פיצוצים ארוכים במיוחד מאתגרים את התיאוריות שלנו לגבי קטקליזמות קוסמיות | מגזין קוונטה

ב-11 בדצמבר 2021, קרן של קרני גמא - צורת האור האנרגטית ביותר - נחבטה בלוויין סוויפט של נאס"א. תוך 120 שניות, הלוויין הסתובב לעבר הפיצוץ וזיהה את הגחלים הזוהרות של אסון קוסמי. עשר דקות לאחר מכן, יצאו התראות לאסטרונומים ברחבי העולם.

ביניהם היה ג'יליאן רסטינז'אד, סטודנט לתואר שני באוניברסיטת נורת'ווסטרן. לראסטינז'אד ומשתפי הפעולה שלה, פרץ קרני הגמא הזה נראה דומה באופן מוזר לפרץ יוצא דופן משנת 2006. רסטינז'אד התקשר למצפה תאומים בהוואי וגייס לשם חוקרים כדי לבהות עמוק בחלקת השמים שממנו הגיע הפרץ. כמה ימים לאחר מכן, כאשר עננים התגלגלו פנימה, השתלטה עליו חוקרת במצפה הכוכבים MMT באריזונה, ועשתה כמיטב יכולתה לשמור על הטלסקופ מאומן על נקודת האור הדועכת במרחק מיליארד שנות אור.

זה היה הישג לא קטן בהתחשב בעובדה שמזג האוויר הפך גם שם, אמר רסטינז'אד. "היא מצאה לנו חור בעננים בסביבות 4 בבוקר כל יום."

עד ששרשרת התצפיות הסתיימה כעבור שבוע בערך, לרסטינז'אד ועמיתיה היה מושג די טוב על מה שיגר את קרני הגמא הללו על פני היקום. בזמן שהם צפו, התוצאות של הפרץ הפכו לאדומות יותר ויותר - סימן שאין לטעות בו שבפסולת מחושלים אטומים כבדים כמו זהב ופלטינה. המקור העיקרי לאלכימיה קוסמית כזו הוא התנגשויות הכוללות כוכבי נויטרונים, הליבות הצפופות בצורה בלתי נתפסת של שמשות מתות.

הבעיה היחידה הייתה שמסקנה כזו נראתה בלתי אפשרית. כשכוכבי נויטרונים מתמזגים, חושדים אסטרופיזיקאים, הכל נגמר בשבריר שנייה. אבל סוויפט תיעדה הפצצת קרני גמא שנמשכה 51 שניות אינסופיות יחסית - בדרך כלל חתימה של סוג שונה מאוד של דרמה קוסמית.

מאז, אסטרונומים זיהו אירועים נוספים כמו זה. האחרון התרחש במרץ, כאשר פרץ קרני הגמא השני בגודלו שזוהה אי פעם נמשך 35 שניות. שוב, אסטרונומים צפו בתוצאות האדומות של התנגשות כוכבי נויטרונים. הם גם גייסו את טלסקופ החלל ג'יימס ווב ללמוד את הפרץ המוזר והבחינו בסימנים של היסוד הכבד טלוריום באבק השוקע.

יחד, שורת התצפיות מביאה תעלומה חדשה לאזור של אסטרונומיה שרוב החוקרים ראו בהתיישבות: מה גורם לאירועים האלימים כביכול מהירים אלה לפוצץ קרני גמא כל כך הרבה זמן? זו חידה שאסטרופיזיקאים יצטרכו לפתור אם הם רוצים להשיג את המטרה השאפתנית יותר של הבנת מקורותיהם של כל היסודות השונים ביקום, שרבים מהם נולדים מההתפרצויות האלימות הללו.

"ממש התרגשתי לראות את זה," אמר דניאל קאסן, אסטרופיזיקאי מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, המתמחה בפיצוצים קוסמיים. "זה הציב פאזל אמיתי."

מלחמה קרה, פיצוצים מבריקים

כיום, סוויפט קולטת התפרצות של קרני גמא כל כמה ימים. אבל הפיצוצים לא היו ידועים עד לשיא המלחמה הקרה, אז הופיעו משום מקום. בשנות ה-1960, חיל האוויר האמריקני שיגר את לווייני Vela כדי לוודא שברית המועצות מצייתת לאיסור על ניסויים בנשק גרעיני. אם הסובייטים פוצצו פצצה גרעינית בחלל, יהיה בלתי אפשרי להסתיר את הבזק של קרני גמא שנוצר - גלי אור אנרגטיים קצרים כמו גרעין אטום.

