לאן נעלם כל
הליתיום?

אף שהוא פחות מפורסם מיסודות קלים אחרים, כמו מימן, חמצן, הליום, חנקן ופחמן, קשה לתאר את חיינו בלי הליתיום. היסוד הזה נמצא בסוללות חשמליות ובתרופות נוגדות דיכאון, בזיקוקין די-נור, במערכות הנעה רקטיות ובמערכות לטיהור אוויר. אפשר היה לצפות שהוא יהיה חומר נפוץ למדי: אחרי הכול הוא נמצא במקום השלישי בלבד בטבלה המחזורית.

אבל זה רחוק מלהיות המצב: כמות הליתיום בכדור הארץ נמוכה מאוד, ואינה מגיעה לרמה שאפשר היה לצפות לה לפי התיאוריות המדעיות הקיימות. הטבע יודע לתעתע בנו, ועושה את זה שוב ושוב. אז איך זה שנתקענו עם פחות ליתיום מהמתוכנן?

אפשר היה לצפות שליתיום יהיה נפוץ למדי:.אחרי הכול הוא נמצא במקום השלישי בלבד בטבלה המחזורית | Shutterstock, concept w 

אוכלים את המרק שבישלנו

ב-1869 הגה הכימאי דמיטרי מנדלייב (Mendleev) טבלה שבה מסודרים זה לצד זה כל היסודות שבטבע. כך באה לעולם הטבלה המחזורית, שמסדרת את היסודות הכימיים לפי מספרם האטומי, כלומר מספר הפרוטונים בכל אטום, ולפי תכונותיהם הכימיות. היא מחולקת לשורות שמייצגות את מספר רמות האנרגיה (מסלולי האלקטרונים) ביסודות, ולעמודות המכילות יסודות בעלי תכונות דומות.

מבחינה פיזיקלית, המבנה האטומי מוכתב על ידי הכוח החשמלי שפועל בין פרוטונים לאלקטרונים, הכוח החזק שפועל בגרעין האטום, וכן עקרונות מכניקת הקוונטים שמסבירים את סידור האלקטרונים ברמות האנרגיה – ואת עצם קיומן של רמות כאלה. המחזוריות של הטבלה נובעת מהשפעת מספר האלקטרונים ברמת האנרגיה הנמוכה ביותר על התכונות הכימיות של כל אטום.

לפי תיאוריית המפץ הגדול, לפני כ-14 מיליארד שנה, כשהיקום ממש התחיל, נוצר מעין מרק לוהט משונה בשם פלזמת קווארק-גלואון, שיכול להתקיים רק בתנאי טמפרטורה קיצוניים, של עשרה טריליון קלווין. הפלזמה הזאת התקיימה במשך פרק זמן קצרצר, ואז הטמפרטורה ביקום צנחה לשני מיליארד קלווין.

מתוך מרק הפלזמה, שהכיל חלקיקים שהיום אנחנו קוראים להם קווארקים, הופיעו גרעיני האטומים הראשונים, שהורכבו מפרוטונים ומנייטרונים – חלקיקים שבנויים מקומבינציות שונות של שלושה קווארקים. ראשון הופיע גרעין המימן, שהוא פרוטון בודד. בהמשך, שני גרעינים ונייטרונים הותכו זה לזה ויצרו את ההליום. שלושה הותכו – והנה בא לעולם הליתיום, הבריליום הצטרף רביעי – ו... זהו.

בינתיים היקום התקרר משמעותית, במידה שלא אפשרה יותר היווצרות של גרעינים נוספים, והרכב היסודות קפא על שמריו. התהליך הזה נקרא "הנוקלאוסינתזה של המפץ הגדול".

מתוך מרק הפלזמה, שהכיל חלקיקים שמכונים קווארקים, הופיעו גרעיני האטומים הראשונים. אילוסטרציה של הדקות הראשונות לאחר המפץ הגדול, הקווארקים מצויינים בכחול וצהוב | Mark Garlick / Science Photo Library

בחלוף העידנים נוצרו הכוכבים הראשונים, ואיתם נוצרו יסודות חדשים בתהליך שנקרא נוקליאוסינתזה כוכבית. ליבות הכוכבים הן מעין כורי היתוך גרעיניים עצומים: השילוב של טמפרטורה גבוהה ולחץ עצום בהן גורם להתנגשויות רבות עוצמה בין האטומים, שמהן נוצרים גרעינים יותר ויותר כבדים.

הבנת המפץ הגדול, ותהליך יצירת היסודות הקלים בעקבותיו, אפשרה לפיזיקאים ללמוד על תפוצת היסודות הללו ביקום. על ההישג הזה חתומים בראש ובראשונה הפיזיקאים רלף אלפר (Alpher) וג'ורג' גאמוב (Gamow). מאמרם משנת 1948 על מקורם של היסודות הכימיים, שעליו חתם גם הפיזיקאי הנס בתה (Bethe) לשם ההלצה – שמות הכותבים נשמעים כמו שלוש האותיות היווניות הראשונות, אלפא, בטא וגמא – פרץ את הדרך להבנת התהליך החשוב הזה.

אבל הליתיום, הו הליתיום. הנוקלאוסינתזה של המפץ הגדול חוזה כמות רבה למדי של ליתיום בראשית ימי היקום – פי שלושה מהכמות שנצפתה בפועל במערכות כוכבים רחוקות, שמאפשרות לנו להציץ על העבר, פשוט בגלל הזמן הרב שדרוש לקרני האור שיוצאות מהן להגיע לכדור הארץ. המצב נהיה מבלבל אף יותר כשבוחנים מערכות כוכבים צעירות: כמויות הליתיום שם דווקא נמוכות מהחזוי. בסיכומו של דבר כשמסתכלים על כמות הליתיום ביקום כולו, וגם כאמור בכדור הארץ, מגלים שהיא עדיין נמוכה מדי. כל הנתונים האלה תקפים רק לרבע מכמויות הליתיום ביקום. נראה כי שאר הליתיום, שמצוי בכוכבים, בכוכבי הלכת, בתווך הבין-כוכבי ובגופים נוספים כמו ננסים ושביטים, נוצר באירועים קוסמיים אחרים, כפי שנראה מיד. למרבה הצער, זה לא עוזר לנו להסביר את הכמות הגדולה מדי של ליתיום במערכות כוכבים רחוקות, שהן עתיקות יותר: הליתיום שלהן הגיע רק מהמפץ הגדול.

הבנת המפץ הגדול, ותהליך יצירת היסודות הקלים בעקבותיו, אפשרה לפיזיקאים ללמוד על תפוצת היסודות הללו ביקום. אילוסטרציה של המפץ הגדול | ויקימדיה, Woudloper

אורח פורח

האירועים הקוסמיים הללו נקראים נובה, או נובה קלאסית. הם מתרחשים כשננס לבן – שארית הליבה של כוכב שסיים את חייו – פוגש לוויין טבעי גדול שהקיף את הכוכב המקורי, כפי שעשוי לקרות במערכות של כוכבים כפולים. שדה הכבידה של הננס הלבן שואב את גז המימן מהלוויין, ונוצרת סביב הננס מעין אטמוספרה. כשצפיפות המימן מגיע לנקודה קריטית, נוצרת תגובת שרשרת של היתוכים גרעיניים, שמסתיימת בפיצוץ מרהיב ואדיר ממדים. התהליך הזה הוא הנובה.

במהלך תגובת השרשרת נוצר גם ליתיום, בדרך דומה לזו שבה הוא נוצר בראשית ימי היקום. אך ליתיום הוא יסוד לא יציב בטבעו – האנרגיה שמחזיקה יחד את הפרוטונים והנייטרונים שבגרעין שלו, היא נמוכה למדי. כיוון שכך, גרעין הליתיום מתפרק לגורמים בקלות, אפילו כשהוא בא במגע עם קרינה קוסמית בלבד – שטף של חלקיקים מהירים שנעים בחלל. כך רוב הליתיום שנוצר במהלך הנובה מתפרק מחדש לגרעינים קלים יותר, של מימן והליום. בה בעת, אותה קרינה קוסמית יכולה גם ליצור גרעיני ליתיום חדשים במהלך התפרקותם של יסודות כבדים יותר.

התהליכים חסרי העקביות האלה בהיסטוריה של הליתיום מציבים את הפיזיקאים במצב מביך במקצת. היכולת לחזות את שכיחות היסוד על בסיס המפץ הגדול מתערפלת מאוד, וגם כשהם מצליחים להגיע לתחזית, יש פער בינה לבין הממצאים בפועל, שקשה למצוא לו הסבר מניח את הדעת. יותר ממאתיים שנה אחרי שיקוב יוהן ברצליוס (Berzelius) בודד לראשונה את הליתיום, המתכת הקלה הזאת ממשיכה לתעתע בנו.

במהלך הנובה נוצר גם ליתיום, בדרך דומה לזו שבה הוא נוצר בראשית ימי היקום. תמונה של שמי הלילה עם נובה קנטאורי 2013, נראית ככוכב הבהיר ביותר במרכז התמונה | ויקימדיה, ESO

ליתיום בין הסדקים

ואז הפציעו הסברים נוספים שניסו לסגור את הפער. ייתכן למשל שתגובות גרעיניות נדירות יחסית, שמתרחשות בתנאי לחץ וטמפרטורה ספציפיים מאוד, הובילו לריכוזי הליתיום המפתיעים בשחר הימים. מודל המפץ הגדול לא שקל אותן לעומק, פשוט כי הן לא סבירות במיוחד בתנאים ארציים. האפשרות הזאת קיימת, אבל קשה מאוד לבסס אותה.

כמו כן ייתכן שיש בעיה במדידה. בחינת כמויות הליתיום בכוכבים רחוקים נעשית בשיטות תצפיתיות שמתבססות על כיול, והכיול מניח מראש את השכיחות של יסודות אחרים. אם ההנחות הללו שגויות, אנחנו בבעיה. ועוד לא שאלנו היכן אנחנו מחפשים את הליתיום: לכאורה הגיוני לחפש אותו על פני השטח של הכוכב, כפי שאנו כורים ליתיום מקרום כדור הארץ. אבל מבנה הכוכבים אינו זהה לזה של כוכבי לכת: הליבה של כוכבים עשויה בעיקר מימן והליום, וכשהם מותכים לליתיום, הכבד מהם, הוא עשוי לשקוע לליבת הכוכב מפאת כובדו היחסי. בזמן שהוא שוקע, הוא מותך שוב בטמפרטורות הגבוהות מאוד ששוררות שם והופך בחזרה למימן ולהליום. כך הוא נעלם כלעומת שבא.

יש עוד ועוד הצעות, שמשתרעות עד לחומר האפל המשוער שממלא את היקום וטרם עמדנו על קנקנו, או לתיאוריות שמדברות על תהליכי הרס של הליתיום באטמוספרות כוכביות. בשלב הזה, קשה לפסול את ההצעות המעניינות האלה, שכולן מסקרנות ויפות, אבל לא מספקות.

נכון להיום יש לנו יותר שאלות מתשובות. אך זוהי דרכו של המדע, שמתקדם באמצעות השערות והפרכות. היתרון בשאלות קשות שהתשובות להן לא מגיעות בקלות, הוא שבדרך לתשובה, אם היא אכן קיימת, מגלים עוד המון דברים חדשים שבכלל לא העלנו בדעתנו, ובעיקר לומדים שיעור בצניעות.