גילוי כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש – שינה את תפיסתנו על היקום

כתבה מורחבת מתורגמת מאתר פרס נובל המתארת את חשיבות הפרס שניתן למגלי כוכב הלכת הראשון מחוץ למערכת השמש

חתני פרס הנובל בפיזיקה לשנת 2019 מישל מאיור ודידייה קולוז Michel Mayor ו- Didier Queloz חקרו את גלקסיית הבית שלנו, גלקסיית שביל החלב, במטרה לחשוף עולמות בלתי מוכרים. בשנת 1995 הם חשפו את התגלית הראשונה שלהם של כוכב מחוץ למערכת השמש שלנו, כוכב חוץ-מערכת השמש, החג מסביב לכוכב דמוי-שמש, שכונה בשם 51 פגסי בי.

התגלית של שניים מחתני פרס הנובל לפיזיקה לשנת 2019 מישל מאיור ודידייה קוולוז החלה מהפכה של ממש בתחום האסטרונומיה ומאז תגליתם הראשונה התגלו עוד 4000 כוכבים חוץ-מערכת השמש בגלקסיית שביל החלב. עולמות מוזרים חדשים עדיין נחשפים מדי פעם בפעם כיום, עולמות בעלי מגוון עצום של גדלים, צורות ומסלולים, כאשר מרביתם אינם דומים כלל לזו שלנו, הכוללת שמש וכוכבי לכת החגים סביבה. תגליות אלו הובילו חוקרים לפתח תיאוריות חדשות באשר לתהליכים הפיזיקליים האחראים לבריאתם של כוכבים.

הכוכב הראשון החג מסביב לשמש אחרת

רוב הקוסמולוגים מסכימים היום כי מודל המפץ הגדול הוא אכן התרחיש הסביר ביותר באשר למוצא היקום והתפתחותו, הגם שרק חמישה אחוזים מהחומר והאנרגיה שבו ידועים כיום. מנה קטנה זו של חומר בסופו של דבר התקבצה יחדיו על מנת לברוא את כל מה שקיים מסביבנו- כוכבים, כוכבי לכת, עצים ופרחים, וגם בני אדם. האם אנו היחידים שמשקיפים החוצה לעבר היקום? האם יש חיים במקום אחר ביקום, בכוכב לכת החג מסביב לשמש אחרת? אף אחד לא יודע. אולם אנו יודעים היום שהשמש שלנו אינה היחידה המהווה מרכז לכוכבי לכת החגים מסביבה, וכי למרבית ממאות מיליוני הכוכבים בשביל החלב יש כוכבי לכת הנלווים להם. אסטרונומים מכירים כיום יותר מארבעת אלפי כוכבים מחוץ למערכת השמש שלנו. עולמות חדשים ומוזרים התגלו, עולמות שאינם דומים למערכת הכוכבים שלנו. הראשון שהתגלה היה כל כך מוזר, עד כי אף אחד בקהילייה המדעית לא האמין בקיומו; כוכב הלכת היה גדול מדי בכדי להיות כה קרוב לשמש שלו.

מישל מאיור ודידייה קוולוז הכריזו על תגליתם הסנסציונית בכנס אסטרונומיה שנערך בפירנצה בשישה באוקטובר 1995. היה זה כוכב הלכת המוכח מדעית הראשון שחג מסביב לכוכב דמוי-שמש. כוכב הלכת, 51 פגסי בי, חג במהירות מסביב לשמש שלו, 51 פגסי, המרוחק חמישים שנות אור מכדור הארץ. הסיבוב שלו מסביב לשמש נמשך ארבעה ימים, כלומר המסלול שלו קרוב לשמש – רק שמונה מיליוני קילומטרים ממנו. השמש שלו מחממת את כוכב הלכת לטמפרטורה של יותר מאלף מעלות צלזיוס. הדברים הרבה יותר רגועים על פני כדור הארץ, אשר משלים סיבוב אחד מסביב לשמש במשך שנה אחת ומרוחק ממנה מאה וחמישים מיליוני קילומטרים.

כוכב הלכת שהתגלה גם נמצא ככוכב גדול באופן מפתיע – כדור גזים בגודל השווה לענק הגזים הגדול ביותר במערכת השמש, צדק. בהשוואה לכדור הארץ, הנפח של צדק גדול פי אלף ושלוש מאות פעמים והוא שוקל פי שלוש מאות ממשקלו. בהתאם למודלים קודמים באשר לאופן בו נוצרים מערכות של כוכבי לכת, כוכבי לכת בגודל של צדק היו אמורים להיווצר הרחק מהשמש שלהם, ומשך השלמת הסיבוב שלהם היה אמור להימשך זמן רב יותר. לצדק נדרש כמעט שתים עשרה שנים להשלים סיבוב מסביב לשמש, כך שמשך הזמן הקצר שנדרש לכוכב הלכת 51 פגסי בי להשלים סיבוב שלם היווה הפתעה גמורה לחוקרים שחיפשו כוכבי לכת מסוגו. הם חיפשו במקום הלא נכון.
כמעט מיד לאחר היוודע התגלית, שני אסטרונומים אמריקאים, פול באטלר וג’פרי מארסי, הפנו את הטלסקופ שלהם לעבר כוכב הלכת 51 פגסי והצליחו עד מהרה לאשש את התגלית המהפכנית של מאיור וקוולוז. כבר לאחר מספר חודשים אחדים הם מצאו שני כוכבי לכת חדשים החגים מסביב לכוכבים דמויי-שמש. תקופות השלמת הסיבוב הקצרות שלהם היו בעלי יתרון לאסטרונומים שלא נדרשו לחכות חודשים ושנים על מנת לצפות בהשלמת הסיבוב מסביב לשמש. עכשיו היה בידיהם הזמן לצפות בכוכבים המשלימים סיבוב אחד אחר השני.

השמים זרועי הכוכבים מעל שטוקהולם באוקטובר. כוכב הלכת הראשון שהתגלה כחג מסביב לכוכב דמוי-שמש ואשר קיים מחוץ למערכת השמש שלנו נמצא בקבוצת הכוכבים פגסוס. הוא חג מסביב לכוכב הנקרא 51 פגסי, אשר נראה בעיניים בלתי מזוינות רק כאשר הסביבה חשוכה במיוחד. אולם, הריבוע של פגסוס קל לזיהוי.

כיצד הם התקרבו כל כך לשמש שלהם? שאלה זו מאתגרת את התיאוריה הקיימת אודות מוצא הכוכבים והובילה לתיאוריות חדשות המתארות כיצד ענקי גזים נוצרו בקצוות של מערכות השמש שלהם, ואז התכנסו פנימה לכיוון הכוכב המארח.

שיטות מדויקות שהובילו לתגלית

גילו

שיטות מתוחכמות נדרשות על מנת לעקוב אחר כוכב לכת חוץ-שמשי – כוכבי לכת אינם זוהרים מעצמם, הם פשוט מחזירים את אור השמש באופן חלש כך שהזוהר שלהם ממוסך על ידי האור הבהיר הקורן מהשמש שלהם. השיטה שבה משתמשים קבוצות מחקר על מנת למצוא כוכב לכת מכונה בשם ‘שיטת המהירות הרדיאלית’ (radial velocity method); היא מודדת את התנועה של הכוכב המארח בזמן שהוא מושפע מהכבידה של כוכב הלכת החג מסביבו. כאשר כוכב הלכת חג מסביב לשמש שלו, גם השמש נעה במקצת – הם שניהם נעים מסביב למרכז הכובד המשותף שלהם. מתוך נקודת המבט על פני כדור הארץ, השמש מתנדנדת אחורה וקדימה בקו הראיה.

המהירות של תנועה זו, המהירות הרדיאלית, ניתנת למדידה באמצעות תוצא דופלר הידוע – קרני אור המגיעים מעצם הנע לעברנו כחולות יותר (הסטה של אורכי הגל לכחול), ואם העצם מתרחק מאתנו, הקרניים אדומות יותר (הסטה של אורכי הגל לאדום). זהו אותו התוצא שאנו שומעים כאשר הצפירה של אמבולנס מתגברת ככל שהוא מתקרב אלינו ופוחתת ככל שהוא מתרחק מאתנו.

