הכירו את אולטראסאט, טלסקופ חלל חדשני שמפתחים במכון ויצמן למדע, ואמור להציב את ישראל בחוד החנית של האסטרונומיה התצפיתית

"זה פרויקט של פריצת דרך מדעית, שישים את ישראל בחזית של המחקר האסטרונומי, ימצב אותה ככוח עולה בתחום הלוויינים המדעיים וייתן חשיפה מצוינת לתעשייה הישראלית", אומר פרופ' אלי וקסמן, אסטרופיזיקאי במכון ויצמן למדע, החוקר הראשי של משימת אולטראסאט ואחד מאבות טלסקופ החלל הישראלי הראשון, המיועד לשיגור בשנת 2025. "מה שיפה במשימה הזאת הוא שהמדע מוביל אותה. הגדרנו מטרות בחזית המדע, וכדי להגשים אותן אנחנו צריכים להיות ראשונים והכי טובים". 

תרשים התכנון של טלסקופ החלל אולטראסט | מקור: התעשייה האווירית לישראל
שיתוף פעולה בין האקדמיה לחזית התעשייה הטכנולוגית הישראלית. תרשים התכנון של טלסקופ החלל אולטראסאט | מקור: התעשייה האווירית לישראל

האירועים חולפים, הקרינה עוברת

הרעיון של טלסקופ חלל ישראלי נולד לפני יותר מתריסר שנים בשיחות בין וקסמן ואנשי מכון ויצמן לבין צבי קפלן, שהיה אז מנהל סוכנות החלל הישראלית ורצה לקדם מדע פורץ דרך המבוסס על לוויינים ישראלים. הצוות הישראלי החל לדון בעניין עם עמיתים מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech), והגיע למסקנה שהחסר העיקרי באסטרונומיה התצפיתית הוא היכולת לגלות בזמן אמת אירועים קוסמיים קצרים ובני חלוף, כמו התפוצצות של כוכבים גדולים או סופרנובות, התפרצויות של קרני גמא או התמזגות של כוכבי נייטרונים. הדרך היחידה לחקור אירועים כאלה, שנמשכים כמה שבועות או כמה ימים, ולפעמים אף פחות מכך, היא לזהות אותם בזמן אמת, ואז לכוון אליהם טלסקופים רבים בעלי יכולות מגוונות, על הקרקע ובחלל. אבל החלל הוא עצום, והסיכוי לזהות אירוע כזה בזמן אמת בתצפית אקראית הוא קלוש למדי. לכן הרעיון היה לשגר טלסקופ חלל בעל שדה רחב, כלומר כזה שיוכל לצלם בכל רגע נתון אזור רחב יחסית של השמיים, ויאפשר למפעיליו לזהות בזמן אמת אירועים חולפים כאלה, שהאסטרופיזיקאים מכנים אותם "טרנזיינטים". 

השלב הבא היה לבחור את סוג הקרינה שהטלסקופ יזהה. כוכבים פולטים קרינה אלקטרומגנטית בכל טווחי העוצמה, מקרני רנטגן וקרני גמא, דרך אור נראה ועד גלי רדיו. בסופו של דבר החליטו החוקרים לבחור בטלסקופ הרגיש לקרינה על-סגולה (UltraViolet או בקיצור UV). "יש הרבה סקרי שמיים בשדה רחב, אבל אין אף אחד בקרינה על-סגולה", מסביר ד"ר יוסי שורצולד ממכון ויצמן למדע, מדען הפרויקט של אולטראסאט. "הטלסקופ הזה הוא החזית של האסטרונומיה בזמן אמת. בזכות הטכנולוגיה המתקדמת והתקשורת המיידית, אנו יכולים תוך 15 דקות מזיהוי של אירוע טרנזיינטי בטלסקופ אולטראסאט לקבוע בדיוק טוב את מיקום האירוע ולהפנות לכיוונו טלסקופים נוספים". 

"קרינה על-סגולה נפלטת בתופעות אסטרונומיות 'חמות', ביניהן התנגשות של גופים בעלי מסה גדולה מאוד, כמו חורים שחורים וכוכבי נייטרונים, וכן התפוצצויות של כוכבים ותופעות נוספות", מסביר ד"ר דוד פולישוק ממכון ויצמן למדע, המרכז את ההנגשה המדעית של משימת אולטראסאט. "אנחנו לא יכולים לקלוט את הקרינה הזאת בטלסקופים על כדור הארץ, כי האטמוספרה מסננת אותה, לכן אנחנו חייבים להשתמש בטלסקופ שנמצא בחלל".

