אז אחרי שבצהריים סיפרנו לכם על טלסקופים שיורים קרני לייזר על מנת לשפר את חדות הצפייה שלהם [1], הגיע הזמן לספר לכם על טלסקופים שהאטמוספירה בכלל לא מהווה מגבלה עבורם - טלסקופי החלל!
טלסקופ "ג'יימס ווב" – יורשם של "האבל" ו"שפיצר"
לפני מספר חודשים צוינו 25 שנים לשיגורו של טלסקופ החלל "האבל", אחד המכשירים המדעיים המפורסמים מאז ומעולם [2]. תצלומי הערפיליות, הגלקסיות, הכוכבים וענני הגז הבין כוכבי של האבל מוכרים לנו כמעט בכל אתר מדעי ובכלי תקשורת אחרים, ותרומתו להבנת מסתרי היקום והרחבת הידע האסטרונומי הייתה עצומה. "האבל" צפה בעיקר בתחום אורך הגל של האור הנראה (בין 0.1 מיקרון ל – 0.7 מיקרון), ובתחום התת אדום הקרוב יחסית לתחום הנראה. הטלסקופ "שפיצר" ששוגר ב – 2003 פועל בתחום התת אדום בלבד, אך על פני ספקטרום נרחב: בתחום אורכי הגל שבין 15 מיקרון ו – 100 מיקרון [3].
בשנת 2018 מתוכנן לשיגור טלסקופ החלל "ג'יימס ווב" (JWST) הנקרא על שמו של מנהל NASA - National Aeronautics and Space Administration במשך מרבית תקופת תכנית אפולו. טלסקופ זה, שהוא פרויקט משותף של סוכנויות החלל של ארה"ב, אירופה וקנדה, אמור להיות בעל יכולת רחבה בהרבה מזו של שני קודמיו, הנדרשת לביצוע תצפיות לטווחים רחוקים, וכושר הפרדה גדול בהרבה.
משימות המחקר של JWST
הבסיס לפרויקט JWST הוא ניסיון לענות על שאלות מסקרנות וכבדות משקל בתחום האסטרונומיה והקוסמולוגיה:
1. מהי צורתו של היקום?
2. כיצד מתפתחות גלקסיות?
3. כיצד נוצרים כוכבים ומערכות כוכבי לכת, וכיצד הם מושפעים זה מזה?
4. כיצד הגיע היקום להרכב היסודות הכימיים הנראה בו כיום?
5. ולבסוף – מהו טיבו של החומר האפל?
לצורך איסוף מידע אשר יקרב את הקהילה המדעית למענה, ולו גם חלקי, על שאלות אלה, הוגדרו ל – JWST ארבעה סוגי יעדים לתצפית [4]:
1. תצפית בכוכבים ובגלקסיות הראשונים ביקום, אלו שנוצרו זמן קצר (במונחים אסטרונומיים) לאחר המפץ הגדול, כלומר כ - 200 מיליוני שנים אחריו [5]. עצמים אלו מרוחקים למעלה מ – 13 מיליארד שנות אור מאתנו, ולכן עוצמת האור שלהם חלשה פי כמה מאות מן העצמים הרחוקים ביותר שנצפו עד עתה, מטלסקופים שעל כדור הארץ ובחלל.
2. חקר התפתחות גלקסיות, בניסיון להבין את מבנה היקום ואת הגורמים המשפיעים עליו.
3. תצפית בתהליך היווצרותם של כוכבים ומערכות כוכבי לכת.
4. תצפית על מערכות כוכבי לכת קיימות, בניסיון להבין את הגורמים המשפיעים על סיכויי התפתחות חיים.
הטלסקופ מתוכנן לפעול במשך חמש שנים לפחות, אך להערכת מפתחי הפרויקט ניתן לצפות שיפעל תקופה כפולה מזו ואף יותר.
