עמוד הבית > מדעי כדור-הארץ והיקום > אסטרונומיה [מדעי החלל]עמוד הבית > מדעים > פיסיקה ומבנה החומר [כימיה] > גלים וקרינה
גליליאו : כתב עת למדע ומחשבה


תקציר
חקר הבזקי גאמא הוא מתחומי המחקר האסטרונומי-אסטרופיזי שהתפתחו בקצב הגבוה ביותר בשנים האחרונות. על תולדות המחקרים והמסקנות שאולי אף הן אינן המילה האחרונה.



אלפי שמשות שחורות
מחבר: צבי עצמון


חקר הבזקי גאמא הוא מהסיפורים ה"חמים" והסוערים ביותר: העצמים האנרגטיים ביותר בתבל שלחו לנו פריסת שלום מן העבר הרחוק ומפאתי היקום, ברגע שהפכו - אולי - לחורים שחורים

במקרים רבים התפתחויות טכנולוגיות, ואף מדעיות-בסיסיות נעשו בעיתות מלחמה. גם אחת ההתפתחויות ה"חמות" ביותר בשנים האחרונות באסטרופיזיקה ראשיתה במלחמה - "המלחמה הקרה" בין ארה"ב לברה"מ (ברית המועצות, למי שהספיק לשכוח). הכוונה לגילויין של התפרצויות מסתוריות, הבזקים קצרצרים ואנרגטיים ביותר, של קרני גאמא (gamma- ray bursts, GRBs) בחלל. ירחון המדע הפופולרי "דיסקאוור" הציב את ההתקדמות שהושגה בשנת 1997 בחקר הבזקים אלה בין 100 ההתפתחויות המדעיות החשובות באותה שנה, ושבועון המדע היוקרתי סאיינס הגדיל לעשות וציין אותה בין עשרת הגילויים הגדולים בשנה שחלפה. מקובלת ההערכה כי חקר הבזקי גאמא הוא מתחומי המחקר האסטרונומי-אסטרופיזי שהתפתחו בקצב הגבוה ביותר בשנים האחרונות.

ואכן, לא בכל יום, ואף לא בכל שנה או עשור, מצביעים אסטרופיזיקאים על פיצוץ אנרגטי יותר - אולי מאות מונים יותר – מהתפוצצות סופרנובה. על-פי הערכות, בשניות אחדות משתחררת בהבזק גאמא אותה כמות של אנרגיית קרינה כפי שתפיק השמש במהלך כל שנות פעילותה, דהיינו - במשך כ-10 מיליארד שנה! - ויש אומרים שאפילו עשרות מונים יותר. הבזקי גאמא, יש המתארים אותם כשניים בעוצמות האנרגיה הנוצרת בהם רק למפץ הגדול בו "נולד" היקום כולו. זו, מכל מקום, המסקנה שעליה מצביעים אסטרופיזיקאים בעקבות תצפיות וחישובים שנערכו בחודשים האחרונים. ואולי הפליג מכולם בתיאורו ג'ורג' ג'ורגובסקי (Djorgovski) מקלטק - המכון הטכנולוגי של קליפורניה בפסדינה, ואחד החוקרים הבולטים בתחום, בהצהירו על הבזק גאמא שחקר "במשך שניה או שתיים של הבזק זה, הקרינה שבקעה ממנו השתוותה לאורו של כל שאר היקום!", אם כי יש הטוענים שהפליג יתר-על-המידה והגזים.

בין פצצה גרעינית למפץ הגדול

אך לפני שנדלג מספר חודשים לאחור - ובמיוחד לתאריך מרכזי אחד, ה-14 בדצמבר 1997 - נחזור לימי טרום-בראשית של חקר הבזקי גאמא, לסוף שנות החמישים. באותה תקופה נערכו שיחות בין האמריקאים לבין הסובייטים במטרה להגיע לאמנה בדבר איסור עריכתם של ניסויים גרעיניים. יועציו של הנשיא האמריקאי אייזנהאואר הזהירו שאין לבטוח בסובייטים, וכי הם עלולים להתחכם ולערוך ניסויים גרעיניים בחלל, ולפיכך הציעו להכין לווינים שמותקנים בהם גלאים מתאימים לזיהוי ניסויים גרעיניים. ואכן, הוחלט על פרויקט ששם הצופן שלו ולה (Vela). הלווין הראשון במסגרת הפרויקט שוגר באוקטובר 1963, וכלל, בין השאר, ששה גלאים של קרינה אלקטרומגנטית קצרת-גלים ורבת-אנרגיה - קרינת X "קשה" וקרינת גאמא (γ), קרינה הנפלטת בתהליכי ביקוע ומיזוג גרעיניים.

