בימים אלו נבנה בצ'ילה מצפה כוכבים ענק על שם ורה רובין, שיצלם את כל השמים הנראים מדי 4-3 לילות. אנו מחכים בקוצר רוח לתחילת פעילותו, מכיוון שהוא יתרום להבנת מבנה היקום בקנה מידה גדול, לחקר אנרגיה וחומר אפל ולגילוי אסטרואידים מסוכנים, ואולי יוכיח את קיומו של כוכב לכת תשיעי. מי הייתה ורה רובין ומה תרמה להבנתנו את היקום? איך יפעל הטלסקופ ואילו יכולות ייחודיות יש לו? מוזמנים לקרוא.

במהלך שנת 2025 ייפתח בצ׳ילה מצפה הכוכבים על שם ורה רובין. עבודתה של  ד"ר ורה רובין (1928–2016), שהייתה אסטרונומית יהודייה-אמריקאית [1], סיפקה ראיות משכנעות לכך שתנועתם של גרמי שמיים מסוימים אינה תואמת את הצפוי לפי כמות החומר שאנו רואים וחוקי הכבידה המוכרים לנו. את הסטייה הזו ניתן להסביר בכך שחוקי הכבידה המוכרים לנו צריכים תיקון, או בקיומו של חומר בעל מסה שאיננו מסוגלים לראות. חומר היפותטי זה זכה לכינוי "חומר אפל" [2]. רובין, שחקרה את תנועתן של גלקסיות, גילתה שכוכבים פנימיים וחיצוניים בגלקסיות נעים סביב מרכז הגלקסיה באותה מהירות. תנועת הכוכבים סביב מרכזי הגלקסיות נגרמת על ידי כבידה, ולפי התיאור שמתארת תורת היחסות הכללית את התנהגות הכבידה, מהירות הכוכבים צריכה להיות תלויה במרחקם ממרכז הגלקסיה. כדי ליישב את הסתירה מבלי להכניס תיקונים לתורת היחסות הכללית, הוצע הרעיון של קיום חומר אפל – חומר בעל מסה המשפיע על המהירות, אבל אין לו אינטראקציה עם שדות אלקטרומגנטיים, ולכן איננו יכולים לראות אותו. לפי מדידות שנערכו, אם החומר האפל אכן קיים, הוא מהווה 26.8% מסך כל החומר/אנרגיה ביקום.

מצפה ורה רובין יהיה מצפה מיוחד במינו, שמטרתו לצלם את כל השמיים בתוך כמה ימים [3]. הוא יעשה זאת בצורה שיטתית מדי 4-3 לילות, והסריקה התדירה תניב מיפוי מסודר ומפורט של השמיים. לכן, מצפה רובין יהיה יעיל במיוחד לזיהוי עצמים שבהירותם משתנה עם הזמן (לדוגמה סופרנובות), או שמיקומם משתנה (אסטרואידים למשל). בנוסף, על פי ההערכות, כוח איסוף האור והמצלמה הרגישה של מצפה הכוכבים יעזרו לנו לגלות כ-17 מיליארד כוכבים וכ-20 מיליארד גלקסיות שמעולם לא ראינו.

הדמיה של הטלסקופ. מקור: LSST Project Office - http://www.lsst.org/gallery/telescope-rendering-2013, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=42054166

יכולותיו של הטלסקופ יתרמו להבנת מבנה היקום בקנה מידה גדול ולחקר אנרגיה אפלה וחומר אפל. הוא צפוי לאתר 90% מהאובייקטים במערכת השמש שגודלם מעל 300 מטרים (אסטרואידים גדולים לדוגמה), ויאפשר למדוד את השפעת הכבידה של החומר האפל על פני אזורים רחבים ולהבחין בתנועת הגלקסיות לאורך זמן.

אחד הדברים שאסטרונומים מקווים להשיג באמצעות טלסקופ רובין הוא הוכחה לקיומו של קיום כוכב לכת תשיעי במערכת השמש שלנו [4, 5]. בעקבות חישובים עלתה סברה שקיים כוכב לכת רחוק (אם אתם שמים ווייז, לוקחים שמאלה אחרי נפטון), אבל כוכב הלכת התאורטי מעולם לא נצפה או אותר: אם הוא אכן קיים, מרחקו הממוצע מהשמש גדול פי עשרים מזה של נפטון, הוא נע לאט מאוד והוא סלעי, לכן החזר האור ממנו חלש מאוד, והטלסקופים הקיימים מתקשים לזהותו. כוח איסוף האור של הטלסקופ ויכולתו לצלם את כל השמיים מדי כמה ימים יאפשרו לתוכנה לזהות גוף מרוחק וחיוור המשנה את מסלולו ביחס לכוכבים.

אחת התכונות החשובות של הטלסקופ החדש היא שדה הראייה העצום שהוא יוכל לצלם – 3.5 מעלות. שדה הראייה מוגדר כתחום הזוויתי שבו עצם יכול להיראות מבלי שנזיז את הראש או את העיניים, והוא נמדד במעלות [6]. לטלסקופים שמיועדים לתצפיות בשמיים עמוקים, בעצמים כגון גלקסיות, ערפיליות וצבירי כוכבים, יש בדרך כלל שדה ראייה צר יותר, לעיתים פחות ממעלה אחת. לשם ההשוואה, הקוטר הזוויתי של הירח הוא כחצי מעלה, ואילו רוחבה הזוויתי של גלקסיית אנדרומדה הוא כשלוש מעלות (ראו השוואה בתמונה).

המחשת גודל השדה של הטלסקופ

הטלסקופ מורכב ממראה ענקית בקוטר של 8.4 מטרים, ומחוברת אליו מצלמה בעלת חיישן ברזולוציה של 3.2 גיגה פיקסל. לשם השוואה, מצלמות ביתיות מצוידות בחיישנים של עשרות מגה בלבד.

המראה לפני ליטוש. By Howard Lester / LSST - https://www.lsst.org/sites/default/files/photogallery/Group_photo-full.jpg, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52230321

חיבור המראה לטלסקופ. מקור: RubinObs/NSF/AURA

האתגר העיקרי של הטלסקופ הוא לקבל שדה רחב, שיאפשר לצלם את כל השמיים במהירות, ועם זאת חף מעיוותים אופטיים. הבעיה העיקרית של טלסקופים ניוטוניים מבוססי מראות היא אברציה ספרית, שנגרמת בשל עקמומיות המראה. זוהי תופעה שבה עצמים המרוחקים ממרכז השדה נמתחים כלפי חוץ, והכוכבים מקבלים צורה של כוכבי שביט (בדומה לעדשת עין הדג). כדי להתמודד עם בעיה זו משתמשים במראה משנית (m2 בתרשים) אשר ממתנת את זווית קרני האור ומונעת את האברציה.

HHahn, CC BY-SA 3.0 ,via Wikimedia Commons

בשיטה זו עדיין ישנה אסטיגמציה – עיוותים אופטיים המתעצמים ככל שמתרחקים ממרכז התמונה, בדומה למה שרואים אנשים שיש להם "צילינדר". התופעה משפיעה על התמונות המתקבלות וגורמת לטשטוש ודימויים לא חדים, עיוות צורת האובייקטים, פגיעה בניגודיות ובעיות בפוקוס.
כדי לפתור בעיה זו, טלסקופ ורה רובין כולל מראות משניות נוספות (המראות במרכז התרשים), אשר מתקנות את העיוותים בקצוות התמונה באמצעות עיוות נגדי [7].

המבנה האופטי של הטלסקופ. מקור: http://www.ast.cam.ac.uk/about/three-mirror.telescope

נעבור למיקום. הטלסקופ ייבנה בפסגת Cerro Pachón, הר שנמצא במדבר אטקמה (Desierto de Atacama) שבצפון צ'ילה, אזור שהתנאים בו מתאימים מאוד לבניית מצפה כוכבים [8]. מדבר אטקמה, שרובו נמצא בשטחה של בצ'ילה, נחשב לאזור הצחיח ביותר בעולם. בשל גובהו הרב, 5000 מטר מעל פני הים באזורים רבים, כמעט שלא יורד בו יורד גשם. הודות לגובה, ליובש ולבידוד, השמיים בו נקיים מעננים ומזיהום אור – תאורה מלאכותית הממסכת את אור הכוכבים. גם שכבת האטמוספרה הנמצאת מעל הטלסקופ דקה יותר, מה שמפחית עיוותים הנגרמים מהבדלים בין שכבות האטמוספרה ומאפשר לקבל תמונה נקיה הרבה יותר.

המצפה על פסגת ההר. מקור: Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory

שלא כבעבר, כיום אין צורך לצייר את התמונות (כפי שנעשה לפני המאה ה-19), או להעסיק מְחַשְּׁבוֹת אנושיות שיסקרו אותן [9]. כיום התמונות מתועדות במחשב ועוברות ניתוח ועיבוד ממוחשב מכל מקום בעולם. אז לא צריך להזמין טיסה לצי׳לה, תוכלו להמשיך לשבת בסלון ביתכם.

הנתונים שייאספו  במצפה הכוכבים ינותחו באמצעות התוכנה HelioLinc3D, שנכתבה על ידי בינה מלאכותית. בעזרת טכניקות של עיבוד תמונה מבוססות בינה מלאכותית, התוכנה בוחנת תמונות אסטרונומיות, מנתחת כמויות גדולות של נתונים ומסייעת לזהות דפוסים ומסלולים של אסטרואידים. התוכנה כבר הספיקה לעשות היסטוריה: לראשונה בתולדות האסטרונומיה, התוכנה מצאה אסטרואיד שעלול לסכן את כדור הארץ [12-10].

אם כן, יש למה לצפות: הטלסקופ ורה רובין, שנקרא על שמה של אישה פורצת דרך, יאפשר למדענים להעמיק את ההבנה שלנו על מקורות הכבידה, היווצרות גלקסיות ותהליכים קוסמולוגיים מורכבים.

עריכה: סמדר רבן

מקורות והרחבות

[1] על ורה רובין

[2] חומר אפל

[3] האתר של מצפה הכוכבים ורה רובין

[4] פוסט על כוכב הלכת התשיעי

[5] ריאיון ב"שלושה שיודעים" על כוכב הלכת התשיעי

[6] שדה ראייה

[7] המראות של הטלסקופ

[8] מדבר אטקמה

[9] מחשבות אנושיות

[10] ריאיון ב"שלושה שיודעים" על גילוי אסטרואיד על ידי התוכנה HelioLinc3D

[11] מערכת אטלס לגילוי מוקדם של אסטרואידים

[12] על גילוי אסטרואיד בעזרת התוכנה