באמצעות עדשות כבידתיות חזקות של צבירים ושילוב תצפיות מ״טלסקופ החלל ג׳יימס ווב״ ומ״טלסקופ החלל האבל״, ציטרין משחזר את התפלגות המסה בצבירים ומנצל “טלסקופ טבעי” כדי לראות גלקסיות, חורים שחורים מסיביים ואף כוכבים בודדים במרחקי שיא
טלסקופים גדולים מאפשרים לנו לראות רחוק מאוד, אבל לפעמים היקום עצמו מוסיף לנו “טלסקופ על” משלו. זה קורה כשמסה גדולה בעומק החלל – כמו צביר גלקסיות – מעקמת את המרחב-זמן ופועלת כעדשה כבידתית שמגדילה ומעוותת את דמותן של גלקסיות וכוכבים רחוקים עוד יותר. פרופ׳ עדי ציטרין, אסטרופיזיקאי באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, עושה שימוש בתופעה הזו כדי לחקור את החומר האפל ואת היקום הקדום. ״אני עדי ציטרין, חבר סגל בבן-גוריון כבר כמעט עשור״, הוא אומר. ״את הדוקטורט עשיתי באוניברסיטת תל אביב, אחר כך פוסט־דוקטורט באירופה ובארה״ב, והיום אני מוביל קבוצה שעוסקת בעדשות כבידתיות, גלקסיות רחוקות, ואף כוכבים בודדים שמוגברים על ידי צבירי גלקסיות״.
הפרויקטים של ציטרין, הנתמכים על ידי הקרן הלאומית למדע, מתמקדים בעדשות כבידתיות חזקות – מצבים שבהם צביר גלקסיות מסיבי מעוות בצורה קיצונית את האור המגיע מגלקסיות הרבה יותר רחוקות (עידוש כבידתי). התוצאה היא קשתות בהירות, דמויות מרובות של אותה גלקסיה ולעיתים נדירות גם כוכבים בודדים שמוגברים פי אלפים. ״היתרון של עדשה כבידתית הוא שאנחנו מקבלים טלסקופ חינמי מהטבע״, הוא מסביר, ״הגדלה עצומה שמאפשרת לראות פרטים שלא היינו מגיעים אליהם גם עם הטלסקופים החזקים ביותר״.
מה השאלה?
כיצד ניתן לנצל עדשות כבידתיות חזקות של צבירי גלקסיות כדי למפות את התפלגות החומר האפל ולחקור גלקסיות וכוכבים רחוקים ביקום הקדום?
“באסטרופיזיקה אנחנו מודדים את מרחקן של גלקסיות רחוקות באמצעות הסטה לאדום redshift, – (המסומן בעגה המקצועית כ-z) תזוזה של קווי הספקטרום של הגלקסיה אל עבר אור אדום וארוך־גל יותר. מכיוון שהיקום מתפשט, האור שנפלט מהגלקסיה כשהיא הייתה צעירה “נמתח” תוך כדי המסע אלינו, וככל שהגלקסיה רחוקה יותר – כך הסטת האור שלה לאדום גדולה יותר. לכן, גלקסיות בעלות גבוה הן גם רחוקות יותר וגם נצפות בשלב מוקדם יותר בחיי היקום. בטלסקופ החלל ג’יימס ווב, שעובד בעיקר בתחום האינפרא־אדום, אפשר לזהות גלקסיות בעוצמת הסטה לאדום גבוהה מאוד, ולשייך להן מרחקים וזמנים קוסמולוגיים מדויקים יחסית – למשל, מאות מיליוני שנים בלבד אחרי המפץ הגדול”.
דרך אחת לנצל את תופעת העידוש הכבידתי היא למפות את התפלגות החומר – ובעיקר החומר האפל – בצבירי הגלקסיות עצמם. החומר האפל אינו פולט אור, ולכן הינו בלתי נראה, אבל הוא כן מעקם את המרחב-זמן ולכן משפיע על צורת הקשתות והדמויות הרבות שאנחנו רואים. בקבוצת המחקר של ציטרין בונים מודלים מפורטים של העדשה הכבידתית: הם מודדים את מיקום וצורת הקשתות, משתמשים בטלסקופ החלל ג’יימס ווב ובטלסקופ האבל, ומשחזרים משם את התפלגות המסה בצביר.
ציר נוסף של המחקר עוסק ביקום הקדום, בזמן שבו הגלקסיות הראשונות והכוכבים הראשונים נוצרו. גלקסיות כאלו רחוקות מאוד, ולכן האור שמגיע מהן חלש מאוד ומוסט לאינפרא-אדום. עדשות כבידתיות חזקות מאפשרות “להציץ” אליהן למרות המרחק. ״כשאנחנו מסתכלים דרך צביר כזה״, אומר ציטרין, ״אנחנו יכולים לזהות גלקסיות שנוצרו עשרות ואף מאות מיליוני שנים בלבד אחרי המפץ הגדול, ולמדוד מה קורה בהן: קצב יצירת כוכבים, כימיה, מבנה״. הנתונים האלה חיוניים להבנת שלבי ההתפתחות הראשונים של היקום, כולל תהליך היינון-מחדש שבו היקום הפך שוב שקוף לאור באורכי גל קצרים.
השילוב בין נתונים מטלסקופים חלליים, מודלים מורכבים של חומר אפל והגדלה טבעית של היקום עצמו מאפשר לבחון שאלות בסיסיות: מהו החומר האפל, איך נראו הכוכבים לאורך היסטוריית היקום והגלקסיות הראשונות, ואילו תהליכים עיצבו את היקום שאנחנו רואים כיום.
החלק אולי הכי דרמטי הוא גילויים של כוכבים בודדים המוגברים על ידי עדשה כבידתית. מקרים כאלה נדירים, אבל כאשר הם מתרחשים, העדשה יכולה להגדיל כוכב יחיד פי אלפים עד עשרות אלפים ולאפשר למדוד את תכונותיו למרות שהוא נמצא מיליארדי שנות אור מאיתנו. בנוסף, כוכבים מעודשים רגישים במיוחד למבנה העדין של החומר האפל: גוש קטן של חומר אפל יכול לשנות את עוצמת ההגדלה או לגרום להבהובים בשל התנועה היחסית בין הכוכב המעודש, לעדשה. לכן, חלק מהמחקר הממומן על ידי הקרן הלאומית למדע מוקדש לפיתוח שיטות לזיהוי אירועים כאלה בזמן אמת ולניתוחם. כך ניתן גם ללמוד על כוכבים בודדים ועל אוכלוסיית הכוכבים בזמנים שונים לאורך היסטוריית היקום, וגם לבחון מודלים שונים של חומר אפל ולבדוק, למשל, האם הוא “חלק” בקנה מידה קטן או שיש בו מבנה גרעיני או סיבי.
העבודה משלבת חישובים תאורטיים, ניתוח נתונים מתצפיות וגיוס משאבי טלסקופ יקרים. מועמדים טובים לעדשות כבידתיות חזקות — קרי צבירי גלקסיות מסיביים — נבחרים מסקרים רחבי-שדה באורכי גל שונים (כגון קרני-איקס) ולאחר מכן הופכים למטרות להמשך תצפיות עמוקות עם טלסקופ החלל ג’יימס ווב. ״זהו מאמץ בינלאומי״, מדגיש ציטרין. ״אנחנו עובדים עם קבוצות ברחבי העולם, אבל התמיכה של הקרן הלאומית למדע מאפשרת לי להקים כאן בארץ קבוצה פעילה, להכשיר סטודנטים ולפתח קוד ומודלים משלנו״.
השילוב בין נתונים מטלסקופים חלליים, מודלים מורכבים של חומר אפל והגדלה טבעית של היקום עצמו מאפשר לבחון שאלות בסיסיות: מהו החומר האפל, איך נראו הכוכבים לאורך היסטוריית היקום והגלקסיות הראשונות, ואילו תהליכים עיצבו את היקום שאנחנו רואים כיום. עדשות כבידתיות, שבעבר נחשבו לתופעה אקזוטית, הופכות כך לכלי מדידה נפוץ מאוד בעידן טלסקופי החלל האבל וג׳יימס ווב.
עוד בנושא באתר הידען:
