איך מחפשים כוכבי-לכת קטנים דמויי-ארץ?

אחד התחומים ה”חמים” ביותר באסטרונומיה בשנים האחרונות הוא חיפוש כוכבי-לכת מחוץ למערכת השמש שלנו. בעבר הלא-רחוק, נחשבו האסטרונומים המחפשים כוכבי-לכת אלה להוזים וחולמים, אך עם התקדמות הטכנולוגיה, מתגלים עוד ועוד כוכבי-לכת המקיפים שמשות אחרות ורחוקים מאיתנו שנות אור רבות

טל ענבר, מגזין “גלילאו”

האתגר הניצב לפתחם של מחפשי כוכבי-הלכת מחוץ למערכת השמש הוא עצום – כוכב-לכת דמוי-ארץ מחזיר אור החלש פי 10 מיליארד מאורה של השמש שאותה הוא מקיף. כדי להמחיש לעצמכם את האתגר, שוו בנפשכם שאתם מנסים לצפות באורה של גחלילית הנעה סביב זרקור חזק, המרוחק מאיתנו שני קילומטרים. למדענים העוסקים כיום בחיפוש כוכבי-לכת מחוץ למערכת השמש יש כמה שיטות לאיתורם, ושתי השיטות המובילות הן עקיפות (בעניין זה ראו גם: מיכל סחף, “רצים לחלל”, “גליליאו” 106):

* מעברים של כוכבי-הלכת (Planetary Transits). בשיטה זו צופים בכוכב ומנסים לאתר שינויים מחזוריים זעירים בבהירותו, שיש בהם להעיד על קיומו של כוכב-לכת הנע סביבו. כאשר כוכב-הלכת מצוי בין הכוכב הנצפה לכדור-הארץ, עוצמת האור המגיעה מן הכוכב יורדת מעט. שיטה זו מתאימה כמובן רק למצבים שבהם מישור ההקפה של כוכב-הלכת סביב הכוכב מציב אותו בינינו לבין הכוכב הנצפה.

* תנודות של הכוכב. מכיוון שכוכב-הלכת המקיף את הכוכב מפעיל גם הוא כוח משיכה על הכוכב, יש תנודות זעירות של הכוכב סביב מרכז המסה המשותף לו ולכוכב-הלכת. הבעיה היא שלא תמיד אפשר להבחין בתנודות אלה, אך אם אפשר, תנודות הכוכב מתורגמות לשינויים באורך הגל של האור הנפלט ממנו, בשל אפקט דופלר. כך, כאשר הכוכב נע מאיתנו והלאה, אורו מוסט לאורכי גל ארוכים יותר, וכאשר הוא מתקרב אלינו אורו מוסט לאורכי גל קצרים יותר. תרגום של שינויים אלה באורך הגל יכול להעיד על מסתו של הגוף הנע סביב הכוכב, ואף על מרחקו ממנו.

חסרונותיהן של שתי השיטות העקיפות האלה ברורים – בשלב זה אין בידינו לזהות אלא כוכבי-לכת מסיביים, הגדולים פי כמה מכדור-הארץ, וכן אין לנו יכולת לצפות בכוכבי-לכת באופן ישיר, אלא להקיש על תכונותיהם באופן עקיף ולא-מדויק. על מנת לצפות בהם ישירות, שומה עלינו לחפש דרכים חדשות ויצירתיות.

כדי לשמוע ממקור ראשון כיצד מתמודדת נאסא עם האתגר הזה – תצפית ישירה בכוכבי-לכת קטנים ודמויי-ארץ – הזדמנתי לטכנודע שבגבעת אולגה (ראו תיבה) לשמוע את הרצאתו של ד”ר עמיר גבעון, עמית מחקר במעבדה להנעה סילונית (JPL) של נאסא, הנמצאת בפסדינה, קליפורניה.

ד”ר גבעון, ישראלי החי ועובד בארצות-הברית, קיבל את תואר הדוקטור שלו מאוניברסיטת פרינסטון. כיום הוא שותף בצוות המפתח את טלסקופ החלל של הדור הבא, המיועד לגילוי כוכבי-לכת דמויי-ארץ במערכות שמש אחרות. עבודתו של גבעון היא חלק ממיזם TPF (ראשי תיבות של Terrestrial Planets Finder) של נאסא – פיתוח מערך טלסקופים בחלל שיאתרו כוכבי-לכת דמויי-ארץ ברדיוס של 30 שנות אור מכדור-הארץ. בטווח זה ידוע (בעקבות תצפיות) כי קיימים מאתיים כוכבים בעלי מערכות של כוכבי-לכת.

מדוע לחפש דווקא כוכבי-לכת קטנים דמויי-ארץ?

החיים כפי שאנו מכירים אותם, וככל הנראה גם חיים אחרים, יכולים להתפתח רק בכוכבי-לכת או בירחים של כוכבי-לכת. במערכת השמש שלנו יש כוכב אחד (השמש) ותשעה כוכבי-לכת (שמונה, אם נביא בחשבון את “הורדתו בדרגה” של פלוטו למעמד כוכב-לכת ננסי).

כוכבי-הלכת מתחלקים לשני סוגים: כוכבי-הלכת הארציים, הדומים בהרכבם ובגודלם לכדור-הארץ, וכוכבי-הלכת הגזיים הענקיים – צדק, שבתאי, אורנוס ונפטון. על פי הידוע לנו, חיים הדומים לחיים על פני כדור-הארץ אינם יכולים להתקיים על פני כוכבי-לכת ענקיים. הטמפרטורה והרכב האטמוספרה בהם (עקב כבידתם הגבוהה) אינם מתאימים לחיים כפי שהם מוכרים לנו.

הרכב החומרים של כוכבי-הלכת הארציים – כוכב-חמה, נוגה ומאדים – מתאים הרבה יותר, ויש לשער כי בכולם היו יכולים להיווצר חיים, אילו התקיימו שם, בעבר הרחוק, תנאים הדומים לאלו שהיו קיימים אז על פני כדור-הארץ. אלא שהטמפרטורות על פני כוכב-חמה ונוגה גבוהות מטמפרטורת הרתיחה של המים (בכוכב-חמה עקב קרבתו לשמש, ובנוגה בעיקר עקב אפקט החממה החזק) ואין כל סיכוי שיתקיימו בהם חיים.

על פני מאדים המצב שונה. בגלל מרחקו הרב מן השמש והרכב האטמוספרה שלו, המים על פני מאדים נמצאים במצב של קרח, וחיים לא יכולים להתקיים על פניו. במערכת השמש שלנו רק כוכב-לכת אחד הוא “תומך-חיים” – כוכב-הלכת שלנו.

כוכב-לכת תומך-חיים הוא כוכב-לכת שהתנאים על פניו מתאימים ליצירת חיים. מכיוון שהחיים המוכרים לנו מבוססים על מים, הטמפרטורה על פני כוכב-הלכת, בעת היווצרות החיים, חייבת להיות כזו שהמים בה הם במצב צבירה נוזלי.

הטמפרטורה תלויה במרחק כוכב-הלכת מן השמש ובהרכב האטמוספרה שלו. לצפיפות האטמוספרה ולהרכבה יש השפעה רבה על טמפרטורת פני כוכב-הלכת, עקב תהליכים דוגמת אפקט החממה והתפשטות הקרחונים. אם התנאים מתאימים, ועל פני כוכב-הלכת קיימים החומרים הדרושים, עשויים להיווצר עליו חיים.

משהבינו האסטרונומים כי בגלקסיה שלנו יש כמאה מיליארד כוכבים, שמשות, שבקרבת רבים מהם יכולים להתקיים חיים ואפילו חיים תבוניים, היה ברור שכדאי לחפש כוכבי-לכת אלה. זאת אי-אפשר לעשות באחת משתי הדרכים העקיפות שנזכרו. על מנת למדוד ולבחון את האטמוספרות של כוכבי-לכת דמויי-ארץ, יש צורך לצפות ישירות על האור המגיע מהם, לנתח אותו ולחפש מאפיינים של חיים – למשל, נוכחות חמצן חופשי באטמוספרה.

האתגר לגלות כוכב-לכת ארצי על-ידי תצפית ישירה הוא עצום. ד”ר גבעון: “אם עוצמת האור המגיעה אלינו מהכוכב שקולה לגובהו של הר האוורסט, הרי שהאור המגיע מכוכב-הלכת (בעצם, זהו אור מוחזר שמקורו בשמש שאותה הוא מקיף) שקול לבליטה על האוורסט, בגובה של מאית משערת אדם.” עוצמת האור המוחזר מכוכב-לכת קטנה פי 10 מיליארד מעוצמת האור של השמש שאותה הוא מקיף. הטלסקופ TPF יפעל בתחום האור הנראה של הספקטרום האלקטרומגנטי, שכן בתחום זה אפשר להבחין בסימני חיים טוב יותר מאשר בתחום האינפרא-אדום או תחומים אחרים.