הלוויינים לא זיהו שום הפרות סובייטיות. אבל בין 1969 ל-1972, הם אכן התגברו 16 הבזקים מסתוריים של קרני גמא שחוקרים במעבדה הלאומית של לוס אלמוס קבעו שהן מ"מקור קוסמי".

בעשורים הבאים נאס"א החלה בחקירה. סוכנות החלל שיגרה א לוויין ייעודי לציד מתפרצים בשנת 1991, ובמהלך תשע השנים הבאות, הוא זיהה כמעט 3,000 התפרצויות קרני גמא. האירועים הגיעו בשני סוגים: קצר וארוך. רוב התפרצויות הקצרות נמשכו פחות משנייה, בעוד שהתפרצויות ארוכות רבות נמשכו במשך דקה או יותר (הקו המפריד בין שני הטעמים מגיע בסביבות שתי שניות).

כל מה שגרם להתפרצויות הללו נראה קטסטרופלי; בפחות ממחצית משך הזמן של שיר פופ, הם פלטו בערך אנרגיה כמו שהשמש שלנו מייצרת במשך מיליארדי שנים. מה יכול להתלקח כל כך בהיר? אסטרופיזיקאים בתחילה לא היו בטוחים, אבל האנרגיות האדירות הכרוכות בכך הצביעו על קטקליזמות שמסיימות את העולם. ושני התקופות רמזו על שני סוגים של קטסטרופות, מהיר יותר שנמשך בסביבות שנייה ואחד (קצת) איטי יותר המתפרש על פני דקה.

אסטרונומים מצאו תחילה את מקור ההתפרצויות האיטיות יותר. בסוף שנות ה-1990, כאשר החוקרים השתפרו באיתור הכיוון שממנו הגיע פרץ, הם החלו לתפוס זוהרים לאחר שרמזו על פיצוצים קוסמיים. ואז, בשנת 2003, אסטרונומים שצפו בזוהר סמוך ראו את זיקוקים מבריקים של סופרנובה ימים ספורים לאחר התפרצות ארוכה של קרני גמא: ההתפרצות סימנה את השלב הראשון במותו של כוכב ענק.

הבנת האסון המהיר יותר ייקח עוד עשור וכלים חדים יותר. הוכח שהמכשיר פורץ הדרך הוא לוויין הסוויפט של נאס"א. סוויפט, שהושק בשנת 2004, כלל לוח עופרת בדוגמת מטר באורך מטר שיכולה ללכוד קרני גמא משטח רחב של השמים. באופן מכריע, יש לו גם את היכולת הייחודית לסובב במהירות זוג טלסקופים על הסיפון לכיוון של כל התפרצות אסטרונומית. (לפי הידע בקרב מדעני סוויפט, טכנולוגיית הצבע וירה זו פותחה בחלקה עבור פרויקט הגנה אחר של המלחמה הקרה: יוזמת ההגנה האסטרטגית של רונלד רייגן - הידועה באופן לא רשמי בשם "מלחמת הכוכבים" - שמטרתה הייתה להפיל טילים גרעיניים באמצע טיסה. )

עם סוויפט, אסטרונומים יכלו כעת להבחין בפרץ תוך שתי דקות - מהר מספיק כדי לתפוס את זוהרי האחורי של התפרצויות קרני גמא קצרות בפעם הראשונה. בזמן שצפו בהבזק הראשוני דועך, אסטרונומים ראו גם סימנים לפיצוץ שהתפתח בעקבותיו, כזה שהלך וגדל עם הזמן. אסטרופיזיקאים חישבו עד מהרה שאדמומיות זו צפויה לאחר מיזוג הכולל כוכב נויטרונים (שיכול להיות התנפצות בין שני כוכבי נויטרונים או בין כוכב נויטרונים לחור שחור). התנגשות כזו תגרש פסולת שחסמה אורכי גל קצרים וכחולים יותר של אור. התאמת הפיצוצים האלה, שכונו קילנובות, עם הבזקי קרני הגמא הקצרים שקדמו להם סיפקה עדות נסיבתית חזקה לכך שמיזוג כוכבי נויטרונים היו הקטסטרופה הקצרה.

ראיה ישירה הגיע ב-17 באוגוסט 2017. שני כוכבי נויטרונים סמוכים התנגשו והרעידו את מרקם המרחב-זמן, ויצרו גלי כבידה שמצפה הכבידה-גלי הלייזר (LIGO) יכול היה לזהות. על ידי קריאת המידע המקודד באדוות הללו, מדענים יחשבו מאוחר יותר את המסות של העצמים המתנגשים וילמדו שהם כוכבי נויטרונים. מיד לאחר הגעת גלי הכבידה, טלסקופ החלל פרמי קרני גמא קלט פרץ קרני גמא באורך שתי שניות. ובימים שלאחר מכן, אסטרונומים ראו את האדמומיות המובהקת של קילונובה באותו מקום שבו התפרץ קרני הגמא. ה שלוש תצפיות גב אל גב השאיר מעט מקום לספק: התפרצויות קצרות עלולות להגיע ממיזוג כוכבי נויטרונים.

"זה חיזק הכל," אמר בריאן מצגר, אסטרופיזיקאי מאוניברסיטת קולומביה ואחד התיאורטיקנים שחזו לראשונה כיצד תיראה הקילונובה לאחר מיזוג. "[חשבנו] 'בסדר, התמונה הזו באמת הגיונית'".

התמונה הזו מתחילה כעת להישבר.

טוויסט של מערכה שלישית

ראשון הגיע זה של רסטינז'אד פרץ של 51 שניות בסוף 2021. זה נראה הרבה כמו פרץ סמוך ארוך מ-2006, שלמרבה התמיהה, נראה היה חסר סופרנובה. אבל עם מכשירים מודרניים והבנה מעמיקה יותר של מה לחפש, ראסטינאד ועמיתיו הצליחו לראות מה לא היה לאסטרונומים ב-2006: ההתפרצות של 2021 הייתה אחריה קילונובה אדומה עמומה.

ההתבוננות הזו עוררה אנדרו לוון מאוניברסיטת רדבוד כדי לבקר מחדש בפרץ מסתורי בן 64 שניות שהוא תמה עליו מאז 2019. ההתפרצות התרחשה בלב גלקסיה עתיקה שבה לידות ומוות של כוכבים (בצורת סופרנובות) פסקו לפני עידנים. ביוני, לבאן ומשתפי הפעולה שלו התווכחו שההסבר הסביר ביותר להתפרצות הארוכה שלהם היה ששתי גופות כוכבים - שלפחות אחת מהן הייתה כנראה כוכב נויטרונים - מצאו זו את זו והתמזגו.

ועכשיו, טלסקופ החלל ג'יימס ווב סיפק את התצוגה הבהירה ביותר עד כה של מה שמגיע לאחר פרץ חריג. כשההתפרצות של 35 שניות הגיעה לכדור הארץ ב-7 במרץ, לוח העופרת של סוויפט חישת קרני גמא פנה לכיוון אחר. הקרניים האנרגטיות זוהו בעיקר על ידי פרמי, אשר קבע אותה כפרץ קרני הגמא השני בגודלו בכל הזמנים (בהמשך אירוע שיא ב 2022).

במקום סוויפט, אסטרונומים השתמשו בצי בין-כוכבי של חלליות (כולל בדיקות במאדים ובמרקורי) כדי לאתר את מיקומו של ההתפרצות. בימים שלאחר מכן, כאשר טלסקופים על הקרקע שוב ראו את האדום המובהק של קילונובה, ירה לוון במהירות בקשת חירום לתצפית כמעט בזמן אמת של JWST באירוע. "למזלנו, הם אמרו שכן", אמר לוון. "זה איפשר לנו לקבל את התצפיות האלה כחודש לאחר ההתפרצות הראשונית."

JWST אסף בוננזה של נתונים משדה הפסולת המתנפח. טלסקופים אופטיים אינם יכולים לראות לעומק את ענן הקילונובה העבה, בדיוק מהסיבה שהאירוע שובה את האסטרופיזיקאים: הוא פולט החוצה אטומים ענקיים חוסמי אור דרך שרשרת אירועים ארקייניים הידועה בשם r-תהליך.

כוכבים מתמזגים בדרך כלל אטומי מימן להליום ואז מאוחר יותר מתמזגים אטומים קלים יותר לאטומים קצת יותר כבדים כמו חמצן ופחמן. ה rתהליך הוא אחת הדרכים היחידות לזנק היישר אל האלמנטים הכבדים ביותר בטבע. הסיבה לכך היא התנגשות כוכב נויטרונים יוצרת מערבולת צפופה של נויטרונים. בתוך הכאוס, נויטרונים שוב ושוב חודרים את דרכם לתוך הליבות האטומיות, ויוצרים אטומים מאוד לא יציבים ורדיואקטיביים. כאשר ניוטרונים באטומים אלה מתפוררים, הם מתמרדים לפרוטונים. אם בסופו של דבר אתה מקבל 78 פרוטונים, זה אטום של פלטינה. אם אתה מקבל 79 פרוטונים, זה זהב.

האטומים המגושמים שנוצרו על ידי אבק של כוכב נויטרונים חוסמים אור נראה ומאירים בעיקר באור אינפרא אדום. זו הסיבה ש-JWST - טלסקופ אינפרא אדום - התאים כל כך להצצה לתוך ענן קילונובה. "מעולם לא ראינו קילונובה עם JWST בעבר", אמר מצגר. "זה הכלי המושלם."

בפסולת, הבחין JWST באטומי טלוריום (52 פרוטונים), מה שמאשר כי מיזוג כוכבי נויטרונים יכולים לגבש את היסודות הכבדים למדי לקראת סוף השורה החמישית של הטבלה המחזורית. "זה אלמנט הרבה יותר כבד מאלה שראינו בעבר", אמר לוון.

אבל במקביל, תצפית JWST מוסיפה להבנה ההולכת וגוברת, שללא קשר למידת הסבירות שפעם זה נראה, מיזוגים הכוללים כוכבי נויטרונים יכולים לייצר התפרצויות קרני גמא ארוכים. השאלה כעת היא: איך?

חפצים צפופים, פרצים ארוכים

סופרנובות יורות התפרצויות קרני גמא ארוכים מכיוון שפיצוצי כוכבים הם איטיים ומבולגנים יחסית. מותו של כוכב ענק מתחיל כשהמרכז שלו מתמוטט לתוך חור שחור. לאחר שזה קורה, כמות ניכרת של חומרי הכוכבים החיצוניים - אולי מסתכמת במסה של כמה שמשות - מסתחררת לתוך החור השחור, ומשגרת סילוני חלקיקים רבי עוצמה שיורים קרני גמא לתוך הריק למשך עד מספר דקות.

לעומת זאת, מיזוגים של כוכבי ניוטרונים אמורים להסתיים במהירות הבזק. כוכב נויטרונים אורז את המסה של שמש בערך לתוך כדור חלק וזעיר שרוחבו רק כמה קילומטרים. כאשר שניים מאותם כדורים צפופים מתנגשים - או כאשר אחד מכה לתוך חור שחור - החומר קורס לחור שחור. במהלך העווית האחרונה, הרבה פחות שאריות חומר נזרקות למסלול מאשר במקרה של קריסת כוכבים. בעוד החור השחור מטפח את החטיף הקל הזה, שעשוי לשקול פי 10 פחות מהשמש, הוא מפעיל לזמן קצר סילונים (והתפרצות של קרני גמא) הנמשכים עשיריות השנייה.

התצפיות החדשות של לבאן, רסטינז'אד ואחרות מתנגשות עם התמונה המהירה והנקייה הזו של מיזוג כוכבי נויטרונים. "זה לא הגיוני לקבל פרץ של 10 שניות ממערכת שחיה רק ​​שבריר שנייה", אמר בצר גוטליב, אסטרופיזיקאי חישובי במכון פלטירון שלא היה מעורב בתצפיות.

אפשרות אחת היא שמשהו גדול ומבולגן יותר מכוכבי נויטרונים שולח את הפיצוצים המתמשכים האלה. במיוחד, משך הזמן הארוך יותר שלהם יתאים באופן טבעי יותר למיזוג בין גמד לבן - סוג גדול יותר של גופת כוכבים שנותרה מאחור כאשר לכוכב קטן נגמר הדלק - לבין חור שחור או כוכב נויטרונים. תרחיש זה מביא ליותר חומר הסובב חור שחור. אבל לא ברור אם התנגשויות בהן מעורבים גמדים לבנים יפיקו את הסוגים הנכונים של התפרצויות קרני גמא, או אפילו קילונובות. "כל התופעה נחקרה הרבה פחות", אמר קאסן מברקלי. "אנחנו עובדים על זה עכשיו."

אפשרות נוספת היא שהתפרצויות קרני הגמא הארוכות כלל לא נובעות מחגיגת חורים שחורים של יילוד. במקום זאת, אם תרסק שני כוכבי נויטרונים זעירים והכתם שנוצר מסתובב מהר מספיק, הוא עלול להתנגד לקריסה לתוך חור שחור למשך כמה דקות. העצם קצר-החיים יהיה כוכב נויטרונים ממוגנט מאוד - "מגנטר" - שיפלוט התפרצות קרני גמא ארוכה יותר עם האטה בסיבובו. מצגר עזר לממש את התרחיש הזה, אבל אפילו הוא רואה בזה רעיון קיצוני. "אני עדיין קצת סקפטי לגבי זה", אמר.

האפשרות השמרנית ביותר, אמר מצגר, היא שמיזוגים הכוללים כוכבי נויטרונים פשוט מבולגנים יותר ממה שחשבו אסטרופיזיקאים. במהלך הקיץ, סימולציות מפורטות משיתוף פעולה בראשות גוטליב העלה כי זה עשוי להיות המקרה לעתים קרובות. במיוחד, כאשר כוכב נויטרונים קל נפגש עם חור שחור מסתובב כבד מספיק, כוכב הנייטרונים מסתחרר פנימה והחור השחור מפורר אותו על פני מאות מסלולים, ומשאיר דיסק כבד יותר של חומר שהחור השחור צריך עשרות שניות כדי לצרוך אותו. . תוך הדמיית התנגשויות בין כוכבי נויטרונים וחורים שחורים, גוטליב, מצגר ושותפי פעולה מצאו שדיסקים כבדים יותר המניעים התפרצויות קרני גמא ארוכים יותר היו נפוצים למדי.

למעשה, בטוויסט אירוני, הסימולציות שלהם לא יצרו את ההתפרצויות הקצרות שנצפו לעתים קרובות באותה קלות כמו התפרצויות הארוכות, מה שמעלה שאלות לגבי מה בדיוק מניע את ההתפרצויות הקצרות.

"אנחנו לא מבינים את הדברים האלה לגמרי", אמר גוטליב. "אני חושב שזו כנראה הבעיה הגדולה ביותר כעת."

מילוי הפערים

כדי להבין מה באמת יורד כאשר כוכבים מתים מתנגשים, אסטרונומים יצטרכו להכפיל את מאמציהם לבנות קטלוג מפורט של התפרצויות קרני גמא, מכיוון שמה שהם הניחו להיות קבוצה של פיצוצים בעיקר מונעי סופרנובה נראה כעת מעורבב עם מספר לא ידוע של מיזוגים של כוכבי נויטרונים. זה ידרוש ציד אחר קילונובות - החתימה של התנגשויות - גם לאחר התפרצויות ארוכים וגם קצרים. אם ההבחנה בין ארוך לקצר נמשכת, זה יכול להיות סימן שיש יותר מדרך אחת לבשל קילונובה.

"אנחנו לומדים שבכל פעם שיש אירוע קרוב יחסית, אנחנו צריכים ללכת על זה", אמר רסטינז'אד.

LIGO גם ימלא תפקיד קריטי. המצפה היה במצב לא מקוון לצורך שדרוגים במהלך ההתפרצויות המוזרות האחרונות הללו, אך הוא נמצא כעת באמצע הריצה הרביעית שלו ומאזין להתנגשויות הרחוקות. אם LIGO יכול לקלוט גלי כבידה המגיעים מהתפרצות ארוכה של קרני גמא, המדענים יידעו אם היו מעורבים כוכבי נויטרונים או חורים שחורים. זה גם יאפשר להם לשלול ננסים לבנים, שאינם גורמים לגלי כבידה לזיהוי על ידי LIGO. תנודות מפורטות בגלים במצפה כוכבים עתידיים עשויים אפילו להציע רמזים לגבי האם התוצר המיידי היה מגנטי או חור שחור.

"[גלי כבידה] יהיו באמת הדרך המוחלטת היחידה קדימה בשאלה זו", אמר מצגר.

על ידי תחושת הרעש הכבידתי של מיזוג כוכבי נויטרונים ותצפית בהתפרצויות קרני גמא ובקילונובות, אסטרופיזיקאים עשויים בסופו של דבר להגשים את מטרתם ארוכת הטווח של הסבר מלא על מקורו של כל חומר ביקום - ממימן לפלטינה ועד פלוטוניום. כדי לעשות זאת, הם צריכים לדעת אילו סוגי מיזוגים מתרחשים, באיזו תדירות כל סוג הוא, אילו אלמנטים כל סוג מייצר ובאילו כמויות, ואיזה תפקיד ממלאים אירועים אחרים כמו סופרנובות. זו משימה מרתיעה שרק מתחילה.

"עדיין יש מטרה מרכזית לפתח את האתרים האסטרופיזיים שבהם נוצר כל אלמנט בודד בטבלה המחזורית", אמר לוון. "יש עדיין ריקים, ולכן אנחנו חושבים שזה מתחיל למלא כמה מהחסרים החשובים האלה".

הערת העורך: מכון פלטירון ממומן על ידי קרן סימונס, המממנת גם מגזין עצמאי זה מבחינה עריכה. לא למכון פלטירון ולא לקרן סימונס יש השפעה כלשהי על הסיקור שלנו. מידע נוסף זמין כאן.