13.25 כוכבי ניוטרונים ופולסרים

מה נותר אחרי פיצוץ סופרנובה? כבר בשנת 1934, האסטרונומים האמריקאים וולטר באד ופריץ צוויקי העלו השערה כי תוצאה אפשרית עשויה להיות כוכב נויטרונים. הרעיון של כוכב נויטרונים הוא הרחבה של המושג ננס לבן. בכוכב רגיל, הטמפרטורות כה גבוהות, עד כי אלקטרונים ניתקים מגרעיני האטום והגרעינים מתנגשים באלימות בטמפרטורה ובלחץ הגבוהים. ההתנגשויות האלימות מצליחות להתגבר על הדחייה החשמלית בין גרעינים, וכך נוצרים יסודות כבדים יותר על ידי היתוך. ננס לבן הוא הליבה המתה של כוכב בעל מסה נמוכה, שחדלה בה אספקת אנרגיה (והלחץ) הנובעת מתגובות היתוך. כדי למנוע ממנו התמוטטות נוספת, יש לעצור את כוחות הכבידה על ידי לחץ אחר. הלחץ של האלקטרונים המנוונים, שאינם יכולים לחלוק בדיוק את אותן תכונות קוונטיות, הוא שעוצר את המשך הקריסה.

אבל מה קורה אם ליבת הכוכבים עדיין מסיבית יותר מהמסה המרבית של ננס לבן? במקרה זה, כוח המשיכה כה חזק שהוא יכול להתגבר אפילו על לחץ האלקטרונים המנוונים. לפי התיאוריה קריסה שכזו מתרחשת בגופים שמסתם בין 1.4 מסות שמש לבין -2-2.5 מסות שמש (הגבול התחתון עשוי להיות נמוך עד כדי 1.2 מסות שמש, מכיוון שכוכב נויטרונים, שנוצר בעקבות סופרנובה מאבד עד 0.2 מסות שמש בצורה של שטף חלקיקי נייטרינו). כוח הכובד גורם לאלקטרונים להתלכד עם הפרוטונים ויוצרים נויטרונים. בהיעדר כוחות חשמליים ולחץ אלקטרונים, הליבה קורסת למצב של חומר הבנוי מנויטרונים בלבד, חומר צפוף ביותר. התצורה היציבה החדשה נתמכת על ידי העובדה שהניוטרונים ארוזים כל כך חזק עד שהם כמעט "נוגעים" אחד בשני.

כוכבי נויטרונים הם גופים מפתיעים באמת. החומר שלהם הוא הצפוף ביותר ביקום הנצפה, צפיפות פנומנלית של 10¹⁷ קילוגרם למטר מעוקב. לו היה מובא אצבעון ובו חומר מכוכב ניטרונים לכדור הארץ הוא היה שוקל 100 מיליון טון! גודלו של כוכב נויטרונים שמסתו כמסת השמש לא יעלה על גדול אסטרואיד קטן – שממדיו כ- 20 קילומטרים. כוכבי הניטרונים מסתובבים במהירות המגיעה עד  10% ממהירות האור, ויש להם שדות מגנטיים שעוצמתם מגיע עד  10¹² גאוס, חזקים פי מיליון מהשדות המגנטיים החזקים ביותר שנוצרו על פני כדור הארץ. תכונות קיצוניות אלה הינן תוצאה טבעית מההצטמקות הגדולה של הכוכב: הסיבוב המהיר משקף את שימור התנע הזוויתי. השדה המגנטי הצנוע של כוכב רגיל, הופך לשדה שעוצמתו אדירה כאשר קווי הכוח המגנטיים "נדחסים" על ידי הקריסה. מכיוון שהצפיפות דומה לצפיפות גרעין האטום, חלק מהאסטרונומים תארו את כוכב הנויטרונים כגרעין אטומי, שמסתו בסביבות 10⁵⁷ ק"ג.

