פרס נובל יוענק השנה לשלושה אסטרופיזיקאים על גילויים הקשורים בקרינת הרקע הקוסמית ועל הגילוי הראשון של כוכב לכת במערכת שמש אחרת
פרס נובל בפיזיקה יוענק השנה בחציו לג'יימס פיבלס (Peebles) מקנדה על שורה של פריצות דרך בתחום הקוסמולוגיה, השופכות אור חדש על מבנה היקום באמצעות מחקרים תיאורטיים, בין השאר על קרינת הרקע הקוסמית; ובחציו השני לאסטרופיזיקאים השוויציים מישל מאיור (Mayor) ודידיה קלו (Queloz) על הגילוי הראשון של כוכב לכת במערכת שמש אחרת. שניהם חלקו לפני שנתיים פרס וולף על הגילוי הזה.
על קרינה קוסמית ועל גילוי כוכב לכת מחוץ למערכת שלנו. מימין: פיבלס, מאיור וקלוז, חתני פרס נובל בפיזיקה 2019 | אתר פרס נובל
הרקע של היקום
בשנת 1964 ניסו שני אסטרופיזיקאים אמריקאים, ארנו פנזיאס (Penzias) ורוברט וילסון (Wilson), להיפטר מרעשי רקע מעצבנים שהפריעו לעבודתם עם טלסקופ רדיו חדש ומתקדם. בסופו של דבר הם הבינו כי מקורם של רעשי הרקע אינו אלא היקום עצמו - קרינת מיקרו קוסמית - גילוי שזיכה אותם ב-1978 בפרס נובל בפיזיקה. את ההסבר התיאורטי לקרינה הזו סיפקו כמה מדענים, בראשם ג'יימס פיבלס. הוא נולד בוויניפג שבקנדה ב-1935, והשלים דוקטורט באסטרופיזיקה באוניברסיטת פרינסטון, שם נשאר כחוקר. מחקריו של פיבלס בפיזיקה תיאורטית עסקו בין השאר ביקום המוקדם, והוא הבין כי התקררות היקום הלוהט לטמפרטורה של כמה אלפי מעלות במהלך 400 אלף השנים הראשונות לאחר המפץ הגדול, איפשרה את השינויים במבנה החומר וגרמה ליקום הצעיר לפלוט קרינה, המכונה כיום "קרינת הרקע הקוסמית", שאותה גילו וילסון ופנזיאס. הוא גם הבין כי האנרגיה של הקרינה הזו יכולה לגלות מידע רב על ראשית היקום - למשל, אפשר לחשב באמצעותה את כמות החומר שנוצר במפץ הגדול ולהבין את התהליכים שעברו על היקום הצעיר בתחילת דרכו.
הרעיונות התיאורטיים של פיבלס בדבר היווצרות הקרינה הקוסמית והתהליכים של ראשית היקום קיבלו אישוש נוסף ב-1992, כשמדידות של הלוויין COBE (ובהמשך לוויינים נוספים), אישרו את התחזיות שלו במדידות מדויקות של הקרינה הקוסמית, שגם זיכו את צוות המחקר בפרס נובל בפיזיקה ב-2006.
שרידים מוחשיים מהמפץ הגדול. מפה של קרינת הרקע הקוסמית ביקום | מקור: Science Photo Library
האביר האפל
כבר במחצית הראשונה של המאה העשרים הבינו הקוסמולוגים כי תמונת היקום שלנו רחוקה מלהיות שלמה, ויש בה חוסרים רבים. אחד מהם הוא המסה ששומרת על הגלקסיות בצורתן הנוכחית ומונעת מהן להתפזר לכל עבר. בשנות ה-60 וה-70 הגיעו כמה חוקרים, בהם האסטרופיזיקאית ורה רובין (Rubin), למסקנה כי צריכה להיות עוד מסה סביב הגלקסיות, שאיננו יכולים לראות או למדוד בצורה אחרת. המסה החסרה הזו קיבלה את הכינוי חומר אפל, ושאלת טיבה העסיקה - ועדיין מעסיקה - חוקרים רבים. ב-1982 הציע פיבלס את אחת התחזיות הראשונות בדבר טבעו של החומר האפל, לפיה מדובר בחלקיקים כבדים וקרים, כלומר איטיים מאוד, שאינם מגיבים עם החומר המוכר לנו. על פי החישובים, חומר אפל מרכיב כ-26 אחוז מהמסה של היקום, ואף על פי שמדענים ממשיכים לחפש אותו באמצעים קוסמולוגיים ובמאיצי חלקיקים, עד כה לא ידוע עליו דבר.
