טלסקופ החלל הגדול ביותר
בימים אלו הסתיימה במרכז החלל גודארד במדינת מרילנד שבארה"ב הרכבת המראה הראשית של טלסקופ החלל "ג'יימס ווב", המזוהה בראשי התיבות JWST. זהו טלסקופ החלל הגדול ביותר שנבנה מעולם, והוא אמור להיות משוגר בעוד שנתיים. בשנה הקרובה ובתחילת 2017 יורכבו מכלולים נוספים של הטלסקופ והוא יעבור סדרה ארוכה של בדיקות וניסויים לאישור היכולת לשגרו לחלל ולהפעילו בתנאים הקיצוניים השוררים שם. סקירה רחבה יותר שכתבנו על הטלסקופ, מבנהו ומשימותיו ניתן לקרוא כאן.
יכולת ההפרדה וטווח הראיה של JWST יהיו טובים יותר מכל טלסקופ חלל קודם, והוא מתוכנן לצפות בכוכבים הראשונים שנוצרו ביקום לאחר "המפץ הגדול".
בנוסף לכך, יכולותיו של הטלסקופ יוכלו לפתוח אפשרות מחקר שעד עתה הייתה מוגבלת ביותר. במשך 20 השנים האחרונות נתגלו למעלה מ-2,000 כוכבי לכת חוץ שמשיים שקיומם אומת, ועוד למעלה מ-4,000 אפשריים; עוצמתו של הטלסקופ תאפשר לבחון את האטמוספירות של כוכבי לכת אלה ממרחק של שנות אור רבות, ולחפש בהן הרכב גזים הנקרא "חתימה ביולוגית" (Biosignature) – כזה שיכול להיווצר על ידי יצורים חיים.
למרות עוצמתו של JWST, תצפית אסטרונומית ממרחקים כאלו עודנה מבצע מורכב. יש להמתין למעבר כוכב הלכת הנחקר כך שיחצה את קו הראיה בין השמש שלו לבינינו, או יותר נכון לבין הטלסקופ, שימוקם כ-1.5 מיליון ק"מ מכדור הארץ, בנקודת לגרנז' L2; אור השמש של כוכב הלכת חוצה את האטמוספירה שלו בדרכו לטלסקופ וחלק מאורכי הגל שלו יבלע בה, בהתאם להרכבה הכימי של האטמוספירה. מהשוואת אורה של השמש ללא מעבר באטמוספירה, לאור שעבר בה, ניתן למצוא את הקווים הספקטרליים (הם ערכי אורכי גל) שנבלעו באטמוספירת כוכב הלכת ומהם את זהות החומרים המרכיבים אותה.
ההנחה היא שהמרכיב המשמעותי ביותר ב"חתימה הביולוגית" הוא החמצן. לפי הנחה זו, אטמוספירה בעלת שיעור חמצן בסדר גודל זהה לזה של כדור הארץ (אחוז דו ספרתי, או מתקרב לכך) מעידה על קיום תהליכי חיים. למרבה הנוחות, חמצן דו אטומי (O2) הוא בעל קווי בליעה ספקטרליים בתחום האדום והתת אדום הקרוב (Near IR) שבהם צופה הטלסקופ.
"מדד הזהב"
החמצן נחשב ל"מדד הזהב" (כלומר, המבחן בעל רמת הודאות הגבוהה ביותר) לזיהוי סימני חיים מאז 1965, שבה הגדיר הכימאי ג'יימס לוולוק עבור NASA, סוכנות החלל האמריקנית, שיטות לחיפוש סימני חיים בכוכב הלכת מאדים. לוולוק הגיע למסקנה שניתן להסיק על קיום חיים בכוכבי לכת אחרים על ידי זיהוי הרכב חומרים ריאקטיבי באטמוספירה שלהם; אם ניתן לזהות באטמוספירה שני סוגי חומרים הנוטים להגיב זה עם זה בקלות, המסקנה היא שתהליכי ביוכימיה מסוימים מחדשים את תכולתם של אלו באטמוספירה בהתמדה.
בכדור הארץ, החמצן מהווה 21% מהרכב האטמוספירה ושיעור זה נשמר קבוע, למרות שחמצן מגיב בקלות עם מימן ליצירת אדי מים ועם פחמן ליצירת פחמן דו חמצני, ועם מתכות שונות ליצירת תחמוצות. תהליכי הפוטוסינתיזה של הצמחיה, האצות ועוד הם אלו המחדשים אותו ללא הרף. הצמחים, לדוגמה, משתמשים בפחמן דו חמצני ואדי מים ליצירת סוכר בעזרת אנרגית השמש הנקלטת על ידם. תוצר הלוואי של תהליך זה הוא החמצן המשתחרר לאטמוספירה. אם היה תהליך הפוטוסינתיזה נפסק מסיבה כלשהי, החמצן שנותר באטמוספירה היה מגיב עם החומרים שבקרום כדור הארץ ובתוך 10 מיליון שנה היה ניתן בקושי לזהות עקבות של חמצן חופשי בהרכב האטמוספירה. כדור הארץ היה דומה אז למאדים: אטמוספירה שרובה פחמן דו חמצני ופני שטח בגוון אדמדם, עדות לתחמוצות הברזל הקיימות בה. לכן, בהמשך לתיאוריה של לוולוק, קיום חמצן בתכולה משמעותית באטמוספירה של כוכב לכת הוא סמן חזק לקיום חיים בו בהווה או בעבר הקרוב, במונחים גיאולוגיים לפחות.
ההתפוצצות הקמבריונית והחמצן
בימינו, העובדה שבעלי חיים מורכבים הינם חדשים יחסית מבין היצורים החיים בעולם אינה מובנת מאליה. מאז שהופיעו החיים על פני כדור הארץ, לפני כ-3 מיליארד שנה, במשך מרבית תקופה זו היו יצורים חד תאיים היחידים שהתקיימו בו. הם הסתגלו ושגשגו בסביבת חיים דלילה בחמצן (עד לפני 800 מיליון שנים, אחוז החמצן באטמוספירה היה כ-0.1 או פחות) והשתמשו בחומרים כגון פחמן דו חמצני, מולקולות המכילות גופרית ותרכובות ברזל כגורמים מחמצנים בתהליכי פירוק מזונם. מיני חיידקים רבים הפועלים בשיטות אלו עדיין קיימים.
בעלי חיים רב תאיים לעומתם מתבססים על חמצן, המאפשר להפיק אנרגיה רבה יותר ממזון. שיטת הפקת אנרגיה עדיפה זו אפשרה להם לפתח מערכות מתקדמות, כמו: שרירים, עצבים, ראיה, לבנות שלדים המכילים מינרלים ולחלקם להפוך לטורפים המצוידים בשיניים מתאימות לכך, בעוד שאחרים פיתחו אמצעי הגנה כמו שלדים חיצוניים.
פליאונטולוגים וגיאולוגים חקרו את התפתחות ריכוז החמצן באטמוספירה באמצעות שכבות סלע מן התקופה שהחלה לפני 635 מיליון שנים (הנקראת אדיאקאר) ועד תום עידן הקמבריון, לפני 485 מיליון שנים. בנמיביה, בסין ובמקומות אחרים בעולם נחפרו סלעים מתקופות אלו, שהיו אז בקרקעיות הימים העתיקים. שכיחותן של מתכות כמו ברזל ומוליבדניום בסלעים אלו הושפעה מכמות החמצן שהייתה אז במי הימים (וזו בתורה מושפעת מריכוזו באטמוספירה) כיוון שמסיסותן במים שמסביב לסלעים משתנה עם נוכחות החמצן; כאשר נבדקות שכבות הסלע עד לזמננו, ניתן לקבל באמצעות מדידות אלו את ההיסטוריה של ריכוז החמצן באטמוספירה.
הם גילו שלפני כ-580 מיליון שנה, במחציתו השניה של עידן האדיאקאר, עלה ריכוז החמצן במי הים לכ-4%, ירד והתייצב למשך כ-20 מיליוני שנים על כ-2% ואז שוב נרשמה קפיצה נוספת לכ-4%. לאחר ירידה נוספת ל-2% ויציבות במשך כ-10 מיליוני שנים התרחשה לפני כ-542 מיליוני שנים קפיצה לרמה של כ-20%, המסמנת את תחילתו של הקמבריון. בעלי החיים המורכבים הראשונים הופיעו ב-38 מיליון השנים האחרונות של האדיאקאר, אך הם היו יצורים איטיים ורכים יחסית; ההתפוצצות הקמבריונית החלה לאחר הקפיצה הגדולה בריכוז החמצן, אחריה התייצבו רמות החמצן על כ-10% למשך כ-60 מיליוני שנים. במהלכה הופיעו מינים רבים ובהם הטורפים הראשונים שככל הנראה הביאו להכחדתם של יצורי האדיאקאר.
מתוך מחקרים אלו מקבלת התיאוריה המקשרת את ריכוז החמצן באטמוספירה להתפתחות החיים חיזוק נוסף. יש לציין שנעשו מחקרים המטילים ספק מסוים במובהקות של הקשר (ניתן לקרוא על כלל המחקרים ומסקנות החוקרים במקור 8) אך עדיין מרבית הממצאים מחזקים את ההנחה שנוכחות חמצן באטמוספירה בריכוז גבוה היא האחד הגורמים ההכרחיים להתפתחות יצורים מורכבים, מה שמחזק את מעמדו כ"מדד הזהב" לחיפוש סימני חיים.
חמצן ללא חיים וחיים ללא חמצן
אולם, המדע מזמן לעיתים הפתעות מאכזבות ואף כאלו המערערות הנחות יסוד שהיו בתוקף זמן רב, וביניהן גם מדדי זהב. לפני שש שנים ערך האסטרוביולוג (מי שחוקר את אפשרויות התפתחות החיים מחוץ לכדור הארץ) שון דומאגל-גולדמן שעבד אז ב"מעבדת כוכבי הלכת הוירטואליים" שבאוניברסיטת וושינגטון סימולציה ממוחשבת של התפתחות אטמוספירת כוכב לכת סלעי נטול חיים. להפתעתו, בשלב מסוים הראתה הסימולציה שחלקו של החמצן באטמוספירת כוכב הלכת הדמיוני עלה מ-0 ל-5 ואף ל-10 אחוזים, ללא הנחת קיום חיים ותהליכי פוטוסינתיזה. דומאגל-גולדמן בדק מספר פעמים את נכונות התהליכים הכימיים המדומים בסימולציה שלו, והריץ אותה שוב ושוב לבדיקה ו-debug, אך החמצן בעולם הדמיוני שלו שב והתרבה בכל ריצה, וזאת מכיוון שקרינתה של השמש המדומה (אך הטיפוסית) אותה הקיף כוכב הלכת פירקה את מולקולות הפחמן הדו חמצני לחמצן ופחמן מהר יותר מכפי שאלו יכלו להיווצר מחדש. בשנים שמאז ערך דומאגל-גולדמן את הסימולציה שלו, השקיעה המעבדה שבה עבד, בהנהלת הפרופסורית לאסטרונומיה ויקטוריה מידוס, מאמץ רב בניסיון לזהות גורמי יצירת חמצן שאינם תהליכים ביוכימיים, כדי לסנן תוצאות חיוביות שגויות (False Positives) של זיהוי סמני קיום חיים. לעבודה זו יש חשיבות רבה לצורך ניצול יעיל של זמן המשימה של טלסקופ JWST; מכיוון שהוא ממוקם רחוק מכדור הארץ, לא ניתן יהיה (לפחות במשך חמש עד עשר שנים ממועד שיגורו, עד שחלליות ה"אוריון" יהיו כשירות למשימות מאוישות למעמקי החלל) לשגר אליו אסטרונאוטים לצורך משימות תחזוקה והארכת משך חייו, כפי שנעשה בטלסקופ החלל "האבל" שבמסלול כדור הארץ הנמוך (בגובה של כ-400 ק"מ). ההנחה היא שמשך תפקודו התקין של JWST יהיה חמש שנים עד עשר במקרה הטוב. הזמן שנדרש לאיסוף מידע מספיק בתצפיות על אטמוספירה של כוכב לכת הוא מאות שעות, ומכאן הצורך המהותי לסנן תוצאות חיוביות שגויות לסמני קיום חיים.
בין גורמי התוצאות החיוביות השגויות שזוהו עד עתה ניתן לציין תהליך האופייני לכוכבי לכת של "ננסים אדומים", הנעים בקרבה גדולה יחסית אל השמש שלהם. בכוכבי לכת כאלו, קרינת השמש העל-סגולה הנופלת על פניו עלולה לאדות את כל המים שבו ובהמשך לפרקם למימן וחמצן; המימן הקל ימלט ברובו אל החלל, כשהוא מותיר אחריו אטמוספירה עשירה בחמצן, אך כוכב לכת יבש וצחיח.
גישה אחרת לחיפוש סמני חיים מובילה האסטרופיזיקאית שרה סיגר מ-MIT, המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, העוסקת בחיפוש אחר כוכבי לכת דמויי ארץ (המכונים גם "תאומי ארץ"). סיגר תומכת בחיפוש סמנים נוספים שאינם ריכוז חמצן, מתוך הנחה שתהליכי חיים עשויים להתפתח גם בצורה שונה ממה שאנו מכירים בכדור הארץ, ועל בסיס ביוכימיה אחרת והרכבי אטמוספירה שונים. המגוון הגדול של סוגי והרכבי כוכבי לכת חוץ שמשיים שנתגלו עתה נוגד לדעתה את מעמדו של החמצן כ"מדד הזהב". סיגר ושותפיה למחקר חקרו מספר תהליכים אפשריים חלופיים לפוטוסינתיזה מפיקת חמצן. לדוגמה, בעולמות עשירים במתאן (CH4), עשויים "צמחים" דמיוניים להפיק ממנו פחמן ולשחרר מימן לאטמוספירה, תהליך שבנוכחות חנקן יגרום להופעת ריכוז גבוה של אמוניה.
סיכום
כדי להצליח באיתור כוכב לכת עם סמני חיים יידרש גם מזל רב, כיוון שתצפיות אלו צריכות להתמקד בכוכב לכת מסוים זמן ארוך ולכן יש לבחור מראש מספר מטרות הנראות בעלות סיכויים גבוהים לגילוי חיובי (כלומר, לנחש בצורה מושכלת). לעתים, כפי שקרה בעבר, מתברר לאחר ניתוח מידע ממאות שעות תצפית שאטמוספירת כוכב הלכת אינה מספקת שום מציין המעיד על תהליך ביוכימי כלשהו, מבוסס חמצן או לא. מידווס, סיגר ועמיתיהן למחקר אינם אופטימיים ככלל לגבי סיכויי ההצלחה לגילוי חיים במשך זמן קצוב של 10 שנים, גם בעזרת טלסקופ החלל המתקדם ביותר. אולם, ניסיון העבר מלמד שהכנסתו של כלי מחקר חדשני ומשופר מקודמיו לשימוש (כגון טלסקופ, מיקרוסקופ, מאיצי חלקיקים ועוד) מביאה פעמים רבות לתגליות בלתי צפויות ומרתקות בפני עצמן, המעלות שאלות וגם אפשרויות חדשות.

תמונה: Jet Propulsion Laboratory/NASA

מקורות והרחבות:
 NASA's James Webb Space Telescope Primary Mirror Fully Assembled
James Webb vs Hubble
 The Trick to Finding Life on Distant Planets
 A physical basis for life detection experiments
 Photosynthesis
Oxygen
 What sparked the Cambrian explosion?