הטלסקופ הענקי
שישנה את התמונה

"יש דברים שאסטרונומים רוצים לעשות טוב יותר, אבל אין להם כיום את היכולות לעשות אותם. אחד הדברים האלה הוא זיהוי של עוד כוכבי לכת דמויי ארץ סביב שמשות אחרות. הטלסקופ שלנו יאפשר לראות רחוק יותר, בהפרדה גבוהה יותר, לזהות כוכבי לכת כאלה ולחקור את המאפיינים שלהם", אומר וולטר מסי (Massey), יו"ר הוועד המנהל את הקמתו של טלסקופ מגלן הענקי (Giant Magellan Telescope או בקיצור GMT) – שנבנה כעת ב'צילה, ומיועד להיות אחד הטלסקופים האופטיים הגדולים בעולם.

"טלסקופ הוא כמו דלי, הוא אוסף אור. וככל שהקוטר שלו גדול יותר הוא אוסף יותר אור, מה שאומר שהוא יכול להתבונן יותר רחוק, או להבחין מאותו מרחק בעצמים חיוורים יותר", מסביר שגיא בן עמי, דוקטור לאסטרופיזיקה במכון ויצמן למדע, השותף הישראלי בבניית הטלסקופ הענקי. "יכולת ההפרדה (רזולוציה) של טלסקופ עולה ככל שהטלסקופ עצמו גדול יותר. בטלסקופ בקוטר 25 מטר אפשר להבחין בין שני עצמים קרובים פי 25 יותר מאשר בטלסקופ שקוטרו מטר אחד".

"המטרות העיקריות של הטלסקופים הענקיים, כמו GMT, הן לחקור את האבולוציה של היקום: לראות אפילו רחוק יותר מטלסקופ ג'יימס וב, במרחק ובזמן, ולהבין איך גלקסיות נוצרו, איך כוכבים נוצרו, איך חורים שחורים נוצרו. אנו לא מבינים את התהליכים האלה עד הסוף", הוסיף מסי. "מטרות נוספות הן לנסות להבין את הטבע של חומר אפל ואנרגיה אפלה, לחפש כוכבי לכת במערכות שמש אחרות ולנסות לזהות סביבן חומרים חיוניים לחיים כמו מים או חמצן, ואפילו לחקור הרבה יותר מקרוב את מערכת השמש שלנו".

מראה ראשית (כמעט) בגודל של מגרש כדורסל. הדמיה של הטלסקופ לאחר בנייתו | מקור: GMTO_Corporation

גדול יותר, חזק יותר, רחוק יותר

הטלסקופים האופטיים הגדולים ביותר בעולם כיום הם גראן טלסקופיו (Gran Telescopio Canarias) שבאיים הקנריים, השייכים לספרד, הטלסקופ הגדול בדרום אפריקה (SALT) וצמד טלסקופי קק (Keck) בהוואי. קוטר המראות שלהם הוא סביב עשרה מטרים. הדור הבא של טלסקופים אופטיים יהיה בעל מראה גדולה פי שניים ויותר. גולת הכותרת של הדור הזה הוא ה-ELT, קיצור של Extremely Large Telescope, שנבנה בימים אלה במדבר אטקמה בצ'ילה. את הטלסקופ, שקוטר המראה שלו קרוב ל-40 מטרים, מקימה שותפות "מצפה הכוכבים האירופי הדרומי" (ESO) והוא אמור להתחיל לפעול ב-2028. טלסקופ ענקי נוסף בקבוצה הוא ה-TMT (קיצור של Thirty Meter Telescope "טלסקופ 30 מטרים"), ששותפות של אוניברסיטאות בארצות הברית תכננה להקים בהוואי – אך ייתכן שלא ייצא אל הפועל עקב מחלוקות משפטיות. ה-GMT, שאמור להתחיל לפעול ב-2030, הוא החבר השלישי בקבוצה זו, עם מראה ראשית בקוטר של כ-25 מטרים.