תעלומה נוספת שהקוסמולוגים מתמודדים עמה היא התפשטותו המואצת של היקום. כבר ב-1929 הראה האסטרונום אדווין האבל (Hubble) כי היקום מתפשט, ואולם, כדי "להצדיק" קצת התפשטות כזה, צריכה להיות ביקום הרבה יותר מסה, או אנרגיה, ממה שאנו רואים. את אחד ההסברים האפשריים לכך סיפק פיבלס במחקר שפרסם ב-1984, ובו הציע את האפשרות של אנרגיה הדוחפת את התפשטות היקום. התחזית שלו קיבלה משנה תוקף ב-1998 כאשר תצפיות העלו כי היקום לא רק מתפשט, אלא אף עושה זאת בקצב מואץ - גילוי שזיכה את העומדים מאחוריו בפרס נובל בפיזיקה ב-2011.
הרעיון של פיבלס למעשה החיה מחדש את "הקבוע הקוסמולוגי" שאלברט איינשטיין הוסיף למשוואות היחסות הכללית כדי להסביר את מה שחשבו אז - כי היקום נמצא במצב קבוע - והסיר אותו כשהתברר שהוא מתפשט. כיום מכנים את המסה ה"חסרה" הזו "אנרגיה אפלה", ועל פי החישובים היא מהווה כ-69 אחוזים מכלל המסה ביקום.
נוסף על פריצות הדרך התיאורטיות שלו, פיבלס גם היה ממניחי היסודות להפיכתה של הקוסמולוגיה לתחום מדעי לגיטימי, המתבסס על תצפיות ומדידות מדעיות ועל חישובים מתמטיים קפדניים. בין השאר הוא פרסם שלושה ספרי לימוד שהיו לאבני היסוד בתחום: קוסמולוגיה פיזיקלית (1971), מבנה היקום בקנה מידה גדול (1980) ועקרונות הקוסמולוגיה הפיזיקלית (1993).
עבודותיו המוכרות ביותר של פיבלס, ובראשן התחזית של קרינת הרקע הקוסמית והשלכותיה על מבנה היקום, ותחזיותיו בנוגע לחומר האפל ולאנרגיה האפלה, מצטרפות למחקרים רבים אחרים שלו העוסקים בהיווצרות החומר ביקום הצעיר ובתהליכים שעברו על היקום לאחר המפץ הגדול, ומספקות לנו הבנה טובה הרבה יותר מבעבר על המבנה הנוכחי של היקום ועל התהליכים שעיצבו אותו.
גילוי ששינה את המוסכמות בדבר דרך היווצרם של כוכבי לכת. מישל מאיור נואם בטקס קבלת פרס וולף | צילום: קרן וולף
כוכבי לכת בחוץ
כוכב לכת מסביב לשמש שרחוקה מאיתנו 50 שנות אור. מיקומו בשמים של Pegasi 51 | אתר פרס נובל
בין כחול לאדום
מישל מאיור נולד ב-1942 בלוזאן שבשוויץ, ובגיל 29 בלבד השלים דוקטורט באסטרופיזיקה באוניברסיטת ז'נבה, שם הוא מכהן גם היום כפרופסור. אחד מתחומי התמחותו היה מדידת מהירות של כוכבים. בשנות ה-70, כשהחלו חוקרים לחשוב על הרעיון של חיפוש כוכבי לכת במערכות שמש אחרות, אחת הגישות למחקר כזה הייתה כרוכה במדידה מדויקת של שינויים קטנים במהירות הכוכב.
כוכב לכת שחג סביב כוכב, כלומר סביב שמש, לא רק נמשך אל הכבידה של השמש שלו, אלא גם משפיע עליה ומסיט אותה מעט לעברו. מבחינה פיזיקלית אפשר לומר ששני הגופים חגים סביב מרכז כובד משותף, שבשל הבדלי המסות ביניהם הוא קרוב מאוד למרכזה של השמש. אם כוכב הלכת מספיק גדול, ואם צופים במערכת כזו מהזווית הנכונה, זה ייראה לצופה כאילו הכוכב מתקרב אליו ומתרחק ממנו לסירוגין. את השינוי הזה אפשר למדוד בזכות תופעה המכונה אפקט דופלר: תדירות הקרינה הנפלטת מגוף תיראה לנו גדולה יותר כאשר הוא מתקרב אלינו במהירות (או אנחנו אליו), וקטנה יותר כאשר הוא מתרחק. אם מודדים את אור הכוכב בעזרת ספטרוגרף המנתח את הרכב הקרינה, הצבעים שלו ייראו כחולים יותר כאשר הוא נע לעברנו, ואדומים יותר כאשר הוא מתרחק, תופעות שמכונות "הסחה לכחול" (blueshift) ו"הסחה לאדום" (redshift).
הטכנולוגיות שעמדו לרשות מאיור בשנות ה-70 עדיין לא איפשרו ביצוע של מדידות כאלה ברמת הדיוק הדרושה כדי לזהות הסחות קטנות כמו אלה הנגרמות מהמשיכה של כוכבי לכת. אבל עם הפיתוח של סיבים אופטיים ושל רכיבי CCD, שאיפשרו צילום דיגיטלי מתקדם (וזיכו את המפתחים בפרס נובל בפיזיקה ב-2009), טווח המדידה השתפר. גורם נוסף שעמד לצדו של מאיור היה תלמיד דוקטורט חדש ונמרץ שהצטרף לקבוצת המחקר שלו בתחילת שנות ה-90, בשם דידיה קלוז, יליד 1966.
המשימה של קלוז הייתה לפתח שיטות מדידה משוכללות יותר, ושיטות חישוב שיאפשרו להוציא יותר מידע מהמדידות הקיימות. לאחר כשנתיים של עבודה היה בידיהם ספקטרוגרף מתקדם, המבוסס בין השאר על השכלולים של קלוז. בתחילת 1995 הם ביצעו את התצפיות על כוכב Pegasi 51, וכעבור כמה חודשים של חישובים ובדיקות חוזרות ונשנות החליטו לפרסם את התגלית.
פוסטרים של "טיולים" לכוכבי לכת מחוץ למערכת השמש. מימין: Pegasi 51b, הראשון שהתגלה | NASA
גילוי שובר מוסכמות
הגילוי שלהם הפתיע חוקרים רבים, משום שההנחה המקובלת אז הייתה כי כוכבי לכת מסדר הגודל של צדק נוצרים - וחגים - רחוק הרבה יותר מהכוכב שלהם. ההישג שלהם סלל את הדרך לחיפוש כוכבי לכת דומים, ועד מהרה התגלו אלפי כוכבי לכת כאלה במגוון שיטות, גם בשיטת המהירות הרדיאלית שבה השתמשו מאיור וקלוז, וגם באמצעות מדידה של הירידה המחזורית בעוצמת האור של שמשות, כשכוכב לכת חולף בינינו לבינן.
הגילוי של מאיור וקלוז לא רק סלל את הדרך לזיהוי של כוכבי לכת רבים במערכות שמש אחרות, אלא גם להבנה טובה יותר בדבר דרכי היווצרותם של כוכבי לכת ושל מערכות שמש בכלל. גם הטכנולוגיות התקדמו עוד יותר ב-24 השנים מאז הגילוי, והן מאפשרות זיהוי של כוכבי לכת קטנים יותר ורחוקים יותר מהשמש שלהם, בהם תאומי ארץ, המזכירים בגודלם ובהרכבם את כדור הארץ. בשנים האחרונות התגלו גם כמה וכמה תאומי ארץ כאלה סביב גרמי שמיים קטנים יחסית, כמו ננסים אדומים, אפילו במערכת השמש הקרובה אלינו ביותר. חוקרים רבים מקווים כי ריבוי כוכבי הלכת גם מגדיל את הסיכוי לאיתור חיים אי שם במרחבי היקום, ואם כוכב הלכת דומה מספיק לכדור הארץ, אולי אפשר לקוות שגם התפתחו בו חיים דומים לשלנו. אם אכן יתגלו יום אחד חיים במערכת שמש אחרת, פריצת הדרך של מאיור וקלוז ודאי הייתה צעד חשוב בדרך לשם.
ההכרזה על הזוכים בפרס נובל בפיזיקה:
ההיסטוריה של מחקר כוכבי הלכת מחוץ למערכת השמש, משנות ה-90 ועד 2016, מסופרת כרצף שירי א-קפלה מתוך הסרט אלאדין:
