מה היה קורה אם טלסקופ החלל ג’יימס ווב וטלסקופ החלל האבל היו מעמידים צאצא משותף? התוצאה הייתה כנראה דומה לטלסקופ החלל החדש של סוכנות החלל האמריקנית, ננסי גרייס רומן (Roman). הטלסקופ החדש, שמיועד לשיגור מחר (יום א'), משלב תכונות של שני ה"הורים" שלו, וגם משפר רבות מהן. מדענים ינסו לענות בעזרתו על כמה מהשאלות הגדולות באסטרונומיה.
סרטון קצר של נאס”א על טלסקופ החלל רומן
(צילום: NASA)
לטלסקופ רומן יש מראה ראשית בקוטר 2.4 מטרים, בדיוק כמו המראה של האבל הוותיק, וגם הרזולוציה שלו דומה, אך המראה החדשה קלה הרבה יותר בזכות טכנולוגיות ייצור חדשות. שדה הראייה של הטלסקופ החדש גדול פי מאה משל האבל, והמכשור המשוכלל שלו מאפשר לו לאסוף בחודש את כמות המידע שהאבל יכול לאסוף במאה שנים.
כמו ג'יימס ווב הוא מתמקד בעיקר באורכי גל תת-אדומים, וכמוהו גם הוא יתמקם סמוך לנקודה L2, שבה הכבידה של הארץ והשמש מתאזנות, ואפשר לשמור על מסלול יציב תוך שימוש במעט דלק. שילוב היכולות של שני הוריו יאפשר לו לסרוק את השמיים באופן חסר תקדים, והוא יוכל לסייע לנו להתקדם לפתרון של תעלומות קוסמולוגיות כמו החומר האפל והאנרגיה האפלה, למצוא עוד כוכבי לכת רבים ברחבי שביל החלב ולעזור לנו להבין טוב יותר את המקום שלנו ביקום.
גלריה
שילוב חלק מהתכונות והמאפיינים של שני טלסקופי החלל החשובים בהיסטוריה. טלסקופ רומן בין האבל (מימין) וג'יימס ווב (התמונות לא בקנה מידה)
(הדמיה: NASA)
אוטובוס בארבעה מיליארד דולר
התוכניות הראשונות לטלסקופ החלל עלו על שולחן השרטוט כבר ב-2014, וכעבור שנתיים נבחר כפרויקט של נאס”א לביצוע, מתוך שלל התוכניות שסוכנות החלל בוחנת כל הזמן, בעלות מתוכננת של שני מיליארד דולרים. כמו בכל פרויקט חלל כמעט, ודאי בפרויקטים ממשלתיים, העלויות האמירו עם הזמן מעבר למתוכנן. כיום עלותו נאמדת ב-4.3 מיליארד דולר, כולל שנות הפיתוח, הייצור, השיגור ותפעול במשך חמש שנים. טלסקופ ג’יימס ווב, לשם השוואה, עלה למשלם המיסים בארצות הברית כ-11 מיליארד דולרים.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
נפרדים מדולי פרטון, הזמרת שתרמה מיליונים לחינוך ולמדע
מחלות ללא גבולות: אבולה, חצבת וקדחת דימומית
איך מתגוננים צמחי האורז מפני זחלים מזיקים?
הטלסקופ, שגודלו כאוטובוס באורך 12.7 מטרים, ברוחב 4.4 מטרים ובמסה של כשמונה טונות בלי דלק, מיועד לשיגור ממרכז החלל קנדי בפלורידה על גבי טיל פלקון הבי (Falcon Heavy) של חברת ספייס אקס. לאחר השיגור צפוי לו מסע של כשלושה חודשים לנקודת L2, כמיליון וחצי קילומטרים מכדור הארץ. במהלך המסע, צוותי המדע וההנדסה יפקחו על פרישת הציוד של הטלסקופ – לוחות סולריים לייצור חשמל, אנטנה חזקה להעברת 1.4 טרה-בייט של נתונים כל יום ומעין "מצחייה" להגנה על המערכת האופטית מאור וחום השמש. לאחר מכן הם יבצעו כיולים של המכשור המדעי של הטלסקופ, כדי לבחון את תפקודם בחלל.
טלסקופ ננסי גרייס רומן בחלל
(הדמיה: NASA)
הטלסקופ לא ישהה בנקודת L2 עצמה, אלא יקיף אותה במסלול אליפטי שמרחקו כמה מאות אלפי קילומטרים מהנקודה. המשימה הראשונית שלו מתוכננת להימשך חמש שנים, עם אפשרות להאריכה במקרה שכל המערכות יפעלו כשורה. הגורם המגביל העיקרי למשך המשימה צפוי להיות כמות הדלק שתאפשר לטלסקופ לשמור על מסלולו. נאס”א לא ביצעה מעולם משימת שירות ל-L2 או סביבתה, אבל תכננה את הטלסקופ כך שיהיה אפשר לתדלק אותו בחלל, בתקווה שהטכנולוגיות יבשילו והטלסקופ אכן יתפקד היטב עד אז.
תהליכי הפיתוח והייצור של הטלסקופ נמשכו כעשור, אבל בסיומם רשמה נאס”א ציון דרך היסטורי. טלסקופ ננסי גרייס רומן היה מיועד לשיגור ב-2027, אבל באופן נדיר הפיתוח הושלם לפני הזמן, ונמסר כבר באפריל האחרון לבדיקות לקראת השיגור. נקודה מעניינת נוספת נעוצה בהיסטוריה של חומרת הטלסקופ. המראה הראשית ורכיבים נוספים שלו נבנו עבור לווייני ריגול אמריקנים בתחילת שנות ה-2000. לאחר שפרויקט הלוויינים חרג בהרבה מתקציבו ומלוח הזמנים, ביטל הממשל חלק מהם. סוכנות המעקב הלאומית, NRO, נתקעה עם רכיבים שיוצרו, ובסופו של דבר תרמה אותם לנאס”א, שהטמיעה אותם בטלסקופ החלל שהיה אז בשלבי פיתוח מוקדמים.
הושלם לפני המועד המתוכנן. טלסקופ ננסי גרייס רומן לאחר סיום הרכבתו במרכז גודארד של נאס"א, לקראת מסירתו לבדיקות לקראת השיגור
(צילום: NASA/Jolearra Tshiteya)
לגשש באפלה
המכשיר המדעי העיקרי של הטלסקופ הוא מצלמת שדה רחב (Wide Field Instrument או בקיצור WFI). זו מצלמה המורכבת מ-18 גלאים, כל אחד בגודל כמה סנטימטרים רבועים. הם בתורם מורכבים ממיליוני דיודות זעירות שמתרגמות אור לזרם חשמלי, ובסך הכל מייצרים תמונה של יותר מ-300 מגה-פיקסל בכל צילום. הגלאים ערוכים בשלוש שורות, כל אחת מהן קשתית מעט, כדי לקבל ניצול מרבי של היכולות האופטיות שלהם.
שמונה מסנני צבע מתחלפים מאפשרים לטלסקופ לצלם באורכי גל של אור נראה ושל תת-אדום קרוב. התכנון הזה מאפשר כאמור צילום תמונות של חלקים גדולים מהשמים (0.28 מעלות רבועות בכל צילום), תוך שמירה על חדות התמונה והפרדה גבוהה.
אחת השאלות הגדולות ביותר כיום בקוסמולוגיה נוגעת להתפשטות היקום. הוא מתרחב בקצב גובר והולך, והגלקסיות מתרחקות זו מזו כל הזמן, יותר ויותר מהר. החוקרים אינם יודעים מהו הכוח שדוחף את ההתפשטות המואצת הזו, והעניקו לו את השם אנרגיה אפלה. לפי המודלים המקובלים, כ-68 אחוזים ממסת היקום היא אותה אנרגיה אפלה, שהרי מסה ואנרגיה הן תופעות מקבילות, כפי שהראה איינשטיין. התופעה מסתבכת עוד יותר כשלוקחים בחשבון מחקרים עדכניים, שרומזים כי קצב ההתפשטות של היקום לא היה אחיד לאורך ההיסטוריה שלו, אלא משתנה עם הזמן.