התנגשות של שני כוכבי נייטרונים | הדמיה: NASA/Swift/Dana Berry
זיהוי מוקדם ומחקר מעמיק של אירועים קוסמיים מהירים ואנרגטיים. התנגשות של שני כוכבי נייטרונים | הדמיה: NASA/Swift/Dana Berry 

מדעני מכון ויצמן למדע הגישו לסוכנות החלל האמריקאית נאס"א כמה הצעות משותפות לפיתוח הטלסקופ, עם מדעני קאלטק, שהיו אמורים לבנות את מצלמת ה-UV הייחודית של הלוויין, ובהמשך עם מעבדת ההנעה הסילונית של נאס"א (JPL). אך ההצעות לא נבחרו לפיתוח. בסופו של דבר סוכם עם מרכז המחקר הגרמני DESY כי הוא יספק את המצלמה, שהיא אחד המרכיבים היקרים בטלסקופ, בתמורה לשיבוץ מדענים שלו בצוותי המחקר של הטלסקופ. שאר המימון יגיע ממכון ויצמן למדע ומסוכנות החלל הישראלית במשרד המדע. 

לפרויקט המורכב, שעלותו הכוללת נאמדת בכ-100 מיליון דולר, הצטרפו עוד כמה חברות מחזית התעשייה הישראלית. ביניהן נמצאות אל-אופ (ELOP), בבעלות אלביט, שבונה את הטלסקופ עצמו, טאוור (Tower) שמפתחת עם AnalogValue את חיישני האור של המצלמה שיקלטו בפועל את הקרינה העל-סגולה, והתעשייה האווירית שמתכננת ובונה את הלוויין עצמו ואת המחשב שלו.

להיות הטובים ביותר. החוקר הראשי אלי וקסמן (במרכז), מדען הפרויקט יוסי שורצולד (משמאל) ומרכז ההנגשה דוד פולישוק | צילומים, מכון ויצמן למדע, איתי בלסון
להיות הטובים ביותר. החוקר הראשי אלי וקסמן (במרכז), מדען הפרויקט יוסי שורצולד (משמאל) ומרכז ההנגשה דוד פולישוק | צילומים, מכון ויצמן למדע, איתי בלסון

חדשנות לכל כיס

טלסקופ חלל הוא טלסקופ המותקן על לוויין ומקיף את כדור הארץ, או במקרים מסוימים את השמש, כמו טלסקופ ג'יימס וב ששוגר בסוף 2021. לטלסקופים כאלה יש כמה יתרונות חשובים: פעילותם אינה מוגבלת לשעות הלילה בלבד, אינה מושפעת מעננים וממזג האוויר, והכי חשוב: הלוויין נמצא מעל האטמוספרה, שמעוותת מעבר של קרינה מסוגים מסוימים ואף בולעת כמעט לגמרי כמה מסוגי הקרינה, כמו קרינה על-סגולה. "הסינון הזה חיוני להגנה על החיים בכדור הארץ, אבל עושה חיים קשים לאסטרונומים", אומר פולישוק.

לצד היתרונות האלה, יש לטלסקופי החלל גם חסרונות. הם מוגבלים בגודלם, בדרך כלל הם יכולים לפעול רק כמה שנים עד שיתקלקלו בשל הסביבה העוינת, וכמעט אף פעם אין אפשרות לתקן או לתחזק אותם במקרה של תקלות. חיסרון בולט נוסף הוא המחיר הגבוה שלהם לעומת טלסקופים קרקעיים. עלות פיתוחו של טלסקופ ג'יימס וב, ששבר שיאים גם בתחום הזה, גדלה עם השנים עד ליותר מעשרה מיליארד דולר. התקציב של אולטראסאט הוא כאחוז אחד בלבד מכך.

"אנחנו מוכיחים שאפשר לעשות משימות בתקציב בר-השגה, ולהיות איתן בחזית המדע, בזכות תכנון נכון וחדשני של הטלסקופ", מדגיש אלי וקסמן. "למשל מבנה ייחודי של הטלסקופ שבונה חברת אל-אופ, וחיישני על-סגול שפיתחנו עם חברת טאוור, שעד לפני שנים אחדות לא הייתה טכנולוגיה מתאימה לבנות אותם". החיישנים, שהם ליבת המערכת האופטית של הטלסקופ, יאפשרו לו לזהות אור על-סגול בטווח הקרוב (אורכי גל של 290-230 ננומטר), ברגישות גבוהה בהרבה מזו של טלסקופי UV אחרים. "יש מעט מאוד חומרים שמעבירים אור על-סגול. פיתחנו עם טאוור כמה ציפויים יעודיים לסינון מיטבי של הקרינה, ייצרנו שלושה חומרים כאלה, ועל בסיס ניסויים רבים שלהם פיתחנו מסנן אור המורכב מכמה שכבות של חומרים, כל אחת בעובי שונה, המותאם בדיוק למשימה הזו", מסביר יוסי שורצולד.

פיתוח מקורי: חיישני על-סגול שעד לפני כמה שנים לא הייתה טכנולוגיה מתאימה לבנות אותם. דגם טכני לניסויים של חיישני טלקסופ החלל | צילום: DESY
פיתוח מקורי: חיישני על-סגול שעד לפני כמה שנים לא הייתה טכנולוגיה מתאימה לבנות אותם. דגם טכני לניסויים של חיישני טלקסופ החלל | צילום: DESY

התנגשויות ופיצוצים

חידוש משמעותי נוסף בטלסקופ הוא רוחב שדה הראייה שלו: 200 מעלות רבועות. "לשם השוואה, קוטרו של הירח המלא בשמיים הוא בערך חצי מעלה", מציין דוד פולישוק. "שדה כה רחב מאפשר לטלסקופ לצלם כל פעם חלק גדול מאוד מהשמיים". 

המשימה המרכזית של אולטראסאט היא זיהוי ומחקר של אותם אירועים קצרי מועד, או הטרנזיינטים, המתרחשים ביקום. אלה אירועים שמתרחשים במהירות רבה לפי קנה המידה האסטרונומי, משבועות אחדים ועד ימים, שעות או דקות. בין סוגי האירועים האלה נמצאות התנגשויות של גופים כבדים במיוחד (סופר-מסיביים), כמו חורים שחורים וכוכבי נייטרונים.

המחקר של תופעות כאלה צבר תאוצה בשנים האחרונות בזכות האפשרות לזהות אותן בגלאים של גלי כבידה, אבל לגלאים האלה יש מגבלות רבות. "בזכות הטכנולוגיה של אולטראסאט, המשלבת גם שדה רחב וגם רגישות לעומק, הוא יכול לקבוע בדיוק רב יותר מהגלאים האלה את המיקום ואת המרחק של אירוע כזה", מסביר שורצולד. "תוך 15 דקות מרגע שאנו מקבלים התרעה מגלאים של גלי כבידה, אנו יכולים לסובב את הטלסקופ לכיוון האירוע. זה מאפשר לנו גם לצלם בעצמנו את השלבים הראשונים שלו, שבהם יש פליטה רבה של קרינה על-סגולה, וגם להודיע מיד לכל קהילת האסטרונומיה העולמית על המיקום המדויק של האירוע, דבר שיאפשר לכוון אליו מגוון רחב של טלסקופים ומכשירי מדידה אחרים. איסוף הנתונים שלנו ושיתוף הפעולה הבינלאומי יסללו את הדרך להבנה טובה יותר של התהליכים המתרחשים בהתנגשויות כאלה ושל השפעתם". 

סוג נוסף של אירוע קוסמי שיהיה אפשר לחקור בעזרת טלסקופ החלל הוא סופרנובות – התפוצצויות של כוכבים גדולים שמתרחשות בסיום חייהם. כשכוכבים בגודל מתאים מכלים את הדלק הגרעיני שלהם, הליבה שלהם קורסת פנימה במהירות, אירוע שמוביל ליצירת גל הדף עצום ולפיצוץ אדיר של הכוכב. לפיצוצים האלה יש השפעה עצומה על החיים ביקום כפי שאנו מכירים אותם, משום שהם כנראה המקור להיווצרותם של חלק גדול מהיסודות הכבדים, כולל אלה שהחיים מורכבים מהם.