זמן קצר לאחר מכן שוגרו לוויני ולה נוספים. למן השלישי בסדרה הם צוידו בגלאים עשויים צסיום יודי (CsI); חומר זה מנצנץ – פולט אור נראה - כשקרני גאמא חולפות דרכו. באותם ימים בחינת הנתונים היתה מייגעת ביותר - בדיקה ידנית של דפי פלט של מחשב. אך בבדיקת נתוני 2 ביולי 1967 נתגלה הבזק גאמא שלא התאים לניסוי גרעיני. החוקרים בדקו האם ארעה באותו זמן "שלהבת שמש" (flare) או סופרנובה והתברר שלא. בדיעבד הוכתר תאריך זה כתאריך היסטורי: הבזק גאמא ראשון שנתגלה.

בעת התקנת הלווין ולה-5 חלה טעות טכנית - אחת מאותן תקלות מבורכות מהן ניזון המדע - כך שמכשיריו כוונו לרגישות גבוהה מן הרצוי. והנה החלו להתקבל נתונים על הבזקי גאמא רבים. ולה-6 הוצב במסלול רחוק מוולה-5, אך שניהם תוזמנו יחד, וכך ניתן היה – ממדידת מועדי הרישומים בשני הלווינים ובעזרת טריגונומטריה בסיסית - לזהות היכן ממוקמים ההבזקים. התברר - וכבר החלו לחשוד בכך קודם לכן - שאין מדובר בערבות סיביר, וגם לא במתקן ניסוי סובייטי מרוחק ככל שיהיה במסלול סביב כדור הארץ, אלא מעבר למערכת השמש.

ואולם הצבא כמנהגו נוהג; אינני יודע אם רשויות הביטחון האמריקאיות חשדו כי הרוסים רכשו לעצמם כבני ברית חייזרים מעולמות רחוקים, מכל מקום הסיפור נשמר כסוד כמוס גם כשהתברר שמקור הבזקי גאמא אלו לא היה כדור-הארץ קרוע העוינות ויצר ההרס של שליטים והמוני-עם משולהבים, גם לא מתקני ניסוי ששוגרו ממנו, אלא דווקא מה שנחשב פעם בממלכת השלווה הנצחית - השמיים. רק בשנת 1973 הותר הסיפור לפרסום בעיתונות המדעית.

קומפטון בשחקים...

הממדים של גלאי ולה היו קטנים ביותר, והיה ברור שמפספסים הבזקי גאמא רבים מאד. בשלב זה ניגשו לתכנון גלאי שיוכל לזהות הבזקים מכל כיפת השמיים, מתוך כוונה להציבו בלווין ששמו "מצפה קומפטון לקרני-גאמא" (ובקיצור: CGRO), על שמו של ארתור הולי קומפטון (Compton), פיזיקאי אמריקאי, חתן פרס נובל (1927) על גילוי תוצא (אפקט) קומפטון. קומפטון גילה כי כשפוטוני X (ראו  "קרינה אלקטרומגנטית וקרני גאמא") פוגעים באלקטרונים, הם גורמים לפיזור האלקטרונים, והם עצמם עוברים בתוך כך פיזור ואורך הגל שלהם מתארך. התנגשות זו היא התנגשות אלסטית - פוטוני X מתנהגים בה ככדורים קשיחים. מכאן שלקרינה אלקטרומגנטית יש הן תכונות גליות והן תכונות חלקיקיות. חלק מגלאי הגאמא מבוססים על תוצא קומפטון.

מצפה קומפטון לקרני גאמא, שמשקלו 17 טון, שוגר למסלולו על גבי סיפונה של מעבורת החלל "אטלנטיס" ב-5 באפריל 1991, והוא נושא ארבעה מתקנים (או "ניסויים") שונים. הלווין העמוס בציוד נועד לקדם את חקר "שלהבות השמש" (התפרצויות שמש אדירות), פולסרים (כוכבי רדיו פועמים), סופרנובות, קוואזרים (שהם, כך מניחים, גלקסיות עתיקות ועתירות אנרגיה). המתקן הנוגע ישירות לסיפורנו הוא גלאי המכסה את הקף השמיים ומהווה את הניסוי המכונה BATSE (ראשי תיבות של: ניסוי הבזקים ומקורות חולפים) - זהו המתקן שנועד לזהות הבזקי גאמא. הוא מבוסס על גבישי נתרן יודי המהווים נצנצים ועל מכפילאורים המזהים את אותות האור החלושים המופיעים בעקבות פגיעת פוטוני גאמא. המתקן מזהה בממוצע קרוב להתפרצות אחת ביום, ומאז הפעלתו נרשמו בו למעלה מ-2000 הבזקי גאמא. ההבזקים הם קצרים - מתמשכים שניה או שניות אחדות בלבד ואז שוככים, הם אינם חוזרים להופיע, מיקומם אקראי ולא ניתן היה לייחס אותם למבנים שמימיים נראים כלשהם. נוסף לכך, BATSE אינו מצטיין בזיהוי חד של כיוונים. ולך תבנה ככה מדע!

לא פלא שבנסיבות אלו - כשאין יודעים כמעט כלום – הועלו תיאוריות רבות, ושונות כמעט מן הקצה אל הקצה, באשר למקורם של הבזקי גאמא ולמנגנון הופעת פרץ אנרגיית הקרינה. אחת הבעיות המרכזיות היתה השאלה היכן מתרחשים התהליכים האחראים להבזקי גאמא אלה, שאלה הקשורה ישירות להערכת כמות האנרגיה המשתחררת בתהליך, שהרי צפיפות הקרינה יורדת עם ריבוע המרחק מהמקור. דא עקא, בניגוד למקורות אור, קשה ליצור תמונות של מקורות קרני X וקרני גאמא, מפני שבניגוד לקרני אור אותן ניתן בקלות לשבר (בעזרת עדשות) או להחזיר (בעזרת מראות), וכך ליצור תמונות חדות בטלסקופי עדשות או בטלסקופי מראות-קעורות, פוטונים שהאנרגיה שלהם מעל 10 קילו-אלקטרון-וולט (10keV), קשה למצוא חומרים שגורמים להם שבירה או החזרה. פוטוני גאמא כרגיל אינם עוברים שבירה או החזרה; הם מגיבים בדרך שונה עם משטחי חומרים - הם עוברים למשל פיזור קומפטון. ולך תבנה ככה תמונה!

אחת התיאוריות סיפרה על התפוצצויות של חורים שחורים זעירים ממש ב"חצר האחורית" שלנו, בפאתי מערכת השמש, במרחק שעות אור או יממות אור ספורות. תיאוריה אחרת תיארה "רעידות אדמה" המתרחשות באותם כוכבים בעלי צפיפות מדהימה - כוכבי-נויטרונים, ב"שכונתנו שלנו" - בגלקסיית שביל-החלב, היא הגלקסיה שלנו. תיאוריה שזכתה לפופולריות רבה יותר דיברה על תהליכי מיזוג, או "בליעה", של זוגות כוכבי-נויטרונים בגלקסיות רחוקות, או של הזוג כוכב-נויטרונים - חור-שחור. אמנם, רמז אחד למקורן של ההתפרצויות ניתן היה בכל-זאת לקבל כשנתוני BATSE נצטברו והלכו: מאורעות המתרחשים בגלקסיה שלנו, שביל-החלב, נוטים להתרכז במישור שביל החלב או סביב מרכזו, ואילו הבזקי הגאמא הקצרצרים מפוזרים אקראית על פני כל כיפת השמים. עבור המסקנה כי הבזקי גאמא הם אירועים מרוחקים ביותר, מעבר לגלקסיית שביל-החלב - כלומר, שמדובר ב"מרחקים קוסמולוגיים" - זכו מתכנני BATSE בפרס מדעי יוקרתי; הטענה שהבזקי גאמא מגיעים אלינו ממרחקים קוסמולוגיים הועלתה לראשונה על-ידי קבוצת החוקרים אייכלר, ליביו, פירן ושרם (Eichler, Livio, Piran and Schremm) בשנת 1989.

... וגם בפו פה בגאמא

האיטלקים החליטו לשפוך אור (ולפחות קרני X) על מצב מעורפל ורב משמעי זה, תוך שהם נעזרים בהולנדים. ב-30 באפריל 1996 שוגר למסלול המרוחק 600 ק"מ מכדור-הארץ לווין איטלקי-הולנדי בעל שם מוזר במקצת - בפו-סאקס (BeppoSAX). הסיפא - ראשי תיבות באיטלקית של לווין אסטרונומי בתחום X, ואילו תחילת השם, בפו, היא כינוי החיבה של ג'וזפה אוצ'אליני (Occhalini, 1907-1993), פיזיקאי איטלקי שתרם רבות לפיזיקת חלקיקי היסוד של החומר, וכן לחקר הקרינה הקוסמית ולהקמת הארגון האירופי לחקר החלל. שניים מן החוקרים שעבדו עימו בחקר חלקיקי היסוד זכו בפרסי נובל בעצם ימי המלחמה הקרה, ומקורביו רומזים כי ייתכן שהשקפותיו הפוליטיות הרדיקליות הן שמנעו ממנו את הפרס.

ייחודו של הלווין בפו-סאקס הוא הטווח הספקטראלי שלו: פוטונים למן 100 אלקטרון-וולט (0.1keV, וראו "קרינה אלקטרומגנטית וקרני גאמא") ועד כ-300 קילו-אלקטרון-וולט (300keV). הוא נועד למשימות מדעיות שונות בתחום אסטרונומיית קרני X; תרומתו לחקר הבזקי גאמא היא הרחבת הספקטרום ובמיוחד - זיהוי הכיוון המדוייק.

ואכן, בפו-סאקס פתח עידן חדש בחקר הבזקי גאמא - בעזרתו נתקבלו תמונות של בוהק קרני X שנראה מיד לאחר הבזק גאמא. סוף-סוף ניתן היה לאתר בדיוק את כיוון ההבזק, וכך לכוון טלסקופים אופטיים, טלסקופי X וטלסקופי-רדיו בניסיון להפיק מידע נוסף. ואמנם, כשכיוונו את כל אמצעי התצפית האדירים הללו התברר כי לאחר שנסתיים, בתוך שניה או שניות ספורות, הבזק הגאמא, אתר ההתפוצצות ממשיך להקרין עוד זמן ניכר - שבועות - אורכי גל ארוכים יותר - קרני X, אור נראה, קרינה תת-אדומה וגלי רדיו, כעין שובל (זמני) של קרינה, שובל-בוהק. מעניין לציין כי קבוצה של חוקרים, שעליה נמנה גם הישראלי צבי פירן, ניבאה את קיומם של שובלי-בוהק עוד בטרם זוהו בתצפיות.

מכל מקום הגילוי עצמו לא יסולא בפז. סוף סוף ניתן היה לבחון את ספקטרום האור שבקע ממקור ההתפוצצות, וממנו להעריך - קודם לכל - את המרחק. הבזק גאמא שהדיו הגיעו אלינו בתחילת 1997 זוהה על ידי בפו-סאקס, הכיוון אותר בדיוק רב, והטלסקופים עטו לעברו. התברר כי לשובל-הבוהק של התפוצצות זו היה היסט-לאדום (ראו "היסט לאדום") שערכו עולה על 0.8, ופירוש הדבר שההבזק אירע בכמחצית המרחק אל שולי היקום, דהיינו – מדובר אכן באירוע קוסמולוגי, הרחק הרחק מעבר לשביל-החלב. מכאן ניתן להסיק כי במקור עוצמת ההתפוצצות - שאת הדיה גילו המכשירים - היתה אדירה.

גילוי שלא יסולא בפז - אלא בפרס: בינואר 1998 העניקה החברה האסטרונומית האמריקאית פרס לצוות המדעי של בפו-סאקס עבור תרומתו המיוחדת לחקר הבזקי גאמא.

