרינו, שיכול להגיע מהשמש עד כדור הארץ, אך קשה מאור למדדו ועדיין לא מצאנוהו.

ביבליוגרפיה:
כותר: מקור האנרגיה של השמש
שם  הספר: חורים שחורים וננסים לבנים : פרקים באסטרונומיה מודרנית
מחבר: שדה, דרור (פרופ')
עורך הספר: פלג, אברהם
תאריך: 1980
בעלי זכויות : ישראל. משרד הביטחון
הוצאה לאור: ישראל. משרד הבטחון. ההוצאה לאור
הערות: 1. בראש השער: פרופ' דרור שדה. אוניברסיטת תל-אביב.
2. ספריית "אוניברסיטה משודרת".
3. עורכת הספריה: יואל רפל.
הערות לפריט זה: 1. המאמר הוא פרק א' בספר.
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית