כך מראה מלבנית פשוטה עשויה להיות המפתח למציאת כדור הארץ השני

החיפוש אחר כוכבי לכת דמויי-ארץ הוא אחד האתגרים הגדולים במדע. התוכניות הנוכחיות דורשות טלסקופי ענק ויקרים שייקח עשורים לבנות. אבל מה אם הפתרון פשוט יותר? חוקרים מציעים רעיון מבריק: במקום מראה עגולה, לבנות טלסקופ עם מראה מלבנית ארוכה וצרה. הצורה המוזרה הזו מספקת רזולוציה מדהימה בדיוק איפה שצריך, והיא זולה וקלה יותר לשיגור. לפי הסימולציות, טלסקופ כזה יכול למצוא כ-27 עולמות ישיבים ולחפש בהם סימני חיים - במשימה של 3.5 שנים בלבד. האם שינוי צורה קטן הוא המפתח לתגלית הגדולה ביותר של האנושות?

באחד המירוצים המדעיים הגדולים והשאפתניים ביותר של המאה ה-21, המטרה אינה מדליית זהב או שיא עולם, אלא תשובה לשאלה עתיקת יומין שמלווה את האנושות מאז הרימה לראשונה את מבטה אל שמי הלילה: האם אנחנו לבד? החיפוש אחר כוכב לכת דמוי-ארץ, עולם סלעי המקיף שמש רחוקה במרחק הנכון כדי לאפשר קיומם של מים נוזליים, הפך לגביע הקדוש של האסטרונומיה המודרנית. סוכנויות חלל ברחבי העולם מתכננות משימות דגל בעלות של מיליארדי דולרים, טלסקופי ענק שיוכלו יום אחד לצלם ישירות את אותה נקודה כחולה חיוורת אחרת, ולנתח את האטמוספירה שלה בחיפוש אחר חתימות ביולוגיות - סימנים של חיים. אך האתגר הטכנולוגי הוא עצום, כמעט בלתי נתפס. כעת, צוות חוקרים בראשותה של פרופ' היידי ג'ו ניוברג (Heidi Jo Newberg) מהמכון הפוליטכני רנסלר (RPI), מציג הצעה מהפכנית, כמעט חתרנית, שעשויה לעקוף את המכשולים הגדולים ביותר במירוץ הזה. הם טוענים שהפתרון אינו טמון בבניית טלסקופים גדולים ומורכבים יותר, אלא בחשיבה שונה לחלוטין על הצורה הבסיסית ביותר שלהם. ייתכן, הם אומרים, שהמפתח לגילוי כדור הארץ השני אינו עיגול מושלם, אלא מלבן צר וארוך.

עיצוב קונספטואלי לטלסקופ חלל בעל מראה ראשית מלבנית בגודל 20 על 1 מטר. העיצוב, המבוסס על טכנולוגיות קיימות מטלסקופ החלל ג'יימס ווב, מתוכנן להתקפל באופן קומפקטי כך שיוכל להיכנס לרכב שיגור מודרני (כמו פאלקון כבד) ולהיפתח במלואו בחלל / Leaf Swordy/Rensselaer Polytechnic Institute.

כדי להבין את גאונותה של ההצעה הזו, צריך קודם להבין את הקושי. לצלם ישירות כוכב לכת דמוי-ארץ המקיף כוכב דמוי-שמש זה כמו לנסות לצלם גחלילית המרחפת סנטימטר אחד מפנס אצטדיון עצום, ממרחק של אלפי קילומטרים. אורו המסנוור של הכוכב חזק פי מיליארדים מאורו החיוור של כוכב הלכת המחזיר אותו. כדי להתגבר על הבוהק הזה, וכדי להצליח להפריד בין שתי נקודות האור הקרובות כל כך, נדרשת רזולוציה אופטית אדירה. על פי חוקי הפיזיקה, הרזולוציה של טלסקופ - יכולתו להבחין בפרטים קטנים - תלויה ישירות בגודל המראה הראשית שלו. כדי להפריד בין "ארץ" ו"שמש" ממרחק של כ-30 שנות אור, החישובים מראים שנדרשת מראה בקוטר של כ-20 מטרים. לשם השוואה, מראת טלסקופ החלל ג'יימס ווב, פאר היצירה ההנדסית הנוכחית, היא בקוטר 6.5 מטרים "בלבד". בנייה ושיגור של טלסקופ עגול בקוטר 20 מטרים נחשבת למשימה כה יקרה ומסובכת, עד שהיא נדחית לעתיד הרחוק, ומותנית בפיתוח טכנולוגיות שעדיין אינן קיימות.

כאן נכנס לתמונה הרעיון המהפכני של ניוברג וצוותה. במאמר שפורסם בכתב העת The Astrophysical Journal Letters, הם שואלים שאלה פשוטה אך עמוקה: האם אנחנו באמת צריכים רזולוציה גבוהה בכל הכיוונים? הרי המטרה שלנו היא רק להפריד בין שתי נקודות בכיוון אחד - הקו הדמיוני המחבר בין הכוכב לכוכב הלכת שלו. מה אם, במקום לבנות מראה עגולה וענקית, נבנה מראה ארוכה וצרה, כמו סרגל? הצוות הציע מודל לטלסקופ עם מראה ראשית מלבנית באורך 20 מטרים וברוחב של מטר אחד בלבד.

ההיגיון מאחורי העיצוב הזה מבריק. הציר הארוך, באורך 20 מטרים, מספק את הרזולוציה הפנומנלית הנדרשת כדי "לחתוך" את האור ולהפריד בין הכוכב לכוכב הלכת. הציר הצר, ברוחב מטר אחד, שומר על שטח איסוף האור הכולל של המראה קטן יחסית - 20 מטרים רבועים. לשם השוואה, טלסקופ מרובע עם אותו שטח איסוף יהיה בגודל של כ-4.5 על 4.5 מטרים, ולא תהיה לו הרזולוציה הדרושה אפילו להתחיל לחפש את כוכבי הלכת הללו. "עם מראה מלבנית, אפשר לעשות אותה ארוכה בכיוון אחד", מסבירה ניוברג בהודעה לעיתונות של מכון RPI. "אפשר לייצר מראה באורך 20 מטר שעדיין קטנה מספיק בכיוון השני כדי להיכנס לרכב שיגור קיים".

היתרונות של גישה זו הם דרמטיים. טלסקופ מלבני כזה יהיה קל יותר, זול יותר, ופשוט יותר לבנייה ושיגור מאשר מפלצת עגולה בקוטר 20 מטר. הוא ידרוש פחות קיפולים מורכבים בחלל מאשר טלסקופ ג'יימס ווב, ויתבסס על טכנולוגיות שכבר נוסו והוכחו. כמובן, יש גם חסרונות. מכיוון שהרזולוציה הגבוהה היא רק בכיוון אחד, והאסטרונומים לא יודעים מראש באיזה כיוון מקיף כוכב הלכת את הכוכב שלו, הם יצטרכו לצלם כל מטרה לפחות פעמיים, כאשר בין הצילומים הטלסקופ יסתובב ב-90 מעלות. הדבר מאריך את זמן התצפית הנדרש, אך כפי שהצוות מראה, התמורה גדולה לאין שיעור.

כדי להוכיח את היתכנות הרעיון, החוקרים הרכיבו סימולציה ממוחשבת מורכבת. הם יצרו קטלוג של 46 כוכבים דמויי-שמש הממוקמים במרחק של עד 10 פארסק (כ-33 שנות אור) מאיתנו. לאחר מכן, הם הריצו אלף סימולציות של יקומים אפשריים, ובכל אחד מהם יצרו כוכבי לכת באזור הישיב סביב אותם כוכבים, בהתבסס על המודלים הסטטיסטיים הטובים ביותר שבידינו. לבסוף, הם "צפו" ביקומים המדומים הללו עם הטלסקופ המלבני התיאורטי שלהם, ובדקו כמה כוכבי לכת הוא יצליח לגלות.

התוצאות היו מדהימות. סימולציה של משימה צנועה יחסית, באורך של כשנה אחת, הראתה שהטלסקופ המלבני יצליח לגלות כ-11 כוכבי לכת הנמצאים באזור הישיב. לא רק זאת, אלא שעבור כל אחד מהם, הוא יוכל לאסוף מספיק אור כדי לבצע ניתוח ספקטרלי בסיסי של האטמוספירה ולחפש נוכחות של גז אוזון - אחת החתימות הביולוגיות המבטיחות ביותר. במשימה ארוכה יותר, של כ-3.5 שנים, המספרים קופצים לגילוי של כ-27 כוכבי לכת ישיבים. נתון זה עומד ביעד המרכזי של משימת הדגל העתידית והיקרה של נאס"א, Habitable Worlds Observatory (HWO), שאמורה לגלות 25 עולמות כאלה - אך עושה זאת עם טלסקופ פשוט וזול משמעותית. "זוהי דרך להשיג את המטרה המדעית העיקרית של מצפה העולמות הישיבים, למצוא 25 כוכבי לכת ישיבים ולחפש סימני חיים, באמצעות טלסקופ קטן ופשוט יותר שיכול להיות משוגר מוקדם יותר, ובכך להשיג תוצאות מדעיות גדולות מהר יותר", אומרת ניוברג.

תרשים סכמטי של נתיב האור בטלסקופ המלבני. לאחר שהאור נאסף על ידי המראה הראשית והמשנית, הוא מגיע לקורונגרף מסוג AIC. הקורונגרף מפצל את אלומת האור, הופך את הפאזה של מחציתה, ומאחד אותן מחדש – תהליך הגורם לאור מהכוכב לבטל את עצמו, ובכך חושף את אורו החיוור של כוכב הלכת.

הרעיון לעיצוב המלבני לא צץ יש מאין. הוא נולד מעבודתה הקודמת של ניוברג על קונספט רדיקלי אחר של טלסקופ, המכונה "דיטוסקופ" (Dittoscope), המשתמש בסריג דיפרקציה ענק (מעין מראה מפוספסת) במקום מראה רגילה כדי לאסוף אור. "במקור, חשבנו שהרעיון המהפכני שלנו היה השימוש בסריג דיפרקציה כמראה הראשית", היא מסבירה, "אך בהמשך הבנו שהיכולת להבחין בין כוכב לכוכב לכת שלו נבעה מהצורה המלבנית של המראה". התובנה הזו הובילה אותם לזנוח את הרעיון המסובך של סריג הדיפרקציה, וליישם את לקח הצורה המלבנית על טכנולוגיית מראות קונבנציונלית ומוכחת.

ההצעה של ניוברג וצוותה אינה חפה מאתגרים הנדסיים, כמו הבטחת יציבות מבנית ותרמית של מראה ארוכה ודקה בחלל, אך לדבריהם, אלו אתגרים שהטכנולוגיה שפותחה עבור ג'יימס ווב כבר הוכיחה שניתן להתמודד איתם. ההצעה שלהם מגיעה בתזמון קריטי, בזמן שנאס"א וסוכנויות חלל אחרות נמצאות בשלבי תכנון מוקדמים של הדור הבא של טלסקופי החלל. היא מציגה נתיב חלופי, אולי פרגמטי וחכם יותר, להשגת אחת המטרות הנעלות ביותר של המדע. במקום להשקיע את כל המשאבים במשימת ענק אחת, יקרה ומסוכנת, ניתן אולי לשגר תחילה "סייר" מהיר ויעיל, טלסקופ מלבני שימפה את שכונתנו הגלקטית, יזהה את המטרות המעניינות ביותר, ויסמן את הדרך למשימות המשך מורכבות יותר שיבצעו את האפיון המדויק.

החיפוש אחר חיים מחוץ לכדור הארץ הוא מסע ארוך ורצוף אתגרים, הדורש לא רק תקציבי עתק, אלא גם חשיבה יצירתית ונועזות. ההצעה של טלסקופ מלבני היא דוגמה מזהירה לחשיבה כזו. היא מזכירה לנו שלפעמים, הפתרון האלגנטי ביותר אינו טמון בבניית מכונה גדולה יותר, אלא בשינוי נקודת המבט שלנו על הבעיה עצמה. ייתכן שהדרך אל העולמות החדשים אינה עוברת דרך עדשה עגולה ומושלמת, אלא דרך מלבן פשוט, סרגל קוסמי שמכוון אותנו אל עבר התגלית הגדולה מכולן.

המחקר:

The case for a rectangular format space telescope for finding exoplanets