שנה לשיגור הטלסקופ ווב: התמונות מרהיבות, אבל מה למדנו מהן?

טלסקופ ג'יימס ווב שוגר לחלל ב־25 בדצמבר 2021, וביולי 2022 כבר הדהים את העולם בתמונות מפורטות ומרהיבות של גלקסיות רחוקות. במונחים של חקר החלל, להביט רחוק זה להביט אחורה בזמן - האור שאנחנו רואים עכשיו הוא למעשה מאירועים שהתרחשו לפני הרבה מאוד שנים. מדענים מעריכים שהיקום הוא בן 13.8 מיליארד שנה, והטלסקופ הזה יכול להביט כמעט עד ההתחלה שלו. ג'יימס ווב הפך למעין מכונת זמן.

הטלסקופ שפתח את התיאבון

"השאלות שאנחנו שואלים את עצמנו הן איך היקום נוצר, איך הוא עובד ואם אנחנו לבד", אומר ד"ר מארק קלמפין, ראש חטיבת האסטרופיזיקה בנאס"א, בראיון ל"גלובס". האם טלסקופ ג'יימס ווב יצליח לענות עליהן? בינתיים, ראינו בעיקר תמונות (מעובדות) יפות מאוד. אבל מה הן אומרות על היקום שמקיף אותנו? האם למדנו דברים מסעירים חדשים על העולם?

קלמפין, שהתארח בישראל במסגרת כנס אואזיס 8 של לשכת המהנדסים, האדריכלים והאקדמאים הטכנולוגיים, אומר שכדי להבין היטב את המשמעות של טלסקופ ווב, צריך לחזור לקודמו, טלסקופ האבל. בשנה האחרונה משווים מדענים את התמונות מהאח הבכור לתמונות מהאח הצעיר הנוצץ יותר, והראשונות מחווירות בהשוואה. בכל זאת, קלמפין לא היה רוצה שנבטל את חשיבותו של האבל.

"כשהאבל נבנה, הוא נועד למטרה מאוד מוגדרת: למדוד את 'קבוע האבל', המספר שקושר בין המרחק בינינו לעצם בחלל לבין המהירות שבה הוא מתרחק מאיתנו", מסביר קלמפין. "כל העצמים ביקום מתרחקים מאיתנו כל הזמן, אבל ככל שהם רחוקים יותר, הם גם ממשיכים להתרחק בקצב מהיר יותר.

"בסופו של דבר התברר שלא רק שדברים רחוקים מתרחקים מאיתנו מהר יותר, אלא שהמהירות שבה כל העצמים מתרחקים מאיתנו, הולכת ונעשית מהירה יותר. זו הייתה הפתעה, שממש שינתה את דעתנו על היקום, וזה, בשילוב מדידות מהאדמה, הוביל אותנו להבנה שהתפתחות היקום בעצם מונעת על ידי תופעה שהיום אנחנו קוראים לה 'אנרגיה אפלה'".

הטלסקופ הזה, אומר מקלפין, עשה עוד הרבה דברים לא צפויים. "הוא מדד התפרצויות של קרני גאמא. הוא ממש הצליח למדוד חורים שחורים, בעיקר חורים שחורים סופר־מאסיביים במרכז גלקסיות.

"הוא איפשר לנו למדוד דיסקים סביב כוכבים, שהם שאריות של כוכבי לכת, וכך איפשר לנו להסיק מסקנות לגבי האטמוספירה באותם כוכבי לכת, ובין היתר משתמשים בכך כדי להבין אם הכוכבים הללו דומים לכוכב שלנו ולכן עשויים לאפשר חיים.

"הוא מדד לנו המון דברים מדהימים שאף אחד לא חשב לחפש, הם בכלל לא הוגדרו כבעיות. לא רק שהוא ענה על שאלות ששאלנו, הוא איפשר לנו להציב שאלות חדשות".

בשנת 1995, כוון האבל לחתיכת שמים שנראתה ריקה למדי. בתום חשיפה ארוכה של 10 ימים, פתאום התברר שהשטח הריק מלא בגלקסיות, רחוקות ומוקדמות מאוד. הגילוי הזה פתח את התיאבון של החוקרים למבט עוד יותר רחוק, מדויק ו"אדום". עצמים שנראים לנו אדומים הם אלה שמתרחקים מאיתנו במהירות גבוהה יותר מאחרים, כלומר, מוקדמים יותר.

