לראשונה נמדדה באופן ישיר מסתו של ננס לבן

ב-1915 פרסם אלברט איינשטיין תיאוריה מדעית שזעזעה את אמות הספים של הפיזיקה העולמית: תורת היחסות הכללית. בתאוריה זו הגדיר איינשטיין מחדש את כוח הכבידה, שאותו הגדיר לראשונה הפיזיקאי הנודע אייזק ניוטון. בעוד ניוטון חשב על הכבידה ככוח הפועל בסביבת עצמים מסיביים, איינשטיין תיאר את הכבידה כתכונה של המרחב; עצמים בעלי מסה מעקמים את המרחב סביבם ובכך משנים את תנועתם של גופים קרובים אליהם. הדוגמה המוכרת והקלה ביותר לתיאוריה זו היא סדין מתוח, שעליו מונח כדור כבד. הכדור יעקם את הסדין סביבו, כך שאם נגלגל לצידו כדור קל יותר, מסלולו יושפע מעיקום הסדין. אחת התחזיות המרשימות של תורת היחסות הוא שחלקיקי אור (פוטונים) יושפעו מעיקום המרחב הזה, ומסלולם יוסט בהתאם.

עוד כתבות באתר מדע גדול, בקטנה :

נמאס לכם מ"הישרדות"? בואו לצפות בחיוואים!

על בעיית המדידה הקוונטית

לא על הלחם (האחיד) לבדו

בניסוי שנערך לאחרונה ופורסם במגזין Science אוששה שוב תחזית חשובה זו. בניסוי, תועד ננס לבן מעקם (מסיט) את אורו של כוכב בעת שחלף בינו לבין כדור הארץ. עיקום זה של האור, המכונה גם "עידוש כבידתי", תלוי במסת הגוף המעקם, במקרה זה, הננס הלבן. לפיכך, באמצעות מדידת ההסטה, הצליחו המדענים למדוד את מסת הננס הלבן בדיוק רב מאוד ומצאו שהיא כ-60% ממסת השמש. במדידה נפרדת, מצאו החוקרים שרדיוס הגוף אינו עולה על כפעמיים רדיוס כדור הארץ. במילים אחרות, כדי להגיע לצפיפות הגוף יש לדחוס 60% מכמות החומר בשמש לתוך גוף כדורי ברדיוס שעולה אך במעט על רדיוס כדור הארץ. תוצאות מדויקות אלו יסייעו בחקר ננסים לבנים ומבנה החומר המיוחד המאפיין אותם.

אלברט איינשטיין (צילום: Getty Images imagebank)

ננס לבן הוא אחד השלבים האחרונים בחייו של כוכב, שמסתו דומה למסת השמש שלנו. במשך כל ימי חייהם, נתונים כוכבים כמו השמש שלנו למאבק מתמשך בין כבידתם העצמית ללחץ דחיה הנוצר מתהליך המיזוג (היתוך) הגרעיני בליבתם. בתהליך זה מתמזגים יסודות קלים יותר כמו מימן ליסודות כבדים יותר כמו הליום, ליתיום ופחמן. לאחר שהמיר הכוכב את כל היסודות הקלים ליסודות כבדים, הוא אינו יכול עוד להרוויח אנרגיה מתהליך ההיתוך. בשלב זה, גובר כוח הכבידה על לחץ הדחייה והכוכב נכנס לשלבי חייו האחרונים.

בעוד כוכבים מסיביים מאוד יסיימו חייהם בפיצוץ אלים הנקרא סופרנובה, רוב הכוכבים ביקום יסתפקו במוות צנוע הרבה יותר. מעטפתם החיצונית תתנפח ותתקרר - בעוד ליבתם, שבה נותרו בעיקר יסודות כבדים, תתכווץ תחת כוח הכבידה האדיר. התכווצות הליבה תיעצר רק בשל תופעה קוונטית-חלקיקית, הנקראת ניוון אלקטרוני.

כל אטום מורכב מגרעין המוקף ב"ענן" של חלקיקים הנקראים אלקטרונים, שלהם אנרגיות שונות. נהוג לחלק את האלקטרונים הללו לרמות אנרגיה; קבוצות של אלקטרונים בעלי אנרגיה זהה. כל רמת אנרגיה כזו מחולקת גם היא לתת קבוצות הנקראות אורביטלים. כדי להבין זאת, דמיינו שכל רמת אנרגיה מחולקת לתאים בעלי מספר סופי, כך שבכל תא יכולים להיכנס שני אלקטרונים בלבד (מיד תבינו מדוע שניים). ברגע שכל התאים מתמלאים, אלקטרונים חדשים יוכלו להיכנס רק לתאים ברמת אנרגיה גבוהה יותר - ולמעשה "יאולצו" להיות בעלי אנרגיה גבוהה יותר.

(צילום: AFP)

תכונה נוספת המאפיינת אלקטרונים (כמו גם חלקיקים אחרים) נקראת ספין. על אף שבתרגום לעברית ספין הוא סיבוב - לא מדובר בסיבוב אמיתי של האלקטרון סביב צירו, אלא בתכונה מגנטית הניתנת למדידה במעבדה. עבור אלקטרונים, הספין יכול להיות "מעלה" או "מטה" בלבד. אחד העקרונות החשובים במכניקת הקוונטים נקרא "עקרון האיסור של פאולי". לפי עיקרון זה, שני אלקטרונים בעלי אותו ספין לא יכולים לשכון יחדיו באותו מצב קוונטי (כלומר, באותו תא בדוגמה הקודמת).

בננס לבן, הלחץ האדיר שנוצר בשל כבידתו העצמית מונע את מבנה האטומים המוכר לנו והם מתפרקים לחלקיקיהם הבסיסיים. במצב זה, הכוח היחיד המתנגד לכוח הכבידה הוא לחץ הניוון האלקטרוני, הנוצר בשל עקרון האיסור של פאולי. מפני שאלקטרונים בעלי אותו ספין לא יכולים לשכון זה לצד זה באותו מצב קוונטי - ומפני שמספר האפשרויות לספין מוגבל ("למעלה" ו"למטה") - לחלק מהאלקטרונים תמיד תהיה אנרגיה כלשהי. כלומר, על אף שפסק ייצור האנרגיה דרך המיזוג הגרעיני - לחץ הניוון של האלקטרונים עצמם יתנגד לכוח המשיכה העז וישמור את הננס הלבן בריא ושלם (באופן יחסי). שמו של הננס הלבן נגזר מגודלו הזעיר ביחס לכוכב שיצר אותו ומאורו הלבן אותו הוא פולט בשל הטמפרטורות הגבוהות בהן הוא מצוי.

בעוד כחמישה מיליארד שנים, תכלה גם השמש שלנו את מאגר המימן בליבתה. ראשית, מעטפתה החיצונית תתנפח ותתקרר עד שתתפזר בחלל. ליבתה תתכווץ לננס לבן לוהט שגודלו כגודל כדור הארץ, שימשיך ויזהר עד שיתקרר לטמפרטורת החלל. לאחר שיתקרר, יפסיק להאיר הננס הלבן ויהפוך לננס שחור; גוף קטן וקר שינדוד בחלל לנצח בשוליה של גלקסיה לא גדולה בשם שביל-החלב. אבל אנחנו, רוב הסיכויים, כבר לא נזכה לצפות בזה. חבל, לא?

הכתבה פורסמה באתר "מדע גדול, בקטנה" ובדף הפייסבוק "מדע גדול, בקטנה"

למאמר המלא: http://science.sciencemag.org/content/sci/early/2017/06/06/science.aal2879.full.pdf