קרביהם של כוכבי ניטרונים – צורת החומר הדחוסה ביותר ביקום – הם תעלומה עבורנו כבר שנים רבות. כעת מדענים מתחילים לפצח אותה

בקיצור

  • כוכבי ניטרונים נולדים כשהדלק של כוכבים בטווח מסוים של מסות אוזל, והם קורסים ומותירים מאחוריהם שיירים מרוכזים מאוד. הכוכבים האלו הם צורת החומר הדחוסה ביותר ביקום.
  • מדענים יודעים שבתוך כוכבי ניטרונים, אגרוף המחץ של הכבידה מצמיד פרוטונים ואלקטרונים אלה לאלה כך שנוצרים ניטרונים, אולם הם אינם יודעים איזו צורה לובשים הניטרונים הללו. האם הם נקשרים זה לזה ויוצרים "על-נוזל" חסר חיכוך, או שמא הם מתפרקים עוד יותר, לקווארקים ולגלואונים שמהם הם מורכבים?
  • גלאים שמסוגלים למדוד גלי כבידה המגיעים מהתנגשויות של כוכבי ניטרונים וניסויים אחרים מבטיחים לשפוך אור על העצמים החידתיים הללו.

כשכוכב שגודלו כעשרים שמשות גווע, הוא הופך להיות, בלשונו של האסטרופיזיקאי זאוון ארזומניאן (Arzoumanian), "העצם השערורייתי ביותר שרוב האנשים כלל לא שמעו עליו" – גוף שגודלו כגודל עיר וצפיפותו בלתי מתקבלת על הדעת, המכונה כוכב ניטרונים: רסיס של כוכב ניטרונים בגודל של כדור פינג פונג ישקול יותר ממיליארד טון.

מתחת לפני הכוכב, תחת מכבש המחץ של הכבידה, פרוטונים ואלקטרונים מתמזגים אלו באלו ויוצרים גוש העשוי בעיקר מניטרונים – ומכאן שמו. לפחות זה מה שאנחנו חושבים. המסקנות בתחום רחוקות מלהיות חותכות. האסטרונומים לא ראו מעולם כוכב ניטרונים מקרוב, ואין בכדור הארץ שום מעבדה שיכולה ליצור דבר שצפיפותו אפילו מתקרבת לזה. כך שהמבנה הפנימי של העצמים הללו הוא אחת התעלומות הגדולות ביותר של החלל.

"החומר בכוכבים האלו ניחן בצפיפות היציבה הגבוהה ביותר שחוקי הטבע מאפשרים, והוא מאורגן בתצורה שאיננו מבינים", אומר ארזומניאן, העובד במרכז לתעופת חלל ע"ש גודארד של נאס"א. כמו כן הם צורת החומר בעלת הכבידה החזקה ביותר המוכרת לנו – מספיק שתתווסף לכוכבים כאלה עוד קצת מסה והם יהפכו לחורים שחורים, שכבר אינם חומר אלא מרחב מעוקם טהור. "הדברים שקורים על הסף הזה", אומר ארזומניאן, "הם אלה שאנחנו מנסים לחקור".

קיימות כמה תיאוריות מתחרות שמנסות להסביר מה מתרחש על הסף הזה. יש מי שמעלים את האפשרות שכוכבי ניטרונים מלאים בסך הכול בניטרונים רגילים, ואולי אפשר למצוא בהם פה ושם פרוטונים. אחרים מציעים אפשרויות הרבה יותר מוזרות. אולי הניטרונים בתוך כוכבי ניטרונים מתפרקים לחלקיקים שמרכיבים אותם, המכונים קווארקים וגלואונים, והם שוחים ללא מעצורים בתוך ים הזורם בחופשיות. וייתכן גם שקרבי הכוכבים האלו עשויים מחומר עוד יותר אקזוטי, למשל היפרונים – חלקיקים מוזרים שאינם מורכבים רק מקווארקי "מעלה" ו"מטה" רגילים (סוגי הקווארקים המצויים באטומים) אלא גם מבני דודם הכבדים יותר, המכונים "קווארקים מוזרים".

