האסטרונומית שפרצה את גבולות שביל החלב

בתחילת המאה ה-20 כבר היה לאנושות ידע רב מאוד על היקום, אחרי כ-300 שנות צפייה בטלסקופים. האסטרונומים הכירו כוכבים רבים מסוגים שונים, וקבוצות כוכבים רבות. אבל שאלה מרכזית עדיין נותרה פתוחה: עד כמה גדול היקום שאנו רואים? האם העצמים הקטנים והחיוורים ביותר הנראים בטלסקופים החזקים ביותר הם אכן גרמי שמיים קטנים וחיוורים מאוד, או שאולי הם גופים גדולים ובוהקים הנמצאים במרחק עצום מאיתנו?

במוקד המחלוקת בין האסטרונומים עמדה כבר מסוף המאה ה-18 קבוצת גרמי שמיים שנקראו ערפיליות, משום שהן נראו תחילה בטלסקופים ככתמים חיוורים ומטושטשים, דמויי ערפל. ככל שהשתפרו התצפיות התחדד הוויכוח: האם הערפילות הן קבוצות כוכבים בשביל החלב, והוא הגלקסיה היחידה ביקום, או שהן גלקסיות נפרדות, מקבילות בגודלן לשביל החלב שלנו אך רחוקות מאוד?

אחרי יותר מ-100 שנות מחלוקת החליטה האקדמיה הלאומית האמריקאית למדעים ליישב את הסוגיה במעין דו-קרב אקדמי: כל מחנה של אסטרונומים שלח נציג מטעמו לאירוע שכונה "הוויכוח הגדול", בכינוס האקדמיה בוושינגטון ב-1920. שני הצדדים הציגו בלהט את טיעוניהם, נתונים מדעיים העולים בקנה אחד עם תפיסתם ואת הפרשנויות המתאימות. אבל לשום צד לא הייתה הוכחה חותכת, והוויכוח לא הוכרע. החוקרים כבר ידעו לאמוד את גודלו של שביל החלב, אבל לא הייתה דרך למדוד את המרחק אל הערפיליות. הייתה דרושה מדידה כזו כדי לקבוע אם הן אכן בשביל החלב, או מחוצה לו.

איש כמעט עדיין לא ידע זאת, אבל הדרך להכרעת הוויכוח הגדול כבר נסללה כמה שנים קודם לכן, בזכות עבודתה של אסטרונומית פורצת דרך, שנותרה אלמונית כמעט לגמרי.

איבדה את השמיעה, אבל הייתה דייקנית, חרוצה ומדענית מצוינת. הנרייטה ליוויט | צילום: Science Photo Library

נשים עושות חשבון

הנרייטה סוואן ליוויט (Swan Leavitt) נולדה ב-1868 בעיירה לנקסטר שבמדינת מסצ'וסטס. אביה היה כומר ליברלי, שלא התנגד לחינוך והשכלה לנשים. היא למדה תואר ראשון כללי במכללת הנשים באוניברסיטת הרווארד. הלימודים כללו יוונית קלאסית, אמנות ופילוסופיה, לצד מקצועות כמו גיאומטריה אנליטית וחשבון דיפרנציאלי ואינטגרלי. רק בשנת הלימודים הרביעית והאחרונה למדה גם קורס באסטרונומיה והתוודעה לתחום.

לאחר סיום לימודיה יצאה ליוויט לטיול באירופה, שם נדבקה במחלה קשה – ככל הנראה דלקת קרום המוח – שגרמה לה לאבד את השמיעה בשתי אזניה. היא שכבה מרותקת למיטה חודשים רבים, וכשהתאוששה מעט החלה לחפש תעסוקה. בסופו של דבר נקלטה לעבודה במצפה הכוכבים של אוניברסיטת הרווארד.

ליוויט, שלא יכלה לעבוד במצפה כאסטרונומית – בימים ההם נאסר על נשים להפעיל את הטלסקופים –עבדה במחלקת המחשבים של המצפה. המחשבים (Computers) בסוף המאה ה-19 לא היו מכונות אלקטרוניות, אלא בני אדם מוכשרים בחשבון שישבו ועשו את החישובים הסבוכים או מטלות סיזיפיות דומות.

מנהל מצפה הכוכבים, אדוארד פיקרינג (Pickering) העדיף שהמחשבים שלו יהיו מחשבות, כלומר נשים. האגדה מספרת כי בראשית ימיו במצפה העסיק רק גברים, אבל התרגז על חוסר תשומת הלב שלהם לפרטים, עד שיום אחד התפרץ וצעק שאפילו המשרתת הסקוטית שלו יכולה לעשות עבודה טובה יותר. הוא אכן פיטר את הגברים, שכר נשים במקומן ומינה את המשרתת, מורה לשעבר, לנהל את המחלקה.

צוות המחשבות במצפה של הרווארד כונה "ההרמון של פיקרינג". הוא בחר נשים רווקות, וניצל את העובדה שהן נשים כדי להעסיק אותן בשכר של 25-30 סנט לשעה – כמחצית ממה ששילם לגברים על עבודה דומה. למעשה, עבודת הנשים לא הייתה דומה לזו של הגברים – היא הייתה בדרך כלל טובה יותר. הן היו דייקניות ושמו לב לפרטים, ולמרות העבודה החדגונית והמשעממת של ליקוט מידע מתוך רבבות צילומים אסטרונומיים, כמה מהן תרמו תרומות מדעיות חשובות, כמו אנני קנון (Cannon), שפיתחה שיטה לסיווג כוכבים. גם קנון הייתה חירשת כמעט לגמרי עקב סיבוך של מחלת ילדות.

עבדו במחצית השכר של הגברים אך עשו עבודה טובה יותר. ליוויט (מימין) עם אנני קנון | צילום: Science Photo Library

כוכבים משתנים

ליוויט התחילה לעבוד במצפה כמתנדבת, ורק אחרי שנים רבות זכתה לשכר הסמלי של הנשים האחרות. משימתה הייתה לחפש כוכבים משתנים, שרמת הבהירות שלהם מתחזקת ונחלשת חליפות. בזכות הטכנולוגיה החדשה יחסית של צילום אסטרונומי, היא יכלה להשוות את רמת הבהירות של כוכב מסוים בצילומים ממועדים שונים, ולזהות כוכבים משתנים כאלה. ליוויט זיהתה עם השנים יותר מ-2000 כוכבים משתנים, והחלה להתמקד בהדרגה בסוג מסוים של כוכבים משתנים, קֶפֶאִידִים (Cepheids), שקיבלו את שמם משום שהתגלו בקבוצת הכוכבים קֶפֶאוּס.

כיום אנו יודעים כי הסיבה לפעימות של קֶפֶאִידִים משתנים היא ככל הנראה תהליכים הקשורים לסוף חייהם. הכוכבים המזדקנים מתחילים להתיך הליום ליסודות כבדים יותר, מתחממים, וכתוצאה מכך מצטברים בחלקם החיצוני יותר אטומי הליום שאיבדו את שני האלקטרונים שלהם. הליום כזה אטוּם לאור, ולכן הכוכב נראה כהה יותר. כשההליום החם הזה מתפשט, הטמפרטורה שלו יורדת, ויותר אטומים מקבלים בחזרה את אחד האלקטרונים, מה שמאפשר לאור לעבור דרכם והכוכב שוב נראה בהיר. התהליך הזה מתקיים במחזוריות שיכולה להימשך בין שעות אחדות לשבועות אחדים.

ליוויט הייתה סקרנית מאוד לגלות מה גורם לשינויים המחזוריים בבהירות הכוכבים האלה. היא החליטה לבדוק אם יש קשר בין זמן המחזור של הכוכבים לבהירות שלהם, אבל הבעיה הייתה – כמו עם כוכבים רבים אחרים – שהיא לא יכלה לדעת כמה הם בהירים באמת. לאסטרונומים לא הייתה אפשרות לקבוע אם כוכב מסוים אכן בהיר יותר מחברו, או שהוא פשוט קרוב אלינו הרבה יותר ולכן אנו רואים אותו טוב יותר.

כאן עשתה ליוויט את פריצת הדרך. היא החליטה להתמקד באזור בשמיים הדרומיים שנקרא "הענן המָגֶלָני הקטן", על שם מגלה הארצות הפורטוגלי שזיהה אותו במאה ה-16. היא זיהתה בענן הזה 25 קֶפֶאִידִים משתנים, ושיערה שהענן הזה רחוק מספיק כדי להניח שכל אותם עשרים וחמישה כוכבים הם פחות או יותר באותו מרחק מאיתנו. לכן היא יכלה לקבוע שאם כוכב מסוים בענן הזה נראה בהיר מכוכבים אחרים, הוא אכן בהיר יותר, ולא רחוק יותר. על סמך הנחה זו מדדה ליוויט את הבהירות ואת זמני המחזור של הכוכבים הקֶפֶאִידִים, ומצאה ביניהם מתאם מתמטי מדויק: ככל שזמן המחזור ארוך יותר, כך הכוכב בהיר יותר.

הקשר בין המחזוריות של כוכב לבהירותו, על סקלה רגילה (משמאל) ולוגריתמית. הגרפים המקוריים של ליוויט | מקור: spiff.rit.edu

סרגל קוסמי

לגילוי של ליוויט היו השלכות אסטרונומיות רבות, אבל בעיקר הם אפשרו לאסטרונומים לקבוע כעת את המרחק היחסי של קֶפֶאִידִים שונים, על פי זמן המחזור שלהם. איש עדיין לא ידע את המרחק המדויק אליהם, אבל אם יש שני קֶפֶאִידִים בעלי מחזור דומה, אפשר היה לקבוע שהבהיר מביניהם אכן קרוב אלינו יותר, ואף לחשב פי כמה הוא קרוב יותר, על סמך הפרשי הבהירות. למרות החשיבות של העבודה, היא לא עוררה בשעתה עניין רב, כשפורסמה ב-1912 במאמר קצר וצנוע בעל הכותרת האנמית "מחזוריהם של 25 כוכבים משתנים בענן המגלני הקטן".

את העבודה של ליוויט השלים צוות של אסטרונומים, בהם הרלו שייפלי (Shapley) מארצות הברית ואיינר הרצשפרונג (Hertzsprung) מדנמרק. הם הצליחו למדוד בשיטות חדישות את המרחק לאחד הכוכבים הקֶפֶאִידִים. זה איפשר להם לכייל את השיטה שפיתחה ליוויט, ולעבור ממרחק יחסי למרחק מוחלט. בזכות עבודתה היה בידיהם סרגל קוסמי המאפשר למדוד את המרחק אל כל קפאיד בשמיים.

עבודתה של ליוויט אישפרה לקבוע שהערפיליות הן גלקסיות מחוץ לשביל החלב. גלקסיית אנדרומדה | מקור: Science Photo Library

הכרה מאוחרת

אחד המדענים שהיו נחושים ביותר לפתור את סוגיית הערפיליות היה האסטרונום האמריקאי אדווין האבל (Hubble), אחד האסטרונומים הבולטים במאה העשרים. באוקטובר 1923 צילם האבל את ערפילית אנדרומדה, בחיפוש אחר "נובות" – התפרצויות קרינה בעוצמה משתנה (בעבר חשבו שאלה כוכבים חדשים המופיעים בשמיים, ולכן קיבלו את השם stella nova, כוכב חדש, או בקיצור: נובה). כשהשווה את לוחות הצילום של כמה לילות, הופתע לגלות שאחת הנובות שצילם אינה נובה, אלא קפאיד משתנה. האבל מדד את ההשתנות ואת הבהירות שלו, ובזכות הסרגל הקוסמי של ליוויט חישב את המרחק לקפאיד הזה, ולערפילית אנדרומדה כולה. המרחק היה 900,000 שנות אור. מכיוון שקוטרו של שביל החלב הוא כ-100,000 שנות אור, היה ברור מיד שאנדרומדה נמצאת הרחק מחוץ לגלקסיה שלנו, ושהיא עצמה גלקסיה ענקית. הוויכוח הגדול הוכרע.

למרבה הצער ליוויט לא זכתה לראות כיצד תגליתה שינתה את כל תפיסת העולם האסטרונומית. ב-1921, חודשים אחדים לאחר שמונתה לנהל את מחלקת הצילומים במצפה הכוכבים של הרווארד, היא מתה מסרטן בגיל 53 בלבד.

ליוויט לא זכתה להכרה של ממש על עבודתה בחייה, וגם מותה לא הותיר חותם בקהילה המדעית. ב-1925, ארבע שנים אחרי מותה, נתקל המתמטיקאי השוודי מגנוס מיטאג-לפלר (Mittag-Leffler) בעבודתה של ליוויט, והתרשם כל כך עד שהחליט להגיש את מועמדותה לפרס נובל בפיזיקה. רק כשכתב למצפה הכוכבים בהרווארד לבקש עוד מידע על מחקריה, התברר לו כי כבר אינה בחיים.

חלפו עוד שנים רבות בטרם נעשה צדק לליוויט וזכרה. בחלוף השנים ראו אור כמה ספרים ביוגרפיים על חייה ועל עבודתה. ב-2015 הוצג בארצות הברית המחזה "שמיים שקטים" (Silent Sky) המגולל את סיפורה. הקהילה האסטרונומית הנציחה את זכרה כשקראה על שמה אסטרואיד שהתגלה בשנות ה-70 ומכתש בצד הרחוק של הירח. כיום סיפורה הוא מקור השראה הן לנשים והן לבעלי מגבלות גופניות, ומוכיח שעם יכולת שכלית, חריצות והתמדה, לא רק שהשמיים אינם הגבול, גם שביל החלב הוא לא התחנה האחרונה.