יום שישי, 23 בדצמבר 2016

על סביבונים קוסמיים קסומים

מבחינה חומרית אטומים הם בעיקר ריק. שהרי עיקר מסתו של האטום מרוכזת בגרעינו, אצל הנוקלאונים, ואילו שאר המסה - כשלוש עד שש מאיות האחוז בלבד - משוייכת לאלקטרונים והיא מרוחה אי-שם מסביב, ברדיוס הגדול בארבעה עד חמישה סדרי גודל מרדיוס הגרעין. כמה זה חמישה סדרי גודל? פי מאה-אלף. כך למשל אם נמשיל את רדיוס הגרעין למקטע בין מטר אחד, הרי שהאלקטרונים שבאטום מרוחים סביבו ברדיוס של \(100\) קילומטרים...


מרבית החומר המרכיב את היקום הוא מימן. יסוד זה מורכב מפרוטון בודד אשר קוטרו הוא בקירוב אחד פמפטומטר, היינו מיליונית של מיליארדית המטר. מסביבו מרוח אלקטרון בודד עד למרחקים הגדולים פי מאה אלף מקוטרו, והוא תוחם את גבולות האטום: עשירית הננומטר, כלומר עשירית מליארדית המטר. היות ונפח כדור מתכונתי לחזקה השלישית של הרדיוס, יוצא שנפח אטום המימן גדול בחמישה-עשר סדרי גודל מנפח גרעינו... פי מיליון מיליארדים. באטומים כבדים במיוחד מדובר (אם אינני טועה) בשנים-עשר סדרי גודל.

יוצא איפה שלמעלה מ- 99.9% ממסת האטום מרוכזת בנפח המזערי שתופס הגרעין. ומה יש בתוך כל הנפח האדיר של האטום שנמצא מחוץ לגרעין? כאמור, מבחינה חומרית - כמעט ריק.

הבה נבצע חשבון מקורב. גוף האדם של האיש שחיבר את הרשימה הזו הוא בקירוב טוב תמיסת מלחים במשקל של בערך \(80\) קילוגרם (ולאחר טרק בריא של שלושה שבועות, עשרה אחוז פחות). אילו היה מורכב רק ממים היה תופס נפח של \(0.08\) קו"ב, זאת מאחר וצפיפות המים היא כאחד גרם לסמ"ק, או טון אחד למטר מעוקב. לצורך דיוננו זהו מודל די ממצא של מימדנו הפיזיים הממוצעים, דקדוקי עניות כאן הם כמעט חסרי משמעות.

כדי לדעת למה נצטמצם לו היה בידנו לדחוק את האלקטרונים שבנו לעבר גרעיני האטומים, כל שעלינו לעשות הוא לחלק את ניפחנו ב-15 סדרי גודל, מה שמשאיר אותנו (ובמיוחד אותי) עם נפח מזערי של \(8\times10^{-17}\) מטרים מעוקבים. עד לכמה מזעריים הפכנו יעיד קוטרנו החדש: ניקח את השורש השלישי של הנפח, ונקבל 4.3 מיקרון. היות ויש בנו גם כמות מסויימת של יסודות כבדים יותר, יתכן שפספסנו איזה שבר של מיקרון...

הנה כי כן, אם נסלק מאיתנו את כל הריק המרכיב אותנו נישאר עם נפח מסדר גודל של נפחה של בקטריה גדולה. אמנם קשה להאמין, אבל מבחינה חומרית גרידא זה כל מה שאנו... חתיכת בקטריה... אבל איזו בקטריה! בקטריה במסה של כ- \(80\) קילוגרם! בפועל אנו כמובן נפוחים יותר ודלילים יותר והחללים העצומים בתוך כל אטום ובין האטומים "המאחסנים" את השדות האלקטרומגנטיים, הם שמאפשרים את הביוכמיה המקיימת אותנו. 

האם קיים בטבע מצב חמרי יציב שהוא כמעט נטול ריק? האם קיימים גופים מקרוסקופיים הנמצאים במצב הזה? התשובה לכך היא: כן, בהחלט כן, אמנם לא בחיי היום-יום של בני האדם אבל בהחלט כן "בחיי היום-יום" של השמיים.

כוכבים הם כידוע גופים מאוד מסיביים וליבתם היא כור היתוך בו מותכים גרעיני יסודות קלים לגרעיני יסודות כבדים יותר. מסתו של כוכב עשוייה להיות נמוכה עד כדי אחד חלקי עשרים ממסת השמש שלנו (השקולה למסתם של שליש מליון כדורי ארץ), וגבוהה עד כדי כמה מאות מסות שמש. עיקר הרכבו של כוכב במהלך חייו היציבים הוא אטומי מימן והליום, ואולם לקראת סיומה של תקופת היציבות נערמות בליבתו גם כמויות לא מבוטלות של יסודות כבדים יותר דוגמת פחמן, חמצן, ניאון, מגנזיום, צורן... ועד ברזל.

כוכבים אשר מסתם היא מסדר הגודל של שמונה עד בערך שמונה-עשרה מסות שמש מסיימים את חייהם בפיצוץ אלים במיוחד (מי לא שמע את השם "סופר-נובה"?) המקלף מהם את קליפותיהם החיצוניות ומשליכן לכל עבר בעוצמה אדירה. הליבה הכבדה והדחוסה, ובה עד כשישית מחומר הכוכב המקורי, קורסת לתוך עצמה מפאת כוחות הכבידה העצומים, ומתרחש תהליך בו המעטפת האלקטרונית של האטומים נדחסת באחת לתוך גרעיניהם, ומנטרלת אותם חשמלית.***

מתקבל איפה מעין גרעין אטום ענק ודחוס, ניטרלי מבחינה חשמלית, המכונה כוכב ניטרונים. מסתו של כוכב הניטרונים משתנה בין \(1.44\) מסות שמש בגבולה התחתון, לבין כ- \(3\) מסות שמש בגבולה העליון. ובפרט, במקרה גבולי זה מסתו של "גרעין האטום" שהתקבל שקולה למסתם של מליון כדורי ארץ, וכל המסה הזו נדחקת לתוך נפח כדורי שקוטרו הוא קצת מעל \(20\) קילומטרים, כקוטרה של תל-אביב רבתי.

מן הסתם, יחס המסה לנפח בכוכב הניטרונים זהה ליחס המסה לנפח באדם-בקטריה, והצפיפות בשני המקרים היא מסדר גודל של מיליארד טון לסנטימטר מעוקב, או קילוגרם אחד למיקרון מעוקב... זו ככל הנראה צפיפות החומר הגבוהה ביותר הקיימת כמצב מרחבי יציב, להוציא אולי חורים שחורים שהמבנה הפנימי שלהם עדיין לוט בערפל. משערים שהכבידה מסוגלת לדחוס את החומר אף טיפה מעבר לכך עד לקבלת מה שמכונה "כוכב קוורקים", מעין נוקלאון אחד בודד מוצפף קוורקים וגלואונים לעייפה, אלא שלמיטב ידיעתי השערות אלו טרם קיבלו אישור תצפיתי חד משמעי.

התנע הזוויתי של המערכת הקורסת נשמר במהלך הקריסה; והיות ורדיוס הכוכב מצטמק באופן דרמטי, גדלה מאוד המהירות המשיקית של המערכת יחד עם תדירות הסיבוב. כוכב ניטרונים 'טרי' עשוי להסתובב כסביבון קוסמי אימתני בתדירות של מאות פעמים בשנייה. במהלך הזמן אובדת אנרגית המערכת בדרכים שונות (ובפרט בקרינת גלי כבידה) ותדירות הסיבוב הולכת ופוחתת. השדה המגנטי האצור באותו סביבון עצום בעצמתו ועשוי להגיע למאה מיליארד טסלה, פי מיליארד מהשדות המגנטיים החזקים ביותר שאנו מסוגלים לייצר באמצעים אלקטרומגנטיים במעבדותינו.

מאחר וציר הסיבוב של כוכב הניטרונים אף פעם אינו מקביל לציר הדיפול המגנטי שלו, זה האחרון - אותו נוכל להמשיל לפנס קוסמי אדיר מימדים - סובב סחור-סחור כפנס של מיגדלור. משום כך מקובל לכנות כוכבי ניטרונים גם בשם פולסארים. הפולסים האלקטרומגנטיים הנפלטים מהם, התדירים להפליא, נחשדו בעבר כאותות המשודרים מתרבויות חייזריות. רק משהובן המנגנון של המַשְׁדֵּר ושל אופי השידור, ירד הנושא מעל הפרק...