טלסקופ GMT נולד במקור משיתוף פעולה של מכון קרנגי ומכון סמית'סוניאן לאסטרופיזיקה עם אוניברסיטת שיקגו ומוסדות מחקר נוספים. "התחלנו כגוף פרטי לגמרי עם עשרה מוסדות בארצות הברית, ועד מהרה התברר שהעלויות גבוהות בהרבה ממה שהמוסדות יוכלו לממן", סיפר מסי לאתר מכון דוידסון בביקורו בישראל לאחרונה. "בעקבות זאת הצטרפה למיזם הקרן הלאומית למדע של ארצות הברית (NSF). המימון שלהם יקנה להם מספר מסוים של לילות תצפית, והם יעניקו אותם לחוקרים, על פי סדר עדיפויות שתקבע ועדה מדעית". כיום רשימת השותפות כוללת 13 מוסדות מחקר, רובם בארצות הברית ואחרים מאוסטרליה, מברזיל, מקוריאה הדרומית, ואחד גם מישראל. "אנו במשא ומתן על צירוף אוניברסיטאות נוספות, בין השאר בארצות הברית ובטייוואן, והביקור שלי בישראל נועד לבחון צירוף שותפים מכאן, נוסף על מכון ויצמן למדע שהצטרף למיזם בשנת 2021", הוסיף מסי. "המכון שילם 10 מיליון דולר דמי הצטרפות למיזם, וזה סדר גודל שמקנה לנו 3-2 לילות תצפית בשנה בטלסקופ", אומר בן עמי. "בנוסף, יש לנו דמי השתתפות שנתיים, ואם אנו מפתחים ובונים מכשור בעבור הטלסקופ, התרומה הזו מקוזזת מהתשלום השנתי". זה בדיוק מה שעושה בן עמי, שתחום התמחותו הוא מכשירנות אופטית.

לחקור לעומק תופעות שאנו לא מבינים ביקום. מסי (שני מימין), בן עמי (משמאל) עם אלי וקסמן (מימין) וערן אופק מהמחלקה לאסטרופיזיקה במכון ויצמן למדע | צילום: אוהד הרכס, מכון ויצמן למדע

להזרים את האור

הטלסקופ יוקם במצפה הכוכבים לאס קמפאנס במדבר אטקמה בצ'ילה, הנחשב גם עדן לאסטרונומיה בגלל השילוב של גובה, אוויר יבש, מיעוט עננים וריחוק מאזורים מיושבים ומזיהום אור. המראה הראשית שלו תורכב משבע מראות עגולות, כל אחת בקוטר 8.4 מטרים. הן יוצמדו זו לזו ליצירת מראה בצורת פרח, בקוטר 25.4 מטרים ובשטח כולל של 368 מטרים רבועים – קצת פחות ממגרש כדורסל תקני. הגודל הזה מקנה לטלסקופ כושר הפרדה גדול פי ארבעה מזה של טלסקופ החלל ג'יימס וב. ליציקת כל אחד משבע המראות יש צורך ביותר מ-20 טונות של זכוכית חזקה, בורוסיליקטית, ועבודת הליטוש המלאה נמשכת שנים, כדי לקבל את החזרת האור באיכות הדרושה. המראות מיוצרות במעבדה של אוניברסיטת אריזונה. עד כה נוצקו חמש מהן, ושלוש  גם לוטשו כבר וממתינות להעברה לצ'ילה, כשהמבנה של הטלסקופ יהיה מוכן לקליטתן.

המראה הראשית תמקד את האור במראה משנית, המוצבת 18 מטרים מולה. גם היא תורכב משבע מראות עגולות, קטנות הרבה יותר, בשטח כולל של כשלושה מטרים רבועים. המראות הקטנות הן מראות "חכמות" שיכולות לשנות את זווית ההחזר כדי לתקן עיוותים תצפיתיים שנוצרים במעבר האור דרך האטמוספרה. "זאת מערכת שאין בטלסקופים המתחרים, והיא מאפשרת לתקן את העיוותים האטמוספריים בשדה רחב מאוד", מדגיש בן עמי. המראה המשנית ממקדת את האור בחור במרכז המראה הראשית, שדרכו הוא מגיע למכשירי המחקר, כמו מצלמה שמתעדת את מה שהטלסקופ קולט. "טלסקופי ענק משמשים בעיקר לספקטרוסקופיה, כלומר פיזור של האור לאורכי הגל שמרכיבים אותו, מה שנותן יותר מידע על האובייקט", מסביר בן עמי.

עשרים טונות של זכוכית. מנהל היציקה רנדי לוץ (Lutz) מאוניברסיטת אריזונה מנקה את מראה מספר 5 של הטלסקופ | צילום: GMTO Corporation

בשיטה הזו אפשר לזהות חתימה כימית של חומרים מסוימים, וכך לקבוע ממה מורכב כוכב שפולט אור מסוים, או מאילו חומרים מורכבת אטמוספרה של כוכב לכת במערכת שמש רחוקה, שבולעת חלק מהאור. היא גם מאפשרת למדוד מהירות של עצמים שמתקרבים אלינו או מתרחקים מאיתנו במהירות, וכך לחקור למשל את התפשטות היקום, וגם למדוד בדיוק רב את התנועות של כוכבים מסוימים, ולזהות אם יש כוכבי לכת סביבם.

בטלסקופ GMT יהיו ארבעה ספקטרוגרפים, המותאמים לסוגים שונים של תצפיות. בן עמי ותלמידת המחקר יהל סופר-רימלט מעורבים בפיתוח אחד מהם, בעל השם המבטיח Large Earth Finder ("מוצֵא כדורי ארץ גדולים"). ייעודו העיקרי הוא חיפוש כוכבי לכת דומים יחסית לכדור הארץ במערכות שמש אחרות, וחקר מאפייני האטמוספרה שלהם, בתקווה שאכן יש להם אטמוספרה.

למעשה, המכשיר שבן עמי וסופר-רימלט שוקדים על פיתוחו הוא הממשק שמעביר את האור דרך סיבים אופטיים מהטלסקופ עצמו אל הספקטרוגרף, שממוקם כמה עשרות מטרים ממנו. "כל האור שנאסף במראה בקוטר 25 מטרים נכנס לסיבים אופטיים בעובי שערה. המכשיר שעושה זאת צריך גם לקזז את הרעידות של הטלסקופ עצמו, לקזז את פיזור האור של האטמוספרה ולהתאים את קרן האור למִפְתַח הזוויתי של הסיב האופטי. בנוסף, הוא כולל רכיב באמצע הסיב האופטי שמפצל את קרן האור לכמה אלומות, ומגדיל עוד יותר את כושר ההפרדה. זה מאפשר לנו למדוד בדיוק רב יותר שינוי מהירות של כוכבים הנגרם מכוכבי לכת שמושכים אותם", מסבירה סופר-רימלט. "כרגע אנו מפתחים מערכת שתחבר את הספקטרוגרף לטלסקופ קטן יותר בצ'ילה, גם הוא נקרא על שם מגלן, כדי שנוכל ללמוד את המכשיר ולעבוד איתו, לקראת בניית המכשיר המלא, שיהיה באורך כ-4.5 מטרים ובקוטר של כ-3 מטרים".

מיקומו של ספקטרוגרף LEF מתחת למראה הראשית של הטלסקופ, וממשק הסיבים האופטיים המנתב אליו את האור, שמפתחים החוקרים במכון ויצמן | תרשים באדיבות שגיא בן עמי, מכון ויצמן למדע

חתימה של חיים

הספקטרוגרף שהצוות של מכון ויצמן משתתף בבנייתו, עם מכון הסמית'סוניאן, אוניברסיטת הרווארד וצוות מקוריאה הדרומית, מיועד כאמור לחפש כוכבי לכת שעשויים לאכלס חיים דומים לשלנו. "אחד הדברים שאנו יכולים למדוד בעזרת הספקטרוגרף הוא ריכוז חמצן באטמוספרה. בכדור הארץ החמצן לא נמצא בשיווי משקל. אם לא היתה פוטוסינתזה, חלק גדול מהחמצן שבאוויר היה מקובע בסלעים. לכן, אם אנו מזהים כוכב לכת עם ריכוז חמצן גבוה מהצפוי, יכול להיות שמצאנו חתימה – או לפחות רמז – של פעילות ביולוגית", אומר בן עמי. "אני לא יודע אם זה יקרה בימי חיינו, אבל זו יכולה להיות התגלית הכי מעניינת בהיסטוריה האנושית".

אבל אם אכן יש חיים אי שם, מי ערב לנו שהפעילות הביולוגית שלהם דומה לזו שעל כדור הארץ, ומבוססת בין השאר על חמצן? "אנחנו בטח מפספסים דברים, אבל כרגע אנו יכולים להסתכל רק מתחת לפנס. אם יש למשל חיים מבוססי סיליקון על פני השטח של כוכב לכת, אין לנו שום כלי לזהות אותם", מדגיש בן עמי. "את החתימה הכימית של חמצן אנו נוכל לזהות, ואנו מתחילים להתייחס לשאלות האלה בכלים שאכן יכולים לענות עליהן, גם אם זה ייקח הרבה שנים. המערכת שלנו על טלסקופ GMT תוכל לזהות חתימה כזו ממרחק של 50 ואפילו 100 שנות אור. 200 שנות אור זה כבר גבולי. זה אומר שאנו נוכל לחפש חיים סביב כמה עשרות או כמה מאות כוכבים".

