יום האסטרונומיה הישראלי 1 - תאוריות להווצרות הירח

לפני פסח השתתפתי ביום האסטרונומיה הישראלי, שהתקיים במכון וייצמן. מדובר בכנס יומי שקורה זו הפעם השנייה, ושמתכנסים בו אנשים מתחומי האסטרופיזיקה והאסטרונומיה השונים בארץ. היו שם כמה הרצאות מעניינות מאוד, ואנסה לסכם את חלקן כאן. היות ומדובר בכמה הרצאות, אעשה את זה לאורך כמה רשומות.

רלוקה רופו / היפותזת פגיעות מרובות ליצירת הירח

רלוקה, שאני לא בטוח מאיפה מגיע שמה, דיברה על הבעיות התאורטיות ביצירת הירח שלנו, וסיכמה בקצרה את התיאוריות הנוכחיות בתחום, והציגה את התאוריה שהיא ושותפיה מנסים לקדם. לצערי זה תחום שההיכרות שלי איתו היא די מועטה, ולכן סיכמתי בצורה בסיסית ביותר. מאוד בקצרה, ישנה בעיה להסביר את היווצרות הירח שלנו. יש מספר דברים שאנחנו יודעים עליו, כמו ההרכב והגודל שלו, שחייבים להיות מוסברים על ידי תאוריה שמסבירה את היווצרותו, וזה לא דבר פשוט כל כך. יש מספר תאוריות שעלו בעבר, אך לכל אחת בעיות משלה:

• תפיסה של גוף חיצוני - כלומר שאסטרואיד ענק כלשהו הגיע ונלכד בכוח המשיכה של כדה"א, והפך להיות הירח שלנו. יש מספר בעיות עם הרעיון הזה, כמו למשל שגופים בגודל הירח לא נוטים לנוע יותר מדי ברחבי מערכת השמש, וגם אלו שכן לא מאוד סביר שיהיה להם מסלול שיאפשר להם להתפס על ידי כדה"א (הפרש המסות לא גדול, ולכן המסלול יצטרך להיות מאוד קרוב); בעיה נוספת היא שהרכב הירח די דומה להרבה השכבות החיצוניות של כדה"א, והרכב האסטרואידים שהצלחנו לנתח עד היום היה די שונה.
• הווצרות מקבילה - כלומר שהירח וכדה"א נוצרו בזמן דומה מאותה שכבת חומר בדסקה שהפכה להיות מערכת השמש. זה יסביר את ההרכב הדומה, אבל יש לתאוריה הזו בעיות אחרות.
• התפרקות מסיבוב מהיר - הרעיון מאחורי התיאוריה הזו הוא שכאשר כדה"א היה עדיין צעיר ועוד לא התקרר והתמצק, הוא הסתובב מהר מאוד, כל כך מהר שחלק ממנו ניתק והפל להיות הירח. גם התאוריה הזו מסבירה את ההרכב של הירח, אך יש לה בעיות אחרות, בעיקר בנסיון להסביר מה גרם לכדה"א להסתובב כל כך מהר.

תמונת אמן לפגיעת תאה בכדור הארץ.

התאוריה השלטת כרגע היא שבשלב יחסית מאוחר של ההתפתחות שלו, כדה"א ספג פגיעה מגוף בסדר גודל של מאדים (שמכונה תאה (Theia), על שם אמה של סלנה, אלת הירח במיתולוגיה היוונית), והחומר שעף מהפגיעה הזו הסתובב סביב כדה"א ולאט לאט קרס אל מה שאנחנו מכירים כירח. זו התיאוריה הטובה ביותר שיש לנו כיום והיא מסבירה דברים רבים שאנחנו יודעים על הירח, אבל גם היא לא חפה מבעיות, כמו למשל העובדה שגופים בגודל של מאדים הם נדירים מאוד, ולכן ההסתברות שהיה קיים אחד כזה (בנוסף למאדים), ושהוא פגע בכדה"א, היא לא גדולה. על שום כך, רלוקה ושותפיה הציעו את התאוריה שהחומר שממנו נוצר הירח לא הועף בפגיעה אחת של גוף מאוד גדול, אלא במספר פגיעות של גופים קטנים יותר. היא הציגה סימולציות שהם ביצעו ושמראות שהתאוריה הזו יכולה להסביר בצורה טובה דברים מסויימים בהקשר של הירח. היות וזה לא תחום שאני בקיא בו, אין לי מושג עד כמה התיאוריה סבירה, אבל נשמע שהיא לא רעה, ויהיה מעניין לעקוב ולראות כיצד מחקרים נוספים יאששו או יפריכו אותה.

נאס"א בהכרזה מרעישה

לפני כמה ימים התקיים פאנל של נאס"א בוושינגטון DC. בפאנל השתתפו חמישה מדענים בכירים בנאס"א, ביניהם ד"ר ג'ים גרין, מנהל תחום המדעים הפאנטריים בנאס"א; ד"ר פול הרץ, מנהל תחום האסטרופיזיקה; וד"ר אלן סטופן, המדענית הראשית של נאס"א. הפאנל התנהל במשך קרוב לשעה, שבה הם הציגו מכיוונים שונים את מה שאנחנו יודעים לגבי מים ביקום, ובעיקר על גופים שסובבים את השמש שלנו וכוכבים אחרים. בפאנל נאמרו כמה דברים מאוד מעניינים, ולמדתי ממנו כמה דברים חדשים:

פאנל המדענים של נאס"א

כבר זמן רב מדובר על כך שעל הירח אירופה של צדק יש כמות מים נוזליים אדירה, שכלואה תחת מעטה קרח עבה. הקרבה של הירח לצדק גורמת לכך שכוחות הגיאות מניעים את המים על פני אירופה ומונעים מהם לקפוא. בפאנל הסתבר לי שגם לירח גנימד, שהוא הירח הגדול ביותר של צדק, יש שכבת קרח על פני השטח הסלעיים שלו, ושבעת האחרונה התברר שככל הנראה יש גם שכבת מים נוזליים מתחת לפני הקרקע. אני לא בטוח שהבנתי נכון, אבל כנראה שמה שמשאיר אותם נוזליים זו האינטראקציה של השדה המגנטי של גנימד (שהוא הירח היחיד בעל שדה מגנטי במערכת השמש) עם השדה המגנטי של צדק. עובדה חדשה שלמדתי היא שלמאדים היה שדה מגנטי בעבר והוא איבד אותו, מה שגורם לכך שאף על פי שמאדים נמצא בתוך התחום הישיב כפי שמרבית המדענים מגדירים אותו (כלומר, נמצא במרחק מתאים מהשמש כך שהטמפרטורה עליו בעיקרון תוכל לאפשר מים נוזליים), הוא אינו מכיל מים נוזליים. שתי העובדות הללו מעידות על כך שאין הגדרה ברורה לתחום הישיב, היות ויש הרבה אלמנטים שונים שמשפיעים על המצאות מים נוזלים על גוף סלעי, ושהחיפוש אחר גופים כאלו נעשה מצד אחד מסובך יותר, אך מצד שני גם נוספו לנו תחומי חיפוש. כפי שאמר ד"ר ג'ים גרין - "אי אפשר לכתוב נוסחה בשביל התחום הישיב, אבל תכיר את זה כשתראה את זה".

ארבעת ירחיו של צדק

גם בהקשר של חיפוש גופים עם מים נוזליים מחוץ למערכת השמש היו מספר עובדות מעניינות:

• ב2017 תשוגר משימת TESS, שמטרתה לחפש פלנטות סביב הכוכבים הקרובים אלינו ביותר. הקרבה אמורה לאפשר לה לגלות הרבה יותר פלנטות כאלו, ולגלות על הפלנטות האו יותר פרטים בדיוק רב יותר.
• אנחנו מסוגלים כבר היום לזהות את ההרכב של האטמוספירה החיצונית של ענקי גז שקרובים לכוכבים שלהם (במידה והם מבצעים מעבר על פני הכוכב) על ידי ניתוח האור שעובר דרכה בדרך אלינו. טלסקופ החלל ג'יימס ווב, שישוגר ב2018, אמור להיות מסוגל לזהות את ההרכב של פלנטות קטנות בהרבה וצפופות בהרבה, כמו פלנטות עם מעטפת מים בגודל של כמה פעמים כדה"א.
• לקראת טלסקופ החלל WFIRST, שהוא פרוייקט הדגל הבא של נאס"א לאחר ג'יימס ווב ושאמור להיות משוגר מתישהו באמצע-סוף שנות העשרים, חושבים על רעיונות כדי לאפשר לו לצפות ישירות בפלנטות, ולא רק בצורה עקיפה כמו עד היום.
• יתכן וטלסקופי רדיו יוכלו לשמש לחיפוש פלנטות סלעיות בעלות שדה מגנטי.

 היו עוד מספר אמירות מעניינות, שחלקן נאמרו בחצי משפט, ועל כן יתכן שהוצאו מהקשרן:

• נאס"א עובדת על יצירת "בועות" של שדה מגנטי בשביל להגן על חלליות.
• ב2018 מתוכננת להיות משוגרת משימת Solar Probe Plus, שתעבור ממש קרוב לשמש - במרחק של 8.5 רדיוסי שמש ממנה!
• אחד המדענים אמר כבדרך אגב שבתוך כמה שנים נבקר בכוכבים הקרובים אלינו. זה נראה מופרך מאוד, ועל כן יתכן שהוא התכוון למשהו מאוד שונה, כמו שנוכל לצפות בהם בצורה טובה בהרבה ולגלות את הפלנטות שסובבות אותם.

הדמייה של Solar Probe Plus

אבל הסיבה העיקרית שבגללה החלטתי לכתוב על הפאנל הזה היא לא הידיעות המדעיות שלמדתי בו, אלא הצורה בה דיברו המדענים על שאלת החיים מחוץ לכדה"א. כמעט כל אחד מהם הזכיר בשלב כזה או אחר את השאלה "האם אנחנו לבד?" שנשאלת כבר זמן רב, ובעוד שהם לא נתנו תשובה חד משמעית או טענו שיש בידינו הוכחות לכאן או לכאן, הם כן דיברו באופן עיקבי על חיפוש, ולאחר מכן גם על מציאת, חיים מחוץ לכדה"א בעתיד הקרוב. הם היו מאוד זהירים בהקשר של חיים תבוניים ואמרו שהם בפירוש מדברים על חיים מיקרוסקופיים, ומדען אחד אף רמז שכרגע אין כדאיות בחיפוש סימנים בתחום הרדיו מתרבויות חייזריות; אבל בו זמנית הם דיברו בצורה מאוד מפורשת על כך שהם מקווים למצוא חיים מיקרוסקופיים, ואף נאמר שחלק גדול מהדחיפה שניתנה לתכנית המאדים של נאס"א נועד כדי להביא אנשים לשם, כיוון שלהם יש יכולת טובה בהרבה למצוא חיים. נאמר גם שהמטרה היא להשוות את החיים שימצאו לאלו שאנו מכירים על כדה"א, ושהדיון הוא בחיים שדומים לאלו שאנו מכירים, מכיוון שהסביבות דומות. השיא, לדעתי, היה בסוף הארוע, כשכל מדען דיבר על מה הוא מקווה שיקרה בעתיד הקרוב, והמדענית הראשית אמרה במפורש שהיא חושבת שיהיו לנו אינדיקציות חזקות לחיים תוך עשור וראיות ברורות תוך עשרים שנה, שזו לטעמי הכרזה מדהימה מפי מדענית בכירה, ולא פחות מדהים זה שההכרזה הזו לא גרמה לאף אחד מהמדענים בפאנל או בקהל (שם ישבו, בין השאר, מנהל פרוייקט האבל ומנהלת תחום האסטרוביולוגיה בנאס"א) להרים גבה. ההכרזה הזו כן תפסה כותרות, והגיעה להרבה מאוד כלי תקשורת, והכותרות מאוד הפתיעו אותי כשהפנה אותי אליהן חבר.
הסיבה שכל הדברים האלה גורמים לי כל כך להתרגש, היא שמדובר כאן בהכרזה שאינה משתמעת לשתי פנים שבנאס"א (ועל פי הסיטואציה ותגובת המעורבים, זו התחושה בנאס"א כגוף, ולא רק תחושות פרטיות) מאמינים שישנם חיים מחוץ לכדה"א. זה דבר לא טריוויאלי בכלל, היות שאנחנו עדיין לא יודעים כיצד נוצרו החיים על פני כדה"א. זה נכון שאם נמצא סביבות דומות לשלנו יש סיכוי טוב לכך שבמידה ויש שם חיים הם יהיו דומים לאלו שאנו מכירים, אבל אין לנו את היכולת להגיד עד כמה סביר למצוא שם חיים. זה נתון שחסר בבסיס כל דיון על הווצרות חיים, ועל כן מאוד מפתיע אותי לשמוע את המדענים הבכירים בנאס"א מצהירים בצורה כל כך ברורה שהם מצפים למצוא חיים כאלו בעוד לא הרבה זמן. זה גורם לי לתהות מה הם יודעים שאנחנו לא, וללא ספק אהיה מאוד סקרן לשמוע את ההתפתחויות בתחום.

סופרנובה בשידור חוזר - צלבים מדעיים ויחסות כללית

בניגוד להרגלי, את הרשומה הזו אתחיל בתמונה:

התמונה של טלסקופ החלל האבל שהחלה את המהומה

במרכז התמונה ניתן לראות את הצביר MACS J1149.6+2223, שהוא צביר מסיבי במרחק של כחמישה מליארד שנות אור מאיתנו. בחלק המוגדל, ניתן לראות סביבו ארבע נקודות צהובות שמסומנות בחיצים. כל ארבע הנקודות הללו הן למעשה סופרנובה אחת, שהתפוצצה בגלקסיה רחוקה הרבה יותר (כ9 מליארד שנות אור מאיתנו) שמסתתרת מאחורי הצביר. התמונה הזו התגלתה על ידי מספר חוקרים שנברו בתמונות של האבל, ועוררה עניין רב בקרב הקהילה המדעית והעיתונות המדעית.

הסופרנובה לא התפוצצה בארבע נקודות שונות; אנו רואים ארבע תמונות של אותה סופר נובה, וזאת בזכות אפקט הנובע מתורת היחסות הכללית שנקרא עידוש כבידתי. האפקט הזה גורם לכך שקרני אור מתעקמות בנוכחות מסה, ועל כן ריכוז מסה (כמו צביר גלקסיות) יכול לשמש מעין עדשה שמרכזת קרניים שונות שיוצאות מנקודה אחת כך שהן נפגשות בנקודה אחרת. הסבר מעט ברור יותר ניתן למצוא בתמונה בתחתית הרשומה.
עידוש כבידתי גורם לכך שאנו רואים גופים שונים בשמיים מספר פעמים, לפעמים בתצורה של טבעת או קשתות, ולפעמים ברביעיות, כמו כאן. תצורה כזו של רביעיות מכונה "צלב איינשטיין", והיא מוכרת ממספר מקרים אחרים של עידוש כבידתי. הסיבה שהתמונה שלמעלה עוררה התרגשות למרות שהתצורה הזו מוכרת היא מה שאנו רואים בארבע הנקודות הצהובות. עד היום, דברים שראינו כך היו דברים שמאירים בצורה קבועה - גלקסיות וקווזרים. סופרנובה היא פיצוץ של כוכב, וההארה שלה דועכת תוך תקופה לא ארוכה (ימים עד שבועות), כך שהיא למעשה נעלמת עבורנו.

הופעת הסופרנובה, בשלושה פילטרים שונים של האבל. בתמונה העליונה - צילום ארכיון של הצביר המעדש. בתמונה האמצעית - הופעת הסופרנובה בנובמבר 2014. בתמונה התחתונה - ההפרש בין שתי התמונות.

למעשה, אנו רואים ארבעה שידורים של אותו פיצוץ, אך בזמנים שונים. זאת מכיוון שעבור כל תמונה שאנו רואים האור עבר דרך שונה, באורך שונה, כך שלקח לו זמן שונה להגיע אלינו. זה מאפשר למדענים לנתח את הצביר וקבועים קוסמולוגים שונים שבדרך באופן שלא ניתן לעשות בד"כ, היות וניתן למדוד את הפרשי הזמנים בין התמונות השונות, והפרש זה הוא פונקצייה של התפלגות המסה בצביר ושל המודל הקוסמולוגי. בשילוב עם מידע ממקורות אחרים זה יכול לעזור לנו לחדד את ההבנה שלנו לגבי היקום בכלל, ולגבי הצביר הספציפי הזה בפרט.

עידוש כבידתי - קרניים שונות שיוצאות מהמקור (באדום) מעוקמות על ידי האובייקט המסיבי שמשמש כעדשה (בלבן), ולכן מגיעות אלינו יחד, ונוצרת תמונה כפי שנראית מימין. התמונה שמתקבלת תלויה בהתפלגות המס של האובייקט המעדש ובמיקום של המקור ביחס אליו; התמונה יכולה להיות של קשתות, טבעות, או ממש מופעים שונים של המקור.

המפץ הגדול הוא בלוף?

לא חשבתי שאכתוב רשומה חדשה בסמוך כל כך לקודמת, אך נראה שאין ברירה - ביממה האחרונה מתפשטת כתבת מדע פופולרי במרחב הוירטואלי שאני חלק ממנו, ונראה שהרבה אנשים סקרנים לגביה (היא זכתה כמעט לאותה כמות שיתופים כמו הידיעה על העזיבה של ג'ון סטיוארט). וזה לא מפתיע - הכותרת מכריזה על כך שיתכן ותאוריית המפץ הגדול אינה נכונה, ושהתאוריה החדשה שמציגים החוקרים מסבירה חומר אפל ואנרגיה אפלה; כותרת מרעישה ללא ספק. כמעט כרגיל עם כותרות שכאלה, הסיפור הוא שונה מאוד. בתור התחלה אתן הסבר קצרצר של מה נאמר בכתבה, ולאחר מכן אסביר היכן אני רואה בעיות בעסק. לבסוף, למי שמעוניין, אני מצרף הסבר מפורט יותר של הרקע.

אם כך, גרסת האמל"ק של הכתבה:
מדען מצרי ושותף קנדי ניסחו מחדש את משוואת פרידמן, משוואה בסיסית ביותר בקוסמולוגיה, על ידי שימוש במשהו שנקרא "מסלולים קוונטיים". בניסוח המחודש הזה המשוואה מראה שהיקום נשאר בגודל סופי, ושחומר ואנרגיה אפלים נובעים באופן טבעי מהמודל.
ראשית, לפני שאעבור לדבר על הבעיות בכתבה, עלי לציין שאני לא עוסק בקוונטים, בוודאי שלא במסלולים קוונטיים, ושלא קראתי את המאמר המדעי המקורי במלואו, כך שאני לא טוען דבר על הפיתוח המתמטי עצמו; בהחלט יתכן שהניתוח המתמטי תקף, ויתכן שהוא אף יביא לפיזיקה חדשה ומעניינת. הבעיות שאציג כאן קשורות למסקנות שמוסקות מהפיתוח הזה.

הקריקטורה הקלאסית שמתארת את המפץ הגדול והתרחבות היקום.

אז מה לא בסדר כאן, בעצם? ובכן, כמה דברים.
* בעוד שאיני עוסק בתחום, למיטב הבנתי מהכתבה ומשיחות עם מישהו שכן עוסק בתחום, "מסלולים קוונטיים" הם המצאה של הפיזיקאי דיוויד בוהם משנות השישים, ומאז לא ממש נכנסו לשימוש. העובדה ששני המדענים החיו פורמליזם משנות השישים שלא השתמשו בו עד היום היא כמובן לא עדות שהעניין שגוי, אבל היא מחשידה, מחשידה מאוד. לרוב כשיש המצאות בתחום מסויים שלא משתמשים בהן, זה נובע מסיבה מסויימת.
* מדובר כאן על שימוש באלמנט מתורת הקוונטים בתוך המסגרת של יחסות כללית, אך מבלי ליצור תורה מאוחדת שלמה. זה כמובן לא מפתיע, היות ותורה שמאחדת בין יחסות כללית לקוונטים היא דבר שמנסים להגיע אליו כבר עשרות שנים (תורה כזו מכונה רוב "כבידה קוונטית", והיא נחוצה מאוד היות שבסביבות מאוד מיוחדות בהן גם יחסות כללית וגם תורת הקוונטים אמורות לתפוס שתי התורות מנבאות התנהגויות מאוד שונות), אך זה גם הופך את הפיתוח לבעייתי מאוד, היות ואין דרך לדעת אילו אפקטים יהיו בתור תורה מאוחדת שכזו, ויתכן בהחלט שתחת התורה המאוחדת המלאה יהיו אפקטים אחרים שיהיו משמעותיים בהרבה ממה שנובע מהפיתוח הנאיבי הזה.
* חומר אפל הוא משהו שנחקר במשך זמן רב, ויש רעיונות די ברורים כיצד הוא צריך להתנהג כדי שיוכל להסביר מגוון שלם של תצפיות. הרעיון החדש לחומר האפל שמוצע במאמרים הוא שונה מאוד ממה שאני מכיר, ואני לא בטוח שזה מתאים למה שמצופה מחומר אפל.

דיאגרמת האבל - העדות התצפיתית הראשונה למפץ הגדול

אבל בסופו של דבר הביקורת המשמעותית ביותר שיש לי על הכתבה ועל המסקנות שמסיקים מחברי המאמר, היא שיש כאן פשוט התעלמות מתצפיות קיימות. המפץ הגדול היא תאורייה שיש לה הרבה מאוד ראיות תומכות, וכל תיאוריה חדשה חייבת להסביר את התצפיות הללו. זה כלל בסיסי במדע - בשביל שתאוריה חדשה תוכל להחליף תאורייה קיימת, היא חייבת להיות מסוגלת להסביר טוב באותה מידה את מה שהתאורייה הקיימת כבר מסבירה, אחרת היא למעשה מצעידה אותנו אחורה. יש הרבה תאוריות אלגנטיות שמסבירות היטב משהו מסויים, במקרים רבים אף טוב יותר מהתאוריה הנוכחית, אך אינן מסוגלות להסביר את שאר התופעות הידועות. דוגמה טובה לכך היא MOND, שהיא תורת כבידה מעט שונה מזו של איינשטיין שהמציא הפיזיקאי הישראלי מוטי מילגרום בשנות השמונים, ושנועדה למצוא פתרון למספר שאלות קוסמולוגיות ללא שימוש בחומר אפל. MOND מתאימה היטב לתצפיות אותן נועדה להסביר, ולמספר תצפיות נוספות, אך יש הרבה מאוד תצפיות אחרות שהיא אינה מסוגלת עדיין להסביר ושהתאוריות הנוכחיות (אלו שכוללות חומר אפל) דווקא מסבירות היטב. מסיבה זו מרבית הקוסמולוגים אינם משתמשים בMOND, על אף שהיא תורה אלגנטית.

אם כן, בעוד שיתכן שהמאמר המדובר יפרוץ דרך לרעיונות ותאוריות חדשות בפיזיקה, במצבה הנוכחי של התאוריה המוצעת עלי לפקפק ביכולתה להחליף את התאוריות המקובלות, ולא הייתי ממהר לקבור את המפץ הגדול (אם כי יתכן שהתיקונים הללו יוכלו להסביר את האנרגיה האפלה, ואלו יהיו חדשות טובות מאוד).


וכעת, לאלו מכם שמעוניינים, אנסה להסביר בצורה מפורטת יותר את הרקע לכתבה ואת מה שמופיע בה. עלי להתנצל מראש - מדובר בנושא שמשלב הרבה נושאים סבוכים בפיזיקה, שעם חלקם ההיכרות שלי היא מועטה מאוד, ועל כן ההסבר עלול להיות פחות מובן ממה שהייתי רוצה. אני מקווה שאלו מכם שיקראו אותו בכל זאת יקבלו מושג על מה מדובר, או לפחות ילמד כמה מושגים חדשים.
אז במה בעצם מדובר? ובכן, אחת המשוואות הבסיסיות ביותר בקוסמולוגיה היא משוואת פרידמן, שמתארת את התנהלות היקום בסקלות הגדולות ביותר. מבלי להיכנס לפרטים (שדורשים רקע רחב בפיזיקה, כולל הכרות עם יחסות כללית והידרודינמיקה), ניתן להגיד שהמשוואה מתחלקת לכמה חלקים, שמגיעים ממקורות שונים - חלק שקשור לצפיפות הקרינה ביקום, חלק שקשור לצפיפות החומר ביקום, וחלק נוסף, שמכונה "הקבוע הקוסמולוגי", ושהיום מקושר לצפיפות האנרגיה האפלה. החלקים הללו השתנו עם התפתחות היקום, ועל כן ההשפעה שלהם בתקופות שונות של היקום הייתה שונה (יתכן ושמעתם את הביטויים "יקום נשלט קרינה" או "יקום נשלט חומר" - מכאן הם מגיעים). משוואת פרידמן מגיעה מפתרון של המשוואות הבסיסיות של תורת היחסות הכללית (משוואות איינשטיין) תחת ההנחה שהיקום הומוגני ואיזוטרופי (דבר המכונה העיקרון הקוסמולוגי - בפשטות, זה אומר שאין מקום מיוחד ביקום, אלא שבכל מקום חוקי הפיזיקה זהים כך שאין אזור או כיוון מועדף ביקום). המשוואה הזו מתנהגת שונה עבור יקום מתרחב לנצח (מפץ גדול), עבור יקום סטטי, ועבור יקום שיקרוס בסופו של דבר (מעיכה גדולה). על ידי מדידת פרמטרים קוסמולוגיים שנכנסים למשוואה ניתן להסיק באיזה סוג של יקום אנחנו נמצאים.
דבר נוסף שמאוד בסיסי ביחסות כללית הוא הרעיון שמסה מעקמת את המרחב, ועל כן המסלול הקצר ביותר בין שתי נקודות הוא לאו דווקא קו ישר. מסלול שכזה מכונה גיאודזה; הדוגמה הקלאסית שתורמת להבנה של גיאודזות היא תנועה על פני שפת כדור (למשל, תנועה על פני כדור הארץ). כאשר רוצים לנוע מנקודה אחת לשניה על פני הכדור, ולא ניתן לעבור דרך הכדור עצמו, הדרך הקצרה ביותר בין שתי הנקודות אינה קו ישר, כפי שאנו רגילים, אלא קשת על פני הכדור. כמובן, זו דוגמה מופשטת. כאשר מדובר על מרחב תלת מימדי קשה יותר לדמיין את הדברים.

גאודזות על פני כדור הארץ. המסלול הקצר ביותר מפריז לוונקובר הוא קשת.

החוקרים שחתומים על המאמר למעשה החליפו את הגיאודזות של היחסות הכללית ב"מסלולים הקוונטיים" שהזכרתי למעלה. לא הכרתי את המושג הזה עד שנתקלתי בו בכתבה הזו, אולם מהמעט שהצלחתי ללמוד מאז, מדובר ברעיון שהעלה דייויד בוהם בניסיון לפתור את בעיית המדידה במכניקה קוונטית, ועל פי הרעיון הזה לכל חלקיק יש מסלול יחיד, אך המסלול הזה נקבע על ידי פונקציית הגל שלו (כפי שציינתי, זה ממש לא התחום שלי, ועל כן זה ההסבר הטוב ביותר שאני מסוגל לתת). ככל הנראה המסלולים הקוונטיים הללו מתנהגים שונה מאשר הגיאודזות, ועל כן פיתוח דומה של משוואת פרידמן נותן משוואה שונה במקצת, שבה הקבוע הקוסמולוגי וגם חלק מצפיפות הקרינה מגיעים מתוך התיקונים הללו. אם הבנתי נכון את טענות החוקרים, כאשר משתמשים בפרמטרים הקוסמולוגים שנמדדו במשוואה החדשה, מתקבל שאנו חיים ביקום סטטי, ועל כן אין צורך במפץ גדול. לבסוף, המודל מניח קיום של גרביטון - חלקיק בסיסי שמעביר את כוח הכבידה, ושקיומו משוער כבר זמן רב, אך אין לנו את הכלים למצוא אותו. לטענת החוקרים, חלקיק שכזה יכול בהחלט לתפקד כחומר אפל, אך גם שהחומר הזה יהיה במצב צבירה מיוחד שנקרא "התעבות בוזה-איינשטיין".
זהו, אני מקווה שמשהו מכל זה בכל זאת היה מובן.

קצת על גילוי כוכבי לכת

אני עמוס מאוד לאחרונה, ולצערי הזנחתי את הבלוג. אני מנסה לחזור לשגרה, אבל זה עלול לקחת זמן. בינתיים, הנה סיכום של הרצאה שהעביר אצלנו בשבוע שעבר אבי שפורר, שעובד כרגע כחוקר בנאס"א. הוא דיבר על טכניקות לגילוי פלנטות, ומה ניתן לעשות איתן. כרגיל, ההרצאה הייתה מיועדת לאנשים עם רקע רחב באסטרופיזיקה, ולכן לא אוכל לסכם את כולה, אבל יש כמה נקודות מעניינות מאוד שעלו ממנה.

עקומת האור של מעבר כוכב לכת על פני כוכב

הטכניקה המרכזית כיום לגילוי כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש מתבססת על מעבר של כוכבי הלכת בינינו לבין הכוכב שלהם (טרנזיט). מסתבר שיש הרבה מאוד דברים שמשפיעים על האור שמגיע אלינו מכוכבים כאלו:

• כמובן, המעבר הראשי - כאשר כוכב הלכת חולף על פני הכוכב, הוא מסתיר חלק ממנו, ועל כן כמות הקרינה שתגיע אלינו בזמן המעבר תהיה קטנה בהתאם.
• בנוסף למעבר הראשי, ישנו גם מעבר משני - כוכבי הלכת הם לא חורים שחורים, והם מחזירים אור שפוגע בהם. על כן, כאשר הם חולפים מאחורי הכוכב, כמות האור שוב קטנה, אם כי הרבה פחות מאשר במעבר הראשוני.
• אמנם כוכב הלכת קטן בהרבה מהכוכב, אבל הוא עדיין מפעיל על הכוכב כוח, שיוצר כוחות גאות, שבתורם יכולים לגרום לכוכב להתעוות מעט והפוך לפחות כדורי.
  לחלק מכוכבי הלכת יש אטמוספירה - שכבת גז שמקיפה את כוכב הלכת ונשארת שם בגלל הכבידה שלו. זו יכולה להיות אטמוספירה דלילה ודקה מאוד, כמו על מאדים, או שכבת גז עצומה, כמו בצדק, או אולי משהו באמצע, כמו על כדה"א. כאשר כוכב הלכת עובר בינינו לבין הכוכב שלו, חלק מהאור מהכוכב עובר דרך האטמוספירה של כוכב הלכת, ונותרים בו סממנים של הרכב האטמוספירה. כמובן, ככל שהאטמוספירה דלילה ודקה יותר, פחות מהאור יושפע ממנה ויהיה קשה יותר לגלות את הסימנים הללו.
• כוכב הלכת מבצע תנועה סיבובית סביב הכוכב שלו, ועל כן בשלבים שונים של המסלול שלו הוא ינוע בכיוונים שונים ביחס אלינו. התנועה של כוכב הלכת יוצרת עיוות באור סביבו שתלוי בכיוון התנועה, ועל כן בחלקים שונים של המסלול יהיה אפקט מעט שונה על ההארה שנקבל מהכוכב.
• לכוכבי לכת תמיד יש נקודה שהיא הקרובה ביותר לכוכב שלהם באותו רגע, והיינו מצפים שהנקודה הזו תהיה הנקודה החמה ביותר על פני כוכב הלכת; אך בכוכבי לכת בעלי אטמוספרה נוצרות, בשל הסיבוב שלהם סביב עצמם, רוחות שסוחפות את האוויר החם עם כיוון הסיבוב, ועל כן הנקודה החמה ביותר תהיה שונה (בכדה"א, למשל, זה מתרגם לכך שהשעה החמה ביותר היא לא ב12:00 כי אם ב13:00). גם האפקט הזה משפיע על האור שחולף דרך האטמוספרה של הכוכב.

עקומת האור של מעבר כוכב לכת על פני כוכב, כאשר יש לנו אפשרות למדוד אותה ברגישות גבוהה במיוחד. כפי שניתן לראות, כאשר כוכב הלכת חולף מאחורי הכוכב, ישנה ירידה קטנה בעוצמת ההארה המגיעה מהכוכב.

כמובן, כל האפקטים האלו הם אפקטים יחסית קטנים. פרט לאפקט הראשון והעיקרי, שאותו אנחנו מגלים בצורה די עקבית והמכשירים שלנו בוודאות מספיק רגישים כדי לגלות, כל השאר מצריכים מכשירים הרבה הרבה יותר מדויקים, ואנחנו מגלים אותם לכל היותר במספר מקרים בודדים (את האפקט האחרון אנחנו כלל לא מצפים לגלות). אך אם יהיו לנו מכשירים רגישים מספיק כדי לגלות אותם ומודלים טובים מספיק, נוכל לדעת הרבה יותר דברים על המערכות הללו וברמת דיוק גבוהה בהרבה, ועל כן חשוב מאוד ללמוד את האפקטים הללו. למעשה, לפי מה שטוענת הקבוצה של ד"ר שפורר, עם מודלים טובים מספיק אפשר להשתמש במידע המדויק מטלסקופ החלל קפלר גם על מנת לאתר כוכבי לכת שאינם חולפים בינינו לבין הכוכב שלהם, אם כי במקרים כאלה כמות המידע שנוכל לגלות על המערכת מועטה בהרבה.

