מה הקשר בין ערפיליות קרות וקרניים קוסמיות?
צוות בין-לאומי בהובלת חוקרים מהטכניון מדד בפעם הראשונה את הקרניים הקוסמיות בליבה של ערפילית גלקטית הרחוקה 400 שנות אור מכדור הארץ
צוות מחקר בין-לאומי, בהובלת חוקרים מהפקולטה לפיזיקה בטכניון, מציג מדידה ראשונה מסוגה של הקרניים הקוסמיות הנמצאות בליבה של הערפילית הגלקטית Barnard 68. המדידה התבססה על תצפיות של טלסקופ החלל ג’יימס ווב ותאפשר לחוקרים למפות את התכונות של קרניים קוסמיות בחלל ולשפוך אור על תהליך יצירת כוכבים בגלקסיה. הממצאים פורסמו אתמול (ג’) בכתב העת היוקרתי Nature Astronomy לצד אנליזה משלימה במאמר שפורסם באותו יום בכתב העת The Astrophysical Journal בשיתוף פעולה עם אוניברסיטת ג’ונס הופקינס.
קרניים קוסמיות מהן?
למרות שמן, קרניים קוסמיות (Cosmic Rays) כלל אינן קשורות לקרינה רגילה שאנו מכירים (אור). הקרניים הקוסמיות הן למעשה חלקיקי חומר – פרוטונים, אלקטרונים וגרעיני אטומים – שמציפים את החלל הגלקטי ונעים במהירות הקרובה למהירות האור.
לקרניים הקוסמיות השפעה מכרעת על תהליך היווצרותם של כוכבים. כוכבים כמו השמש שלנו נוצרים מקריסה כבידתית של ערפיליות גז ואבק בגלקסיה. בזכות האנרגיה הגבוהה שלהם מצליחים חלקיקי הקרינה הקוסמית לחדור לעומק הערפילית ולחמם את הגז, ובכך לעכב את קריסת הערפילית ואת היווצרות הכוכב. בנוסף לחימום, תהליך היינון מקרניים קוסמיות משחק תפקיד מרכזי בכימיה ומעורב ביצירה של מולקולות שונות כגון מים, אמוניה, מתנול ועוד בתוך הערפילית.
הקרניים הקוסמיות התגלו לראשונה לפני יותר ממאה שנה בניסוי הבלון המפורסם של Victor Hess. כיום, מדידות מתחנת החלל הבינלאומית ומהחלליות וויאג׳ר 1 ו-2 מאפשרות לנו לחקור את הקרניים הקוסמיות בסביבת מערכת השמש. עם זאת, שאלת מאפייניהם של הקרניים הקוסמיות בגלקסיה בכלל, ובערפיליות יוצרות כוכבים בפרט, נותרה פתוחה, והיא את אחת השאלות הפתוחות החשובות באסטרופיזיקה המודרנית.
התגלית
השנה, צוות בין-לאומי בראשות ד”ר שמואל ביאלי מהטכניון השיג את מה שרבים חשבו לבלתי אפשרי: מדידה ישירה של פעילות קרניים קוסמיות בערפילית גלקטית. “כשקרניים קוסמית חודרות לערפילית,” מסביר ד”ר ביאלי, “הן גורמות למולקולות מימן לרטוט ובעקבות זאת נפלטת קרינה בתחום האינפרא-אדום בתדר אופייני של כ 100 טרה-הרץ. קרינה אינפרא-אדומה זאת מהווה חותמת ייחודית לאינטראקציה של קרניים קוסמיות עם המימן בערפילית.”
צוות החוקרים תכנן וביצע תצפית בעזרת טלסקופ החלל ג׳יימס ווב ((JWST למדידת אותות הקרינה מ-Barnard 68 – ערפילית צפופה וקרה – בטמפרטורה של 10-20 מעלות קלווין – רק מעט מעל האפס המוחלט. הערפילית נמצאת במרחק של 400 שנות אור מכדור הארץ, באיזור קבוצת הכוכבים אופיוקוס (Ophiuchus). קוטרה של הערפילית כשליש שנת אור ומסתה כפולה ממסת השמש שלנו. על פי התחזיות היא תקרוס תוך כ-200 אלף שנים וקריסתה תיצור כוכב חדש. “האותות שהתקבלו בטלסקופ החלל התאימו התאמה מושלמת לתחזית של המודל התאורטי שפיתחנו,” מסביר עמית צ’מקה, סטודנט למאסטר בקבוצה של ד”ר ביאלי, שהיה שותף במחקר. “חקרנו גם מודלים אלטרנטיביים, אבל אף אחד מהם לא התאים לאותות הנצפים. המדידה שלנו מוכיחה בצורה חד משמעית שמדובר בקרניים קוסמיות.”
פרופ’ דיוויד נויפלד מאוניברסיטת ג’ונס הופקינס, שהשתתף במחקר, ציין כי אלה הם הפוטונים (חלקיקי אור) הראשונים שזוהו אי פעם, שמקורם במולקולות מימן מולקולרי הפולטות אותם כתוצאה מפגיעת קרניים קוסמיות. לדבריו, טלסקופ החלל ג’יימס ווב פתח במשימה זו צוהר חדש לאסטרופיזיקה של הקרניים הקוסמיות.
מה הלאה?
“לפני שנים, כשהצעתי לראשונה גישה תצפיתית זו, מומחים רבים היו ספקנים,” מספר ד”ר ביאלי. “היו חוקרים שטענו שלעולם לא נוכל למדוד את האותות האלה משום שהם חלשים מדי, אבל היכולות חסרות התקדים של ג’יימס ווב שינו הכול. עכשיו, בעקבות ההצלחה, קיבלנו מ-NASA הקצאה של 50 שעות תצפית נוספות בטלסקופ החלל, מה שיאפשר לנו להרחיב את מסע מיפוי הקרניים הקוסמיות בסביבות גלקטיות שונות. זהו חלון למחקר השיטתי הראשון של האופן שבו קרניים קוסמיות מתפשטות דרך גלקסיות ומווסתות את תהליך יצירת הכוכבים. כך, בדומה לגלאי חלקיקים על כדור הארץ, ערפיליות בגלקסיה יתחילו כעת לשמש גלאי חלקיקים טבעיים ענקיים, בגודל של עשרות אלפי מערכות שמש.”
בקבוצה הישראלית במחקר תמכו הטכניון, הקרן הלאומית למדע וקרן גרמניה-ישראל למחקר ולפיתוח מדעי.
למאמר ב- Nature Astronomy – כאן
למאמר הנלווה ב-The Astrophysical Journal, בהובלת פרופ’ דיוויד נויפלד מאוניברסיטת ג’ונס הופקינס – לחצו כאן