"האתגר שלנו הוא לפתח מכשיר שעונה הכי טוב על שאלות מאוד ספציפיות", מדגישה סופר-רימלט. "היתרון של העבודה הזו הוא שאני יכולה גם לעסוק בפיתוח המכשיר, וגם לעשות את העבודה המדעית עצמה, ולנתח את הנתונים שיתקבלו בעזרתו".

שילוב בין פיתוח מכשירים לשימוש בהם למחקר מדעי. יהל סופר-רימלט ושגיא בן עמי | צילום: איתי נבו

דור חדש

טלסקופי חלל גדולים, כמו ג'יימס וב, ולפניו טלסקופ האבל, מאפשרים לנו להתבונן ביקום כמו שלא ראינו אותו עד כה. הדור הבא של הטלסקופים הקרקעיים הענקיים יעקוף אותם מבחינת היכולות. "ההפרדה של GMT תהיה גדולה פי ארבעה משל ג'יימס וב, כי המראה שלו גדולה פי ארבעה, מה שאומר שאפשר לזהות בעזרתו כוכב לכת דמוי ארץ סביב שמש דומה לשלנו", מציין בן עמי. "אבל העלות של GMT היא עשירית מזו של טלסקופ וב, ובניגוד לטלסקופ החלל אפשר לתחזק ולתקן אותו כל הזמן".

למרות היתרונות שלהם, הטלסקופים הענקיים לא יחליפו את טלסקופי החלל או את הטלסקופים הקרקעיים הבינוניים והקטנים, אלא ישלימו אותם. "לכל טלסקופ יש את התפקיד שלו", מבהיר בן עמי. "יש טלסקופים שעושים סקר שמיים, כמו אולטראסט, טלסקופ החלל שאנו מפתחים במכון ויצמן ויסרוק את השמיים בחיפוש אחר אירועים קצרי מועד שפולטים קרינה על סגולה. כשטלסקופ סקר כזה מגלה אירוע, או תופעה, מכוונים לשם טלסקופים אחרים, בכל מיני גדלים, כושרי הפרדה ואורכי גל, כדי לאסוף כמה שיותר מידע. טלסקופ ענק כמו GMT, למשל, יכול לענות על שאלות ספציפיות, אבל פחות מתאים למדידות סטטיסטיות שדורשות הרבה נתונים".

הדור הבא. השוואת גודל המראה של טלסקופ GMT (במרכז) לטלסקופים העתידיים TMT ו-ELT (מימין), לעומת שניים מהטלסקופים הקיימים, קק ו-LSST (משמאל) | איור: SCIENCE PHOTO LIBRARY

ומדוע צריך כמה טלסקופים ענקיים? "לחלקם יש מכשירים שונים, ויכולות שונות. אחרים צופים באזורים אחרים של השמיים. הטלסקופים בצ'ילה צופים בשמיים של חצי הכדור הדרומי, ובהוואי – בשמיים הצפוניים", מסביר וולטר מסי. "בסך הכל מספר לילות התצפית בשנה הוא מוגבל, וכשיש יותר טלסקופים, הם מספקים יותר לילות תצפית ויותר מדע".

גם לדברי מסי, התגלית המעניינת ביותר שהטלסקופ יכול לספק היא אפשרות לקיום של חיים במקום אחר. "יש מאות מיליארדי כוכבי לכת בשביל החלב, ומקומות שיכולים להיות בהם חיים. גילוי כזה ישפיע על כל כך הרבה היבטים של חיינו – על תפיסות פילוסופיות, אתניות ודתיות. זה ישנה את כל מה שאנו חושבים על עצמנו", הוא אומר. "עם זאת, אחד הדברים המרגשים ביותר עם סוגים חדשים של טלסקופים הוא דווקא הדברים שאנו לא יודעים. ההיסטוריה מראה שבכל פעם שבנינו טלסקופים גדולים יותר, גילינו דברים מפתיעים שלא ציפינו לגלות".

סרטון על טלסקופ GMT (באנגלית):