כל עוד איננו יכולים לבקע כוכב ניטרונים ולהציץ לתוכו, אין לנו דרך פשוטה לדעת מהי התיאוריה הנכונה. אולם המדענים מתקדמים. צעד גדול נעשה בתחום באוגוסט 2017, כשניסויים בכדור הארץ זיהו גלי כבידה – אדוות במרחב-זמן שנוצרות מהאצה של עצמים מסיביים – שנבעו מתוך מה שנראה כמו התנגשות חזיתית של שני כוכבי ניטרונים. הגלים הללו נשאו מידע הנוגע למסות ולגדלים של הכוכבים ברגע שקדם להתנגשות, והמדענים נעזרו במידע הזה כדי לקבוע גבולות חדשים לתכונות ולהרכב האפשרי של כל כוכבי הניטרונים.

התנגשות של כוכבי ניטרונים. מקור לגלי כבידה | אילוסטרציה: Science photo library

אנו מקבלים רמזים גם מ"חוקר ההרכב הפנימי של כוכבי ניטרונים" (Neutrun Star Interior Composition Explorer, או NICER בקיצור), ניסוי שהחל ביוני 2017 בתחנת החלל הבינלאומית. NICER צופה בפולסארים, שהם כוכבי ניטרונים מגנטיים מאוד שמסתחררים בשצף קצף ופולטים אלומות אור ששוטפות את החלל. כאשר האלומות הללו חולפות על פני כדור הארץ, אנחנו רואים את הפולסארים מהבהבים, דולקים וכבים,  בקצב של יותר מ-700 פעמים בשנייה. בזכות הניסויים האלה ואחרים, נדמה כעת שהתקווה להבין מה יש בתוך כוכב ניטורונים נמצאת בהישג ידנו. הצוהר שייפתח עבורנו, אם המדענים יצליחו לעשות זאת, ייגע לא רק בקבוצה אחת של מוזרויות קוסמיות, אלא גם בגבולות היסודיים של חומר וכבידה.

ימים על-נוזליים

כוכבי ניטרונים נוצרים בעקבות ההתפרצויות העזות המכונות סופרנובות, שמתרחשות כאשר לכוכבים אוזל הדלק והם מפסיקים לייצר אנרגיה בליבות שלהם. בבת אחת אין יותר שום חוצץ נגד הכבידה, והיא חובטת בכוכב כבוכנה כבירה, מטילה את השכבות החיצוניות החוצה בפיצוץ ומרסקת את הליבה, שבשלב הזה בחיי הכוכב עשויה בעיקר מברזל. הכבידה חזקה עד כדי כך שהיא מרסקת את האטומים, פשוטו כמשמעו, דוחפת את האלקטרונים לתוך הגרעין עד שהם מתמזגים עם הפרוטונים ויוצרים ניטרונים.

"הדחיסות של הברזל גדלה פי מאה אלף בכל כיוון", אומר מרק אלפורד (Alford), פיזיקאי באוניברסיטת וושינגטון. "האטום, שקוטרו לפני כן היה עשירית הננומטר, הופך להיות גוש ניטרונים ברוחב של כמה פמטומטרים בלבד", כלומר כמו לכווץ את כדור הארץ לגודל של בניין מגורים יחיד. (פמטומטר הוא מיליונית הננומטר, שהיא עצמה מיליארדית המטר).

כשקריסת הכוכב מסתיימת, יש בו 20 ניטרונים על כל פרוטון. הוא דומה במידה רבה לגרעין אטום אחד ענקי, מסביר ג'יימס לטימר (Lattimer), אסטרונום באוניברסיטת סטוני ברוק – עם הבדל חשוב אחד. "גרעין האטום שומר על שלמותו בזכות אינטראקציות גרעיניות", הוא . "כוכב ניטרונים שומר על שלמותו בזכות הכבידה".

האסטרונומים וולטר באאד (Baade) ופריץ צוויקי (Zwicky) העלו את אפשרות קיומם של כוכבי ניטרונים בשנת 1934, כתשובה לשאלה מה יישאר אחרי סופרנובה – מונח שהם טבעו אז כדי לתאר את ההתפוצצויות שזוהו ברקיע בזכות הבוהק העז שלהן. זה קרה שנתיים בלבד אחרי שהפיזיקאי הבריטי ג'יימס צ'דוויק (Chadwick) גילה את הניטרון. בתחילה היו מדענים שפקפקו באפשרות שעצמים כל כך קיצוניים יוכלו להתקיים, ורק אחרי שג'וסלין בל ברנל (Bell Burnell) ועמיתיה צפו בפולסארים ב-1967 – וחוקרים אחרים קבעו כעבור שנה שהם אמורים להיות כוכבי ניטרונים שמסתחררים במהירות – הרעיון התקבל בקהילה המדעית.

