כוכב מת, חלקיק נולד

לפני שנתיים התנגש חלקיק ניטרינו בגלאי בקוטב הדרומי בעוצמה חסרת תקדים. באמצעות שורה רחבה של גלאים ומערך טלסקופים בארץ ובחלל, הצליחה קבוצת מחקר בין-לאומית להצביע על קשר אפשרי בין ההתנגשות הנדירה, לאירוע קוסמי קדום שהתרחש לפני כ-700 מיליון שנה - כאשר כוכב מרוחק נשאב לתוך חור שחור - ובכך כתבה עמוד נוסף בספר ההיסטוריה של היקום.

פרופ' אבישי גל-ים, מהמחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן למדע, היה חבר בקבוצה שחקרה את מקור החלקיק, יחד עם מדענים ממרכז המחקר DESY שבגרמניה. המחקר שביצעו התמקד באירועי TDE (Tidal Disruption Event או "אירוע קריעה כבידתי" בעברית), המתרחשים כאשר כוכבים מתקרבים יותר מדי לחורים השחורים שבמרכז הגלקסיה שלהם. במצב זה מופר מאזן הכוחות בכוכב, וכתוצאה מכך נמתח הכוכב כמו סוכריית טופי – עד שהוא נקרע לחלוטין. אירועים מסוג זה נצפו לראשונה לפני כעשור, ופרופ' גל-ים - בשיתוף עם תלמיד המחקר לשעבר שלו, ד"ר יאיר הרכבי – היו בין הראשונים לחקור אותם. פרופ' גל-ים והמדענים הגרמנים חיפשו בשמיים עדויות לפיצוצים קוסמיים ובכללם אירוע קריעה כבידתי כזה.

האירוע המדובר נצפה לראשונה על-ידי מתקן זוויקי בהר פאלומר, קליפורניה, באפריל 2019. מתקן זה מורכב ממערך של טלסקופים ממוחשבים, המסוגלים לזהות מקורות אור חדשים בשמי הלילה – המעידים על סופרנובות, אירועי קריעה כבידתיים והתרחשויות קוסמיות אחרות. התוכנה שמפעילה את המתקן מבוססת על אלגוריתם שפיתחו ד"ר ברק זכאי ופרופ' ערן אופק מהמכון, יחד עם פרופ' גל-ים. באירועי קריעה כבידתית, מקור הקרינה שמופיעה בשמיים הוא חומר גזי – שאריות הכוכב שנקרע – שמסתחרר סביב החור השחור, ומתחמם, לפני שהוא נשאב לתוכו. כאשר אירוע חריג נצפה במתקן זוויקי, מתמקדים הטלסקופים והגלאים שבמתקן באותה פיסת שמיים, מנסים לפענח מהו האירוע שנצפה ולאסוף פרטים רבים ככל האפשר.

כחצי שנה מאוחר יותר, באוקטובר, נצפה חלקיק ניטרינו ב-IceCube – מערך גלאים הקבור מתחת לקרח בקוטב הדרומי. גילוי חלקיק ניטרינו הוא אירוע נדיר: אף על פי שטריליונים מהם חולפים על-פני כדור-הארץ בכל יום, רובם אינם משאירים עקבות כלל. בהתאם, גלאי IceCube מדווחים על קומץ חלקיקי ניטרינו מדי שנה.

העוצמה הכבירה של החלקיק נוצרה כאשר החומר שממנו נפלט הסתחרר סביב החור השחור, כאילו היה מאיץ חלקיקים ענקי, וגרמה לו להיזרק ישירות לכיווננו

חלקיק הניטרינו המסוים הזה פגע בגלאי בעוצמה אדירה של 100 טרה אלקטרון וולט – אשר בישרה למדענים שהחלקיק היה מוכרח להגיע ממקור יוצא דופן. אכן, הם גילו שמקורו מאותה פיסת שמיים שבה זוהה אירוע הקריעה הכבידתי באפריל. קבוצת המחקר זיהתה את הקשר בין שני האירועים והציעה שהעוצמה הכבירה של החלקיק נוצרה כאשר החומר שממנו נפלט הסתחרר סביב החור השחור, כאילו היה מאיץ חלקיקים ענקי, וגרמה לו להיזרק ישירות לכיווננו.

קבוצת המחקר במרכז DESY, בראשות פרופ' אנה פרנקווויאק, פיתחה כלים מיוחדים ששילבו את הנתונים שהתקבלו ממתקן זוויקי, מ-IceCube, ממגוון טלסקופיים אופטיים (לרבות אחד שנמצא על הלוויין Swift של נאס"א) ומרדיו-טלסקופ – שהראו שאפילו לאחר היעלמות קרינת האור הנראה מאותו אירוע קריעה כבידתי, רמות קרינה אחרות המשיכו לעלות. הניתוח התיאורטי הראה שחלקיק הניטרינו היה יכול להיווצר ולהיזרק החוצה בשלבים המאוחרים של האירוע.

"זאת היתה תצוגת תכלית מרגשת של הכוח הטמון בשילוב בין אמצעי מדידה שונים ושיתוף פעולה בין קבוצות מחקר מגוונות", אומר פרופ' גל-ים. המדענים מאמינים שתגליות רבות עשויות לצוץ כתוצאה מהשיטות שפותחו במהלך המחקר. אלה יכולות לסייע למדענים להבין כיצד נוצר "מאיץ החלקיקים" העצום שהביא אלינו את אותו חלקיק ניטרינו, ואיך מופקים חלקיקי ניטרינו בעלי עוצמה גבוהה. מדעני המכון אף צפויים לתרום למאמץ זה בדמות ULTRASAT, לוויין חדש המפותח בימים אלה תחת הנהגתו של פרופ' אלי וקסמן, בשיתוף עם מדענים מ-DESY. לאחר השקתו של הלוויין ב-2024, יחפשו הטלסקופים שלו תופעות חריגות בטווח האולטרה סגול. המדענים מקווים שהלוויין יוכל לאתר אותות, אשר כיום אינם ניתנים לגילוי, מכמה מהאירועים המרגשים ביותר בתולדות היקום – מאירועי קריעה כבידתית ועד סופרנובות וגלי כבידה שנפלטו מכוכבי ניטרונים.