שביעית היקום ושבעתיים כאורו

התאריך ה"חם" ביותר עד כה בהקשר להבזקי גאמא הוא, כאמור כבר, ה-14 בדצמבר 1997. מאמר גדול בנייצ'ר הוקדש להתפרצות זו (שסימנה GRB971214) ועוד שני מאמרי מחקר וכן סקירה מקדימה. מתברר כי ביום זה הגיעו אלינו הדיו של הבזק גאמא שהוא עצמו אירע – כך מעריכים החוקרים - לפני 12 מיליארד שנה, כשעולמנו היה עוד עול-ימים, בן שני מיליארד שנה בלבד, שביעית בלבד מגילו הנוכחי. בפו-סאקס ומצפה קומפטון, שני הלווינים, זיהו את ההבזק. בפו-סאקס עקב אחר שובל-הבוהק של קרני X, ואיתר את הכיוון. 12 שעות לאחר מכן כבר צפו בו חוקרים בעזרת טלסקופ אופטי קרקעי המוצב בקיט-פיק, אריזונה, והמשיכו לעקוב אחריו במהלך דעיכתו במשך שבועיים. על פי ספקטרום הקרינה מסיקים הלפרן (Halpern) ועמיתיו למחקר (נייצ'ר, 7 מאי 1998, עמ' 41) על הימצאותו של אבק בינכוכבי רב בין מקור האור לבינינו, אבק שהחוקרים מפרשים כמעיד על סביבה צפופה, כזו שבה נוצרים כוכבים, "חדר תינוקות" של כוכבים. פירוש הדבר הוא - כך לפחות ניתן לשער - שהכוכב שהיה מקור ההבזק היה כוכב צעיר-יחסית, ועובדה זו כבר מטילה סייגים מסוימים בהם צריכות לעמוד תיאוריות שנועדו להסביר את מנגנון הבזקי גאמא. באותו גיליון של נייצ'ר (עמ' 43) מדווחים רמאפראקש (Ramaprakash) ו-14 עמיתיו למחקר, על האנרגיה של שובל-הבוהק. על פי מדידותיהם בתחום התת-אדום הם משערים כי שובל-הבוהק בלבד כלל למעלה מ-1051 ארגים - כמות אדירה, מעבר לדמיון, של אנרגיה. מכאן הם מסיקים כי ההתפרצות כולה היתה אנרגטית בהרבה, עובדה המטילה סייג נוסף בפני תיאוריות בדבר מנגנון ההבזק. לדבריהם, שובל-הבוהק דומה באופיו לשובל-בוהק של סופרנובה, אך עוצמתו גבוהה בשני סדרי גודל – פי מאה ואפילו יותר - מהתפוצצות סופרנובה, סוג האירוע שנחשב עד לאחרונה כאנרגטי ביותר ביקום (פרט למפץ הגדול עצמו).

החישובים של עוצמת הקרינה של המקור תלויים תלות חדה - כאמור, תלות ריבועית - בהערכת מרחקו של המקור. קולקרני (Kulkarni) וג'ורגובסקי ממצפה פאלומר המפורסם בקליפורניה, המסונף לקלטק, ו-14 עמיתיהם למחקר, הם שהעריכו את המרחק בו ארעה ההתפרצות, וזאת על-פי תצפיות בתחום האור הנראה. למרות ה"ייחוס" המוסדי של שני המדענים הראשיים במחקר, התצפיות נערכו דווקא במצפה קק בהוואי. תצפית ראשונה נערכה כ-13 שעות לאחר הבזק הגאמא, אך לא בה היו מעוניינים החוקרים במישרין, אלא רק כמראה מקום. הם המתינו עד ששובל-הבוהק דעך, ואז גילו באותו מקום גלקסיה עמומה ביותר. לדבריהם, דיוק הכיוון מאפשר להם לטעון כי האירוע אכן התרחש בגלקסיה עמומה זו - זוהי לדבריהם "האכסניה" (host galaxy) של הבזק גאמא GRB971214. כשבחנו את ההיסט לאדום של גלקסיה עמומה זו הגיעו לערך 3.42 = z, מה שאומר גלקסיה המרוחקת מאיתנו 12 מיליארד שנות-אור (כשהאומדן המקובל כיום לגיל היקום הוא 14 מיליארד שנה). על פי מרחק עצום זה הם מחשבים כי כמות האנרגיה שבקעה בהתפרצות עולה על 1053 ארגים, וזה בתחום קרינת גאמא בלבד. אינני מתיימר לנסות להמחיש בפניכם מה פירוש המספר "עשר בחזקת 53", אך מדובר בהפיכת אולי 20% ממסת השמש לאנרגיית קרינה הבוקעת בשניה אחת או מעט יותר! סוגים אחרים של אנרגיה שבקעו (חלקיקי נויטרינו, למשל) יכולים עוד להגדיל ערך זה במידה ניכרת. אם נסמוך על כל ההנחות, התצפיות והשיקולים, ונצטרף גם אנו לחוקרים הנלהבים, נצטרך להתחיל להתייחס לסופרנובה כאל הד קלוש בלבד של "הדבר האמיתי" - הבזק גאמא. אכן, מאה סופרנובות בבת-אחת, ואולי יותר; עשרות פעמים סך-כל האנרגיה שתקרין השמש במהלך כ-10 מיליארד שנות פעילותה בתוך שניות ספורות; במשך שניות אחדות העצם הבוהק ביותר ביקום, שקרינתו שקולה לזו של שאר היקום. זה לא משהו שרואים אפילו בסרטי פעולה!