התוצא של כוכב הלכת, לפיכך, משנה לסירוגין את הצבע של האור המגיע מהשמש מכחול או מאדום; אלו הם השינויים באורכי הגל של האור שהאסטרונומים לוכדים בעזרת המכשירים שלהם. שינויי הצבע יכולים להיקבע באופן מדויק על ידי מדידת אורכי הגל של השמש, ובכך לספק מדידה ישירה של מהירותו יחסית לקו הראיה.

האתגר הגדול ביותר טמון בכך שמהירויות רדיאליות הן נמוכות במיוחד. לדוגמה, כוח הכבידה של כוכב הלכת צדק גורם לשמש לנוע במהירות של 12 מטרים לשנייה מסביב למרכז הכובד של מערכת השמש. כדור הארץ, למשל, תורם רק 0.09 מטרים לשנייה, ערכים המחייבים שימוש במכשירים בעלי רגישות גבוהה על מנת לזהות כוכבי לכת דמויי-כדור הארץ חוץ-שמשיים. על מנת להגביר את הדיוק, אסטרונומים מודדים מספר אלפי אורכי גל בו זמנית. האור מפוצל לאורכי הגל הבדידים באמצעות ספקטוגרף, מכשיר המצוי בליבת המדידות הללו.

בתחילת שנות התשעים, כאשר דידייה קוולוז החל את הקריירה המחקרית שלו באוניברסיטת ז’נבה, מישל מאיור כבר השקיע שנים רבות בחקר התנועה של הכוכבים, תוך שהוא בונה בעצמו את מכשירי המדידה בסיועם של חוקרים אחרים. בשנת 1977 מאיור הצליח להרכיב את הספקטוגרף הראשון שהוא בנה על גבי טלסקופ במצפה הכוכבים Haute-Provence, מאה קילומטרים צפונית-מזרחית למרסיי. מכשיר זה אומנם אפשר להבחין במהירויות עם סף של 300 מטרים לשנייה, אולם ערך זה היה עדיין גבוה מדי על מנת להבחין במשיכה של כוכב לכת המשפיעה על השמש שלו.

יחד עם קבוצת המחקר, סטודנט הדוקטורט דידייה קוולוז התבקש לפתח שיטות חדשות לביצוע מדידות מדויקות יותר. הסטודנטים השתמשו במספר טכנולוגיות חדשות שאפשרו להבחין במהירות בכוכבים רבים ולנתח את התוצאות בו במקום. סיבים אופטיים יכלו כעת להוליך את קרני השמש לספקטוגרף מבלי לעוות אותן, ושימוש בגלאי תמונות דיגיטליות טובים יותר הגבירו את הרגישות של המכשירים לאור (פרס נובל בפיזיקה לשנת 2009 שהוענק לחוקרים צ’ארלס קואן קאו, וילארד בויל וג’ורג’ סמית’). מחשבים עוצמתיים יותר אפשרו לחוקרים לפתח תוכנה מותאמת אישית עבור פיתוח תמונות דיגיטליות ועיבוד נתונים.

כאשר בניית הספקטוגרף הושלמה באביב של שנת 1994, המהירות הנמדדת הייתה 15-10 מטרים לשנייה והגילוי הראשון אי פעם של כוכב לכת חוץ-שמשי היה רק עניין של זמן. באותה עת, החקר של כוכבי לכת חוץ-שמשיים לא היה חלק מהזרם המרכזי של מדע האסטרונומיה, אולם מאיור וקוולוז החליטו להכריז על התגלית שלהם. הם השקיעו מספר חודשים בחידוד התוצאות שלהם, ובחודש אוקטובר של שנת 1995 הם היו מוכנים להציג את כוכב הלכת החוץ-שמשי הראשון שהתגלה לעולם המדעי.