ממצאים שמערערים סדרי עולם

עם התיאבון בא טלסקופ ג'יימס ווב, שרואה תדרי אדום שהעין האנושית וגם האבל אינם מסוגלים לראות.

אילו מהפכות מחשבתיות טלסקופ ווב כבר הספיק לעשות?
"התמונות הראשונות נועדו להדגים את היכולות שלו, והן באמת מדהימות. עכשיו, בשנים הקרובות, אנחנו נשאל שאלות יותר עמוקות ומכוונות. עדיין אי־אפשר לומר שיש תגלית חדשה בפיזיקה בזכות ווב, אבל אנחנו כבר אוספים מידע ומעלים כל מיני שאלות".

בכל זאת, יש כבר כמה ממצאים שמעמידים את האסטרופיזיקאים על הרגליים. "די ברור שחלק מהגלקסיות אדומות מאוד, יותר מהצפוי, כלומר הן נראות מאוד מוקדמות, רק כמה מאות מיליוני שנים אחרי המפץ הגדול, ולא ציפינו לראות כאלה גלקסיות בכזאת בהירות", אומר קלמפין. "במקביל, הן מאוד גדולות. אז איך הן אספו כל כך הרבה מאסה כל כך מהר? על פי המודלים הקיימים של היקום, זה לא היה אמור לקרות. זו עדיין לא תובנה, אבל בהחלט שאלה".

קלמפין מהסס עדיין להקנות משמעות רבה לממצאים האלה, משום שמדובר בימים מוקדמים של המחקר, אבל בקהילה המדעית הממצא הזה כבר נחשב מערער סדרי עולם. לפי המודל הקיים, כוכבים ראשונים נוצרו לפני כ־100 מיליון שנה. תחילה הם התחברו למבנים שנקראים "פרוטו גלקסיות". כוח המשיכה יצר ביניהם אינטראקציות שבסופו של דבר משכו אותן יחד ליצור גלקסיות, וכל זה היה אמור לקחת כמיליארד שנה. הממצאים הנוכחיים מאתגרים את הגישה הזאת.

 ד''ר מארק קלמפין / צילום: יח''צ

יש הטוענים שמדובר באשליה בלבד, ולא באמת ראינו גלקסיות כל כך מוקדמות. אולי אבק מסיט את האור וגורם לנו לחשוב שהן אדומות יותר מכפי שהן באמת. אבל לפחות סביב חלק מהממצאים הללו לא מזהים אבק.

אם המדידות נכונות, אנחנו כנראה מפספסים משהו לגבי האופן שבו היקום נוצר. זה לא יהיה מפתיע, לאור העובדה שאנחנו יצורים קטנים שחיים כמה עשרות שנים, והיקום הוא ענק וזקן מאיתנו בסדרי גודל. מי אמר שאנחנו בכלל יכולים להביט אחורה אל המפץ הגדול ולהבין משהו? אבל האסטרופיזיקאים מנסים.

חלקם חושבים שמסיבה מסוימת, ביקום המוקדם היה קל יותר לכוכבים להיווצר. ייתכן גם ששדות מגנטיים הופיעו מוקדם יותר מכפי שהמודלים הקיימים מנבאים, וזה הקל על היווצרות כוכבים.

המדידות של ווב תואמות מודל שנוי במחלוקת שטוען שחומר אפל כלל לא קיים, וכי ניתן להסביר את הנתונים שהובילו למסקנה שהוא קיים בכך שישנם שינויים משמעותיים בכוח המשיכה. אבל התיאוריה הזאת נתקלת בבעיות מכיוונים אחרים.

בנוגע לשאלת החיים בכוכבים אחרים, ווב מאפשר לראשונה לתחקר באופן מעמיק את ההרכב הכימי של כוכבי לכת שהמרחק שלהם מהשמשות הרלוונטיות שלהם עשוי לאפשר קיומם של מים, ולכן אולי של חיים.