הפיזיקאים סבורים שהמסה של כוכבי ניטרונים יכולה לנוע בין זו של שמש אחת לשתיים וחצי מסות שמש, ושהם מורכבים כנראה משלוש שכבות לפחות. השכבה החיצונית היא "אטמוספרה" גזית של מימן והליום, שעוביה נע בין כמה סנטימטרים לכמה מטרים. היא צפה מעל "קרום" חיצוני בעובי של קילומטר שעשוי מגרעיני אטומים המאורגנים במבנה גבישי, עם אלקטרונים וניטרונים ביניהם. השכבה השלישית, הפנימית, שממנה מורכב רוב הכוכב, נותרה פחות או יותר תעלומה.הגרעינים שם מצטופפים אלה לצד אלה, צמודים ככל שמאפשרים להם חוקי הפיזיקה הגרעינית, בלי שום מרווחים. ככל שנעים פנימה לכיוון הליבה, מספר הניטרונים בכל גרעין הולך וגדל. בנקודה כלשהי הגרעין אינו יכול להכיל יותר ניטרונים, ואז הם נשפכים החוצה: כעת אין יותר גרעינים, אלא רק נוקליאונים (כלומר, ניטרונים או פרוטונים). ולבסוף, בליבה הפנימית ביותר, גם הם עשויים להתפרק.

"אנחנו נמצאים בממלכה המשוערת שבה איננו יודעים מה קורה בלחצים ובצפיפויות המטורפים הללו", אומר אלפורד. "מה שאנחנו חושבים שעשוי לקרות הוא שהניטרונים ממש יימעכו אלה על גבי אלה, והחפיפה ביניהם תהיה גדולה עד כדי כך שלא נוכל יותר להתייחס לליבה כנוזל של ניטרונים, אלא כנוזל של קווארקים".

איזה צורה לובש הנוזל הזה – השאלה הזאת נותרה פתוחה. אחת האפשרויות היא שהקווארקים יוצרים "על-נוזל", שאין לו שום צמיגות, ולהלכה לא יעצור לעולם מרגע שהחל לנוע. המצב המשונה הזה של החומר מתאפשר מכיוון שקווארקים מרגישים משיכה לקווארקים אחרים, ואם דוחפים אותם מספיק קרוב הם עשויים ליצור "זוגות קופר" קשורים.

הקווארק לכשעצמו הוא פרמיון – סוג של חלקיק קוונטי שהערך של הספין שלו הוא מחצית של מספר שלם. כששני קווארקים הופכים לזוג, הם פועלים יחד כבוזון יחיד – חלקיק שהספין שלו שווה לאפס או אחת או מספר שלם אחר. אחרי השינוי הזה, החלקיק מציית לחוקים אחרים. פרמיונים כבולים לעיקרון האיסור של פאולי, שאומר ששני פרמיונים זהים אינם יכולים "לאכלס" את אותו מצב – אולם על בוזונים לא מוטלות מגבלות כאלה. כל עוד הקווארקים היו פרמיונים, הם נאלצו לקבל אנרגיות גבוהות יותר כדי שיוכלו להיערם זה על זה בתוך כוכב הניטרונים הצפוף. אולם בתור בוזונים הם יכולים להישאר במצב שבו האנרגיה היא הנמוכה ביותר האפשרית – המצב המועדף על כל חלקיק – ועדיין להצטופף זה לצד זה. כשזוגות הקווארקים עושים את זה, הם הופכים לעל-נוזל.

מחוץ לחלק הדחוס ביותר של הליבה, שבו הניטרונים נותרים כנראה שלמים, גם הם יכולים להפוך לזוגות וליצור על-נוזל. למעשה, המדענים בטוחים למדי שהניטרונים בקרום הכוכב אכן עושים את זה. הראיה לכך מגיעה מתצפיות שמראות "צרימות" בפולסאר, כלומר פרקי זמן שבהם כוכב ניטרונים מסתחרר מאיץ במהירות. תיאורטיקנים סבורים שהצרימות הללו מתרחשות כאשר מהירות הסיבוב של הכוכב כמכלול חורגת מהתיאום עם סיבוב העל-נוזל שבתוך הקרום שלו. סיבוב הכוכב כולו מאט עם הזמן באופן טבעי, אולם העל-נוזל שנע ללא חיכוך אינו מאט. כאשר ההפרש בין שני קצבי הסיבוב הללו גדל יותר מדי, העל-נוזל מעביר תנע זוויתי לקרום.

