הטלסקופ הגדול ביקום

במשך כמה שנים בתחילת המאה העשרים ניסה אלברט איינשטיין לשכנע את הקהילה המדעית בנכונותה של תורת היחסות הכללית, ששברה פרדיגמות פיזיקליות וקראה תיגר על האופן שבו אנו מבינים מושגים בסיסיים כמו זמן, אורך ומסה. התיאוריה הזאת הייתה מהפכנית עד כדי כך שאיינשטיין חש צורך ברישומיו האוטוביוגרפיים לבקש סליחה מאייזק ניוטון, אבי המכניקה הקלאסית.

אחת מהתופעות המפתיעות שחזתה התיאוריה של איינשטיין, ושאישושה ב-1919 שם את החותמת הסופית על תקפותה של תורת היחסות הכללית, היא תופעה שמחברת בין אופטיקה לכבידה. לפי היחסות הכללית, גופים בעלי מסה מעקמים את המרחב והזמן, וככל שהמסה של גוף גדולה יותר כך העיקום משמעותי יותר. כתוצאה מהעיקום הזה, מסלול תנועתן של קרני האור במרחב ייראה לנו עקום, אף על פי שבפועל הן נעות במסלול הישר ביותר האפשרי במרחב העקום. כשהגופים שמעקמים את המרחב גדולים מאוד, עיקום המסלול הזה נראה לעין. העיקום הזה נקרא עידוש כבידתי, מלשון "עדשה".

תופעת העידוש הכבידתי חביבה על קוסמולוגים, חוקרי ראשית היקום, מכיוון שהיא מספקת לנו תצפית עקיפה בגופים רחוקים מאוד, שלפעמים איננו יכולים לצפות בהם ישירות. יותר מכך: יש צבירי גלקסיות, או אפילו גלקסיות בודדות, שצורתן הכללית אליפטית; גופי-על כאלה מתפקדים ממש כמו עדשות פשוטות – בדיוק כמו משקפיים. הם מעקמים את האור סביבם בצורה דמוית טבעת, שמכונה "טבעת איינשטיין". המידע האופטי שאנו מקבלים מטבעות איינשטיין הוא יקר המציאות, כפי שמלמד מאמר חדש שמצוי כעת בתהליכי בדיקה ואישור (ביקורת עמיתים).

תופעת העידוש הכבידתי מספקת לנו תצפית עקיפה בגופים רחוקים מאוד, שלפעמים איננו יכולים לצפות בהם ישירות. הדגמה של עידוש כבידתי, בה בשל הכבידה של הגלקסיה הגדולה (בעיגול הצהוב), אנחנו יכולים לצפות בגלקסיה שמאחוריה | Tim Brown / Science Photo Library

מחברי המאמר, מארצות הברית, אירופה ודרום אמריקה, טוענים שהם גילו מערכת עידוש ייחודית שבה שתי עדשות כבידתיות מצויות בקו ישר עם כדור הארץ. המערכת הזו שקולה לטלסקופ עצום בגודלו. בין עדשה לעדשה מבדילות מיליוני שנות אור, והמרחק הזה הוא כאין וכאפס לעומת גודל התמונה שהן מציגות.

המערכת הזאת, שנקראת J1721+8842, התגלתה ב-2017. האור שנקלט ממנה מגיע ממרחק רב, מגוף חללי עתיר אנרגיה שנקרא קווזאר (Quasar). קווזארים הם גופים בוהקים מאוד, ואסטרונומים משערים שהם נמצאים במרכזן של גלקסיות צעירות, ומתפתחים סביב חורים שחורים גדולים מאוד.

חורים שחורים בולעים כל מסה שנמצאת בסביבתם, כמו בור ללא תחתית. במהלך הבליעה נפלטת הרבה מאוד קרינה. הקרינה הזאת היא האור שהגיע בסופו של דבר אל הגלקסיה (העדשה) השנייה. הצופים בכדור הארץ רואים בסופו של דבר ארבע "תמונות" שונות שנוצרו עקב עיקום האור הרחוק. כל תמונה נמצאת בנקודה אחרת על אותה טבעת איינשטיין, שבמקרה הזה אינה טבעת מלאה אלא קבוצה של כתמים.

התמונה מסתבכת

במשך שנתיים עקבו החוקרים אחר שינויי הבהירות של ארבעת הפריימים, כשלפתע פתאום צצו שני פריימים נוספים – כתמים חדשים בתמונה. תחילה הם סברו בטעות שמדובר במקור קרינה נוסף שהסתפח לתמונה – אולי קווזאר סמוך ששלח קרניים הרחק לעבר העדשה הגלקטית. בחינה מעמיקה יותר של הממצא הביאה אותם להבנה שמדובר בשני פריימים בעוצמה נמוכה מאוד שהגיעו מאותו קווזאר, ובסך הכל שישה פריימים.

אך צוות החוקרים שיער ששני הפריימים החדשים לא הגיעו מאותה עדשה, אלא משתי עדשות נפרדות. הקווזאר נמצא ביניהן, וכך נוצרת מערכת עידוש שבה לא שלושה גופים, אלא ארבעה: שתי גלקסיות שפועלות כעדשות, הקווזאר ביניהן וכדור הארץ הרחק משלושתם. לבדיקת ההשערה הזאת נעזרו החוקרים במודלים ממוחשבים, שאכן אימתו אותה. בפועל, האור שנפלט מהקווזאר מתקדם הלוך ושוב בין שתי הגלקסיות - העדשות – במעין זיגזג. התמונה שנקלטת כאן, בכדור הארץ, היא בעצם שתי טבעות איינשטיין חלקיות.

הצופים בכדור הארץ רואים בסופו של דבר שש "תמונות" שונות, שנוצרו עקב עיקום האור משתי עדשות. תמונה שמראה את שש התמונות, מסומנות מ-A ל-F | מתוך המאמר Dux et al., 2024

אם התגלית יוצאת הדופן הזאת אינה מספיקה, החוקרים מתכוונים להמשיך צעד אחד הלאה ולחלץ ממנה מידע קוסמולוגי חשוב. הבהירות של קווזארים משתנה עם הזמן: בתוך כמיליארד שנה המסה הצפופה שקרובה מספיק לחור השחור כדי להיבלע בו מתחילה לאזול, ועוצמת הקרינה הנפלטת בתהליך הבליעה צונחת משמעותית. כאן היו לחוקרים ארבע תמונות שונות, וכל אחת מהן מגיעה מתקופת חיים אחרת של הקווזאר. וכך, הבנת המהלכים השונים שעוברות קרני האור שמגיעות לעדשה הכבידתית, ובייחוד פערי הזמן בין הקרניים, מאפשרת לחשב את קצב התפשטות היקום בהתאם לתיאוריית המפץ הגדול.

כדי לחשב את התפשטות היקום יתמקדו החוקרים במדד בשם "קבוע האבל", שחישובו צפוי להימשך זמן רב. בניגוד לרבים מקבועי הטבע, שערכם ידוע בדיוק מרבי, קיימת מחלוקת מתמשכת על ערכו של קבוע האבל. נעשו מספר ניסיונות למדוד את הקבוע הזה, בכמה וכמה שיטות, וכל שיטה הניבה מספרים אחרים. כעת, משנמצא טלסקופ משוכלל ועצום בגודלו מעשה ידי היקום, יתכן שהוא יאפשר מדידה מדויקת יותר שתעזור לפתור את המחלוקת.