להיעלם ללא עקבות: מדוע כוכבים נעלמים באורח מסתורי משמי הלילה

אסטרופיזיקאים מאוניברסיטת קופנהגן עוזרים להסביר תופעה מסתורית, לפיה כוכבים נעלמים לפתע משמי הלילה. המחקר שלהם על מערכת כוכבים בינארית יוצאת דופן הביא לראיות משכנעות שכוכבים מסיביים יכולים להתמוטט לחלוטין ולהפוך לחורים שחורים ללא פיצוץ סופרנובה.

יום אחד, הכוכב במרכז מערכת השמש שלנו, השמש, יתחיל להתרחב עד שיבלע את כדור הארץ. לאחר מכן הוא יהפוך לא יציב יותר ויותר עד שבסופו של דבר יתכווץ לחפץ קטן וצפוף המכונה א ננס לבן.

עם זאת, אם השמש הייתה בדרגת משקל גדולה בערך פי שמונה או יותר, היא כנראה הייתה יוצאת החוצה במפץ אדיר – כסופרנובה. קריסתו תסתיים בפיצוץ, שיוציא אנרגיה ומסה לחלל בכוח עצום, לפני שהותיר מאחור כוכב ניטרונים או חור שחור בעקבותיו.

אמנם זהו ידע בסיסי על האופן שבו מתים כוכבים מאסיביים, אך נותר הרבה מה להבין לגבי השמים זרועי הכוכבים מעל ומותם המרהיב של הכוכבים הללו בפרט.

מחקר חדש של אסטרופיזיקאים במכון נילס בוהר באוניברסיטת קופנהגן מציג את העדויות החזקות ביותר עד כה לכך שכוכבים מאסיביים מאוד יכולים להיכנע בהרבה יותר התגנבות ושיקול דעת מאשר כסופרנובות. ואכן, מחקירתם עולה כי עם מסה מספקת, כוח הכבידה של כוכב יכול להיות כל כך חזק עד שלא יתרחש פיצוץ עם מותו. במקום זאת, הכוכב יכול לעבור מה שמכונה קריסה מוחלטת.

"אנחנו מאמינים שליבת כוכב יכולה לקרוס תחת משקלו, כפי שקורה לכוכבים מסיביים בשלב האחרון של חייהם. אבל במקום שההתכווצות תגיע לשיאו להתפוצצות סופרנובה בהירה שתעלה על הגלקסיה שלה, הצפוי לכוכבים מסיביים פי שמונה יותר מהשמש, הקריסה נמשכת עד שהכוכב הופך לכוכב. חור שחור," מסביר הסופר הראשון אלחנדרו ויג'נה-גומז, שהיה פוסט דוקטורט במכון נילס בוהר כאשר המחקר הזה התחיל.

עובדות ומיתוסים: כוכבים נעלמים

בתקופה המודרנית, היו תצפיות רבות על כוכבים שנעלמים באופן בלתי מוסבר.

"סקר על כלום" בראשותו של האסטרופיזיקאי כריס קוצ'נק הוא דוגמה למאמצי המחקר המחפשים באופן פעיל אחר כוכבים נעלמים והסברים להיעלמותם.

הקורא הסקרן יכול להתעמק גם בתיאורים היסטוריים. אלה קשורים לעתים קרובות לכוכבים זוהרים לפתע שנעלמים בהתאם לתרחישי סופרנובה. אבל יש סיפורים אחרים על כוכבים שנעלמים לפתע, כמו המיתוס היווני הקשור לצביר הכוכבים הפליאדות, הידוע בכינויו שבע האחיות. מיתוס הפליאדות מתאר את שבע בנותיהם של הטיטאן אטלס והנימפה פליונה. לפי המיתוס, אחת מבנותיהם התחתנה עם בן אדם והסתתרה, מה שמספק הסבר מאוד לא מדעי, אבל יפהפה, למה אנחנו רואים רק שישה כוכבים בפליאדות.

התגלית הזו קשורה לתופעת הכוכבים הנעלמים, שעניינה אסטרונומים בשנים האחרונות, והיא עשויה לספק גם דוגמה ברורה וגם הסבר מדעי סביר לתופעות מסוג זה.

"אם אחד היה עומד ומביט למעלה בכוכב גלוי שעובר קריסה מוחלטת, זה עשוי, בדיוק בזמן הנכון, להיות כמו לצפות בכוכב נכבה פתאום ונעלם מהשמים. ההתמוטטות כה מוחלטת עד שלא מתרחש פיצוץ, שום דבר לא בורח ואי אפשר היה לראות שום סופרנובה בהירה בשמי הלילה. אסטרונומים למעשה צפו בהיעלמות פתאומית של כוכבים זוהרים בבהירות בתקופה האחרונה. אנחנו לא יכולים להיות בטוחים בקשר, אבל התוצאות שהשגנו מניתוח VFTS 243 קירבו אותנו הרבה יותר להסבר אמין", אומר אלחנדרו וינה-גומז.

מערכת כוכבים יוצאת דופן ללא סימני פיצוץ

התגלית הזו נבעה מהתצפית האחרונה של מערכת כוכבים בינארית יוצאת דופן בקצה הגלקסיה שלנו בשם VFTS 243. כאן, כוכב גדול וחור שחור מסיביים בערך פי 10 מהשמש שלנו מקיפים זה את זה.

מדענים ידעו על קיומן של מערכות כוכבים בינאריים כאלה באזור שביל החלב במשך עשרות שנים, שבו אחד הכוכבים הפך לחור שחור. אבל הגילוי האחרון של VFTS 243, ממש מעבר לשביל החלב בענן המגלן הגדול, הוא משהו מיוחד באמת.

עובדות: חורים שחורים

אפילו אור לא יכול לברוח מחורים שחורים. ככאלה, לא ניתן לצפות בהם ישירות. עם זאת, ניתן לזהות כמה חורים שחורים בשל כמויות האנרגיה הגדולות הנפלטות מהגזים המסתובבים סביבם. אחרים, כמו במקרה של VFTS 243, יכולים להיראות לפי ההשפעה שיש להם על כוכבים שאיתם הם מקיפים.

באופן כללי, אסטרונומים מאמינים שיש שלושה סוגים של חורים שחורים:

חורים שחורים כוכביים – כמו אלה של מערכת VFTS 243 – נוצרים כאשר כוכבים בעלי מסה של יותר משמונה מהמסה של השמש קורסים. מדענים מאמינים שעשויים להיות עד 100 מיליון כאלה בגלקסיה שלנו לבדה.

חורים שחורים סופר מסיביים – פי 100,000 – פי 10 מיליארד מהמסה של השמש – נחשבים במרכזן של כמעט כל הגלקסיות. קשת A* הוא החור השחור העל-מאסיבי במרכז הגלקסיה שלנו, שביל החלב.

חורים שחורים בעלי מסה בינונית (IMBH) – פי 100-100,000 מהמסה של השמש שלנו – היו זמן רב חוליה חסרה. בשנים האחרונות צצו מספר מועמדים אמינים.

יש גם תיאוריות שמתארות סוגים אחרים של חורים שחורים, שטרם התגלו. אחד מאלה, מה שנקרא חורים שחורים ראשוניים, אמורים להיווצר ביקום המוקדם ויכול להיות תיאורטית מיקרוסקופי.

"בדרך כלל, ניתן למדוד אירועי סופרנובה במערכות כוכבים בדרכים שונות לאחר התרחשותם. אבל למרות העובדה ש-VFTS 243 מכיל כוכב שקרס לתוך חור שחור, עקבות פיצוץ לא ניתן למצוא בשום מקום. VFTS 243 היא מערכת יוצאת דופן. מסלולה של המערכת כמעט ולא השתנה מאז קריסת הכוכב לתוך חור שחור", אומר אלחנדרו וינה-גומז.

החוקרים ניתחו את נתוני התצפית עבור מגוון סימנים שניתן לצפות ממערכת כוכבים שעברה פיצוץ סופרנובה בעבר. בדרך כלל, הם מצאו עדויות לאירוע כזה קטין ולא משכנע.

המערכת אינה מראה סימן ל"בעיטת לידה" משמעותית, האצה של העצמים הסובבים. הוא גם מאוד סימטרי, מעגלי כמעט מושלם במסלולו, ושאר הסימנים משחרור האנרגיה במהלך קריסת הליבה של הכוכב לשעבר מצביעים על סוג של אנרגיה התואמת קריסה מוחלטת.

"הניתוח שלנו מצביע באופן חד משמעי על העובדה שהחור השחור ב-VFTS 243 נוצר ככל הנראה באופן מיידי, כשהאנרגיה הלכה לאיבוד בעיקר באמצעות ניטרינו", אומרת פרופסור אירן טמבורה ממכון נילס בוהר, שהשתתפה גם היא במחקר.

מערכת בנצ'מרק ללימודי עתיד

לדברי פרופסור טמבורה, מערכת VFTS 243 פותחת את האפשרות להשוות סוף סוף מגוון תיאוריות אסטרופיזיקה וחישובי מודלים עם תצפיות בפועל. היא מצפה שמערכת הכוכבים תהיה חשובה לחקר התפתחות הכוכבים והתמוטטותם.

"התוצאות שלנו מדגישות את VFTS 243 כמקרה הנצפה הטוב ביותר עד כה עבור התיאוריה של חורים שחורים כוכביים שנוצרו באמצעות קריסה מוחלטת, היכן שפיצוץ הסופרנובה נכשל ואשר המודלים שלנו הראו אפשריים. זוהי בדיקת מציאות חשובה עבור דגמים אלה. ואנחנו בהחלט מצפים שהמערכת תשמש אמות מידה מכריעות למחקר עתידי על אבולוציה וקריסה של כוכבים", אומר הפרופסור.

מידע נוסף: "בעיטת נטאל" החסרה וסימנים אחרים (חסרים) של סופרנובה

"הבעיטה הנטאלית" לא קיימת

הכוחות האלימים של סופרנובה משפיעים ישירות על כוכבי הנייטרונים שנולדו או החורים השחורים שנותרו על ידה, בגלל פליטה א-סימטרית של חומר במהלך הפיצוץ. זה מה שהחוקרים מתייחסים אליו כ"בעיטת לידה". בעיטה זו גורמת לאובייקט הקומפקטי להאיץ. בעיטת לידה בדרך כלל תעניק לכוכבי נויטרונים מהירות מדידה של 100-1000 ק"מ לשנייה. המהירות צפויה להיות נמוכה יותר עבור חורים שחורים, אך עדיין משמעותית.

מכיוון שנראה שהחור השחור במערכת VFTS 243 הואץ רק לכ-4 ק"מ לשנייה, הוא לא מראה שום סימן שקיבל בעיטת לידה משמעותית, כפי שניתן היה לצפות לו היה עובר סופרנובה.

באופן דומה, הסימטריה של מסלולה של מערכת כוכבים מראה בדרך כלל סימנים לכך שהיא חשה בהשפעה של פיצוץ סופרנובה אלים, בגלל פליטת החומר שמתרחשת. במקום זאת, החוקרים מצאו סימטריה.

"המסלול של VFTS הוא כמעט מעגלי והניתוח שלנו מצביע על כך שאין סימנים לאסימטריות גדולות במהלך קריסה. זה שוב מעיד על היעדר פיצוץ", אומר אלחנדרו וינה גומז.

פרץ של אנרגיה

בניתוח המסלול של מערכת הכוכבים הבינארית, הצוות הצליח גם לחשב את כמות המסה והאנרגיה המשתחררות במהלך היווצרות החור השחור.

ההערכות שלהם תואמות תרחיש שבו הבעיטה הקטנה יותר שהוענקה במהלך קריסת הכוכבים לא נבעה מחומר בריוני, הכולל נויטרונים ופרוטונים, אלא ממה שנקרא נייטרינו. לנוטרינו יש מסה קטנה מאוד ואינטראקציה חלשה מאוד. זוהי אינדיקציה נוספת לכך שהמערכת לא חוותה פיצוץ.

החוקרים הבאים תרמו למחקר:

אלחנדרו ויג'נה-גומז, איירין טמבורה, הנס-תומאס ינקה, דניאל קרסה, ריינהולד ווילקוקס, איליה מנדל, מתיאו רנצו, טום וואג, ג'וליה בודנשטיינר, תומר שנאר, תומס מ. טאוריס

החוקרים קשורים למספר מוסדות מחקר:

• מכון נילס בוהר, אוניברסיטת קופנהגן – האקדמיה הבינלאומית ו-DARK
• Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, גרמניה
• המכון לאסטרונומיה, KU Leuven, לובן, בלגיה
• בית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה, אוניברסיטת מונאש, קלייטון, אוסטרליה
• מרכז המצוינות של ARC לגילוי גלי כבידה – אוזגרב, אוסטרליה
• המרכז לאסטרופיזיקה חישובית, מכון פלטירון, ניו יורק, ארה"ב
• מצפה הכוכבים סטווארד, אוניברסיטת אריזונה, טוסון, ארה"ב
• המחלקה לאסטרונומיה, אוניברסיטת וושינגטוןסיאטל, ארה"ב
• האוניברסיטה הטכנית של מינכן, בית הספר למדעי הטבע TUM, המחלקה לפיזיקה, Garching, גרמניה
• מצפה הכוכבים הדרומי האירופי, Garching, גרמניה
• בית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה, אוניברסיטת תל אביב, תל אביב, ישראל
• אוניברסיטת אלבורג, אלבורג, דנמרק