מדגרת היסודות הכבדים

אחד הדברים המרשימים ביותר באסטרופיזיקה הוא הקשר, האינטימי לפעמים, בין הפיזיקה של הקטן ביותר, המתרחשת בגרעיני האטומים ובין מרכיביהם, לבין הפיזיקה של הגדול ביותר – למשל כוכבים שמתנגשים זה בזה או מתפוצצים. הקשר הזה הוא גם המקום שבו נולדים היסודות.

האנרגיה שפולטים כוכבים כמו השמש שלנו נוצרת בתהליך הקרוי היתוך גרעיני, או בשמו האחר מיזוג גרעיני. במסגרתו גרעינים של יסודות קלים מתלכדים ליסודות כבדים יותר. התהליך הזה מתבצע בתנאי הלחץ והטמפרטורה האדירים השוררים בליבות כוכבים. מדובר למעשה רק בהפשטה של שלל תהליכים המתרחשים במקביל, מפני שיש דרכים רבות לחבר גרעינים של יסודות. למעשה, אפשר לשאול לגבי כל שני יסודות מה יקרה אם נקרב מספיק את הגרעינים שלהם זה לזה. האם הם יתמזגו?

כדי להבין יותר צריך להבין איך האטומים בנויים. לכל אטום יש מעטפת המורכבת מאלקטרונים בעלי מטען חשמלי שלילי וגרעין שבו מספר זהה של פרוטונים בעלי מטען חשמלי חיובי וכן ניטרונים המשמשים כמעין "דבק" שמחזיק את כל חלקי האטום יחד. ככלל, ככל שיש באטום יותר פרוטונים, כך יש צורך ביותר ניטרונים. בגרעינים הקלים ביותר שנמצאים בראש הטבלה המחזורית, כמו הליום, ליתיום, חמצן ופחמן, מספר הפרוטונים והניטרונים נוטה להיות זהה, אך ככל שהגרעינים גדלים נחוץ יותר דבק, כך שבדרך כלל מספר הניטרונים עולה על מספר הפרוטונים.

תופעת לוואי חשובה של ההבנה הזו היא שלא כל שילוב של פרוטונים וניטרונים יהיה יציב. עודף או מחסור של אחד מהם ייצור גרעין שיהיה רחוק מדי מהיחס ה"נכון" של פרוטונים וניטרונים. גרעינים שהיחס בהם אינו נכון מועדים להתפרק, וההתפרקות הזאת היא התופעה המכונה רדיואקטיביות.

זה גם מה שקורה ליסודות החדשים שנוצרים בליבות הכוכבים. לא כל הגרעינים החדשים שיתקבלו יהיו יציבים, וחלקם יתפרקו מעצמם במהירות, לאו דווקא לאותם אטומים שמהם נוצרו מלכתחילה. הפיזיקאים והאסטרונומים של המאה ה-20 עבדו קשה כדי לתאר ולהבין את כל אפשרויות הפירוק וההרכבה, כלומר תהליכי הביקוע וההיתוך, של גרעיני אטומים. התברר שאכן לא כל שני יסודות מתמזגים זה עם זה בליבת כוכבים.

ככלל, ככל שמטפסים במעלה הטבלה המחזורית תהליך ההיתוך הגרעיני פולט פחות ופחות אנרגיה. היתוך של יסודות הכבדים יותר מברזל – יסוד מספר 26 – כבר לא פולט אנרגיה אלא דורש השקעה של אנרגיה, ולכן לא יתרחש כמעט לעולם בליבות של כוכבים. ובכל זאת אנחנו יודעים שיש שלל יסודות כבדים מברזל, חלקם אפילו מוכרים מאוד: נחושת, כסף, זהב, כספית, עופרת, אורניום ורבים אחרים. אם כן, איך נוצרים היסודות הכבדים מברזל והיכן זה קורה?

יש חשיבות רבה ליחס הכמותי בין המרכיבים: פרוטונים (אדום) וניטרונים (כחול) בגרעין אטום | איור: Inductiveload, ויקפדיה, נחלת הכלל

התהליך המהיר – והאיטי

על השאלה איך נוצרים היסודות הכבדים אנו יודעים לענות באמצעות חוקי הפיזיקה. פיזיקאים מצאו שני תהליכים עיקריים כאלה. הראשון קרוי "תהליך מהיר", או r-process (מהמילה האנגלית rapid), והוא מתרחש תוך חלקיקי שנייה. השני קרוי "תהליך איטי", או s-process (מהמילה slow) והוא תהליך רב-שלבי שכל שלב בו נמשך עשרות שנים ויותר. ככל הידוע לנו כיום, קרוב למחצית מהיסודות הכבדים מברזל נוצרים בתהליך המהיר ורוב הנותרים בתהליך האיטי.

בתהליך האיטי הגרעין בולע ניטרון אחד מסביבתו ומשקלו גדל ביחידה אחת. בשלבים מסוימים של הזדקנותם של כוכבים בגודל בינוני כמו השמש שלנו, פועלות תגובות גרעיניות שמשחררות ניטרונים עודפים, שיכולים אז להיבלע בגרעין אחר. אם היחס החדש של פרוטונים/ניטרונים אחרי הבליעה הזאת לא יהיה יציב, הניטרון החדש יהפוך לפרוטון בתגובה גרעינית שנקראת דעיכת בטא, ויתייצב. כעבור זמן מה, בדרך כלל כמה עשרות שנים, הוא עשוי לספוג שוב ניטרון אחד, וחוזר חלילה - וכך לגדול אט-אט.

אפשרות אחרת היא התנגשות והתכה של שני גרעינים שלמים וגדולים זה בזה ויצירת גרעין-בת הרבה יותר גדול בבת אחת – אך מאוד לא יציב. אם קצב ההתנגשויות האלה גבוה עד כדי כך שגם גרעין שלישי (ורביעי, וכן הלאה) מגיע ומותך בגרעין-הבת שזה עתה נולד, עוד לפני שהספיק להתפרק – זהו התהליך המהיר. התהליך הזה מאפשר להלכה ליצור את הגרעינים הכבדים ביותר במהירות, אך התנאים הנדרשים קיצוניים במיוחד ולכן איננו יודעים עדיין בבירור היכן הוא מתרחש ביקום. מדענים תוהים גם אם אכן כמויות עצומות של יסודות כבדים, גדולות בהרבה ממסת כדור הארץ כולו, אכן יכולות להיווצר תוך שבריר שנייה.

הגלקסיה NGC 4993, ובה נראה הבזק פיצוץ הסופרנובה GW 170817 (במסגרת) דועך בימים שאחריו | מקור: NASA/ESA

אירוע מכונן

במחקר שהתפרסם בכתב העת Nature, הצליחה קבוצה מדענים אירופית בראשות דאראך ווטסון (Watson) מדנמרק למצוא לפחות מקום אחד שהתהליך יכול להתרחש בו. ב-17 באוגוסט 2017 נקלטו בכדור הארץ אותות מהתנגשות דרמטית של שני כוכבי ניטרונים שהתמזגו יחד – שרידיהם של כוכבים בעלי מסה גדולה. האירוע, שנקרא GW170817, נחשב לאחד האירועים החשובים ביותר בשנים האחרונות באסטרונומיה, שכן גם נקלטו בו לראשונה גלי כבידה וגם קרינה אלקטרומגנטית כמעט בכל אורך גל אפשרי.

כיוון שנכון להיום כל ההסברים על אופן שבו נוצרים היסודות הכבדים הם תיאורטיים בלבד, יש צורך רב במידע תצפיתי חדש שיוכל לאשש או להפריך את ההסברים הקיימים. ווטסון ועמיתיו מצאו ראיות לכך שהיסוד סטרונציום, שמספרו 38, היה אחד המרכיבים שנפלטו בפיצוץ. סטרונציום הוא אחד מהיסודות הנפוצים ביותר שנוצרים בתהליך המהיר, והחוקרים הסיקו מכך שהתנגשות והתמזגות של כוכבי ניטרונים היא אכן תהליך אלים וקיצוני דיו על מנת להיות אחד המקורות ליסודות חדשים הנוצרים בתהליך המהיר. זהו אישוש מרשים למודל שקשה מאוד להוכיח כמעט בכל אמצעי אחר.