ערפילית הסרטן היא שריד לסופר-נובה שהאירה באחת את עלטת הלילה הארצי לפני כמילניום, בשנת \(1054\) לספירת הנוצרים. היא ממוקמת בקצה קבוצת הכוכבים שור (טאורוס) במרחק של כ-\(6,500\) שנות אור מאיתנו; אין חובב שמיים שלא נתקל בקבוצת הכוכבים היפהפיה הזו בהביטו מעלה בליל חורף קר וצלול... צורת האות א' העברית, ממנה נגזרו מאוחר יותר ה- A הלטינית וה- \(\alpha\) היוונית, באה מהקבוצה הזו אשר צורתה כצורת ראש השור; "אֶלֶף" במקורותינו הוא שור, ומכאן גם שמה של האות.

מאז ועד עתה התפזרו תוצרי הפיצוץ של אותה סופר-נובה, וקוטרה של הערפילית כיום (כפי שהיא נצפית מכדור הארץ) הוא כ-\(13\) שנות אור. בלב ליבה שוכן לו סביבון בקוטר של כשלושים קילומטרים - חם, צפוף, ומסיבי יותר מחצי מליון כדורי-ארץ; תדירות סיבובו היא כ-30 מחזורים בשניה. אף שזהו הפולסאר הפוטוגני ביותר בשמים, והוא מצוי בליבה של ערפילית פוטוגנית לא פחות, אין הוא יחיד ואין הוא הקרוב ביותר. \(2000\) סביבונים מסוגו ניצפו בגלקסית שביל החלב, הקרובים שבהם נמצאים במרחק נגיעה של כ-450 שנות אור בלבד...



התצלום ממוקד על מרכז ערפילית הסרטן
ומכסה כעשרה אחוז משטחה.

האבל: ערפילית הסרטן באור נראה ובצבעים טבעיים.

... ומטלסקופ קרקע, הצבעים אינם טבעיים. הצבע הכחול מייצג
חמצן זוהר וצבע האדום מייצג מימן זוהר. מאתרו של מרטין פו.

צילום רנטגן (בקרני-X) של טלסקופ החלל צ'נדרה. ראו
את סילוני הגז הטעון הנפלטים מהפולסאר.

זום על הסביבון בקרני X. שימו לב לסילון החלקיקים
הטעונים המואצים בשדה המגנטי העצום של הכוכב.





*** המציאות הפיזיקלית של כוכב ניטרונים היא הרבה יותר מורכבת מהציור הפשטני שאני מצייר כאן, אבל לצורך היכרות ראשונית זה יכול להספיק... מידע מפורט יותר אפשר לקבל מקריאת הערך המתאים בויקיפדיה.




3 תגובות:

  1. איזה יופי של הסבר!
    אני כבר מעבד אותו בראש להעביר אותו לילדי הקטנים

    [מחכים לשמוע על הטרק בן 3 השבועות]

    השבמחק
  2. איזה כיף למצוא כאן פוסט חדש!
    תודה על ההסבר הבהיר והמרתק.
    שאלה לי: כתבת שכוכב הניוטרונים המסתחרר במהירות עצומה הוא ניטרלי מבחינה חשמלית. אם כך מניין השדה המגנטי העצום שלו?

    תודה רבה!

    השבמחק
    תשובות
    1. כוכב הניטרונים הוא אמנם ניטרלי מבחינה חשמלית אבל הוא מקוטב על הציר הרדיאלי. בחלקו החיצוני יש עודף של אלקטרונים והצפיפות כאן קטנה ביחס לצפיפות הממוצעת של הכוכב; המטען העודף כאן הוא שלילי. ככל שמעמיקים פנימה פוחת חלקם של האלקטרונים, הצפיפות עולה ומתקבל מרק גרעיני של פרוטונים וניטרונים בעלי מטען חשמלי עודף חיובי. בליבת הכוכב הצפיפות כפולה ביחס לצפיפות הממוצעת ויש הסבורים שמצב הצבירה כאן הוא של פלזמה קוורקית-גלואונית, ניטרלית מבחינה חשמלית. הקיטוב על הציר הרדיאלי והמהירות המשיקית הגדולה מייצרים זרמים מעגליים עצומים והם המקור לשדות המגנטיים האדירים. השאלה היא מדוע ציר הסיבוב אינו מתלכד עם ציר השדה. אני רק יכול לשער שהפלזמה הטעונה אינה נעה במסלול מעגלי מדוייק סביב ציר הסיבוב הכללי מפאת הדינמיקה הנגרמת בין האזורים המקוטבים ומפאת כוחות קוריוליס העצומים הפועלים במערכת; כיוון ציר השדה מתקבל אזי כאיזשהו ממוצע יציב של כל הכוחות האלו. אבל זו כאמור רק השערת-הדיוט...

      מחק