בנוסף, למדתי שמתוכננות שתי משימות לגילוי כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש - הראשונה היא משימה בשם TESS שמתוכננת ל2017; היא מיועדת לעבוד בצורה דומה לקפלר, כלומר להסתכל על הרבה מאוד כוכבים בו זמנית ולאתר מעברים של כוכבי לכת על פניהם, אך יש גם שוני מקפלר - בעוד שקפלר הוא ברגישות גבוהה מאוד ומסתכל על חלק גדול בשמיים, TESS תהיה ברגישות נמוכה יותר אך תסתכל על כל השמיים. למעשה, היא אמורה לצפות בכל הכוכבים הבהירים בשמיים. המשימה השנייה שמתוכננת היא משימה בשם PLATO, שמתוכננת להיות טובה יותר מקפלר וTESS ביחד, ואמורה להיות משוגרת ב2024 (אם כי קשה מאוד לדעת מה יהיה מצב משימות החלל עד אז).

טלסקופ החלל TESS

לפעמים, פיצוץ גרעיני זה בדיוק מה שצריך

סיכום של הרצאה מעניינת שהועברה בשבוע שעבר אצלנו במכון, ועוסקת בסופרנובות ובמה שגורם להן. מדובר בתוצאות ראשוניות, שאפילו עוד לא פורסמו, אבל הרעיון מסקרן מאוד.
ישנה בעיה עם סופרנובות, או יותר נכון, עם ההבנה שלנו של סופר נובות. ניתן לחלק את הסופרנובות המוכרות לנו בכל מיני דרכים, אחת מהן היא על פי הגורם להעפת המעטפת שלהן - פיצוץ גרעיני (שדומה מאוד למה שקורה בפצצה גרעינית), או פיצוץ שנובע מקריסת הליבה לאחר מיצוי הדלק הגרעיני שבהן. במקרה הראשון די ברור כיצד יכול להיווצר הפיצוץ ומה קורה לאחריו, אך לא לגמרי ברור אילו תהליכים מובילים למצב שכזה (התאוריות המובילות הן ננס לבן שסופח מסה מכוכב שכן, או שני ננסים לבנים שמתנגשים). במקרה השני, התהליך שמוביל לכך מובן, פחות או יותר, אך לא ברור כיצד הוא יוצר את הפיצוץ.

משמאל: איור שמדגים את אחד מהרעיונות ליצירת סופרנובה מפיצוץ גרעיני - ננס לבן שסופח חומר מכוכב שותף

מימין: איור אמן שמראה כיצד יכולה להראות הסופר נובה כ20 יום לאחר הפיצוץ. ניתן לראות עד כמה היא התרחבה ביחס למרחק בין הכוכבים לפני הפיצוץ.

בהרצאה ששמענו הועלה הרעיון שאולי בסופרנובות של קריסת ליבה יכול להיווצר פיצוץ גרעיני בשכבות החיצוניות, וזה מה שגורם להעפת המעטפת. מדובר ברעיון חדש לחלוטין (למיטב ידיעתי), ומעניין מאוד. הבעיה ביצירה של פיצוץ גרעיני הוא שצריך לתת לאטומים מהירות גבוהה מאוד כדי שיתנגשו מספיק חזק בשביל לפצל אותם, דבר לא פשוט כשמדובר באטומים יחסית יציבים כמו אלו עליהם אנו מדברים בכוכבים. בפירוש לא אמורות להיות לאטומים מהירויות כאלו במקרה של קריסת ליבה, שם מה שקורה הוא שבליבת הכוכב הבעירה הגרעינית מתחילה לכבות היות והדלק הגרעיני הגיע לשלב המתקדם ביותר שלו (ברזל). מכיוון שכך, הלחץ שהקרינה יוצרת על המעטפת יורד, והכל מתחיל לקרוס.

איור סכמטי של מבנה כוכב לפני שהוא עובר קריסת ליבה. המרכז מורכב מברזל, ומעליו ישנן קליפות של חומרים שנעשים קלים יותר ככל שמתרחקים מהמרכז, עד שהשכבה החיצונית היא מימן. במציאות השכבות אינן מופרדות בצורה כל כך חלקה, וישנו ערבוב של חומרים; זה חלק ממה שמאפשר את הפיצוץ הגרעיני אותו מציעים החוקרים.

הרעיון של קבוצת החוקרים הזו הוא שאם הכוכב מסתובב בטווח של מהירויות (החל ממהירות לא גבוהה, אבל לא מהירות גבוהה מדי), זה אמור לתת לשכבות החיצוניות מהירות מספיק גבוהה כדי לגרום לפיצוץ גרעיני. יש המון פרטים שנכנסים לכאן, היות וזה צריך לקרות מספיק רחוק מהמרכז כדי שהפיצוץ יוכל להעיף את המעטפת, אך לא רחוק מדי (גם מכיוון שאז הוא יקרה באזור דליל מכדי להעיף כמות משמעותית של חומר, וגם מכיוון שאז החומרים שבסביבה יהיו יציבים מדי), אבל מהחישובים של החוקרים נראה שהדברים מסתדרים. הדבר הזה לא יכול להסביר את כל הסופרנובות של קריסת ליבה, אך כן אחוז ניכר מהן, וזו התקדמות משמעותית.