קצת אופטיקה
טלסקופ JWST מיועד לפעול בתחום התת אדום בעיקר, אך גם בחלק הגבוה של התחום הנראה – מאורך הגל 0.6 מיקרון, שהוא הצבע הכתום שאנו רואים, ועד למעלה מ – 28 מיקרון, גבוה בתחום התת אדום. ישנן סיבות טובה להעדיף תצפית בתחום זה על פני האור הנראה: אור בספקטרום זה נבלע פחות בענני האבק והגז הבין כוכבי מאשר אור נראה; עצמים שהטמפרטורה שלהם היא עד אלפי מעלות בודדים פולטים קרינה בתחום זה, כמו "ננסים חומים" (כוכבים קרים שלא נוצר בהם תהליך היתוך גרעיני), כוכבי לכת וענני גז בין כוכביים; ועצמים מרוחקים מאוד פולטים קרינה בתחום הזה, עקב ההיסט לאדום, ההולך וגודל ככל שהעצם מרוחק מאתנו, כיוון שמהירות התרחקותו גדלה עם המרחק.
תחום אורכי גל זה הינו בלתי אפשרי למעשה לתצפית מדעית מטלסקופים על פני כדור הארץ, כיוון שאדי המים וגז הפחמן הדו-חמצני שבאטמוספירה בולעים קרינה תת אדומה באופן משמעותי (זו הסיבה שתצפית באמצעי ראיית לילה הקולטים קרינה תת אדומה נעשית בתחומי תדר מסוימים של הקרינה התת אדומה, בהם הבליעה מינימלית).
מכאן היתרון בהצבת הטלסקופ בחלל – אפשרות תצפית בספקטרום מלא המוסתר מפני הקרקע.
קוטר המראה של JWST הוא 6.5 מטרים, והיא מורכבת מ – 18 מראות משושות שניתן להניע כל אחת מהן בנפרד בשלושה מימדים כדי לכוונן את המראה הגדולה (הראשית). המראה המשנית מורכבת על חצובה ומוצבת ממול המראה הראשית, כך שתקלוט את האור המוחזר מכל חלקיה, ותטיל את האלומה אל עבר מכשירי התצפית המדעיים הנמצאים במרכז המראה הראשית, כמו שמוסבר בשרטוטים [6]. מבנה טלסקופ זה, הכולל מראה ראשית ומראה משנית המכוונת את האור הנאסף אל מכשיר נוסף, נקרא "אניסטגמטי תלת מראתי" ויתרונו בכך שהוא מאפשר לתקן במהירות עיוותים אופטיים ע"י הזזת המראות הקטנות, המשנית והשלישית.
מכשירים מדעיים
במרכז מראת הטלסקופ יותקן תא מכשירים, אשר יכלול ארבעה אמצעי צילום וניתוח תצפיות:
1. מצלמת תת אדום קרוב (NIRCam) , של אורך גל בין 0.6 ל 5 מיקרון, אשר תבצע את מרבית הצילומים של תצפיות הטלסקופ.
2. ספקטרוגרף תת אדום קרוב (NIRSpec) אשר יערוך ניתוח ספקטרוסקופי של האור בתחום הנ"ל הנקלט בטלסקופ. ניתוח ספקטרוסקופי מאפשר זיהוי של חומרים במקור האור הנפלט, לפי הפרדה לאורכי גל שונים, וזיהוי תחומי בליעה ופליטה.
3. מכשיר משולב הכולל מצלמה וספקטרוגרף לתחום התת אדום האמצעי (MIRI), של אורך גל בין 5 עד 27 מיקרון.
4. חיישן הנחיה מדויקת, שכולל גם מצלמה וספקטרוגרף נוספים לתחום התת אדום הקרוב. מטרתו של הראשון לכוון את הטלסקופ במדויק לעבר יעדי התצפית ולסייע בכיוון המראות להסרת עיוות אופטי; ושל השני להיות אמצעי תצפית נוסף לגיבוי של אמצעים 1 ו – 2.
לצורך תצפיות בעצמים מרוחקים יותקן בפתח תא המכשירים מערך של תריסים זעירים, שכל אחד מהם ניתן לפתיחה וסגירה בנפרד; פתיחה סלקטיבית של אחד מהם תאפשר קליטת אור מזווית צרה ביותר ומניעת הפרעות מאור רקע, תכונה חיונית לתצפית בעצמים רחוקים ועמומים.
שיגור, מסלול וקצת על ההנדסה של טלסקופ החלל
ה - JWST ישוגר בשנת 2018 באמצעות טיל אריאן 5. כדי להתאים למימדיו של רכב השיגור, המראה הראשית וכן חלקים נוספים יקופלו מסביב לבסיס הטלסקופ ויפרשו מחדש בחלל, בתהליך שימשך מספר ימים. חלוקתה של המראה הראשית ל – 18 חלקים אפשרה להרכיבן על בסיס בעל צירי קיפול, וכמו כן יפרש באותו זמן מגן הקרינה הגדול, שעל תפקידו נסביר בהמשך.
הטלסקופ ינוע במשך למעלה ממאה ימים עד שיגיע לנקודה המכונה L2. עכשיו, זמן לקצת פיזיקה ברמה תיכונית (או מקסימום תחילת שנה א'): זוהי אחת מחמש נקודות, שלוש מהן במסלול כדור הארץ סביב השמש ושתיים בקרבתו, המכונות "נקודות לגרנז'" [7], על שמו של המתמטיקאי והאסטרונום ז'וזף לואי לגרנז', שגילה אותן במהלך ניסיונו לפתור את בעיית שלושת הגופים בתיאוריית הכבידה.
בנקודות אלו, גוף המקיף את השמש ינוע במהירות מסלולית זהה לזו של כדור הארץ, כאשר הוא נמצא בשיווי משקל של כוחות (מנקודת מבטו של הגוף, לפי חוקי המכניקה) בין כוחות הכבידה של השמש ושל כדור הארץ, ובין הכוח הצנטריפוגלי הפועל עליו כתוצאה מן התנועה הסיבובית.
מיקומי הנקודות קבועים ביחס לכדור הארץ, כלומר מקיפים את השמש יחד איתו. נקודת L2 מרוחקת כמיליון וחצי ק"מ מכדור הארץ, לכיוון הפונה מן השמש והלאה. זאת בניגוד לטלסקופ "האבל" לדוגמה, שהוצב במסלול כדור הארץ הנמוך, בגובה של מספר מאות ק"מ, וכך גם ניתן היה להגיע אליו מספר פעמים באמצעות מעבורות החלל ולבצע תיקונים וכיולים.
מדוע נבחרה נקודה זו?
ובכן, פעולתו של הטלסקופ בתחום הספקטרום התת אדום חייבה שמירה של טמפרטורה קרה מאוד של מכשירי התצפית שלו: בין 37 ל – 40 מעלות קלווין, כלומר מינוס 236 עד מינוס 233 מעלות צלסיוס. אם הטמפרטורה תעלה מעבר לכך, יתחילו גוף הטלסקופ, כמו גם מכשירי המדידה עצמם, לפלוט קרינה תת אדומה בעוצמה גבוהה מספיק כדי להפריע למדידות הנעשות על ידם (כיוון שכל גוף שהטמפרטורה שלו מעל האפס המוחלט, או מינוס 273 מעלות צלסיוס, פולט קרינה תת אדומה). גם השמש, הירח וכדור הארץ פולטים קרינה בתחום זה. לצורך הסתרת קרינה זו, הטלסקופ יישא את מגן הקרינה הנפרש, אשר יופנה תמיד כלפי השמש. כאשר הטלסקופ נמצא בנקודת L2 (או למעשה נע במסלול איטי מסביבה) מגן זה יסתיר ביעילות גם את כדור הארץ והירח, כאשר הטלסקופ מפנה אליהם תמיד את צדו האחד של המגן, שבו יותקנו תאים סולריים וכן אנטנת מערכת התקשורת.
לצורך פעולה בטמפרטורה נמוכה זו, נדרש ליצר את המראות מבריליום, מתכת שמקדם ההתפשטות וההתכווצות התרמית שלה נמוך יחסית, ולכן המראות ישמרו על צורתן כמעט לחלוטין, כאשר הטלסקופ יפתח בחלל ויתקרר בכ – 250 מעלות בתוך מספר ימים. בנוסף לכך, בריליום הוא קל במשקלו, שיקול חשוב לצורך השיגור לחלל.
בימים אלו הוחל בסדרת ניסויי תנאי סביבה של מכשירי הטלסקופ [8] שמטרתם לבדוק את פעולתם בתנאי הקור הקיצוני וכן עמידות בהפרעות אלקטרומגנטיות, תופעה המתרחשת בחלל בעיקר עקב רוח השמש הנושאת חלקיקים טעונים. בהעדר מיגון מתאים, הפרעות אלו עלולות לשבש את פעולת המכשירים ומחשב הטלסקופ, ולכן ההגנה מפניהן חיונית. לאחר השלמת הניסויים, יוחל במהלך 2016 להרכיב את מראות הטלסקופ וכיולן, תהליך שימשך מרבית השנה. בשנת 2017 יבדקו מערכות הטלסקופ ביסודיות רבה, לקראת שיגורו ב – 2018. תהליך הבדיקה יהיה ממושך וקפדני, כיוון שבניגוד לטלסקופ "האבל", כאן לא תהיה אפשרות לשלוח לאחר השיגור צוות שיבצע פעולות תיקון – לפחות עד שחלליות אוריון החדשות יאושרו לטיסה אל מעבר למסלול הירח.
טלסקופ ההפרדה הגבוהה (HDST)
יש מי שמציע כבר את השלב הבא לאחר JWST. איגוד האוניברסיטאות למחקר אסטרונומי (AURA), מי שהציעו ויזמו לפני כעשרים שנה את פרויקט JWST, הציעו לשגר בשנות ה – 30 של המאה הנוכחית טלסקופ נוסף שיכונה High Definition Space Telescope – להפרדה גבוהה ([9], [10], [11], [12], [13], [14] ו– [15]). טלסקופ זה, שעדיין עודנו בשלב ההצעה, אמור להיות בעל מראה ראשית שקוטרה 10 – 12 מ', ולצפות בספקטרום שבין התת האדום הנמוך, דרך האור הנראה ובתחום העל הסגול. לדברי המציעים, בניית טלסקופ זה אמורה להיות מורכבת פחות מזו של JWST, כיוון שלא נדרש להפעילו בטמפרטורה קרה כמו של קודמו. הטלסקופ המוצע יתבסס על טכנולוגיית יצור המראות המשושות של JWST, וימוקם גם הוא בנקודת L2.
המניע העיקרי להצעה הוא היכולת של טלסקופ ברמת הפרדה כזו לצפות בכוכבי לכת בגודלו של כדור הארץ, במרחקים של עד 100 שנות אור מאיתנו. יכולת ההפרדה של HDST, והשימוש שיעשה בו בקורונוגרף (דיסקה המיועדת להסתיר את אור הכוכב אותו מקיף כוכב הלכת) יאפשר לבצע ניתוח ספקטרוסקופי של אטמוספירות כוכבי הלכת, בחיפוש אחרי סימני קיום חמצן, מים ומולקולות אורגניות.
בנוסף, טלסקופ כזה יוכל לצפות באיכות טובה בכוכבים הנמצאים בגלקסיות אחרות קרובות יחסית (כמו אנדרומדה) ובגלקסיות שמרחקן מאתנו כ – 10 מיליארד שנות אור. מחקר נוסף שיתאפשר על ידו הוא תצפית בכוכבי הלכת הננסיים של חגורת קויפר. הצפייה בתחום העל סגול תאפשר מחקר מקיף של הגז הבין כוכבי המקיף את הגלקסיות, מה שעשוי ללמד על תהליך היווצרותן. מציעי התכנית משווים את המעבר לשימוש בטלסקופ זה מן הקיימים (כמו "האבל") למעבר משימוש בטלויזיה מדור השחור-לבן לדור ה – HD של המסכים בני זמננו. כושר ההפרדה שלו, לדוגמה, אמור להיות פי 24 מזה של "האבל".
כאמור, טלסקופ זה עדיין הינו בגדר הצעה, ואיננו ראשון ברשימת המשימות המועדפות של NASA או של סוכנות חלל אחרת. מצדדי התכנית טוענים שהניסיון שנצבר בפרויקט JWST יאפשר לבנות את HDST בתקציב נמוך הרבה יותר, ללא צורך בפיתוח טכנולוגיות חדשות שכבר פותחו עבור JWST. בנוסף, בהתבסס על ניסיון העבר, צפוי כי JWST, בדומה לקודמיו: "האבל", "שפיצר" וכמובן "קפלר" גלאי כוכבי הלכת החוץ שמשיים, יביא לשורת תגליות שעדיין איננו מעלים על דעתנו – מה שיביא להרחבת התמיכה בפרויקט HDST, כפי שקרה בעבר.
תמונה: NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given