לטלסקופ יש 18 גלאי אור שמייצרים יחד תמונה של יותר מ-300 מגה-פיקסל בכל צילום. יחידת גלאי האור של הטלסקופ בתהליך הרכבתו
(צילום: NASA/GSFC)
תעלומה נוספת מציבים כוכבים שנצפו בשוליים החיצוניים של גלקסיות רבות, כשהם נעים במהירות גבוהה מדי בשביל להישאר בגלקסיה. לפי המודלים כוכבים כאלה אמורים להיזרק לחלל, אולם משהו מחזיק אותם במקומם. אפשר לחשוב על הכוכבים כמו על נדנדות בקרוסלת נדנדות מסתובבות בלונה-פארק, שבה השרשאות של הנדנדות נקרעות לפתע, אך הן ממשיכות להסתחרר סביב המתקן – משהו משאיר אותן סביבו, כמו חבל בלתי נראה.
את ה"משהו" הזה שמחזיק את הכוכבים בגלקסיות מדענים מכנים חומר אפל. על פי התיאוריות המקובלות זהו סוג של חלקיק שאינו מגיב עם קרינה אלקטרומגנטית, כמו אור, לכן אנו לא מצליחים לראות אותו או לגלות אותו בדרכים אחרות, אבל אנחנו כן יכולים לזהות את ההשפעות הכבידתיות שלו. על פי המודלים המקובלים כיום יותר מרבע המסה ביקום היא חומר אפל. האנרגיה האפלה והחומר האפל מעצבים את המבנה של היקום, והמשימה העיקרית של טלסקופ ננסי גרייס רומן תהיה לסייע למדענים להבין כיצד זה קורה, באמצעות מיפוי מפורט של השמיים.
המדידות הרגישות של הטלסקופ יאפשרו לחשב בדיוק רב את מהירות התנועה של גלקסיות, ולנתח את הכוחות הפועלים עליהן. בין השאר זה ייעשה בשיטה של עידוש כבידתי – שימוש בתופעה שבה גלקסיות כבדות מעקמות את קרני האור שמגיעות מגלקסיות רחוקות יותר. מדידות כאלה מאפשרות לנו לראות גלקסיות רחוקות, אבל גם למדוד את המסה של הגלקסיות באמצע הדרך, אלא שעושות את העידוש, כדי להבין טוב יותר את החומר האפל. החוקרים מקווים גם שהתצפיות יניבו גילוי של סופרנובות רבות חדשות. סופרנובה היא פיצוץ של כוכב גדול בסוף חייו, וסוג מסוים של פיצוצים כאלה משמש כלי חשוב במדידת מרחקים קוסמיים.
אנו יודעים כבר קרוב למאה שנה שהיקום מתפשט, ובעשורים האחרונים גם יודעים שההתפשטות מואצת. איור של התפשטות היקום מאז המפץ הגדול
(איור: VectorMine/Shutterstock)
התפוצצות סופרנובה במרכז הגלקסיה
(muratart/Shutterstock, מרכיבים של תמונה זו סופקו באדיבות נאס"א)
מדידות של המרחק לצד המהירות של גלקסיות נותנות תמונה שלמה יותר לגבי התפשטות היקום, ומדידות כאלה של גלקסיות רבות, מהקרובות אלינו ביותר עד גלקסיות בשולי היקום הנראה, יכולות לתת לנו מידע על השינויים בהתפשטות היקום לאורך זמן. אם אנו צופים בגלקסיה במרחק 12 מיליארד שנות אור, לדוגמה, אנו רואים אותה כפי שנראתה לפני 12 מיליארד שנים, כשהיקום היה צעיר מאוד.
החוקרים מקווים כי המדידות המדויקות של תנועת הגלקסיות יאפשרו להבין טוב יותר את הכוחות שפועלים עליהן, ואולי ישפכו אור חדש על תעלומות האנרגיה האפלה והחומר האפל.
לגלות עולמות חדשים
תחום מדעי נוסף שבו טלסקופ החלל ננסי גרייס רומן צפוי לחולל מהפכה הוא החיפוש אחר כוכבי לכת במערכות שמש אחרות. עד כה התגלו יותר מ-6,000 כוכבי לכת כאלה, רובם כוכבי לכת גדולים מאוד, וקרובים יחסית לשמש שלהם. אחת המטרות של טלסקופ החלל החדש היא איתור של כמאה אלף כוכבי לכת כאלה, מספרים שישנו לגמרי את תמונת הידע שלנו על התחום.
הטלסקופ אמור להשתמש בשלוש שיטות לאיתור כוכבי לכת סמוך לכוכבים רחוקים. האחת היא השיטה הוותיקה של מדידת הסתרת האור - כשכוכב לכת חולף לפני השמש שלו, עוצמת האור שלה שמגיעה אלינו פוחתת בשיעור זעיר, לפעמים רק אחוז או פחות מכך. אבל אם הירידה הזו נמדדת במחזוריות קבועה, ניתוח מדוקדק שלה יכול לספק מידע על גודל כוכב הלכת, מרחקו מהשמש שלו, משך ההקפה שלו סביבה ועוד. תיעוד חוזר בתדירות גבוהה של כוכבים רבים, כמו שהטלסקופ אמור לבצע, וניתוח ממוחשב מהיר של הנתונים, יאפשר לזהות שינויים קטנים בעוצמת האור, לבחון את המחזוריות שלהם, ובמידת הצורך לכוון טלסקופים אחרים לכוכב מסוים, להשלמת המדידות.
נוסף על השיטה הזו הטלסקופ החדש יעשה שימוש בשתי שיטות נפוצות פחות. האחת היא מיקרו-עידוש (Microlensing), וגם היא עושה שימוש בעיקום קרני אור. אם יש שני כוכבים שנראים לנו קרובים זה לזה לזה, המסה של הכוכב הקרוב אלינו מביניהם יכולה לעקם ולעוות את אורו של הכוכב הרחוק יותר, ובמקרים מסוימים להגביר אותו – כמו עדשה. אם יש לכוכב הקרוב כוכבי לכת סביבו, הם יגבירו עוד את העידוש, והמעבר שלהם ייראה כקפיצה קטנה בעוצמת האור.
ליצור ליקוי חמה מלאכותי בעזרת מכסים שיסתירו את אור הכוכבים ויאפשרו לצלם את כוכבי הלכת סביבם. מערכך המכסים ומסנני האור של מכשיר הקורונגרף של טלסקופ רומן
(צילום: NASA/JPL-Caltech)
היתרון של השיטה הזו הוא שהיא מאפשרת לגלות גם כוכבי לכת קטנים יחסית, אפילו בגודל של מאדים, וגם במרחק רב יחסית מהשמש שלהם. המשמעות היא שאפשר לגלות הרבה יותר כוכבי לכת סלעיים ב"טווח הישיב" - האזור שהטמפרטורות בו מאפשרות הימצאות של מים במצב צבירה נוזלי. זה כמובן מגדיל מאוד את הסיכוי לאיתור כוכבי לכת שהתנאים על פניהם מתאימים לקיום חיים כפי שאנו מכירים אותם, הרבה יותר מאשר כוכבי לכת גזיים ענקיים שחגים קרוב לשמש שלהם והטמפרטורה על פניהם היא מאות או אלפי מעלות – כמו רבים מכוכבי הלכת שזיהינו עד היום.
רובם המוחלט של כוכבי הלכת שגילינו במערכות שמש אחרות לא נראו בתצפית ישירה. אנו יודעים בעקיפין על קיומם בזכות הסתרת האור, או כוחות המשיכה שהם עצמם מפעילים על השמש שלהם. שיטת הגילוי השלישית של טלסקופ ננסי גרייס רומן תהיה לנסות לצלם ישירות כוכבי לכת במערכות שמש אחרות בעזרת מכשיר הקורונגרף (Coronagraph). זהו מכשיר פשוט לכאורה שמאפשר להציב מעין מכסה מול מצלמת הטלסקופ, כך שהוא יסתיר את הכוכב עצמו, ויאפשר לצלם את השמיים הסמוכים אליו בלי שאורו יפריע.
כבר לפני יותר ממאה שנה השתמשו חוקרים בליקוי חמה כדי לאשש את היחסות הכללית של איינשטיין. הטלסקופ החדש יאפשר לייצר ליקויי חמה לפי הזמנה, ולזהות כוכבי לכת שחגים סביבם לצד תופעות נוספות. בפועל מדובר במכשיר מורכב הרבה יותר מסתם מכסים מתחלפים, אבל בשורה התחתונה המכשיר יאפשר לתעד ישירות כוכבי לכת, גם קטנים יחסית, ולזהות מערכות מרובות כוכבי לכת כמו שלנו, שחלקם אולי מתאימים לקיום חיים כמו שלנו.
האמא של טלסקופ החלל
במהלך פיתוחו של טלסקופ החלל הוא היה ידוע בשם WFIRTS, ראשי תיבות באנגלית של "טלסקופ סקר שמיים בתת-אדום בשדה רחב" (Wide Field Infrared Survey Telescope). בשנת 2020 החליטה נאס”א לקרוא לו על שמה של ננסי גרייס רומן, אסטרונומית פורצת דרך שהלכה לעולמה שנתיים קודם לכן.
רומן נולדה ב-1925 בטנסי, ובהשפעת אמה פיתחה כבר בגיל צעיר עניין באסטרונומיה. למרות שמחלקות לפיזיקה באותם ימים לא ששו לקבל נשים, היא התעקשה ובסופו של דבר סיימה דוקטורט באסטרונומיה באוניברסיטת שיקגו ב-1949. בשנים הבאות עבדה באוניברסיטה ובמעבדה האסטרונומית של הצי האמריקני, עד שב-1959 הצטרפה לסוכנות החלל נאס”א, חודשים אחדים בלבד לאחר הקמתה.
האישה הראשונה שמילאה תפקיד ניהולי בכיר בסוכנות החלל, ודחפה בכל הכוח לקידום פרויקט טלסקופ החלל, שהיה לימים לטלסקופ האבל. ננסי גרייס רומן בסוכנות החלל ב-1972
(צילום: NASA/ESA)
רומן ניהלה את תחום האסטרונומיה בלשכה המדעית של סוכנות החלל, והייתה האישה הראשונה שנשאה תפקיד ניהולי בכיר בסוכנות. היא הובילה את פיתוחן ושיגורן של כמה משימות חלל מחקריות, בהן הלוויין COBE, שמדד את קרינת הרקע הקוסמית שנותרה מהמפץ הגדול, מדידות שזיכו את שני המדענים המובילים שלו, ג'ון מאת'ר (Mather) וג’ורג' סמוט (Smoot) בפרס נובל בפיזיקה ב-2006.
מאמצע שנות ה-60 החלה רומן לקדם בכל הכוח פיתוח ושיגור של טלסקופ חלל אמריקני. היא הקימה ועדה של אסטרונומים ומהנדסים שהציגה את היתרונות של מיזם כזה ואת יכולותיו המדעיות, ובסופו של דבר שכנעה את סוכנות החלל ואת הקונגרס האמריקני להשקיע את המשאבים בפיתוח טלסקופ החלל הגדול והחזק ביותר עד אז. הטלסקופ ששוגר בסופו של דבר ב-1990 נקרא על שם האסטרונום האמריקני אדווין האבל (Hubble), וחולל מהפכה באסטרונומיה. רומן, שהייתה הכוח המניע מאחורי הפרויקט, קיבלה את הכינוי "אמא של טלסקופ החלל האבל". תומס זורבוכן (Zurbuchen), שהיה סגן ראש נאס”א לעניינים מדעיים בעת ההכרזה שהטלסקופ יישא את שמה של רומן, אמר כי "המסירות והנחישות שלה תרמו לכך שנאס”א החלה לעסוק ברצינות באסטרונומיה, ולקחת אותה לגבהים חדשים. מגיע לשם שלה מקום בשמיים שהיא חקרה בעצמה ופתחה עבור רבים אחרים".
מרחיבים את היקום
חקר האנרגיה האפלה, החומר האפל וכוכבי לכת במערכות שמש אחרות הם היעדים העיקריים של הטלסקופ, אבל בהחלט לא היחידים. יש לו עוד מטרות אסטרונומיות רבות, חלקן חופפות למטרות העיקריות. למשל, איתור סופרנובות יכול כאמור לסייע בקביעת המרחקים של גלקסיות מסוימות, אבל גם לסייע למחקרים אחרים על תהליכי סיום חייהם של כוכבים ואבולוציה של גלקסיות. תצפיות אחרות אמורות לתרום מידע בנושאים אחרים שמעסיקים אסטרופיזיקאים כמו חורים שחורים והתפתחותם, לידת כוכבים, כוכבי לכת חסרי שמשות ועוד. כמובן, שפע המידע החדש גם עשוי לכוון את המדענים לשאלות שעדיין לא עלו, ולהביא לגילויים חדשים ולא צפויים.
בערך שלושה רבעים מהזמן של טלסקופ החלל בחמש השנים המתוכננות של משימתו יוקדש לסקרי שמיים שנועדו לענות על השאלות העיקריות, ורבע מהזמן מיועד לתצפיות אחרות. חלק מהזמן של טלסקופ רומן יהיה פתוח להזמנת מדענים מחוץ לצוות הטלסקופ, שיגישו הצעות בעלות חשיבות מדעית.
נתונים שיאפשרו לאסוף מידע רב על מגוון תופעות ביקום הדמיה של צילום באיכות גבוהה של גלקסיית אנדרומדה, כפי שהיא צפויה להיראות בגלאי מצלמת השדה הרחב של טלסקופ רומן
(איור: NASA's Goddard Space Flight Center Producer Scott Wiessinger)
נאס"א נוהגת לשחרר לציבור את המידע שאוספים טלסקופי החלל שלה. לרוב הוא פתוח לציבור אחרי תקופת המתנה מסוימת שבה המידע שמור רק למדענים שהזמינו אותו, כדי לאפשר להם לפרסם את מחקריהם לפני שמתחרים מקבלים את המידע. לעומת זאת, המידע של טלסקופ רומן ישוחרר כולו מיד לאחר עיבוד ראשוני, בלי תקופת המתנה. כך גם מדענים שלא קשורים למיזם יכולים לנתח את שפע המידע. נאס”א והמכון המדעי של טלסקופי החלל (STScI) הקימו פלטפורמה מיוחדת, Roman Nexus, שבה אפשר לעבד ולנתח מידע ישירות בענן, בלי צורך להוריד כמויות עצומות של נתונים.
טלסקופ ננסי גרייס רומן צפוי לתרום רבות לאסטרונומיה, ואולי אף להוביל לפריצות דרך בתחום, אבל הוא בהחלט לא יעשה זאת לבד. הוא משתלב במערך גדל והולך של טלסקופי חלל, טלסקופים קרקעיים, ומערכות לעיבוד מידע, חלקן משולבות בינה מלאכותית – כולם יחד מסייעים לנו להרכיב תמונה ברורה יותר של היקום, או לפחות להבין רבדים מסוימים של מורכבותו העצומה.
לצד טלסקופ האבל שעדיין פעיל וטלסקופ ג'יימס ווב שהוזכרו כאן, אפשר למנות את טלסקופ החלל טס (TESS) שמחפש כוכבי לכת במערכות שמש אחרות; את טלסקופ החלל האירופי אוקלידס (EUCLID) שחוקר את התפשטות היקום; הטלסקופ הקרקעי הגדול ורה רובין (Vera Rubin) והטלסקופ העתידי Habitable World Observatory, שמיועד לחיפוש כוכבי לכת מתאימים לקיום חיים. גם טלסקופ החלל הישראלי העתידי, אולטראסט (ULTRASAT) ישתלב בתמונה הזו. הוא יסרוק את השמיים באור על-סגול בחיפוש אחר אירועים מהירים, כמו סופרנובות, לצד משימות אחרות כמו חקר אטמוספרות של כוכבי לכת רחוקים. הנתונים שלו, של ננסי גרייס רומן ושל טלסקופים נוספים ישלימו אלה את אלה, ויעזרו לנו לקבל תמונה מלאה יותר של היקום שאנו חיים בו.
איתי נבו, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