התמונה הגדולה. התמונה ה*ממש* גדולה.

את הרשומה הזו אני מתכנן לכתוב כבר כשבועיים, ודוחה אותה כל הזמן מחוסר זמן כדי שאוכל להקדיש לה את תשומת הלב הראוייה לה. יתכן וחלקכם כבר נחשפתם לעניין, שכן ישנו סרטון מאוד ויראלי, אבל אני לא חושב שזה אמור למנוע ממני לכתוב על כך.

אני מקווה שכולם כאן יודעים שאנחנו נמצאים על כדור הארץ, שבתורו הוא חלק ממערכת השמש. אני מניח שהרוב גם יודעים שמערכת השמש היא רק אחת מתוך מליארדי מערכות כוכבים בגלקסיית שביל החלב. לא רבים יודעים ששביל החלב היא בתורה רק חלק ממערכת שנקראת "הקבוצה המקומית", ושכוללת את שביל החלב, אנדרומדה, ועוד מספר גלקסיות קרובות, ושהקבוצה המקומית היא בתנועה לכיוון הצביר וירגו, שבמונחים קוסמולוגיים די קרוב אלינו. עוד פחות יודעים שוירגו והקבוצה המקומית הם כולם חלק מצביר גלקסיות עצום, צביר על, שעד לא מזמן כונה "צביר העל המקומי". ובכן, עכשיו קבוצה של חוקרים, בהם ברנט טאלי מהוואי ויהודה הופמן מהאוניברסיטה העברית (גילוי נאות - הוא המנחה שלי לדוקטורט. גילוי נאות נוסף - הייתי כותב על העניין בכל מקרה, זה פשוט מגניב!), שגם שם זה לא מסתיים, ושצביר העל המקומי (שעכשיו מכונה צביר העל וירגו) הוא בעצמו רק חלק מצביר על גדול עוד יותר, שקיבל את השם "לניאקאה" ("גן עדן עצום" בשפה של בני הוואי).

צביר העל וירגו מכיל את מרבית הגלקסיות שרואים בתמונה מהמרכז וימינה.

אז מה בעצם קרה שם? הרי לא קמים יום אחד בבוקר ומחליטים פתאום שבעצם המבנה העצום שאנחנו חלק ממנו הוא חלק ממבנה עצום עוד יותר... ובכן, לא פשוט לקבוע בדיוק האם שני מבנים שונים הם למעשה חלק ממבנה גדול יותר. כל מה שיש לנו להסתמך עליו הן התצפיות של גלקסיות, שמהוות את אבני הבסיס של המבנים הגדולים יותר (כמו צבירים וצבירי על), ובתצפיות האלו ניתן להשתמש כדי להסיק את המבנה בשתי דרכים - על ידי שימוש במיקום שלהן, או על ידי שימוש במיקום ובמהירות שלהן. הדרך השנייה היא בעייתית, כיוון שמדידת המהירות תלויה בידיעת המיקום בצורה טובה (כיוון שבמרחקים עליהם מדובר התרחבות היקום כבר מוסיפה לגלקסיות מהירות בכיוון הרחק מאיתנו שדומה למהירות שלהן ביחס לגלקסיות בסביבתן), מה שהרבה פעמים אין לנו, ולכן לרוב משתמשים בשיטה הראשונה על מנת למצוא את המבנים. בשיטה הזו מודדים את המרחק אל הגלקסיות ומציירים אותן במודל תלת ממדי. לאחר מכן בודקים אילו גלקסיות נמצאות קרוב אחת לשנייה, ואוספים אותן ביחד, מעין "חבר את הנקודות" קוסמי.

תמונה של צביר העל החדש מתוך המאמר בנייצ'ר.

 אך לשיטה הזו גם יש בעיות; במרחקים שבהם מדובר אנחנו כבר לא מסוגלים לראות גלקסיות חיוורות, שמהוות את מרבית הגלקסיות ביקום, כך שהנקודות שנותר לנו להשתמש בהן הן רק מספר קטן יחסית של גלקסיות בהירות מאוד. זה אומר שישנם אזורים שבהם אנחנו לא רואים גלקסיות, אך שיתכן שיש בהם המוני גלקסיות חיוורות שמקשרות בין אזורים מלאי גלקסיות אחרים, ולכן יתכן שאנו מפספסים חקים במבנים. כאן נכנסת השיטה השנייה, שמשתמשת גם במהירויות. אמנם יש לנו הרבה פחות גלקסיות שאנו יודעים בצורה טובה גם את המיקום וגם את המהירות שלהן, אך ברגע שאנו משתמשים בנתונים האלו אנחנו צריכים גם הרבה פחות גלקסיות, כי באמצעות המהירות אנחנו יכולים לשרטט קווי זרימה - קווים שמראים כיצד נעות הגלקסיות, ושיכולים לתת מושג טוב לגבי המבנה הגדול. זה מה שעשתה הקבוצה, ולאחר שבדקה את המהירויות של גלקסיות בסביבתנו גילתה שלמעשה המבנה שהכרנו עד היום הוא חלק ממבנה גדול יותר.
התגלית הזו התפרסמה במאמר במגזין נייצ'ר, שהוא היום מגזין המדע הגדול והחשוב ביותר, ויחד עם המאמר יצא גם סרטון יפהפה שמתאר את התגלית וששבר את שיאי הצפייה לסרטון של המגזין (כבר קרוב ל3 מליון צפיות בזמן כתיבת הרשומה!). הדברים מוסברים בצורה טובה בסרטון, ואין כמו לראות את הדברים האלו בעיניים בשביל להבין על מה מדובר, אז אני ממליץ מאוד לגשת ולצפות בו. תהנו!