הדמיה של סופרנובה - פיצוץ של כוכב גדול | איור: NASA
לחקור את הפיצוץ במהירות לפני ששרידיו נעלמים. הדמיה של סופרנובה - פיצוץ של כוכב גדול | איור: NASA

אחד הקשיים בחקר סופרנובות הוא היכולת לזהות בזמן אמת את ההתפוצצויות האלה ולהספיק לחקור אותן לפני ששרידיהם נעלמים. "באירועים האלה נפלטת הרבה קרינה על-סגולה, בעיקר בשלב הראשון שלהם", מסביר דוד פולישוק. "בזכות שדה הראייה הרחב, אולטראסאט יוכל לזהות הרבה אירועים כאלה, לצלם אותם באופן רציף ולכוון אליהם טלסקופים אחרים. אנו מצפים לגלות בעזרת אולטראסאט כ-250 סופרנובות בשנה, ולראות בזכות המעקב הרציף גם את השלבים המוקדמים ביותר שלהן. המחקר הזה יאפשר להבין סוף סוף את מנגנוני הפיצוץ של סופרנובות מסוגים שונים ואת משטר האנרגיה של התהליכים האלה". 

בפעילות השוטפת שלו, בין מדידת אירועים כאלה, הטלסקופ ישמש לסקר שמיים של עצמים הפולטים קרינה על-סגולה. הוא יצלם את השמיים כל חמש דקות ויאסוף מידע על מיליוני כוכבים וגרמי שמיים אחרים. זה יאפשר לחוקרים לאסוף כמויות עצומות של מידע, וגם ליצור מפה בסיסית שאליה אפשר להשוות צילומים חדשים, וכך לזהות במהירות אירועים חדשים. בזכות הצילום המהיר והיכולות הגבוהות, הטלסקופ צפוי להגדיל פי 300 את קצב זיהוי האירועים הטרנזיינטים, ולספק לחוקרים מכרה זהב של נתונים לחקר תופעות רבות. 

הדמיה של כוכב לכת עם אטמוספרה במערכת שמש מרוחקת | מקור: ESO
לנסות לזהות כוכבי לכת שעשויים להתאים לקיום חיים, ולאפיין את הרכב האטמוספרות שלהם. הדמיה של כוכב לכת עם אטמוספרה במערכת שמש מרוחקת | מקור: ESO 

בצוות המדעי המורחב של הטלסקופ חברים עשרות חוקרים מישראל וממדינות נוספות, המאורגנים ב-13 קבוצות עבודה, לניצול שלל היכולות של הטלסקופ. אחת הקבוצות, בראשות שורצולד, תחקור מערכות שמש אחרות ואת כוכבי הלכת שלהן. "התצפיות באור על-סגול יאפשרו לנו לזהות אילו מערכות שמש עשויות להתאים לקיום חיים מבחינת רמת הקרינה שהכוכב פולט", מסביר שורצולד. "כמו כן נוכל לנסות לזהות כוכבי לכת חדשים מחוץ למערכת השמש, ולנסות לאפיין את הרכב האטמוספרות של כוכבי לכת במערכות שמש אחרות". 

קבוצה נוספת תחקור בעזרת התצפיות של אולטראסאט את האירועים המתרחשים כשחור שחור גדול במיוחד (סופרמסיבי, בלשון המקצועית) בולע כוכבים, ולמעשה קורע אותם, בתהליך שגם בו נפלטת קרינה על-סגולה שאפשר לזהות בטלסקופ, ולהבין באמצעותה טוב יותר את המנגנונים העומדים בבסיס התהליך, שעדיין אינם ברורים לגמרי. קבוצה אחרת תחקור קוואזרים, גרמי שמיים שפולטים אנרגיה רבה. וקבוצה נוספת, בהובלת פולישוק, תתמקד בשימוש בטלסקופ לחקר מערכת השמש שלנו, בעיקר להבחנה בין סוגים שונים של אסטרואידים לפי החזר הקרינה העל-סגולה, המשקף את תכולת הברזל שלהם. 

הדמיה של כוכב נקרע כשחור שחור בולע אותו | איור: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF
הטלסקופ החדש יפתח צוהר לחקר מגוון רחב של תופעות אסטרונומיות ואירועים קוסמיים. הדמיה של כוכב נקרע כשחור שחור בולע אותו | איור: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

שיתוף פעולה תחרותי

הטלסקופ אולטראסאט יותקן בלוויין שמשקלו בערך טונה. כמחצית המשקל היא דלק, שיאפשר לו אחרי השיגור להיכנס למסלולו, בגובה של כ-36 אלף קילומטר. עצמים בגובה הזה מקיפים את כדור הארץ בכ-24 שעות, שזה כמובן זמן הסיבוב של הארץ סביב עצמה. המשמעות היא שלוויין כזה נמצא כל הזמן מעל אותה נקודה בכדור הארץ, לכן הוא נקרא מסלול גיאו-סטציונרי, כלומר "נייח ביחס לארץ". במסלול כזה נמצאים בדרך כלל לווייני תקשורת, משום שהוא מאפשר תקשורת קבועה ורציפה עם תחנות קרקע. זו בדיוק הסיבה שגם אולטראסאט יישלח לנקודה כזאת. משם הוא יוכל להעביר בזמן אמת את המידע לתחנת הקרקע, שתנתב אותו לחדר הבקרה שהולך ונבנה במכון ויצמן למדע. כך, בכל גילוי של אירוע טרנזיינטי משמעותי, יהיה אפשר לכוון אליו את הטלסקופ כמעט מיד. 

שיגורו של הטלסקופ מתוכנן לתחילת שנת 2025. לאחר שייכנס למסלולו, החודשים הראשונים של המשימה יוקדשו לסקר שמיים ראשוני, כדי להרכיב את מפת הייחוס שעל בסיסה יהיה אפשר לזהות אירועים. בסך הכל הלוויין צפוי לפעול 6-3 שנים, ולספק שפע של מידע מדעי עשיר, שישלים חסרים רבים בידע שלנו על היקום וצפונותיו. בסיום המשימה ישתמש הלוויין בדלק שיישמר לשם כך כדי לשגר את עצמו למסלול גבוה יותר, שיבטיח כי הוא לא יפגע בעתיד בשום עצם אחר ולא ייצור עוד פסולת חלל. 

"יהיה מאוד מרגש לראות את התמונות מהלוויין הזה. היו הרבה מאוד נקודות בדרך שבהן היינו יכולים להתייאש ולוותר, למשל כל פעם שההצעה שלנו לא אושרה, והיה צורך בהרבה נחישות ואמונה כדי לשמור את כל השותפים ולהמשיך קדימה", אומר וקסמן. זו תחושה מאוד מספקת שהגענו עד הלום, וזה יקרה. כמעט כל האסטרונומים בארץ שותפים לפרויקט הזה, וכל האסטרונומיה בארץ תשתנה בעקבותיו". 

הדמיה של חדר הבקרה של אולטראסט (למטה) ושל מרכז המבקרים הצמוד אליו, המתוכננים במכון ויצמן למדע | מקור: מכון ויצמן למדע
מנסים להצליח יחד כדי להבין טוב יותר את היקום. הדמיה של חדר הבקרה של אולטראסאט (למטה) ושל מרכז המבקרים הצמוד אליו, המתוכננים במכון ויצמן למדע | מקור: מכון ויצמן למדע

"שיתוף הפעולה בפרויקט הזה הוא יוצא דופן. זהו שיתוף הפעולה הגדול מסוגו בין התעשייה לאקדמיה בארץ, וגם יש שיתוף פעולה ייחודי בין המדענים עצמם", מוסיף שורצולד. "יש הרבה תחרות בין המדענים, אבל כולנו מנסים להצליח יחד, במטרה משותפת להבין טוב יותר את היקום". 

נוסף על המשימה המדעית של טלסקופ החלל, יש לו גם משימה חינוכית שמוביל מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע. "אני חושב שיהיה לטלסקופ הזה אימפקט חינוכי גדול", אומר וקסמן. "החשיפה הגדולה שלו תעודד חינוך למדע ולטכנולוגיה, ותסייע לעודד צעירות וצעירים ללמוד מדעים והנדסה, ותתרום להגדלת קהילת החלל האזרחי בישראל". 

עוד הרבה לפני שאולטראסאט מוכן לצאת לדרך ההיסטורית שלו, ולהתבונן למקומות מרוחקים ביקום, וקסמן ועמיתיו כבר מסתכלים הרבה יותר רחוק. "אנו נכוון לכך שיהיה טלסקופ ישראלי בחלל כל הזמן, וכבר מתחילים לחשוב על הפרויקט הבא, אולי טלסקופ קרני רנטגן בעל שדה רחב", מסכם וקסמן. "ישראל צריכה לשגר לוויין כזה כל חמש שנים. נוכיח שאפשר לעשות זאת עם תקציב בסדר גודל כזה, ולהצעיד את המדע קדימה".