הגילוי של שפע עולמות

הגילוי הראשון של כוכב לכת חוץ-שמשי החג מסביב לכוכב דמוי שמש הוליד מהפכה באסטרונומיה. אלפי עולמות חדשים שלא נודעו בעבר התגלו. כיום לא רק שמתגלות מערכות כוכבים חדשות על ידי טלסקופים הנמצאים על פני כדור הארץ, אלא שטלסקופים כאלו נמצאים גם על גבי לוויינים המשוגרים עמוק לתוך החלל. טלסקופ החלל האמריקאי TESS סורק כיום יותר ממאתיים אלפי כוכבים קרובים אלינו, תוך שהוא מנסה לאתר כוכבי לכת דמויי כדור הארץ. עוד לפני כן, טלסקופ החלל קפלר סיפק מידע אדיר וחשוב, תוך שהוא מגלה יותר מאלפיים ושלוש מאות כוכבי לכת חוץ-שמשיים.

לצד מדידות של השינויים במהירות הרדיאלית של הכוכבים, משמשת כיום שיטה של פוטומטריה של מעבר (transit photometry) בחיפוש אחר כוכבי לכת חוץ-שמשיים. בשיטה זו מודדים שינויים בעוצמה של אור המגיע מהכוכב כאשר כוכבי הלכת שמסביבו עוברים בחזיתו, כאשר זה מתרחש במקביל לקו הראיה שלנו מכדור הארץ. שיטה זו מאפשרת לאסטרונומים גם לצפות באטמוספירה של אותם כוכבי לכת בזמן שהאור המגיע מהכוכב עושה את דרכו לכדור הארץ. לעיתים, ניתן להשתמש בשתי השיטות; הפוטומטריה מספקת מידע אודות הגודל של כוכב הלכת בעוד שאת המסה ניתן לאמוד בעזרת שיטת המהירות הרדיאלית. אז ניתן לחשב את הדחיסות של כוכב הלכת ולקבוע מכך את המבנה שלו.

כוכבי הלכת החוץ-שמשיים שהתגלו הפתיעו אותנו מבחינת מגוון הצורות, הגדלים והמסלולים שלהם. הם אתגרו את הרעיונות המדעיים ששלטו בחוקרים בעבר באשר למערכות כוכבים וכפו על החוקרים להתאים את התיאוריות שלהם בנוגע לתהליכים הפיזיקליים שבבסיס הבריאה של כוכבי לכת. בזכות מיזמים רבים המתוכננים לחפש כוכבי לכת חוץ-שמשיים, אנו עשויים למצוא, בסופו של דבר, תשובה לשאלה הנצחית של האנושות: “האם יש בחוץ חיים נוספים”?

חתני פרס הנובל של שנה זו שינו את הרעיונות שלנו באשר ליקום. בעוד שהתגליות התיאורטיות של ג’ימס פיבלס תרמו להבנה שלנו באשר לאופן שבו היקום התפתח לאחר המפץ הגדול, מישל מאיור ודידייה קוולוז סרקו את השכונה הקוסמית שלנו במטרה לצוד כוכבי לכת בלתי מוכרים. התגליות שלהם שינו לנצח את התפיסות שלנו בנוגע לעולם.

ג’יימס פיבלס, נולד בשנת 1935 בוויניפג, קנדה. הוא בעל תואר דוקטור משנת 1962 מאוניברסיטת פרינסטון, ארה”ב. משמש כפרופסור למדע באוניברסיטת פרינסטון.
מישל מאיור, נולד בשנת 1942 בלוזאן, שוויץ. הוא בעל תואר דוקטור משנת 1971 מאוניברסיטת ז’נבה בשוויץ. משמש כפרופסור באוניברסיטת ז’נבה.
דידייה קוולוז, נולד בשנת 1966. הוא בעל תואר דוקטור משנת 1995 מאוניברסיטת ז’נבה בשוויץ. משמש כפרופסור באוניברסיטת ז’נבה ובאוניברסיטת קיימברידג’ בריטניה.

עוד בנושא באתר הידען:

• פרופ’ צבי מזא”ה מאוני ת”א: מדע כוכבי הלכת מחוץ למערכת השמש פורח בזכות גאונותו של מישל מאיור, והמכשיר שבנה
• מגלי כוכב הלכת הראשון מחוץ למערכת השמש ומפתח התיאוריה הקוסמולוגית זכו במשותף בפרס נובל לפיזיקה
• לגלות בדיוק את מסות כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש