אסטרונומים האמינו פעם כי הכוכבים קבועים ולא משתנים בזמן שהם מסתובבים סביב כדור הארץ על קליפה כדורית גבישית. מדענים יוונים עתיקים אלה לא יכלו להעלות על דעתם מה עצום המרחק לכוכבים, או להעריך את הגודל האמיתי של כוכבים ואת תפוקות האנרגיה שלהם. כיום, ידוע כי כוכבים ממשיכים להיוולד, להתפתח, ולמות. כיצד אנו יודעים שכוכבים משתנים ומתפתחים? היקום מציע שורת עדויות שכוכבים נולדים כל הזמן. ראשית, בעוד מערכת השמש היא רק בת 4.6 מיליארד שנים, כל גלקסיית שביל החלב – הסביבה שבה נמצאת מערכת השמש, המונה 400 מיליארד כוכבים – היא לפחות בת 10 מיליארד שנה. לפיכך, השמש נוצרה מאוחר הרבה יותר מאשר הכוכבים העתיקים ביותר שאנו יכולים לראות בשמים. מכאן, אנו יכולים להסיק כי לא כל הכוכבים סביבנו נוצרו באותו הזמן.
באדיבות NASA
כוכבים רבים צעירים ומסיביים מקובצים בצבירים. הכוכבים בצביר מוחזקים יחד באמצעות הכבידה ההדדית שלהם. הכוכבים בצבירים אלה נוצרו בערך באותו זמן. בגלל כוחות הגאות והשפל, ובשל הנטייה של כל כוכב בצביר לנוע במסלול סביב מרכז הגלקסיה שלנו, רוב הצבירים מתפזרים, לאחר כמה מאות מיליוני שנים, לכוכבים מבודדים. דיאגרמת H-R של צבירים מראה עד כמה צבירים אלה מבוגרים. הצביר המפורסם של פלייאדס, למשל, הוא רק בן כ- 50 מיליון שנה. קיומם של צבירים כאלה מראה שלא כל צבירי הכוכבים היו בתחילת ההיסטוריה של הגלקסיה; כמה מהם ממשיכים להיווצר גם כיום.
כוכבים מסיביים מתפתחים במהירות. חישובים מראים כי מסת כוכבים אלה גדולה פי 20 עד פי 100 ממסת השמש. משך חייהם יכול להימשך רק כמה מיליוני שנים, במצב שבו הם קורנים, בשל אנרגיה הרבה המשתחררת מתגובות היתוך של ליבתם. מכיוון שאנחנו עדיין רואים את הכוכבים המאסיביים האלה נוצצים, אפשר להסיק שהם נוצרו לפני פחות ממיליון שנים. לפיכך, היווצרות כוכבים היא תהליך מתמשך לאורך כל ההיסטוריה של הגלקסיה, הנמשך גם לאורך מיליון השנים האחרונות. מתברר שקיימים בשמים כוכבים הצעירים יותר מבני המין האנושי.
השמש התפתחה כאשר ענן בינכוכבי מפוזר החל מתכווץ ויצר כוכב מרכזי מוקף ערפילית מאובקת. מערכת השמש שלנו השאירה אותנו עם רמזים המצביעים על התמוטטות מהירה מענן גז לכוכב, תוך מיליוני שנים בודדות. אסטרונומים פיתחו תיאוריה כללית יותר של תהליך זה, שיכולה להסביר גם את היווצרותם של כוכבים אחרים בעלי מסות שונות.
כאשר מדענים משתמשים במילה תיאוריה, הם בדרך כלל מתכוונים לרעיונות הקשורים לראיות שנבדקו היטב. לעתים קרובות, התאוריה מופיעה גם כניסוח מתמטי שניתן להחילו על מגוון רחב של מקרים. התאוריה חייבת להיות מגובה בתצפיות, ולאפשר ביצוע תחזיות שאותן ניתן לאמת. אסטרונומים עשו התקדמות מסוימת לקראת תיאוריה של היווצרות כוכבים. נותרו שאלות שהתאוריה זאת אמורה לענות עליהן. מה גורם לעננים מסוימים להתכווץ בעוד שאחרים אינם מתכווצים? כמה מהחומר בענן המולקולרי נאסף לכוכבים וכמה נשאר מפוזר? מדוע תהליך זה יוצר רק כוכבים עם טווח מסה קטן יחסית – מעשירית עד מאה פעמים מסת השמש? התאוריה כוללת את כוחות הכבידה הפועל כנגד הלחץ תרמי.
באדיבות NASA
כוח הכבידה מושך את כל האטומים בענן פנימה. אבל אפילו בטמפרטורה נמוכה מאד של 10K האטומים פוגעים האחד בשני במהירות של 0.4 ק"מ לשנייה (כמעט 1500 ק"מ לשעה) תוך יצירת לחץ כלפי חוץ המתנגד לנטיית הענן להתמוטט. כאשר הענן מתכווץ, כוח הכבידה מתגבר, בענן צפוף קיימת יותר מסה באותה כמות נפח. מצד שני, הלחץ כלפי חוץ מתגבר כאשר הגז מתחמם, שכן ההתכווצות גורמת לאטומים ולמולקולות לנוע מהר יותר. אז איך מתמוטט הענן? חלק מהחום שמחזיק ענן דליל יכול להימלט בצורת פוטונים, הקשורים במעברי אנרגיה מסוימים באטומים ובמולקולות. במילים אחרות, פליטת אנרגיה יכולה לעזור בקירור הגז. גורם נוסף העשוי לסייע בקריסה של הענן, היא דחיסה הנוצרת מפיצוץ כוכבים בקרבת ענן הגז.
בשנת 1902 אסטרופיזיקאי בריטי בשם ג'יימס ג'יינס הוסיף תובנה חשובה לתרחיש של היווצרות כוכבים. הוא חישב את המסה ואת הטמפרטורה שעשויות לגרום לתחילת התכווצות כבידתית. החישובים עוסקים במצב אידיאלי, מפני שאינם לוקחים בחשבון את השפעת השדה המגנטי ואת האפשרות שהענן מסתובב. התיאוריה הפשוטה ביותר צופה שכאשר נוצר אזור צפוף בענן בינכוכבי, המסה שמתחילה להתכווץ עשויה להספיק ליצירתם של מאות ואפילו אלפי כוכבים. מסה זו גדולה פי כמה וכמה ממסתם של הכוכבים המסיבים ביותר המוכרים לנו, ודי בה כדי ליצור אלפי כוכבים שאינם כה מסיביים. במילים אחרות, התהליך הפשוט של התכווצות כבידתית אינו יכול ליצור את מלוא טווח המסות של כוכבים.
כיצד אפוא נוצרים כוכבים בודדים? התנאים במרחב הבינכוכבי מאפשרים יצירת ענני גז המכילים מסה בכמות המספיקה להיווצרותם של מאות כוכבים. אנו מכירים צבירי כוכבים המכילים כמות כוכבים שכזו. חלקים מן הענן הופכים לכוכבים, והמסה הכוללת הופכת לצביר כוכבים. לא קשה להבין מדוע הגז הבינכוכבי מתחיל להתכווץ. החומר אינו אחיד, גושי אבק וגז קיימים והם נדחסים בעקבות סיבוב הגלקסיה, תוך ספיחת חומר שנזרק משלבים מאוחרים של התפתחות כוכבים. באופן טבעי תהליכים אלה גורמים להצטברות חומר המאפשרת קריסה כבידתית. הוצעה אפילו תיאוריה לפיה הקריסה הכבידתית מתרחשת בדומה להתפשטות דלקת בגוף האדם. יצירתו של כוכב באזור אחד בענן מעודדת את היווצרותם של כוכבים נוספים בקרבתו. בדרך זו היווצרותם של כוכבים מתפשטת במרחבי הגלקסיה.
באדיבות NASA
הרעיון הפשוט של ענן גז מתמוטט הוא לא כל הסיפור של היווצרות כוכבים, עם זאת. היווצרות כוכבים בעננים מולקולריים מתרחשת לאט יותר ופחות יעילה בהשוואה למה שניתן לצפות מתיאוריה הפשוטה של קריסה הכבידתית. הנוכחות של שדות מגנטיים מסבכת את תהליך היווצרות הכוכבים. החשיבה הנוכחית היא ששדות מגנטיים מונעים קריסה כבידתית בעננים מולקולריים. שדות מגנטיים יוצרים "לחץ" המתנגד לכוח הכבידה הפנימי. סיבוב הענן כולו יכול גם הוא להאט את קריסת הענן לכוכבים. מדענים בחנו אפקטים רבים במטרה לבנות תיאוריה מורכבת של היווצרות כוכבים. התיאוריה מעוגנת בתצפיות. תיאוריה זו נתמכת על ידי סימולציות מחשב. כל עוד הסימולציות כוללות את המיקרופיסיקה הנכונה (כמות מתאימה של יסודות, מעברי אנרגיה אטומיים ומולקולריים) ומיקרופיזיקה (כוח הכבידה, מערבולות, חימום וגלי הלם) הן עשויות להבהיר מצב מורכב למדי מכדי שניתן יהיה לתמצת אותו באמצעות משוואות אחדות.
התאוריה המודרנית מציגה ארבעה שלבים בתהליך היווצרות הכוכבים בעננים מולקולריים. ראשית, סיבוב איטי של הענן המולקולרי הגורם להיווצרות הליבה. שנית, הליבה הופכת לבלתי יציבה ומתמוטטת תוך יצירת אב-כוכב תוך יצירת דיסקת ספיחה סביבו, ששניהם משובצים במעטפת של אבק וגז. שלב הקריסה הוא "מבפנים החוצה", כלומר, החומר הקרוב לליבה מתמוטט הראשון. ראשית השלב השלישי עם הופעתה של תגובת היתוך ראשונה, אשר בתחילה גורמת להופעת דאוטריום. האנרגיה המשתחררת מהתגובות הגרעיניות יוצרת רוח כוכבית של חומר זורם, המתנגדת לחומר הנופל מאזורים מרוחקים. רוח הכוכבים נעה דרך מסלולים בעלי התנגדות נמוכה ביותר בשל הסיבוב, ומובילה סילוני חומר הזורמים לאורך הקטבים. השלב הרביעי מגיע כאשר הרוח הכוכב זורמת לכל הכיוונים. בשלב זה, נוצר כוכב צעיר, שעדיין מוקף בדסקת ספיחה.
Author: Chris Impey