יום ראשון, 4 בספטמבר 2011

שביל החלב בשלוש שניות בודדות


נהר די-נור הוא שמו העתיק של שביל החלב. מקור השם ארמי, ותרגומו המילולי לעברית - נהר האור. מראהו של נהר האור בלילות חשוכים ושקופים הפעים דורות רבים של שוחרי-שמיים; הלב מתרחב וה"אני" מצטמק למראה אלף ריבוא גרגרי הזוהר הזערוריים המבליחים במרחקים שאין להם אומד. מבחינה זו יצאו הדורות האחרונים מקופחים במקצת בעטיו של זיהום מסוג מיוחד במינו האוטם את השמיים בסמיכה עבה של... אור. בארצנו שלנו לא נותר לפליטה ולו מקום אחד בו לא קיים זיהום אור כלשהו בכיוון כלשהו. זיהום האור מתעצם היכן שהאוויר רווי אירוסולים או אדי מים וכך נמנע משוכני הערים והפריפריה האורבנית להביט בפלא הזה. אפילו מרחבי הנגב אינם עוד מה שהיו ולא ימצא מקום אחד לפליטה בו שוררת חשיכה מוחלטת בכל הכיוונים...




הגלקסיה של שביל החלב היא יקום בפני עצמו במלוא מובן המילה, אי עצום ורב של חומר במרחבי אין-חקר של "ריק". ככל הידוע לי, כמות החומר הנראה המצוי בשביל החלב משתווה לכ-400 מיליארד מסות שמש (בויקיפדיה טוענים, כ-700 מיליארד); מסת השמש שווה לכ-333 אלף מסות כדור הארץ. לכן מסתו של שביל החלב שקולה בערך למסתם של לא פחות מ-133 אלף טריליוני כדורי ארץ... ועם זאת רוב רובו של המרחב הפנים-גלקטי הוא ריק מפאת המימדים העצומים של הגלקסיה. מערכת השמש שלנו, למשל, נמצאת בתוך זרוע המכילה אינספור כוכבים (זרוע אוריון), אבל המרחק הממוצע בין כל אחד ואחד מהם נמדד בשנות אור. שנת אור אחת שקולה לכעשרת אלפים מיליארד קילומטרים. הכוכב הקרוב ביותר למערכת השמש הוא פרוקסימה צנטאורי ומרחקו מאיתנו קצת יותר מארבע שנות אור. מכאן ועד שם - ריק כמעט מושלם.

קוטרה של הגלקסיה של שביל החלב הוא כ-100 אלף שנות אור שהם מיליארד מיליארדי קילומטרים(!). מערכת השמש מרוחקת כדי 27 אלף שנות אור ממרכז הגלקסיה (הערכות שונות נעות בין 25 אלף שנות אור ל-28 אלף שנות אור). לו היינו פוצחים במסע לעבר מרכז הגלקסיה במהירות הקרובה כרצוננו למהירות האור (ביחס לכדה"א), לא היינו מגיעים למחוז חפצנו אלא בתום 27 אלף שנים תמימות (שעון כדה"א). המהירות הגבוהה ביותר בה נוכל לשנע עצמנו בפועל באמצעות טכנולוגיות בנות-קיימא היא כשלושים קילומטרים בשנייה**. והיה והיינו מצליחים לנוע במהירות הגבוהה פי עשרה מזו הניתנת להשגה כיום, דהיינו, במהירות של שלוש-מאות קילומטרים בשנייה, עדיין הייתה שעיטתינו מגוחכת להפליא במונחים יחסותיים, בסך הכל אלפית ממהירות האור... אזי, אפילו במהירות הפנטסטית-המגוכחת הזו (מת"א לאילת בשנייה אחת!), אפילו אז, היה עורך מסענו לעבר מרכז גלקסיית הבית שלנו לא פחות מ-27 מיליון שנים תמימות.

עד כמה מבודד האי היקומי שלנו בתוך המרחב הבין-גלקטי? ובכן, מבודד עד מאוד. בסביבתנו עוד כמה עשרות בודדות של גלקסיות, רובן ננסיות. זוהי החבורה המקומית. הגלקסיה היחידה השייכת לחבורה המקומית שמסתה מסדר הגודל של מסת שביל החלב (ואף יותר) היא גלקסיית אנדרומדה, ומרחקה משביל החלב כשניים וחצי מליון שנות אור. מסע לשם במהירות הקרובה למהירות האור היה אורך שניים וחצי מליון שנים, זמן כדה"א. מסע במהירות היותר ריאלית של שלוש מאות קילומטרים בשניה (כזכור, אלפית ממהירות האור ופי עשר מיכולותינו העכשוויות) היה אורך לא פחות משניים וחצי מיליארדי שנים... ופה מדובר רק על הגלקסיה השכנה בתוך החבורה המקומית. שערו בנפשיכם מסע לעבר צבירי גלקסיות מרוחקים. 

אלא שיש באופן שבו אני מציג את הדברים איזה קאץ', מעין "גניבת-דעת" תמימה, שמקורה בנקודת המבט האנושית, הגלילאנית, הנאיבית כל כך... כידוע, כל מערכות ההתמד שקולות זו לזו מבחינה פיזיקלית. מטבע הדברים חלק ממערכות ההתמד נעות במהירויות פנטסטיות ביחס לאחרות, ואז אי אפשר עוד להתעלם מהתוצאים של היחסות הפרטית הנוגעים ישירות לתפיסת הזמן והמרחב.

כדור הארץ מופגז כל העת בקרינה קוסמית שמרכיביה הם בעיקר פרוטונים. בכל שנייה ושנייה פוגעים בכל מטר רבוע של תקרת האטמוספירה כ-200 פרוטונים בעלי אנרגיה של כמה Mev. ואולם, מפעם בפעם מגיחים מכיוונים מאוד מסויימים פרוטונים בעלי אנרגיה הגבוהה עד פי מיליון מיליארדים מהערך הזה. פרוטונים אלו הואצו למהירויות פנטסטיות באמצעות גרעינים פעילים של גלקסיות: מרבית הגלקסיות מאכלסות בליבתן חור שחור סופר-מסיבי שמסתו נעה בין כמה מיליוני לכמה מיליארדי מסות שמש, המכונה גרעין הגלקסיה. גם שביל החלב מארח במרכזו גרעין כזה (סגיטריוס A* שמו), ומסתו כ-4.3 מיליון מסות שמש (לפי מדידות אחרונות). במרבית המקרים הגרעין "רדום" ואולם בחלק מהגלקסיות הגרעין "זולל" את הגלקסיה המארחת... תהליך הזלילה הזה משמש מנוע האצה רב עוצמה לחלקיקים טעונים, בעיקר פרוטונים. גם הקניבל הסופר-מסיבי, כך מסתבר, מגהק בעת ארוחה דשנה.

ברור שלא כל מנועי ההאצה זהים זה לזה. גם לא לכל הפרוטונים שבקרינה הקוסמית הפרוטונית אותה היסטוריית מסע: הללו צפויים לבצע אינטראקציה עם חלקיקים אחרים בדרך, למשל להתפזר על פוטונים, ואגב כך לאבד אנרגיה. היות והמסע אורך עשרות ושמא מאות מליוני שנים, נוכל לצפות להתפלגות רציפה של אנרגיות, ובתוך כך ערכי אנרגיה גבוהים ככל שנחפוץ, גם אם ארועים שכאלו הם נדירים שבנדירים. ואולם, תצפיות דקדקניות מצביעות על כך שלא זו תמונת המצב... ממדידות שערך צוות Auger (תקציר המאמר המדעי מופיע כאן) עולה שהקרינה הקוסמית האנרגטית ביותר מגיעה אל כדור הארץ מגרעינים פעילים של גלקסיות בטווח של כשבעים וחמישה מגה-פרסק (אחד פרסק שווה כ-3.26 שנות אור), והאנרגיה של הפרוטונים הללו - כך מסתבר - חסומה מלמעלה.

מהו, אם כן, מקורו של החסם העליון הזה? כאשר אנרגיית הפרוטונים גדלה, גדל גם חתך הפעולה לאינטראקציה שלהם עם הפוטונים של קרינת הרקע הקוסמית. כזכור, קרינת הרקע הקוסמית (להבדיל מהקרינה הקוסמית הפרוטונית) היא הקרינה השיורית מימי ילדותו של היקום, קרינה שהשתחררה מאחיזת החומר ברגע שמרכיבי האטום התלכדו והיקום הפך להיות שקוף (ראו הקישור לויקיפדיה). עם התפשטות היקום, ובחלוף העיתים, הלכה קרינה זו והתקררה עד לטמפרטורה ממוצעת של 2.7 מעלות קלווין כיום. ערך זה הוא כל כך נמוך עד כי חתך הפעולה לאינטראקציה בין הפוטונים בקרינת הרקע הקוסמית לפרוטונים האנרגטיים לגמרי זניח... אלא אם האנרגיה של אלו האחרונים גבוהה מ- \(6\times10^{19}\:\text{eV}\).

שהרי מעבר לסף אנרגיה זה מתאפשרת ריאקציה שבה הפרוטונים שהואצו והפוטונים שבקרינת הרקע הקוסמית מייצרים מקלחת של פיונים. מכאן והלאה, וככל שערך האנרגיה של הפרוטונים גדל, גדל גם חתך הפעולה לאינטראקציה בינם לבין קרינת הרקע הקוסמית, היקום חדל להיות שקוף עבורם, ואורך המסלול החופשי הממוצע (mean free path) מתקצר באופן דרסטי. ערך הסף לאנרגיה של הפורוטונים המגיחים ממנועי ההאצה דלעיל ואשר מגיעים עד הלום הוא מסדר גודל של \(10^{21}\:\text{eV}\), אלא ששטף הקרינה באנרגיות אלו קטן ביותר, אולי מאורע בודד על פני כל הגלובוס פעם במאה שנה, אולי פחות... זהו אם כן החסם העליון לאנרגיה בקרינה הקוסמית הפרוטונית; פרוטונים הנורים ממנועי האצה רחוקים יותר נבלמים בדרך, ומנועי ההאצה הקרובים יותר ממילא אינם מספיק אנרגטיים לטעון את הפרוטונים באנרגיות מסדר גודל דומה.

שטף הקרינה הקוסמית הפרוטונית כנגד אנרגיית
הפרוטונים. הקווים האופקיים בגרף מציינים
מאורע פר יחידת שטח פר יחידת זמן.
מקור: ויקיפדיה

אבל עשר בחזקת עשרים ואחת אלקטרון-וולט זה לגמרי לא מעט... מחד גיסא, מסת המנוחה של הפרוטון היא מסדר גודל של \(1\:\text{Gev}/c^{2}\:(=10^{9}\:\text{eV}/c^{2})\); מאידך גיסא, המסה היחסותית מקיימת את הקשר \(m=\gamma m_{0}\). מכאן אנו למדים שפקטור גאמה היחסותי של הפרוטונים האנרגטיים ביותר הנבלמים על קרינת הרקע הקוסמית מהלך 75 מגה-פרסק של מעוף הוא מסדר גודל של \(10^{12}\), לא פחות (!) אבל גם לא יותר... באנרגיה פנטסטית זו המהירות המנורמלת \(\beta=v/c\) שווה ל- \(\sqrt{10^{24}-1}/10^{12}\) שזה מאוד קרוב לאחד.

הבה נתבונן בצופה הרוכב על פרוטון בעל אנרגיה של \(10^{21}\:\text{eV}\), וחולף על פני שביל החלב קצת מעל מישור הדיסקה. במסלול זה הכבידה זניחה, ואנו נשארים רק עם התוצאים של היחסות הפרטית. במערכת המנוחה של "רכב הפרוטונים", יהיה זה שביל החלב דווקא שחולף ביעף על פניו. כיוון שכך, יראה לו אורכו של שביל החלב קטן ב-12 סדרי גודל (בכיוון ההתקדמות) ממה שהוא נראה לצופה ממערכת המנוחה של הגלקסיה, כלומר אורכו של שביל החלב יהיה שווה עבורו למיליון קילומטרים בדיוק. זאת ועוד, רכב הפרוטונים שלנו יראה את הגלקסיה של שביל החלב חולפת על פניו במהירות שהיא לכל צורך ועניין שווה למהירות האור (כמובן שאין, ולעולם לא יתקיים שוויון מלא). מכיוון שהאור גומע כשלוש מאות אלף קילומטרים בשנייה, תיארך עבורו חציית הגלקסייה קצת יותר משלוש שניות, ואילו את המרחק בן ארבעים הקילומטרים (...) שבין כדור הארץ לאלפה צנטאורי הוא יגמה בקצת יותר מאחד חלקי עשרת אלפים השנייה... מן הסתם, במהלך הרף-עין זה אנו עצמנו נזדקן בארבע שנים וקצת, ואילו שלושת השניות של חציית הגלקסיה כולה תיארכנה עבורנו לא פחות ממאה אלף שנים תמימות...




** לאמיתו של דבר לא קל לקבוע מהן המהירויות בהן אנו יכולים לשנע עצמנו. מהירותה של מעבורת החלל כ-10 קילומטרים לשנייה בלבד. החללית הליוס2 קבעה באפריל 76 שיא עולמי המחזיק עד עתה: כ- 67 קילומטרים בשנייה. בשני המקרים מדובר בנפילה חופשית סביב גרם שמימי ולכן אפשר לשער שמהירות השיא של הליוס2 הושגה באמצעות "הפלתה" לעבר השמש ו"הנפתה" בנקודת הפריהליון.



אין תגובות:

הוסף רשומת תגובה