"מערכת השמש שלנו היא מסוג G-Star. רוב המערכות שאנחנו מתצפתים עליהן נקראות M-Star, כלומר הפלנטות נעות סביב כוכבים יותר קטנים, אבל גם מאוד פעילים, שכוכבי הלכת הרבה יותר קרובים להם. אנחנו צריכים להבין היטב את ההבדלים או את נקודות הדמיון בין כוכבי הלכת האלה לבין אלה שלנו".

האם נוכל לראות בספקטרומטר את הקיום של חיים ממש?
"לא בכלים הקיימים".

שטף של מחקרים שיצאו במהירות

ווב הוא מהפכני במובן נוסף. חלק מהמאמרים המדעיים שכבר יצאו לאור בעקבותיו פורסמו במודל של ביקורת עמיתים הפוכה. החוקרים הגישו את כל המאמר, חוץ מהנתונים, בטענה שאם הנתונים יהיו תואמים לתחזיות, זה יהיה המאמר שצריך להיכתב. משהופיעו הנתונים והם אכן התאימו, המאמר פורסם.

שטף נוסף של מאמרים פורסם עם ביקורת עמיתים מינימלית באתרים פתוחים כמו arXiv. המטרה הייתה, בדומה למה שראינו בתקופת הקורונה, לשתף את העולם במידע ובניתוח מהיר שלו, כדי שמדענים יוכלו ללמוד זה מזה ולבצע התאמות או שיפורים בניסויים שלהם לקראת ה"תור" שלהם לטלסקופ. לכל מוסד אקדמי מוקצה חלון זמן מוגבל לשימוש בטלסקופ, ולוח הזמנים מתוכנן שנה קדימה לפחות.

יש מי שחוששים שהקלות שבה מוציאים מידע לעולם עלולה להוביל לטעויות. לדוגמה, אם עכשיו מתוכננים המון ניסויים לחקר הגלקסיות המוקדמות, ייתכן שנצטער על כך אם יתברר שיש הסבר אחר לכך שהן נמדדות כאדומות כל כך, והן לא באמת מעידות על שבירה של מודל היקום הקדום.

קלמפין עצמו זהיר מאוד לגבי המידע שנאסף היום ומצהיר שוב ושוב שצריך לחכות לפני שמסיקים מסקנות.

מדוע זה לוקח זמן?
"זה תהליך דו־שלבי. לדוגמה, במקרה של גלקסיות מאוד מוקדמות ואדומות, ברגע שנדמה לנו שזיהינו אותן, אנחנו מכוונים למקום ספקטוגרף ומנסים לנתח את ההרכב הכימי שלהן. כך אנחנו מנסים לאשר שאלה באמת הגלקסיות הכי מוקדמות, והגוון האדום לא נובע מסיבה אחרת. נדרשות כשנה עד שנתיים קודם כול לסימון הגלקסיה, ואחר כך לניתוח הכימי שלה. ואנחנו מדענים, אנחנו לא רוצים לצאת בהכרזות סתם.

"דוגמה אחרת היא הנושא של מחזור חיי הכוכב. אנחנו מוצאים קודם כול עננים אפלים שבתוכם נוצרים כוכבים, ויש לנו תמונות מרהיבות של עננים כאלה, למשל של ערפילית הנשר שפרסמנו לא מזמן. אז אנחנו ממפים שם כל כוכב וכוכב כדי למצוא את המעניינים, ואז אנחנו מפנים אליהם ספקטרומטר כדי להבין מה ההרכב הכימי שלהם ואיך נוצרות מהם פלנטות.

"בהרבה מקרים אנחנו באמת לא יודעים מה נמצא. בינתיים המסר העיקרי הוא שהטלסקופ עובד היטב, מעבר לציפיות שלנו, וכל המידע שיש לנו עד כה מעיד שהולך להיות שמח".

יכול להיות שנראה יום אחד מוקדם כל כך, שנחזה ממש במפץ הגדול עצמו?
"כבר ראינו עדות למפץ הגדול מלוויין COBE, שמדד בצורה מאוד מדויקת קרינה בתדר מיקרוגל, שנותרה ביקום מהשנים המאוד מוקדמות שלו. מדובר בקרינה שנמצאת בכל היקום ואינה מגיעה מכוכב מסוים או גלקסיה מסוימת, ולכן נקראת "קרינת הרקע הקוסמית". המדידה הזאת איששה את תיאוריית המפץ ואפשרה לברור בין כמה מודלים אפשריים של המפץ".