אמת, יש משהו שיכול לצמצם את ההערכה במידה ניכרת: אם מקור ההתפרצות אינו מפזר את הקרינה באורח אחיד לכל הכיוונים, אלא פולט אותה במרוכז, לאורך ציר. במקרה זה, אם ציר הפליטה מכוון אלינו אנו מקבלים עוצמה גבוהה, ומעריכים בטעות כי בכל הכיוונים יש אותה עוצמה. רלף ויג'רס (Wijers) מציע במאמר מלווה בנייצ'ר כיצד לנסות לבחון אפשרות זו: אף אם ההתפרצות עצמה מכוונת לאורך ציר, שובל-הבוהק אמור להיות אחיד הרבה יותר בכל הכיוונים. אם כך, כשציר ההתפרצות אינו מכוון כלפינו, ההתפרצות עצמה לא תתגלה לנו, ואולם שובל-הבוהק ייראה. במקרה כזה, בתצפית זהירה נוכל לגלות שובלי-בוהק "יתומים", ללא הבזקי גאמא מקדימים. אם אכן נגלה כאלה, נוכל .להסיק כי הבזק גאמא מרוכז לאורך ציר, כך שהגזמנו בהערכת עוצמתו הכוללת.

אך אם לא, ניצבת, ובמלוא חריפותה, שאלת המנגנון. שאלה כבדת משקל: איזה מנגנון יכול להפוך בשניות ספורות אחוזים ניכרים ממסת השמש לקרינת גאמא?? ייתכן מאד שמיזוג שני כוכבי-נויטרונים דחוסים-לעילא לגוף יחיד אינו יכול "לספק את הסחורה". מה עוד שכוכבי-נויטרונים הם כוכבים זקנים, שלא סביר למצוא אותם באזורים צעירים של יצירת כוכבים (כלומר, תיאוריית כוכבי הנויטרונים עומדת בניגוד למסקנות הלפרן ועמיתיו). בוגדן פצ'ינסקי (Paczynski) נלהב מרעיון ההיפרנובה, ורבים נוהים אחריו. אחת הווריאציות של מודל ההיפרנובה היא קריסת הליבה של כוכב מאסיבי ביותר (כוכב כזה ממילא אינו יכול להיות קשיש!) לחור שחור.

אכן, סיפור שהחל במלחמה קרה ובחשדנות גרעינית, סיומו - הזמני מן הסתם, כרגיל במדע - בשוליו הרחוקים של היקום, בעצמים הבוהקים ביותר להרף-עין ובחורים שחורים שגילם 12 מיליארד שנה.

ביבליוגרפיה:
כותר: אלפי שמשות שחורות
מחבר: עצמון, צבי
תאריך: ספטמבר-אוקטובר 1998 , גליון 30
שם כתב העת: גליליאו : כתב עת למדע ומחשבה
הוצאה לאור: SBC לבית מוטו תקשורת ולאתר IFEEL
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית