התעלומה הקוסמית של הפיצוץ הבהיר בכל הזמנים
- גור זיו
- 9 באוק׳
- זמן קריאה 5 דקות
האם היקום שקוף כפי שחשבנו? פיצוץ קוסמי אדיר, הבהיר ביותר שנצפה אי פעם, שלח אלינו קרני אור באנרגיה כה גבוהה, שהן לא היו אמורות לשרוד את המסע. האם הן עברו דרך "חורים" מסתוריים ביקום, או שאולי הן רומזות על קיומה של פיזיקה חדשה לגמרי? הצטרפו אלינו לחקירה של The B.O.A.T, האירוע ששבר את כל המודלים ומכריח את המדענים לחשוב מחדש על חוקי הטבע.
ביקום שלנו, המלא באירועים אלימים ועוצמתיים, אין דבר שמתקרב בעוצמתו להתפרצות גמא. דמיינו פיצוץ שמשחרר בשניות בודדות כמות אנרגיה שהשמש שלנו תייצר במשך כל עשרת מיליארד שנות חייה. אלו הן המיתות הדרמטיות של כוכבים מסיביים הקורסים אל תוך עצמם והופכים לחורים שחורים, או התנגשויות קטסטרופליות בין כוכבי נייטרונים. ממרחק של מיליארדי שנות אור, האותות הללו מגיעים אלינו כהבזק קצר ואינטנסיבי של הקרינה האנרגטית ביותר בטבע - קרני גמא. במשך עשורים, אנו צופים בהם, מודדים אותם, ומנסים לפענח את הפיזיקה הקיצונית שיוצרת אותם.
אך ב-9 באוקטובר 2022, משהו שונה קרה. טלסקופים ברחבי העולם ובחלל קלטו אות ששבר כל שיא אפשרי. זה היה כל כך חזק, כל כך בהיר, וכל כך יוצא דופן, שהקהילה המדעית העניקה לו מיד כינוי הולם: "The B.O.A.T", ראשי תיבות של Brightest Of All Time (הבהיר ביותר בכל הזמנים). אך ככל שהנתונים החלו לזרום, התברר שהסיפור האמיתי אינו רק עוצמתו של הפיצוץ, אלא מה שהגיע ממנו: פוטונים, חלקיקי אור, באנרגיה כה אדירה, שעל פי כל מה שאנחנו יודעים על היקום, הם פשוט לא היו אמורים לשרוד את המסע ולהגיע אלינו. התצפית הזו הפכה את GRB 221009A לא רק לאירוע שיא, אלא לאחת התעלומות הגדולות והמטרידות ביותר באסטרופיזיקה המודרנית.
התפרצות הגמא GRB 221009A הגיעה מגלקסיה במרחק של כ-2.4 מיליארד שנות אור מאיתנו. במונחים קוסמיים, זה נחשב "קרוב יחסית", אך עדיין מדובר במסע ארוך מאד דרך המרחב הבין-גלקטי. במהלך המסע הזה, חלקיקי האור צריכים לנווט דרך "ערפל" קוסמי בלתי נראה. הערפל הזה, המכונה "אור הרקע החוץ-גלקטי" (Extragalactic Background Light, או EBL), הוא האור המצטבר מכל הכוכבים והגלקסיות שאי פעם זרחו ביקום. הוא מורכב בעיקר מפוטונים באור נראה ובאינפרא-אדום.
עבור רוב האור, היקום הוא שקוף לחלוטין. אך עבור פוטונים אנרגטיים במיוחד, כמו קרני גמא באנרגיה של טריליוני אלקטרון-וולט (TeV), הערפל הזה הופך לקיר אטום. כאשר פוטון גמא בעל אנרגיה גבוהה פוגש בפוטון EBL בעל אנרגיה נמוכה, הם יכולים להשמיד זה את זה בתהליך הנקרא "יצירת זוג", ולהפוך לזוג של אלקטרון ופוזיטרון. ככל שהאנרגיה של פוטון הגמא גבוהה יותר, וככל שהמרחק שהוא צריך לעבור גדול יותר, כך גדל הסיכוי שהוא "יתנגש" באחד מפוטוני הערפל ויושמד. במילים פשוטות, ככל שהאור חזק יותר - כך קשה לו לשרוד את היקום. פיזיקאים חישבו במדויק את רמת ה"אטימות" של היקום, ויצרו מודלים סטנדרטיים של ה-EBL החוזים באיזו אנרגיה ובאיזה מרחק היקום הופך להיות אטום לחלוטין.
כאן בדיוק טמונה התעלומה של "B.O.A.T". מצפה לשטיפות אוויר בגובה רב (LHAASO), מצפה עצום הפרוס על פני רמה גבוהה בסין, זיהה פוטונים מההתפרצות הזו באנרגיות מדהימות של עד 13 טריליון אלקטרון-וולט (TeV). על פי המודלים הסטנדרטיים של ה-EBL, פוטונים באנרגיה כזו, המגיעים ממרחק של 2.4 מיליארד שנות אור, פשוט לא היו צריכים להגיע. ההסתברות שלהם לשרוד את המסע מבלי להתנגש בפוטון ערפל היא זניחה, כמעט אפסית.
"כשהסתכלנו על הנתונים, זה היה פשוט לא ייאמן", אמרה ד"ר אליסה ברנרדיני (Elisa Bernardini), אסטרופיזיקאית במרכז גודארד של נאס"א. "זה מאתגר את ההבנה שלנו לגבי פיזיקה, לגבי היקום עצמו. אנחנו צריכים להסביר איך הפוטונים האלה הגיעו לכאן". התצפית הזו, כפי שתיארו אותה אסטרופיזיקאים רבים מאתגרת את ההבנה שלנו לגבי פיזיקה והיקום עצמו. המחקר החדש, שסוקר את האפשרויות, מציב את הקהילה המדעית בפני צומת דרכים: או שהיקום שונה ממה שחשבנו, או שהפיזיקה שמתרחשת בתוך התפרצויות גמא קיצונית ומוזרה הרבה יותר מכל מה שדמיינו, או שאולי, רק אולי, מדובר ברמז ראשון לפיזיקה חדשה לחלוטין, מעבר למודל הסטנדרטי.
ההסבר הראשון והשמרני ביותר מציע שאולי המודלים שלנו של ה"ערפל" הקוסמי פשוט שגויים. יכול להיות שיש פחות אור בין-גלקטי ממה שחישבנו, מה שהופך את היקום לשקוף יותר. אפשרות ספציפית יותר היא שהמסלול שעבר האור מ-GRB 221009A אלינו לא היה ממוצע. ייתכן שבמקרה, הוא עבר דרך "ריק קוסמי" (Cosmic Void) - אזור עצום במרחב שבו יש מעט מאד גלקסיות, וכתוצאה מכך, מעט מאד אור רקע. אם קרן האור "נהנתה" ממסלול נקי יחסית, ייתכן שיותר פוטונים אנרגטיים הצליחו לשרוד. זוהי אפשרות סבירה, אך קשה מאד להוכחה, והיא דורשת צירוף מקרים יוצא דופן.
הסבר מסוג אחר מתמקד במקור עצמו, ושואל: האם ייתכן שהפוטונים עתירי האנרגיה הללו כלל לא נוצרו בפיצוץ הראשוני, אלא נוצרו קרוב יותר אלינו? אחת התיאוריות היא של "ייצור משני". על פי תרחיש זה, הפיצוץ הראשוני מאיץ חלקיקים רגילים (כמו פרוטונים) לאנרגיות אדירות. הפרוטונים הללו, בהיותם מסיביים, יכולים לעבור דרך הערפל הקוסמי כמעט ללא הפרעה. כשהם מתקרבים לשביל החלב, הם מתנגשים בחלקיקים במדיום הבין-גלקטי או בתוך הגלקסיה שלנו, ובהתנגשות זו הם מייצרים מטר של חלקיקים חדשים, כולל אותם פוטונים של 13 TeV. במקרה זה, הפוטונים האנרגטיים היו צריכים לעבור רק מרחק קצר, ולכן יכלו לשרוד. זוהי אפשרות אלגנטית, אך היא דורשת שההתפרצות תהיה מאיץ חלקיקים יעיל באופן כמעט בלתי נתפס.
לבסוף, ישנן האפשרויות האקזוטיות יותר, אלו שמציתות את דמיונם של פיזיקאים תיאורטיים. ייתכן ש"B.O.A.T" היא הרמז הראשון לפיזיקה חדשה, מעבר לתיאוריות המוכרות של איינשטיין והמודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. אחת האפשרויות היא "הפרת אינווריאנטיות לורנץ" (Lorentz Invariance Violation). זהו עיקרון יסוד בפיזיקה המודרנית, הקובע שחוקי הפיזיקה זהים עבור כל הצופים, לא משנה מה מהירותם. הפרה זעירה של עיקרון זה באנרגיות גבוהות מאד יכולה לשנות את ה"חוקים" של תהליך יצירת הזוג, ולהפוך אותו לפחות יעיל. במילים אחרות, באנרגיות קיצוניות, הפוטונים של קרני הגמא והפוטונים של ה-EBL פשוט "יחמיצו" זה את זה לעיתים קרובות יותר, מה שיאפשר לפוטונים האנרגטיים לשרוד את המסע.
אפשרות אקזוטית נוספת מערבת חלקיק היפותטי בשם אקסיון. אקסיונים, אם הם קיימים, הם חלקיקים קלים מאד שיש להם אינטראקציה חלשה ביותר עם חומר רגיל. התיאוריה גורסת שבנוכחות שדות מגנטיים חזקים, פוטונים יכולים להפוך לאקסיונים, ושוב בחזרה לפוטונים. ייתכן שהפוטונים האנרגטיים של "B.O.A.T" יצאו לדרך, הפכו לאקסיונים כשהם עברו דרך השדה המגנטי של הגלקסיה המארחת שלהם, עשו את רוב המסע בתחפושת של אקסיון בלתי פגיע, ואז, כשהם נכנסו לשדה המגנטי של שביל החלב, הם הפכו בחזרה לפוטונים בדיוק בזמן כדי שנוכל לזהות אותם. הרעיון של המרת פוטון-אקסיון מרתק במיוחד. כפי שטוען פרופ' דן הופר (Dan Hooper), אסטרופיזיקאי תיאורטי מוביל בתחום, אישור של תופעה כזו יהווה את אחת התגליות הגדולות ביותר בפיזיקה מזה עשרות שנים.
נכון לעכשיו, אין לנו תשובה חד-משמעית. כל אחד מההסברים המוצעים מציב אתגרים משלו. אך עצם קיומה של התעלומה הזו הוא מה שהופך את המדע למרתק כל כך. GRB 221009A הוא יותר מסתם פיצוץ מרשים. הוא מתנה שהיקום שלח לנו. הוא אתגר אינטלקטואלי שמכריח אותנו לבחון את המודלים שלנו, לחשוב מחוץ לקופסה, ולדמיין אפשרויות חדשות. הדור הבא של טלסקופים, הן על הקרקע והן בחלל, יחפש אירועים דומים, בתקווה למצוא עוד דוגמאות שיעזרו לנו להכריע בין ההסברים. עד אז, האור הבלתי אפשרי הזה, שחמק מכל מה שחשבנו שאנו יודעים על חוקי הטבע, ימשיך להאיר לא רק את שמי הלילה - אלא גם את סקרנותנו האנושית.
המחקר:
תגובות