כתבה אורחת ממגזין גלילאו צעיר
כתב: צבי עצמון, גליליאו צעיר
בת כמה השמש? במאה ה־19 היו ויכוחים עזים בין מדענים בשאלה מהו גיל השמש. גֵאוֹלוֹגים שחישבו את גיל כדור הארץ וביוֹלוֹגים שחישבו את גיל עולם החי הסיקו כי גיל כדור הארץ גבוה ממה שסברו בעבר. הם טענו שכדור הארץ בן עשרות או מאות מיליוני שנים, ולא רק בן אלפי שנים, ובהתאם לכך – גיל השמש, המאפשרת את החיים בכדור הארץ, גבוה.
בו בזמן מדדו פיזיקאים כמה אֵנֶרגייה מַגיעה בכל שנייה מהשמש לכדור הארץ, כפלו זאת בשטח כולו ובגיל השמש כפי שחישבו הגאולוגים והביולוגיים, וקבעו נחרצות: הדבר בלתי אפשרי!
שאלה ללא פתרון
מאחר שאנרגייה כפופה לחוק שימור האנרגייה, אם השמש פולטת כמות אדירה של אנרגייה, נדרשה כמות אדירה של אנרגייה מסוג אחר כדי "לתדלק" אותה. אך איזוֹ אנרגייה יכולה לתדלק את השמש תקופה כה ארוכה? אולי אנרגיית כְּבידה שמשתחררת עקב נפילת מֵטֵאוֹריטים על השמש תוך שִחרור אנרגייה? ואולם כמות האנרגייה שחישבו מנפילת מֵטֵאוֹריטים על השמש קטנה הרבה יותר מזוֹ שנדרשת לתדלוקהּ.
אז הציעו פיזיקאים שהשמש, בזכות הכבידה העצומה שלה, מִתכּווצת מכוח עצמה, מִתכּנסת לתוך עצמה תוך שחרור אנרגיית כבידה. כך יכולה להיווצר אנרגייה רבה יותר. ובכל זאת, הכמות קטנה הרבה יותר מהכמות הנדרשת לַתקופה הארוכה שחישבו הגאולוגים והעריכו הביולוגים. זמן רב לא נמצא לכך פתרון.
הפיזיקאים מעלים רעיון
עם גילוי הרַדיוֹאַקטיביוּת התברר כי יש יסודות שפולטים אנרגייה ברציפות. אם כך, אולי זוֹ התשובה לחידת אנרגיית השמש? אך התברר שהשמש מְכילה יחסית מעט יסודות רדיואקטיביים מכדי שיהיה אפשר לייחס להם את האנרגייה האדירה שהיא פולטת.
בשנת 1905 פִּרסם אלברט איינשטיין רעיון מהפּכני: תורת היחסות; ממנה אפשר להסיק כי חומר (מָסה) שווה ערך לאנרגייה. ובכל זאת לא הֵבינו איך הדבר קשור לחידת השמש.
בשנת 1920 מצא הכימאי והפיזיקאי הבְּריטי פְרַנסיס אַסטוֹן (זוכה פרס נובל לכימיה 1922) כי המסה של גרעין אטום של הֶליוּם קטנה מעט (בשבע עשיריות האחוז) מהמסה של ארבעה גרעיני מימן (כלומר ארבעה פְּרוֹטוֹנים); האַסטרוֹפיזיקָאי האנגלי הנודע סֵר אַרתוּר אֵדינגטוֹן (מי שהֵביא הוכחה לתורת היחסות הכללית של איינשטיין) קישר מִמצא זה לחידת השמש: ייתכן שבשמש רביעיות של גרעיני מימן הופכים לגרעיני הליום, וההפרש הקטן במסות בין ארבעה פרוטונים לגרעין הליום הופך לכמויות עצומות של אנרגייה לפי נוסחת איינשטיין.
החוקרת שפיצחה את התעלומה
תהליכים שמתרחשים בין גרעיני אטומים או בתוכם נקראים תהליכים גרעיניים, ולפיכך הרעיון היה כי אנרגיית השמש מקורהּ באנרגייה גרעינית. אחד מסוגי האנרגייה הגרעינית היא אנרגייה המשתחררת כשגרעיני אטומים קטנים מתמזגים תוך יצירת גרעינים כבדים יותר. למשל, מיזוג של ארבעה גרעיני מימן ליצירת גרעין הליום. התהליך מכוּנה מיזוג גרעיני (או הִיתוך גרעיני), והאנרגייה היא אנרגיית מיזוג גרעיני.
ואולם הרעיון כי בשמש אנרגייה משתחררת בתהליכי מיזוג גרעיניים הערים קשיים. אחד הקשיים היה כמות המימן בשמש. חוקרים הניחו אז כי הֶרכב השמש דומה להֶרכב כדור הארץ, ואם כך אין בשמש מספיק מימן לתִדלוק ממושך שלה באנרגיית מיזוג.
בשנת 1925 בחנה החוקרת סֵסיליה פֶּיְן (לימים ססיליה פיין־גַפּוֹשקין) את קווי פליטת האור מהשמש, והסיקה כי המרכיב העיקרי בשמש הוא מימן, שֵני לו – ההליום, וכי כל שאר היסודות הם מרכיב קטן מאוד בשמש. טענה חדשנית זוֹ עוררה עליה זעם רב, אך בסופו של דבר התברר כי צדקה (וראו: "מהו מקור האנרגייה של השמש?", גיליון 165, אוקטובר 2017): המרכיב העיקרי בשמש, ובכוכבי שֶבת שדומים לה, הוא המימן. כמות המימן בשמש אדירה, ודי בה כדי לאפשר לשמש לפלוט אנרגייה אדירה במשך זמן עצום.
קושי אחר היה דחייה חשמלית בין גרעיני מימן: מִטענים חשמליים חיוביים, כמו פְּרוֹטוֹנים, דוחים אלה את אלה. אם כן, כיצד שני פרוטונים יכולים להתמזג? הפתרון: בטמפרטורה גבוהה מאוד מהירות הפרוטונים כה גבוהה עד שהיא מתגברת על הדחייה החשמלית, והפרוטונים מתנגשים ומתמזגים. היום אנו יודעים כי הטמפרטורה בליבת השמש היא יותר מ־15 מיליון מעלות. תהליך גרעיני שתלוי בטמפרטורה גבוהה מאוד נקרא תהליך תֶרמוֹ־גרעיני. אם כן, מקור האנרגייה של השמש הוא מיזוג תרמו־גרעיני של גרעיני מימן לגרעיני הליום.
בתהליכי מיזוג מורכבים יותר, שדורשים טמפרטורות גבוהות אף יותר, נוצרים גרעיני אטומים כבדים יותר מהליום: גרעיני היסודות שגופנו בנוי מהם, כמו פחמן, חנקן וחמצן.
הידעת?!
מבדיקות איזוטופים עולה שכדור הארץ עתיק אף יותר מששיערו הגאולוגים והביולוגים במאה ה־19. מדענים משערים כי השמש עצמה מקרינה יותר מ־4.5 מיליארד שנים בזכות תהליכי מיזוג תרמו־גרעיני של מימן להליום שמתרחשים בליבּה שלה.