מסע בין כוכבים - הדור הבא: מי יהיה יורשו המדעי של ג'יימס ווב?

aCMKHMrCpXxbrqY9ogLxUL-970-80.jpg

טלסקופ החלל ג'יימס ווב, ששוגר בדצמבר 2021, צפוי אמנם לשבור שיאים: לאפשר לנו להציץ אחורה בזמן רחוק יותר מאי פעם ולראות את היקום כפי שהיה 250 עד 100 מיליון שנה בלבד אחרי המפץ הגדול. באותו יקום קדום אנחנו נראה את הגלקסיות הראשונות שנוצרו. כדי להבין את ההצעות לטלסקופים שיירשו אותו, צריך קודם להבין את גודל האתגר. 

על מנת לראות את הגלקסיות הראשונות יש צורך בטלסקופ עוצמתי בתחום התת-אדום. משום שהיקום מתפשט בקצב הולך ומאיץ, ובקנה מידה גדול כל דבר ביקום מתרחק מכל דבר אחר, ככל שעצם מסוים רחוק יותר מאיתנו כך הוא מתרחק מאיתנו במהירות רבה יותר. גלי האור ממקורות מתרחקים אלו נמתחים יחד עם החלל, ועוברים הסחה לאדום בתהליך שנקרא אפקט דופלר – בדומה לגלי קול של צופר מכונית המתרחקת מאיתנו במהירות. הגלקסיות הראשונות ביקום הן גם הגלקסיות הרחוקות ביותר והמתרחקות ביותר, ולכן האור שמגיע אלינו מהן מוסח לתחום התת-אדום של הספקטרום האלקטרומגנטי – וצריך טלסקופ בתחום התת-אדום כדי לראות אותן.

הגלקסיות הראשונות ביקום הן גם הרחוקות והמתרחקות ביותר, ולכן האור שמגיע מהן מוסח לתחום התת-אדום. קרדיט: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt/Caltech-IPAC

אבל אפילו ג'יימס ווב לא יצליח לראות את הכוכבים הראשונים שנוצרו ביקום, עוד לפני שאלה התקבצו לגלקסיות. ההסחה לאדום של הכוכבים הראשונים היא כה קיצונית, שלשם כך נצטרך לבנות טלסקופ עוד יותר גדול. האתגר לחקור מעבר לכך, לפני היווצרותם של הכוכבים הראשונים, הוא אף גדול יותר, כי מה בדיוק עלינו למדוד ואיך? אז לכבוד קליטת האותות הראשונים בטלסקופ החלל העצמתי בהיסטוריה, קבלו שלוש הצעות בשלבי תכנון שונים, לטלסקופי החלל שאולי יעמיקו לראות מעבר למה שג'יימס ווב אי פעם יוכל.

הטלסקופ הגדול האולטימטיבי

ה-Ultimately Large Telescope, או "הטלסקופ הגדול ביותר", הוא שמו הזמני של פרויקט שחוקרים מאוניברסיטת אוסטין מקדמים במסגרת מאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת The Astrophysical Journal. כוכבים מאוכלוסייה 3 נוצרו עוד לפני שהיו גלקסיות. הכוונה היא שכוכבים אלה מורכבים אך ורק מהיסודות שהיו זמן קצר לאחר המפץ הגדול: מימן, מעט הליום ושיירי ליתיום ובריליום. השמש שלנו היא כוכב מאוכלוסייה 1, ולמרות שגם היא מורכבת ברובה ממימן, היא עדיין מכילה יסודות כבדים שנוצרו בליבותיהם של כוכבים מאוכלוסייה 3 ו-2 שמתו, התפוצצו והעשירו את היקום.

ההנחה היא שכוכבים מאוכלוסייה 3, כלומר הכוכבים הראשונים והעתיקים ביותר, נוצרו והתפתחו באופן שונה ללא היסודות הכבדים. לפי תיאוריה אחת, כוכבים אלה היו מסיביים בהרבה מהכוכבים שאנו רואים היום – גדולים ומסיביים פי כמה מאות מהשמש – והם כילו את "הדלק" שלהם ומתו תוך זמן קצר מאוד יחסית. אם נצליח לראות כוכבים מאוכלוסייה 3, נבין טוב יותר את הרכב הכוכבים היום – וכן את הרכב היסודות של המפץ הגדול עצמו.

כדי לראות את נצנוץ הכוכבים העתיקים ביותר, האנושות תצטרך לבנות טלסקופ תת-אדום עם מראה בקוטר 100 מטר. קוטר המראה של ג'יימס ווב הוא 6.6 מטר. למעשה, הטלסקופ האופטי הגדול ביותר שנבנה בימים אלה הוא הטלסקופ הגדול במיוחד (Extremely Large Telescope) בעל קוטר מראות כולל של 39.3 מטר.

ULT.jpg

וזה לא הכול. הטלסקופ הגדול מאוד הולך ונבנה על הקרקע, במדבר אטקמה שבצ'ילה. כדי לראות את אור הכוכבים הראשונים, את הטלסקופ הגדול ביותר נצטרך לבנות על הירח, כנראה בתוך מכתש בקוטב הדרומי. פשוט אין כל אפשרות לשגר טלסקופ בממדים האלה בחתיכה אחת כמו ג'יימס ווב, ומצד שני אי אפשר לבנות אותו בכדור הארץ שכן האטמוספרה תסיט את הפוטונים הבודדים והרחוקים שייקלטו במכשיריו.

לוחות הזמנים: בינתיים, הטלסקופ הגדול ביותר הוא עדיין בגדר הצעה בלבד. אם וכאשר הוא יאושר לבנייה, זה לא יקרה לפני אמצע המאה הנוכחית. 

ימי הביניים של היקום

לפני 13.8 מיליארד שנה אירע המפץ הגדול שיצר את היקום שלנו. האור הראשון שבקע מהיקום הוא קרינת הרקע הקוסמית, שנמדדת היום בכל מקום ביקום (ולכן מהווה בעצמה אחת ההוכחות למפץ הגדול). אותה קרינה השתחררה כשהיקום התקרר מספיק כ-400,000 אלף שנה אחרי המפץ עצמו. אלא שזמן קצר לאחר מכן, היקום היה מלא בהילה של מימן ניטרלי - אטומים עם פרוטון ואלקטרון אחד - בתקופה שנקראת "ימי הביניים הקוסמיים". 

כדי למדוד את האטומים הראשונים האלה יש לעבור לתחום הרדיו בספקטרום האלקטרומגנטי. אורך הגל של מימן ניטרלי הוא 21 ס"מ, ומדענים מודדים אותו כל הזמן, למשל בפאתי גלקסיות שכנות. הבעיה היא שהגלים מתארכים והולכים ככל שהם רחוקים ועתיקים יותר, עד כדי הסחה לאדום של 7.5 מטרים! לנסות למדוד כזאת קרינה בכדור הארץ זה בלתי אפשרי, בשל האטמוספרה שמשבשת אותות ארוכים כל כך. שלא לדבר על שידורי הרדיו ב-FM של האנושות, שמפריעה עוד יותר לקליטת הגלים העתיקים.

לכן אחת ההצעות, שנקראת ה-Dark Ages Radio Explorer, קוראת לשיגור של טלסקופ הרדיו לצד הרחוק של הירח שלנו, בין אם כמקפת ובין אם כמצפה כוכבים על אדמת הירח. לשם לא יגיעו שידורי הרדיו מכדור הארץ ולא יהיו הפרעות אטמוספריות שכן אין אטמוספרה.

לוחות הזמנים: בהנחה שהפרויקט יצא לדרך, החוקרים צופים שהטלסקופ ישוגר עד סוף העשור. 

1-Figure1-1.png

האדוות בזמן של המפץ הגדול

ומה בא אחר כך שנוכל לחקור? לכאורה התשובה היא - כלום! לא חשוב כמה גדול יהיה הטלסקופ שנבנה, או באיזה טווח של הספקטרום האלקטרומגנטי, לעולם לא נצליח לראות מבעד לקרינת הרקע הקוסמית, כלומר את מה שאירע במהלך ה-400,000 שנה הראשונות של היקום. בימים הראשונים של היקום, האטומים שמרכיבים את מה שאנחנו רואים היום לא היו קשורים ניטרלית אלא היו מיוננים כפלזמה. וחומת הפלזמה הזאת פשוט בלעה ופיזרה כל קרינה אלקטרומגנטית שהגיעה אליה. אפילו אם נבנה טלסקופ בגודל מערכת השמש כולה, לא נוכל לראות מבעד לחומת הפלזמה הזאת כפי שלא נוכל לראות מעבר לקיר באמצעות משקפת.

אבל יש תחום חדש ומבטיח באסטרונומיה שלא עושה שימוש בקרינה אלקטרומגנטית כלל, וזהו אסטרונומיית גלי כבידה.

גלי כבידה הם הפרעה מתפשטת במרקם המרחב-זמן עצמו, והם נמדדו לראשונה ב-2015 - כמאה שנה אחרי שנחזו על ידי תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין. עד כה נמדדו באמצעות גלאים בכדור הארץ אדוות אנרגטיות השתחררו כתוצאה מהתמזגות של שני חורים שחורים, של שני כוכבים נויטרונים ושל חור שחור וכוכב נויטרונים.

כעת רוצה סוכנות החלל האירופית לשגר את גלאי גלי הכבידה הראשון בחלל, ה-Laser Interferometer Space Antenna, או LISA. ליסה תורכב משלוש חלליות במסלול הליוצנטרי, כל אחת מצוידת בלייזר וגלאים, שיחד יהוו משולש מדויק בשטח כולל הגדול מהמרחק בין כדור הארץ לירח. מערך רגיש זה ישדר ויקלוט אותות לייזר בין חלקיו הרחוקים, על מנת למדוד שינויים מזעריים במרחב שעשויים להיגרם כתוצאה מגלי כבידה חלשים מאוד, מהעידן שקדם להפיכת היקום לשקוף.

640px-LISA-waves.jpg

מה נמצא שם? מדענים לא באמת יודעים. יש מספר תיאוריות קוסמולוגיות שעוד לא נמצא להן סימוכין פשוט כי איננו מסוגלים לראות את השלבים הראשונים של היקום. כך, למשל, מספר תיאורטיקנים טוענים שעשר שניות אחרי המפץ הגדול היקום שלנו עבר "אינפלציה" של התפשטות מהירה של המרחב - בערך מגודל של מולקולה לגודל של גלקסיה. אינפלציה קוסמית כזאת עשויה הייתה להשאיר עקבות בדמות גלי כבידה, שאותם ליסה תוכל למדוד (או לשלול סופית).

לוחות זמנים: בסוכנות החלל האירופית מקווים לשגר את מערך ליסה ב-2037.