עבודתם של גבעון ועמיתיו ב-JPL מנצלת את תכונות האור כתופעה גלית, במיוחד את תכונת ההתאבכות של האור. כוונת החוקרים היא ליצור מצב שבו תתקיים התאבכות הורסת, שבה יבוטל חלק ניכר מאורו של הכוכב, ותתאפשר הצצה אל אורו של כוכב-הלכת. העיקרון של ניצול ההתאבכות לצורכי תצפיות על גרמי שמיים בעלי עוצמת אור נמוכה קרוי אינטרפרומטריה (וראו: יורם אורעד, “לראות את פניהן של השמשות”, “גליליאו” 107). בשיטה זו משתמשים גם טלסקופים קרקעיים גדולים, כמו מצפה קק (Keck) בהוואי. גבעון מעורב בפיתוח שיטה אחרת, הקרויה קורונוגרפיה, ובה ההתאבכות נוצרת על-ידי טלסקופ אחד.

ואולם, בעוד שאינטרפרומטריה בטלסקופים קרקעיים מסתייעת במראות משנות-צורה (בטכניקה הקרויה אופטיקה מסתגלת), הרי שהעבודה המתבצעת בנאס”א עושה שימוש בגאומטריה משוכללת של מִפְתח הטלסקופ (המכונה “אישון”), על מנת ליצור התאבכויות בעלות מבנה משוכלל ביותר, שיותירו חלקים חשוכים יחסית, שבהם יהיה אפשר לאתר את אורם הקלוש של כוכבי-הלכת שאותם אנו מעוניינים למצוא. שיטה זו קרויה קורונוגרפיה.

“אי-אפשר להגיע לתצפית טובה מספיק מן הקרקע,” אומר ד”ר גבעון, “שכן האטמוספרה נעה במהירות גדולה מכדי שהאופטיקה המסתגלת תוכל להתאים את עצמה אליה. המחקר שלי עוסק במראות מתעוותות לפי דרישה, שיותקנו בטלסקופ החלל העתידי לחיפוש כוכבי-לכת. מחקר זה, יחד עם המחקרים בתצורות גאומטריות מתקדמות של אישוני הטלסקופ (צורת המִפתח שלו, ט.ע.), יובילו ליכולת של תצפית ישירה על אור המוחזר מכוכבי-לכת דמויי-ארץ מחוץ למערכת השמש שלנו, ואולי לזיהוי סימנים לקיום חיים עליהם.”

עתיד הטלסקופ לא ידוע

כששואלים את ד”ר גבעון “למה זה טוב”, מדוע להשקיע בפרויקט מעין זה, הוא מונה כמה סיבות, המניחות גם את דעתם של ציניקנים בקהל השומעים. “הסיבה הראשונה היא מדעית – לשפר את הבנתנו את כדור-הארץ ואת התהליכים המאפשרים חיים על פניו. סיבה שנייה היא תועלתית ספציפית – פיתוח מערכות בקרה עבור מערכות אופטיות מתוחכמות, קידום נושא האופטיקה המסתגלת ופתרון בעיות שאנו נתקלים בהן בתחומים נוספים.

סיבה שלישית – תועלת היקפית: המאמצים המדעיים והטכנולוגיים במהלך המחקר יוכלו להניב פירות בתחומים מגוונים, כמו חיתוך מדויק, ייצור מראות מדויקות ואף גילוי תחומים חדשים באופטיקה. הסיבה הרביעית: גילוי כוכבי-לכת דמויי-ארץ… בשלב כלשהו נצטרך לעזוב את כדור-הארץ,” הוא מוסיף בחיוך, “אז כדאי שיהיה לנו מושג ראשוני לאיזה כיוון לפנות”.

בשלב זה עתידו של הטלסקופ TPF אינו ברור, כיוון שחלקים מהמיזם מיועדים לקיצוץ וביטול, בשל קיצוצי התקציב של נאס”א. מכל מקום, הטלסקופ אינו צפוי לשיגור לחלל בשנים הקרובות, ומכאן שלקבוצות החוקרים יש עדיין זמן להתמודד עם האתגרים הטכנולוגיים הכבירים הדורשים פתרון בטרם יוכל טלסקופ זה להמריא ממחשבי החוקרים אל מעמקי החלל.

טל ענבר הוא ראש המרכז לחקר החלל, מכון פישר למחקר אסטרטגי אוויר וחלל, ויו”ר אגודת החלל הישראלית.
פורסם במגזין “גלילאו”