הגילוי הזה זכה בפרס נובל בפיזיקה, וקלמפין מזכיר גם ש"מאוחר יותר לוויין WMAP מיפה את הקרינה בתדרים האלה ברחבי הקוסמוס ונתן לנו אישושים נוספים ודיוק נוסף לתיאוריית המפץ הגדול".

כבר עובדים על הטלסקופ הבא

בנייתו של טלסקופ ג'יימס ווב ארכה יותר מעשור, בעלות של כ־10 מיליארד דולר (התקציב ההתחלתי עמד על מיליארד דולר). אחרי המבצע ההנדסי המטורף הזה, חוקרים כבר מתכננים את הטלסקופ הבא.

"אנחנו מכנסים את סקר העשור (Decadal survey), שהוא מפגש של כל האנשים החזקים ביותר בקהילה המדעית, בניהולה של האקדמיה הלאומית האמריקאית למדעים, שיושבים בפאנלים ושולחנות עגולים ובכל עשור כותבים את סדר העדיפויות למחקר החלל", מספר קלמפין כיצד מחליטים על בניית טלסקופ חדש.

הטלסקופ שנבחר להשקה לקראת 2026 הוא "רומן", על שם ננסי גרייס רומן, שהייתה ראש חטיבת האסטרונומיה של נאס"א בשנות ה־60 וה־70 של המאה הקודמת, ונחשבת בעלת תפקיד מוביל בתכנון של טלסקופ האבל.

לדברי קלמפין, רומן הוא לא גרסה משופרת של ווב, אלא טלסקופ עם מבנה אחר ומטרות שונות. "לווב יש עין מאוד קטנה, אבל עמוקה, כמו קש. בטלסקופ רומן המצב יהיה הפוך: נראה רחב, אבל לא עמוק כל כך.

"ווב והאבל הם טלסקופים של 'Point and Shoot', כלומר הם מכוונים לאזור מסוים בשמים ומצלמים אותו לאורך זמן. רומן הוא בדיקת הסקר שלנו. יהיו לו חיישנים שרואים בעיקר גוונים אדום ואינפרה אדום, כולל תדרים שטלסקופ ווב אינו רואה, והם מתוכננים כל שיוכלו לקלוט דברים מאוד קטנים".

רומן נועד להבין את האנרגיה האפלה, בשתי דרכים עיקריות. "הראשונה היא על ידי מדידת הבהירות של סופרנובות כדי להבין טוב יותר מהם באמת המרחקים של דברים שאנחנו רואים ביקום. אחר כך ננסה לקרוא את ההדים של היווצרות היקום. ההיווצרות של אנרגיה אפלה אמורה לבוא לידי ביטוי בגלקסיות. על ידי מדידה מאוד מדויקת של הרבה מאוד גלקסיות, אנחנו אמורים לראות את הפערים שיצרה האנרגיה הזאת".

יש כבר מחשבות על הטלסקופ שאחרי רומן?
"המטרה של הטלסקופ הבא תהיה למפות פלנטות ליד כוכבים. הוא צריך להיות יציב פי 100 מווב, עם רזולוציה גבוהה יותר. נצטרך להיות מסוגלים לנטרל את אור הכוכבים כדי לראות את הפלנטות, ומשזיהינו אותן, להפנות אליהן את הספקטרוסקופ כדי להבין את הרכבן. המטרה היא, שוב, לחפש כוכבי לכת שהם בדיוק כמו כדור הארץ".

ילדי בית ספר שואלים לפעמים שאלות כמו "אם היקום הוא כל מה שיש והוא גם מתפשט, אז לאן הוא מתפשט?" ו"אם היקום נוצר במפץ הגדול - מה יצר את המפץ ומה היה לפני כן?". האם יש עיסוק אמפירי בשאלות האלה?
"המדידות מראות שהיה מפץ, והמדידות לגבי הגלקסיות והמשך התפשטות היקום יכולות לתת לנו מידע לגבי מה שיקרה ליקום בעתיד. חלק מהשאלות ימשיכו כנראה לעורר סקרנות, גם אצל המדענים המובילים וגם אצל ילדי בית הספר, שאולי יהפכו למדענים האלה בעתיד".