במרכז קסיופאה A יש כוכב ניטרונים שאולי מכיל על-נוזל בליבתו | מקור: נאס"א, CXC ו-SAO

"זה מזכיר רעידת אדמה", אומר לטימר. "מתקבל מעין שיהוק ופרץ אנרגיה, ותדירות הסחרור גדלה לרגע ואז יורדת מחדש לערך המקורי".

בשנת 2011 טענו לטימר ועמיתיו שיתכן שהם מצאו גם ראיה לקיומו של על-נוזל בליבה של כוכב ניטרונים, אולם לטימר מודה שהנושא לא הוכרע עדיין. לצורך מציאת הראיה הזאת חקר הצוות של לטימר, בראשות דני פייג' (Page) מהאוניברסיטה העצמאית הלאומית של מקסיקו, תצפיות קרני רנטגן שנעשו לאורך 15 שנים על קסיופאה A, שיירי סופרנובה שנצפתה לראשונה מכדור הארץ במאה ה-17. המדענים מצאו שקצב ההתקררות של הפולסאר שבמרכז הערפילית היה גבוה מכפי שצפתה התיאוריה המקובלת. אחד ההסברים הוא שרבים מהניטרונים בתוך הכוכב מתחילים להפוך לזוגות ולהיעשות על-נוזל. הזוגות האלה נשברים ונוצרים מחדש, ופולטים חלקיקי נייטרינו שגורמים לכוכב הניטרונים לאבד אנרגיה ולהתקרר."מעולם לא צפינו שנראה דבר כזה", אומר לטימר. "אבל ראו בעצמכם – הנה ניצב לפנינו כוכב בגיל המתאים עבורנו לראות את זה. ההוכחה הסופית תגיע עוד 50 שנה בערך, כשהכוכב יתחיל להאט את קצב ההתקררות שלו, כי ברגע שהעל-נוזל ייווצר, לא תהיה עוד אנרגיה מיותרת לאבד".

קווארקים משונים

על-נוזלים הם רק אחת מהאפשרויות האקזוטיות המצפות מאחורי דלתות המסתורין של כוכבי ניטרונים. יש גם אפשרות שבתוך הכוכבים האלו שוכנים "קווארקים מוזרים" נדירים.

קיימים שישה סוגים שונים, או טעמים, של קווארקים – מעלה, מטה, קסום, מוזר, עליון ותחתון. רק שני הקווארקים הקלים ביותר, מעלה ומטה, מצויים באטומים. שאר הטעמים הם מסיביים ובלתי יציבים עד כדי כך שבדרך כלל הם מופיעים רק כשיירים קצרי חיים של התנגשויות חלקיקים באנרגיה גבוהה שמתרחשות בתוך מרסקי אטומים, כמו מאיץ ההדרונים הגדול במעבדת CERN ליד ז'נווה.

אולם בתוך קרביו הדחוסים להפליא של כוכב ניטרונים, קווארקי המעלה והמטה שבתוך ניטרונים עשויים להפוך לעיתים לקווארקים מוזרים. (שאר הטעמים הבלתי רגילים – קסום, עליון ותחתון – הם מסיביים עד כדי כך שלא נראה שהם ייווצרו אפילו שם). כשקווארקים מוזרים מופיעים ונשארים קשורים לקווארקים אחרים, הם יוצרים ניטרונים מוטנטיים שמכונים היפרונים. קיימת גם האפשרות שהקווארקים הללו כלל אינם שוכנים בתוך חלקיקים – יתכן שהם משוטטים בחופשיות בתוך מעין מרק קווארקים.

כל אחת מהאפשרויות הללו אמורה לשנות את גודלו של כוכב ניטרונים בשיעור שאנו יכולים למדוד. ניטרונים שלמים שנמצאים בתוך הליבה יתנהגו, לדברי ארזומניאן, "כמו גולות, וייצרו ליבה קשה ומוצקה". לליבה המוצקה תהיה נטייה להדוף את השכבות החיצוניות ולהגדיל את הכוכב כולו. מצד שני, אם הניטרונים מתפוררים לנזיד של קווארקים וגלואונים, הם ייצרו כוכב קטן יותר וגם "רך ומעיך יותר", לדבריו.

