14.11 התווך הבין כוכבי

החומר הבין כוכבי כולל גז (כלומר, אטומים ומולקולות), גרגרי אבק מיקרוסקופיים, ואולי גופים גדולים יותר. אטומים של גז בין כוכבי התגלו בשנת 1904, כאשר האסטרונום הגרמני יוהנס הרטמן זיהה את קווי הבליעה שלהם. בעודו לומד את הספקטרום של מערכת כוכבים בינארית, הוא גילה בטעות קווי בליעה שנגרמו על ידי אטומי סידן מיוננים במרחב הבין כוכבי, שנמצאו בין כדור הארץ למערכת בינארית זו. קווי בליעה של יסודות אחרים, כמו נתרן, התגלו עד מהרה. מאחר שקווי בליעה אלו עברו הסטות-דופלר שונות מאלו של הכוכבים שבספקטרום שלהם הם מופיעים, הרי שהאטומים הגורמים לקווי הבליעה חייבים להימצא במרחב שבין הכוכבים. מחקרים נוספים שכנעו את האסטרונומים כי למרות שהבליעה החזקה ביותר מגיעה מאטומים כגון סידן ונתרן, הרי שהגז הנפוץ ביותר במרחב הביו כוכבי הוא גז המימן. בדומה לשכיחות היסודות בשמש ובכוכבים, גם במרחב הבין כוכבי המימן מהווה כמעט שלושה רבעים וההליום כמעט רבע ממסת גז זה.

המעקב החשוב ביותר אחרי הגז בין כוכבי מתקיים בחקירת קווים ספקטרליים הנפלטים בתחום הרדיו. ב- 1944 חזה האסטרונום ההולנדי ח'ואן דר הולסט כי גז מימן קר יהיה בעל קווים ספקטרליים באורך גל של 21 ס"מ, הנגרמים על ידי שינוי בסחרור של אלקטרונים באטומי מימן. פוטון רדיו דל-אנרגיה נפלט כאשר אטום המימן מדלג בין שתי רמות קוונטיות כמעט שוות, האסטרונומים של הרווארד זיהו את הפליטה הצפויה ב- 1951 באמצעות ציוד רדיו. קווי פליטה של ​​21 ס"מ מאטום המימן חשובים ביותר באסטרונומיה מכמה סיבות. ראשית, גילוי נרחב של קו זה מאשר כי מימן הוא המרכיב העיקרי של גז בין כוכבי. שנית,

אורך גל ארוך ואנרגיה נמוכה של קו ספקטרלי הוא סימן כי המימן נמצא בטמפרטורה נמוכה מאוד (חומר קר פולט קרינה באורך גל ארוך.) קרינה של  21 ס"מ מגיעה מגז קר בטמפרטורה של  10 עד 20 קלווין. ולסיום, אורך הגל הארוך של קרינה זו מאפשר לה לעבור דרך מרחקים גדולים יותר בגז ובאבק הבין כוכבי בהשוואה לאורכי גל קצרים יותר.

בשנת 1940, אסטרונומים במצפה הר וילסון בקליפורניה זיהו מרכיב נוסף של החומר הבין כוכבי: מולקולות בין כוכביות. המולקולות נמצאות בצפיפות נמוכה בסביבת הענן הבין כוכבי. למולקולות ישנם מעברי אנרגיה רבים שיוצרים תבניות ספקטרליות בתחומי האינפרה אדום או הרדיו. אסטרונומים אימצו את טכנולוגיית האינפרה-אדום והרדיו שפותחה במהלך מלחמת העולם השנייה, ולאחר המלחמה הם הפנו אותה לחיפוש אחר מולקולות בחלל. הם גילו במהירות מולקולות באמצעות הטכנולוגיה החדשה, והשימוש בגלאים החדשים הללו על טלסקופים גדולים עורר שטף גילויים של החומר הבין כוכבי בסוף שנות ה- 60 וה- 70.

כיום מקוטלגות למעלה מ- 130 מולקולות בין כוכביות שונות. החשוב ביותר בתהליכים אסטרופיזיים הן מולקולות הבאות: מימן מולקולרי (H₂) וחד תחמוצת הפחמן (CO). ארבעה אטומים חוזרים במולקולות הגדולות הללו – פחמן, מימן, חמצן וחנקן – "אבני הבניין של החיים!" מסקרן כי שתי המולקולות שזוהו, מתילאמין (CH₃NH₂) וחומצה פורמית (HCOOH), יכולות להגיב בעת יצירת חומצת האמינו גליצין (NH₂CH₂COOH). אלה מולקולות גדולות היכולות ליצור את מולקולות ענק של חלבון, הנוצרות בתאים חיים. שתי שאלות מרתקות הגיעו מהמחקר על מולקולות בין כוכביות. ראשית, האם קיומם של מולקולות עשירות ומורכבות של פחמן בחלל מעיד על כך שהחיים יכלו להתקיים במקומות אחרים בחלל? שנית, כיצד נוצרות מולקולות אלה? הן נמצאות בגז בין כוכבי רגיל, כאשר התנגשויות בין האטומים נדירות ביותר, ובאזורים צפופים יותר, כמו העננים שבהם נוצרים כוכבים.

גרעינים בין כוכביים, או גרגרי אבק, הם גדולים יותר מאשר מולקולות בין כוכביות. גרעינים אופייניים הם בערך בגודל של חלקיקי עשן באוויר שלנו. הגרגירים מהווים כ- 1% מכלל המסה הבין-כוכבית, אם כי יש רק גרגיר אבק אחד על כל 1012 אטומי מימן או מולקולות. אלה חלקיקים זעירים שאורכם נע מ- 1/100 ועד לפעמיים אורך הגל של אור הנראה, לעתים קרובות צורתם מוארכת. הרכב גרגרים נתון בוויכוח כבר זמן רב. ב- 1974 הציע אסטרופיסיקאי מסרי לנקה, צ'נדרה ויקרמזינגה, כי הגרגרים עשויים מצורת פחמן, כמו פיח, המתעבים בגז מקורר ומופרזים על ידי כוכבי ענק עשירים בפחמן. קיימות תרכובות פחמן רבות ושונות, סיליקט, וגושי קרח זעירים אכן זוהו במחקר ספקטרוסקופי, במיוחד עבור גרגרים הנמצאים באזור יצירת כוכבים. גרגרים אלה עשויים להכיל גם ברזל, שכן הגרגרים המאורכים נוטים להתיישר במקביל זה לזה, למרות שהם מפוזרים במרחבי החלל. אסטרונומים מאמינים כי הם מיושרים על ידי שדה מגנטי חלש שנמצא בחלל בין כוכבי, בדיוק כמו שפיסות ברזל מתיישרות על ידי מוט מגנט.

בהרכב של הסיליקטים, המתכות ופיסות הקרח, הגרגרים הבין כוכביים דומים לאבק במערכת השמש הקדמונית שלנו. מסקרן, אילו תגובות ניתן ליצור בהשפעת אור אולטרה סגול בחומרים אלה. האם ניתן ליצור מולקולות אורגניות מורכבות על גרגירי אבק אלה? חלקיקים מיקרוסקופיים אלה הם מעבדות זעירות הממלאות תפקיד חשוב, אך לא מובן כראוי, בכימיה הבין-כוכבית. למרות שגרגרי אבק זעירים נדירים לעומת אטום מימן, יש להם השפעה גדולה על אור הכוכבים.

Author: Chris Impey