השמים שלנו מכוסים בים של רוחות רפאים מהממים; כל הפנטומים הפוטנציאליים שמתו כבר מיליוני שנים ובכל זאת איננו יודעים זאת. על זה נדון היום. מה קורה לכוכב הגדול ביותר שלנו, ואיך זה משפיע על איפור היקום בו אנו חיים.
אנו מתחילים את המסע בתצפית בערפילית הסרטן. הצבעים היפים שלה משתרעים כלפי חוץ אל החלל האפל; קבר שמימי ובו אירוע אלים שהתרחש לפני אלפי שנים. אתה מושיט את ידו ועם תנוף שורש כף היד, מתחיל לסובב את הזמן מחדש וצפה בערפיליות היפות האלה מתחילות להתכווץ. כשהשעון מתפתל לאחור, צבעי הערפילית מתחילים להשתנות, ואתם מבחינים שהם מתכווצים לנקודה אחת. ככל שמתקרב לוח השנה ל -5 ביולי 1054, הענן הגזי מתבהר ומתיישב בנקודה אחת בשמיים בהירה כמו הירח המלא ונראה במהלך היום. הבהירות דעכה ובסופו של דבר הייתה שם נקודת אור. כוכב שאנחנו לא רואים היום. כוכב זה נפטר, אולם ברגע זה בזמן לא היינו יודעים זאת. למתבונן לפני תאריך זה כוכב זה נראה נצחי, כמו שאר הכוכבים. עם זאת, כידוע מנקודת התצפית המיוחסת שלנו, כוכב זה עומד ללכת לסופרנובה וללדת את אחת הערפיליות המרהיבות ביותר שאנו צופים בימינו.
רוחות רפאים מהממים הן דרך מתאימה לתאר רבים מהכוכבים המסיביים שאנו רואים מפוזרים ברחבי היקום. מה שרבים לא מבינים הוא שכאשר אנו מסתכלים לעומק היקום, אנו לא מסתכלים רק על פני מרחקים עצומים, אלא אנו מציצים אחורה אל הזמן. אחד המאפיינים הבסיסיים של היקום שאנו מכירים היטב הוא שאור עובר במהירות סופית: כ -300,000,000 מ"ש (בערך 671,000,000 קמ"ש). מהירות זו נקבעה באמצעות בדיקות קפדניות והוכחות גופניות רבות. למעשה, הבנת הקבוע היסודי הזה היא מפתח לחלק גדול ממה שאנחנו יודעים על היקום, במיוחד ביחס לתורת היחסות הכללית והן למכניקת הקוואנטים. למרות זאת, ידיעת מהירות האור היא המפתח להבנת כוונתי ברוחות רפאים מהממים. אתה מבין, מידע נע במהירות האור. אנו משתמשים באור מהכוכבים כדי להתבונן בהם ומתוך כך להבין כיצד הם פועלים.
דוגמא הגונה לפיגור הזמן הזה היא השמש שלנו. השמש שלנו נמצאת בערך 8 דקות אור משם. כלומר, האור שאנו רואים מהכוכב שלנו לוקח 8 דקות לבצע את המסע משטחיו לעינינו על פני האדמה. אם השמש שלנו הייתה נעלמת פתאום ברגע זה, לא היינו יודעים עליה במשך 8 דקות; זה לא כולל רק את האור שאנו רואים, אלא אפילו את השפעתו הכבידה המופעלת עלינו. כך שאם השמש נעלמה ברגע זה, היינו ממשיכים בדרכנו במסלול סביב הכוכב הקיים שלנו כיום במשך 8 דקות נוספות לפני שמידע הכבידה הגיע אלינו ומודיע לנו שאנחנו כבר לא קשורים אליו בכבידה. זה קובע את מגבלת המהירות הקוסמית שלנו כמה מהר אנו יכולים לקבל מידע, מה שאומר שכל מה שאנו מתבוננים בעומק היקום בא אלינו כפי שהיה לפני 'x' של שנים, שם 'x' הוא מרחק האור שלו מאיתנו. משמעות הדבר היא שאנחנו מתבוננים בכוכב שנמצא במרחק 10 שנות אור מאיתנו כמו שהיה לפני 10 שנים. אם הכוכב הזה נפטר ברגע זה, לא נדע עליו עוד 10 שנים. לפיכך, אנו יכולים להגדיר את זה כ"רוח רפאים מהממים "; כוכב שמת מנקודת המבט שלו במיקומו, אך עדיין חי וקיים אצלנו.
כפי שעוסק במאמר קודם שלי (כוכבים: יום בחיים), התפתחותו של כוכב היא מורכבת ודינמית מאוד. גורמים רבים ממלאים תפקיד חשוב בכל דבר, החל בקביעה אם הכוכב אפילו יתהווה מלכתחילה, לגודל ובכך למשך חייו של הכוכב האמור. במאמר הקודם שהוזכר לעיל, אני מכסה את היסודות של היווצרות כוכבים וחיים של מה שאנו מכנים כוכבים ברצף הראשי, או ליתר דיוק כוכבים הדומים מאוד לשמש שלנו. בעוד שתהליך ההיווצרות וחייו של כוכב ברצף הראשי והכוכבים עליהם אנו דנים דומים למדי, ישנם הבדלים חשובים באופן שבו הכוכבים שנחקור מתים. מקרי מוות בכוכבים ברצף עיקרי הם מעניינים, אך הם כמעט ולא משווים לאופנים של כיפוף החלל שהכוכבים הגדולים הללו מסתיימים.
כאמור לעיל, כאשר התבוננו בכוכב שהלך לא מכבר שהיה מונח במרכז ערפילית הסרטן, הייתה נקודה בה אובייקט זה זוהר בהיר כמו הירח המלא וניתן היה לראות אותו במהלך היום. מה יכול לגרום למשהו להיות כה בהיר שהוא יהיה דומה לשכנתנו השמימית הקרובה ביותר? אם לוקחים בחשבון את ערפילית הסרטן נמצא 6,523 שנות אור, פירוש הדבר שמשהו המרוחק פי 153 מיליארד מהירח שלנו היה מאיר כמו הירח. הסיבה לכך הייתה שהכוכב הלך לסופרנובה במותו, שזה גורלם של כוכבים גדולים בהרבה מהשמש שלנו. כוכבים גדולים יותר מהשמש שלנו יגיעו לשני מצבים קיצוניים מאוד עם מותה: כוכבי נויטרונים וחורים שחורים. שניהם נושאים ראויים שעלולים להימשך שבועות במהלך קורס אסטרופיזיקה, אך עבורנו כיום, נעבור על דרך צורת מפלצות הכבידה הללו ומה המשמעות עבורנו.
חיי כוכב הם סיפור של היתוך כמעט בורח שמכיל את אחיזת נוכחות הכבידה שלו. אנו מכנים שיווי משקל הידרוסטטי זה, בו הלחץ החיצוני של היסודות המתמזגים בליבת הכוכב שווה ללחץ הכבידה הפנימי המופעל עקב מסת הכוכב. בליבת כל הכוכבים, מימן נמס להליום (בהתחלה). מימן זה הגיע מהערפילית ממנה נולד הכוכב, שהתמוטט והתמוטט, והעניק לכוכב את ההזדמנות הראשונה שלו בחיים. לאורך חיי הכוכב ישתמש במימן, ויותר ויותר "אפר" הליום יתעבה במרכז הכוכב. בסופו של דבר, הכוכב ייגמר במימן, והאיחוי ייפסק לזמן קצר. חוסר הלחץ כלפי חוץ בגלל שום איחוי שמתרחש באופן זמני מאפשר כוח הכבידה לנצח והוא מוחץ את הכוכב כלפי מטה. ככל שהכוכב מתכווץ, הצפיפות וכך הטמפרטורה בליבת הכוכב עולה. בסופו של דבר הוא מגיע לטמפרטורה מסוימת ואפר הליום מתחיל להתמזג. כך מתקדמים כל הכוכבים לאורך החלק העיקרי בחייה ולשלבים הראשונים של מותם. עם זאת, זה המקום בו כוכבים בגודל שמש וכוכבים מסיביים אנו דנים בדרכים חלקיות.
כוכב שנמצא בערך קרוב לגודל השמש שלנו יעבור תהליך זה עד שיגיע לפחמן. כוכבים בגודל כזה פשוט אינם גדולים מספיק כדי להמיס פחמן. לפיכך, כאשר כל ההליום התמזגו לחמצן ופחמן (באמצעות שני תהליכים מורכבים מכדי לכסות כאן), הכוכב לא יכול "לרסק" את החמצן והפחמן מספיק כדי להתחיל איחוי, כוח הכובד מנצח והכוכב מת. אבל כוכבים שיש להם מסה גדולה מספיק מהשמש שלנו (בערך פי 7 מהמסה) יכולים להמשיך על פני יסודות אלה ולהמשיך לזרוח. יש להם מספיק מסה כדי להמשיך בתהליך ה"מעוך וההתכה "הזה שהוא האינטראקציות הדינמיות בלב הכבשן השמימי.
כוכבים גדולים יותר אלה ימשיכו בתהליך ההיתוך שלהם מעבר לפחמן וחמצן, מעבר לסיליקון, עד שהם מגיעים לברזל. ברזל הוא תו המוות שאותו נוהגות הרועפות הבוערות, כמו שכאשר הברזל מתחיל למלא את גרעין הגווע שלהם עכשיו, הכוכב נמצא בזורק המוות שלו. אבל מבני אנרגיה מאסיביים אלה אינם נכנסים בשקט אל תוך הלילה. הם יוצאים בדרכים המרהיבות ביותר. כאשר האחרון של האלמנטים הלא-ברזל מתמזג בליבותיהם, הכוכב מתחיל את הגון שלו לשכחה. הכוכב מתרסק מעצמו מכיוון שאין לו דרך למנוע את אחיזתו הבלתי נלאית של הכובד, ומוחץ את שכבות האלמנטים שלאחר מכן מימי חייה. נפילה חופשית פנימית זו נפגשת בגודל מסוים עם כוח בלתי אפשרי להפר; לחץ ניוון נויטרונים שמאלץ את הכוכב להתאושש כלפי חוץ. כמות מאסיבית זו של אנרגיה כבידתית וקינטית יוצאת החוצה בזעם שמאיר את היקום, ומערה על גלקסיות שלמות ברגע. זעם זה הוא דם החיים של הקוסמוס; התוף פועם בסימפוניה הגלקטית, מכיוון שאנרגיה עזה זו מאפשרת מיזוג של אלמנטים כבדים יותר מברזל, עד אורניום. אלמנטים חדשים אלה נפוצצים כלפי חוץ על ידי הכוח המדהים הזה, רוכבים על גלי האנרגיה שמטילים אותם לעומק הקוסמוס, זורעים את היקום עם כל האלמנטים שאנחנו יודעים עליהם.
אבל מה נשאר? מה יש אחרי האירוע המרהיב הזה? הכל תלוי שוב במסת הכוכב. כאמור, שתי הצורות שכוכב מאסיבי מת מת הן כוכב נויטרון או חור שחור. עבור כוכב נויטרון, ההרכב מורכב למדי. בעיקרו של דבר, האירועים שתיארתי מתרחשים, למעט אחרי supernovae כל שנותר הוא כדור של נויטרונים מנווונים. התנוונות היא פשוט מונח שאנו חלים על צורה שחומר לוקח בה כשהוא דחוס לגבולות המותרים על ידי הפיזיקה. משהו מנוון הוא צפוף מאוד, וזה נכון מאוד לכוכב נויטרונים. מספר שאולי שמעת שהושלכת הוא שכפית של חומר כוכב נויטרון תשקול בערך 10 מיליון טון, ויש לה מהירות מילוט (המהירות הנדרשת כדי להתרחק ממשיכת הכבידה שלה) בערך 0.4 ס"מ, או 40% מהירות המהירות של אור. לפעמים נותר כוכב הנויטרון מסתובב במהירות מדהימה, ואנחנו מתייגים אותם כפולסרים; השם נגזר מאיך שאנו מזהים אותם.
סוגים אלה של כוכבים מייצרים הרבה קרינה. לכוכבי הניוטרון שדה מגנטי עצום. שדה זה מאיץ אלקטרונים באטמוספרות הכוכבים שלהם למהירויות מדהימות. אלקטרונים אלה עוקבים אחר קווי השדה המגנטי של כוכב הנויטרונים אל קטביו, שם הם יכולים לשחרר גלי רדיו, קרני רנטגן וקרני גאמה (תלוי באיזה סוג כוכב נויטרונים זה). מכיוון שאנרגיה זו מרוכזת לקטבים, היא יוצרת מעין אפקט של מגדלור עם קרני אנרגיה גבוהה הפועלות כמו קרני האור מתוך מגדלור. כאשר הכוכב מסתובב, קורות אלה מטאטאות פעמים רבות בשנייה. אם כדור הארץ, ובכך ציוד התצפית שלנו, במקרה מכוון לטובה עם פולסר זה, אנו נרשום את "קטניות" האנרגיה הללו כשקורות הכוכבים שוטפות מעלינו. עבור כל הפולסרים שאנו יודעים עליהם, אנו רחוקים מכדי שקרני האנרגיה הללו יפגעו בנו. אבל אם היינו קרובים לאחד הכוכבים המתים האלה, הקרינה הזו שטופת הכוכב שלנו ברציפות הייתה מאייתת הכחדה מסוימת לחיים כפי שאנו מכירים אותם.
מה מהצורה האחרת שכוכב מת נוקט; חור שחור? איך זה קורה? אם חומר מנוון רחוק ככל שנוכל לרסק חומר, כיצד מופיע חור שחור? במילים פשוטות, חורים שחורים הם תוצאה של כוכב גדול באופן בלתי נתפס, וכך כמות עצומה של חומר המסוגל "לשבור" לחץ זה של ניוון הנויטרונים עם התמוטטות. הכוכב נופל בעצמו פנימה בעוצמה כזו שהוא מפר את הגבול הפיזי לכאורה הזה, מסתובב על עצמו ומתעטף בחלל לנקודה של צפיפות אינסופית; ייחודיות. אירוע מדהים זה מתרחש כאשר לכוכב יש בערך פי 18 מכמות המסה שיש לשמש שלנו, וכשמתה היא באמת תמצית הפיזיקה שהייתה עד הקצה. "קצת מסה" נוספת זו היא המאפשרת לו לקרוס את הכדור הזה של נויטרונים מנווונים וליפול לעבר האינסוף. זה גם מפחיד ויפה לחשוב עליו; נקודה בחלל שלא מובנת לחלוטין על ידי הפיזיקה שלנו, ובכל זאת משהו שאנחנו יודעים שקיים. הדבר המדהים באמת עם חורים שחורים הוא שזה כמו היקום שפועל נגדנו. המידע הדרוש לנו בכדי להבין היטב את התהליכים בתוך חור שחור נעול מאחורי מעטה שאנו מכנים את אופק האירועים. זו נקודת האל-חזרה לחור שחור, שלכל דבר שמעבר לנקודה זו בחלל אין שבילים עתידיים המובילים ממנו. שום דבר לא בורח במרחק זה מהכוכב שהתמוטט בבסיסו, אפילו לא אור, ולכן שום מידע מעולם לא משאיר את הגבול הזה (לפחות לא בצורה בה אנו יכולים להשתמש). ליבו האפל של חפץ מדהים זה באמת משאיר הרבה רצוי, ומפתה אותנו לעבור לתחום שלו כדי לנסות ולהכיר את הלא-יודע; לתפוס את הפירות מעץ הידע.
עכשיו יש לומר, יש הרבה דרך למחקר עם חורים שחורים עד היום. פיסיקאים כמו פרופסור סטיבן הוקינג, בין היתר, עובדים ללא לאות על הפיזיקה התיאורטית שמאחורי פעולתו של חור שחור, מנסים לפתור את הפרדוקסים המופיעים לעתים קרובות כאשר אנו מנסים לנצל את מיטב הפיזיקה שלנו כנגדם. ישנם מאמרים ומאמרים רבים אודות מחקר שכזה וממצאיו הבאים, כך שלא אדלל במורכבותם משום ששניהם רוצים לשמור על פשטות בהבנה, וגם לא להרחיק את המוחות המדהימים העוסקים בנושאים אלה. רבים מציעים כי הייחודיות היא סקרנות מתמטית שאינה מייצגת לחלוטין את מה שקורה פיזית. שהעניין בתוך אופק אירועים יכול ללבוש צורות חדשות ואקזוטיות. ראוי גם לציין כי בתורת היחסות הכללית, כל דבר שיש בו מסה יכול לקרוס לחור שחור, אך בדרך כלל אנו מחזיקים בטווח של המונים כיוון שיצור חור שחור עם כל דבר פחות ממה שיש בטווח המונים זה מעבר להבנתנו כיצד יכול לקרות. אבל כמי שלומד פיזיקה, הייתי שולט שלא לציין שכרגע אנחנו נמצאים בחתך מעניין של רעיונות שעוסקים באינטימיות רבה במה שקורה בתוך צופי הכובד האלה.
כל זה מחזיר אותי לנקודה שצריך לעשות. עובדה שצריך להכיר. כשתיארתי את מותם של הכוכבים המסיביים האלה, נגעתי במשהו שמתרחש. כאשר הכוכב נקרע מהאנרגיה שלו עצמו ותוכנו מפוצץ החוצה ליקום, מתרחש משהו שנקרא נוקלאוזינתזה. זהו המיזוג של אלמנטים ליצירת אלמנטים חדשים. ממימן עד אורניום. אלמנטים חדשים אלה נפוצצים כלפי חוץ במהירויות מדהימות, וכך כל האלמנטים הללו ימצאו בסופו של דבר את דרכם לעננים מולקולריים. עננים מולקולריים (ערפיליות כהות) הם המשתלות הכוכבות של הקוסמוס. זה המקום בו כוכבים מתחילים. ומתוך היווצרות כוכבים אנו מקבלים היווצרות פלנטרית.
ככל שכוכב נוצר, ענן של פסולת המורכב מהענן המולקולרי שנולד בכוכב האמור מתחיל להסתובב סביבו. ענן זה, כידוע, מכיל את כל אותם אלמנטים שהתבשלו בסופרנובות שלנו. הפחמן, החמצן, הסיליקטים, הכסף, הזהב; כל הנוכחים בענן זה. דיסק ההקרדה הזה לגבי כוכב חדש זה הוא המקום בו נוצרים כוכבי לכת המתאחדים מהסביבה המועשרת הזו. כדורי סלע וקרח המתנגשים, מצטברים, נקרעים ואז מתוקשבים ככוח הכבידה עובד בידיה החריצות לעצב את העולמות החדשים הללו לאיים של אפשרות. כוכבי לכת אלה נוצרים מאותם אלמנטים ממש שנוצרו בסיבוב באותה התפרצות קטקסמית. העולמות החדשים הללו מכילים את הדפסי החיים כמו שאנחנו מכירים אותם.
על אחד מהעולמות הללו, מתרחשת תערובת מסוימת של מימן וחמצן. בתוך תערובת זו נוצרים אטומי פחמן מסוימים ליצירת שרשראות שכפול העוקבות אחר תבנית פשוטה. אולי אחרי מיליארדי שנים, אותם אלמנטים שהוכנסו ליקום על ידי אותו כוכב גוסס מוצאים את עצמם נותנים חיים למשהו שיכול להרים את מבטו ולהעריך את ההוד שהוא הקוסמוס. אולי יש למשהו אינטליגנציה להבין כי אטום הפחמן שבתוכו הוא אותו אטום פחמן שנוצר בכוכב גוסס, וכי התרחשו סופרנובות שאיפשרו לאטום הפחמן הזה למצוא את דרכו לחלק הנכון של היקום הזמן הנכון. האנרגיה שהיתה הנשימה האחרונה הגוססת של כוכב מת ארוך הייתה אותה אנרגיה שאפשרה לחיים לקחת את נשימתם הראשונה ולהביט בכוכבים. רוחות רפאים מהממים הם אבות אבותינו. הם נעלמו בצורה, אך עדיין נשארים בזיכרון הכימי שלנו. הם קיימים בתוכנו. אנחנו סופרנובה. אנחנו אבק כוכבים. אנו צאצאים מרוחות רפאים מהממים ...