איורים: נייגל האוטין

ארזומניאן הוא אחד ממנהלי המחקר והמדען הראשי בניסוי NICER, שנועד לקבוע מהי האפשרות הנכונה מבין אלה: "אחד מיעדי המפתח של NICER הוא מדידה של המסה והרדיוס [של כוכב ניטרונים], שתעזור לנו לבחור או לבטל תיאוריות מסוימות של חומר דחוס".

NICER הוא קופסה בגודל של מכונת כביסה, המורכבת על צידה החיצוני של תחנת החלל הבינלאומית. הוא מנטר בקביעות כמה עשרות פולסארים הפזורים בשמיים, במטרה לזהות פוטונים של קרני רנטגן הנפלטים מהם. על ידי מדידה של התזמון והאנרגיה של הפוטונים הללו ושל האופן שבו שדות הכבידה של הכוכבים מכופפים את האור, NICER מאפשר למדענים לחשב את המסות והרדיוסים של קבוצת פולסארים, ולהשוות ביניהם.

"אם NICER יגלה כוכבים שהמסה שלהם פחות או יותר זהה אבל עם רדיוסים שונים מאוד, נדע שקורה פה משהו מוזר", אומר אלפורד, "סוג חדש של חומר שגורם לכוכב להתכווץ כשהוא מופיע". תמורה כזאת תוכל לקרות למשל כאשר ניטרונים מתפרקים לקווארקים ולגלואונים.

מדידת הגדלים של כוכבי ניטרונים היא דרך שימושית לצמצם את טווח הצורות האפשריות שהחומר בתוך כוכבי ניטרונים יכול ללבוש. בעבר חשבו מדענים שמחצית מהניטרונים בכל כוכב ניטרונים יהפכו להיפרונים המכילים קווארקים מוזרים. חישובים תיאורטיים הראו שהמסה של כוכב כזה, עשיר בהיפרונים, לא תוכל לעלות על 1.5 מסות שמש. אולם ב-2010, קבוצת אסטרונומים בראשותו של פול דמורסט (Demorest) מהמצפה הלאומי לאסטרונומיית רדיו בארצות הברית מדדה את המסה של כוכב ניטרונים אחד ומצאו שהיא 1.97 מסות שמש, וכך שללה כמה מהתיאוריות הנוגעות לקרביהם של כוכבי ניטרונים. כיום פיזיקאים מעריכים שלא יותר מעשרה אחוזים מכוכב ניטרונים יכולים להיות מורכבים מהיפרונים.

בלשים באתר התרסקות

חקר כוכבי ניטרונים בודדים יכול ללמד אותנו הרבה, אבל נוכל ללמוד הרבה יותר כששניים מהם מתנגשים. במשך שנים טלסקופים זיהו פרצי אור, המכונים התפרצויות קרני גמא, שחוקרים חשדו כי מקורם הוא בהתנגשות בין שני כוכבי ניטרונים. זיהוי גלי הכבידה באוגוסט 2017 היה עבור האסטרונומים אישוש ראשון של התמזגות של כוכבי ניטרונים.

ב-17 באוגוסט 2017 בפרט, שני ניסויים – מצפה גלי הכבידה באמצעות אינטרפרומטר הלייזר LIGO (שבסיסו במדינת וושינגטון ובלואיזיאנה), ופרויקט וירגו האירופי (שבסיסו סמוך לפיזה באיטליה) – זיהו בו זמנית אדוות כבידתיות שנוצרו כששני כוכבי ניטרונים חגו בתנועה לוליינית זה לקראת זה ולבסוף התמזגו ויצרו כוכב ניטרונים יחיד או חור שחור.

לא היה זה הזיהוי הראשון של גלי כבידה, אולם כל ההופעות הקודמות נוצרו על ידי התנגשויות של שני חורים שחורים. עד התאריך הזה לא נצפו מעולם גלים המגיעים מכוכבי ניטרונים. זאת הייתה גם הפעם הראשונה שטלסקופים הגיבו לזיהוי גלי כבידה וראו אור מגיע מאותו מקום בשמיים באותו רגע. האור והגלים סיפקו יחד שפע של מידע בנוגע למקום ההתרסקות ולאופן התרחשותה, והעניקו שי לפיזיקאים החוקרים כוכבי ניטרונים. "הייתי בהלם", מספר לטימר על הגילוי המוצלח. "זה היה דבר שלא העזתי אפילו לחלום עליו".