במשך עשרות שנים דיברו האסטרופיזיקאים על כוכבי נויטרונים, אבל כמו מזג האוויר אף אחד לא התקדם בחקירתם, מכיוון שאיש לא ראה אין ניתן לצפות בהם. שום טכניקת תצפית ידועה לא הצליחה לאתר אותם, ואף אחד לא יכול היה להוכיח שהם קיימים. אבל בנובמבר 1967, מערך גדול של טלסקופי רדיו באנגליה זיהה סוג חדש ומוזר של מקור רדיו בשמיים. היה זה בעקבות ניתוח הסקרים שעקבו אחרי כוכבים. כל אחד מאוסף הנתונים של סקרים אלה משתרע על  גליל נייר באורך  120 מטרים. מתוך שפע הנתונים הצליחה סטודנטית לתואר שני חדת-עין, ג'וסלין בל, לגלות מקור רדיו שמימי אחד (שגודלו בערך סנטימטר בודד של נתונים) שפלט אות רדיו ה"מצפצף" בדיוק מופתי כל 1.33733 שניות! על ידי ניתוח מדוקדק הצליח צוות המחקר לשלול את האפשרות שאלה הם מקורות יבשתיים, בגלל צורתם החריגה. ניתוח האותות הפועמים במהירות שכזו העלה שהם נוצרים על ידי מקור קומפקטי מאוד. הגודל המשוער של המקור היה פחות מ- 4800 ק"מ, קטן בהרבה מגודלם של כוכבים רגילים.

מקורות הרדיו הפועמים שהתגלו במקרה בשנת 1967 נקראו פולסארים. בפברואר פרסמו אנטוני יואיש וחבריו ניתוח שהציע כי הפולסרים עשויים להיות כוכבים רוטטים-צפופים במיוחד, שיכולים "להאיר את התנהגותם של כוכבים קומפקטיים וגם את תכונות החומר בצפיפות גבוהה." הפולסארים המסתוריים התגלו ככוכבי הניוטרונים המבוקשים. בפרץ מחקרים מרגש, זינק מספר המאמרים המדעיים על פולסארים מאפס בשנת 1967 ל- 140 בשנת 1968. כעת התגלו למעלה משלושת אלפים פולסרים. המנהלים המשותפים של פרויקט הגילוי המקורי, אנטוני יואיש ומרטין רייל, חלקו את פרס נובל לפיזיקה בשנת 1974, אך  תלמידת המחקר שזיהתה את הפולסארים לא זכתה בנובל.

פולסארים הם רק תת קבוצה של כוכבי נויטרונים, היוצרים פליטת רדיו חזקה ופועמת. במילים אחרות, כל פולסאר הוא כוכב נויטרונים, אך יתכנו כוכבי נויטרונים שטרם גילינו מכיוון שאינם פולסארים. מדוע פועמים כוכבי הנויטרונים? בעקבות התמוטטות הליבה, כוכבי הנויטרונים מסתובבים מהר מאוד ויש להם שדות מגנטיים חזקים מאוד. כל גוף מסתובב – בדומה למחליק על הקרח – מסתובב מהר ככל שהוא מתכווץ. קריסה של גוף פי מיליון מגודלו המקורי, מייצרת עלייה מקבילה במהירות הסיבוב שלו, כתוצאה משימור התנע הזוויתי. באופן דומה, ריכוז קווי הכוח המגנטיים של כוכב רגיל יגדל במידה רבה אם יתמוטט לכוכב נויטרונים. בשנת 1968, החוקר קורנל תומאס גולד הראה כיצד חלקיקים טעונים שנלכדו בשדות מגנטיים של כוכבי נויטרונים מסתובבים מייצרים קרינת רדיו ממוקדת מאוד. הפולסר פועל כמו מגדלור עם קרן המסתובבת במהירות. אנו רואים פולסאר רק אם אלומת האור שהוא פולט פונה מעת לעת לכיוון כדור הארץ.

גילוי של פולסאר במרכז ערפילית הסרטן, ובכמה שרידי סופרנובה אחרים, מדגמים כיצד פולסארים קשורים לסופרנובות. ההערכה היא כי כל אחד ממאות הפולסארים הידועים כיום נמצא בליבת כוכב, שקרסה לכוכב נויטרונים של כוכב מסיבי. הוכח כי כמה מהפולסארים הצעירים יוצרים אותות לא רק בתחום גלי רדיו, אלא גם בתחום קרני הרנטגן ובאור הנראה. במקרים אלה הפליטה בתחום הנראה וברנטגן נגרמת כתוצאה מחימום של חומר בסמוך לפולסר, ואינה מייצגת את הטמפרטורה של הפולסר עצמו.

הפולסרים משמשים השעונים מעולים. עם זאת, קצב הסיבוב שלהם אינו קבוע לחלוטין. הפולסאר הטיפוסי מאט, וקצב הסיבוב שלו פוחת בשיעור של 30 מיליוניות שנייה בשנה. (אף מכשיר אחר למדידת זמן לא שומר על זמן ברמת דיוק כה גבוהה!) האטה הדרגתית זו תואמת לקצב העצום של שחרור האנרגיה בפולסאר. לעיתים, אסטרונומים החוקרים בתחום הרדיו, גילו שינויים זעירים ופתאומיים בקתב הסיבוב של פולסארים. תקלות אלו מיוחסות לשינויים בשדה המגנטי החזק, הגורמים לשינויים בהתפלגות המסה בכוכב,  ומשפיעים על קצב הסיבוב. הקרום המוצק יכול גם לעבור תזוזות פתאומיות: מוזר לחשוב על אירועים דמויי רעידת אדמה המתרחשים בקרקע המוצקה והצפופה של כוכבים! לרוב הפולסארים יש אותות החוזרים על עצמם בזמן מחזור שבין  0.2 ועד 2 שניות. לפולסאר בערפילית הסרטן יש פרק זמן של 1/30 שנייה. התקופה הארוכה ביותר הידועה בין פולס אחד למשנהו היא כ- 8 שניות. עם זאת, סוג פולסארים קטן אך מעניין משלים סיבוב בסביבות 1/1000 שנייה. הפולסר המהיר ביותר מסתובב 716 פעמים בשנייה! שימוש בלתי צפוי לשעוני כוכבים הללו היה גילוי כוכבי הלכת הראשונים מחוץ למערכת השמש, בשנת 1991. מסת כוכבי הלכת המקיפה את הפולסר הפריעה לקצב האחיד של הפולסים שנפלטו ממנו, כדי לאותת על נוכחותם.

קצב התפתחות הכוכב תלוי באופן קריטי במסתו, וכך גם תחנת הסיום של חייו. כוכבים שמסתם נעה בין  1.2-1.4 מסת שמש יתפתחו לננסים לבנים. אלה הם שרידים ההולכים מתקררים של ליבת כוכב, שנתמכים בעזרת לחץ האלקטרונים המנוונים, הנאלצים להתקרב האחד לשני. לכוכבי הניוטרונים הנוצרים בעקבות  סופרנובות יש מסה הנמצאת בין  2 עד 2.5 מסות שמש. הם נתמכים על ידי לחץ של ניוטרונים מנוונים, שנאלצים להצטופף. גבולות אלה אינם בטוחים מכיוון שהפיזיקה של חומר בצפיפות גבוהה מורכבת מאוד, והמודלים אינם תלויים רק במסה אלא גם בקצב הסיבוב ובשדות המגנטיים. גרעין שמסתו עולה על יותר מ- 2.5 עד 3 מסות שמש, הוא בעל כוח משיכה חזק מספיק בכדי להכריע את לחץ הנויטרונים המנוונים. מכיוון שאף כוח מוכר אינו יכול לעמוד בפני כוח כבידה שכזה, הקריסה נמשכת. התוצאה מובילה לאחד הגופים המוזרים ביותר באסטרונומיה: חור שחור. לא ניתן להבין את היווצרותם של חורים שחורים מבלי לבחון רעיונות חדשים של חלל וזמן המחליפים את רעיונותיו של אייזק ניוטון.

Author: Chris Impey