חוקרים ישראלים "יוצרים כוכבים" במעבדה

חוקרים מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב פיתחו שיטה לזיהוי ומדידה של תכונות חומר גרעיני צפוף באמצעות מאיץ חלקיקים, המאפשרת הבנה טובה יותר של מבנה כוכבים העשויים מנויטרונים ודרך היווצרותם.

הפרוטונים והניוטרונים נעים בגרעין ולפעמים, למשך זמן קצר, יכול זוג או יותר ממרכיבי הגרעין להימצא קרוב זה לזה הרבה יותר ממרחקם הממוצע. כאשר זוג קרוב זה לזה נוצרת בגרעין האטום הרגיל, למשך זמן קצר מאוד, צפיפות מקומית גבוהה - דומה לזאת שבליבת כוכבי ניוטרונים. לאחר זמן קצר מרכיבי הגרעין מתרחקים זה מזה והאזור הצפוף מדלדל שוב. השיטה, שפותחה על-ידי פרופ' לאוניד פרנקפורט מביה"ס לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת ת"א, מאפשרת לאתר מרכזי צפיפות גרעינית רגעיים אלו ("מיני כוכבי נאוטרונים") וללמוד את תכונותיהם בטרם הם מתפזרים. הדבר אפשרי באמצעות קרן גבוהת אנרגיה של אלקטרונים הנוצרת במאיץ ומפציצה את הגרעין.

בניסוי שבוצע באמצעות מאיץ האלקטרונים המצוי במעבדה הלאומית ע"ש ג'פרסון בוירג'יניה ארה"ב על-ידי רן שניאור, סטודנט לתואר שלישי באוניברסיטת ת"א, הופצצו גרעינים באלקטרונים גבוהי אנרגיה. האלקטרונים גבוהי האנרגיה מפרקים את מרכזי הצפיפות הגבוהה והמרכיבים מועפים מהגרעין ומתגלים באמצעות מערכת מונים. בניסוי התגלה הבדל גדול מאוד ובלתי צפוי בין זוגות פרוטון-פרוטון קרובים וזוגות של פרוטון-נאוטרון קרובים. להבדל זה עשויה להיות משמעות רבה להבנת מבנה כוכבי הנאוטרונים ודרך היווצרותם. הנושא נלמד בימים אלו.

שניאור גם ביצע את ניתוח הניסוי, שעליו מבוססת עבודת התזה שלו שכתב בהדרכת פרופ' אלי פיסצקי והגיש בינואר 2008. שותף נוסף למחקר הוא פרופ' אמריטוס יונס אלסטר. כל החוקרים הם מקבוצת הגרעין באוניברסיטת תל אביב.

מה זה חומר גרעיני צפוף?

החומר הסובב אותנו בנוי אטומים. במרכז האטום גרעין קטן שסביבו חגים אלקטרונים, מעל ל-99.95% מהמסה של האטום נמצאת בגרעין הקטן שבמרכזו. גרעין האטום בנוי מפרוטונים ונאוטרונים. בגלל המסה הגדולה והרדיוס הקטן של גרעין האטום, הצפיפות של הפרוטונים והנאוטרונים שבגרעין האטום גבוהה מאוד. צפיפות המסה בגרעיני אטומים כבדים היא הגבוהה ביותר המוכרת לנו בסביבתנו הקרובה.

בטבע, מחוץ לכדור הארץ, קיימות גם מערכות גרעיניות הצפופות עוד אפילו יותר מהצפיפות במרכזי גרעיני האטומים. מערכת שכזאת היא כוכב נאוטרונים. כוכבי נאוטרונים הם השרידים של כוכבים מסיבים לאחר שהתפוצצו (תהליך הידוע כסופר נובה). המסה של כוכב נאוטרונים טיפוסי גדולה פי 1.5 ממסת השמש. הרדיוס של כוכב כזה הוא רק 10-20 קילומטר. המסה הגדולה והרדיוס הקטן יוצרים חומר גרעיני בעל צפיפות הגדולה פי 5-10 מצפיפות במרכזי גרעינים. ככול הידוע לנו כוכב כזה אינו בנוי מאטומים ומורכב בעיקר ממסה דחוסה של נאוטרונים, מעט פרוטונים ואלקטרונים ולכן אנו קוראים לחומר ממנו עשוי כוכב הנאוטרונים "חומר גרעיני צפוף". הסביבה להיווצרות החומר הגרעיני הצפוף במקרה של כוכב הנוטרואנים היא התוספת של כוח הכובד שדוחס את החומר.

"החומר גרעיני צפוף מעניין בשל יכולתו ללמד אותנו על הכוחות והמבנה של מערכות גרעיניות במצבים שהם מעבר לזמין לנו בגרעיני אטומים. הבעיה היא כמובן המגבלות שיש לנו על לימוד מערכת הנמצאת במרחק אסטרונומי מאיתנו ושאינה בשליטתנו הניסיות. בעשור האחרון למדנו רבות על תכונות כוכבי הנאוטרונים ממדידות אסטרונומיות אבל עדין רב הבלתי ידוע לנו על המבנה והתכונות שלהם על הנודע", אומר פרופ' אלי פיסצקי.