ראיות מוקדמות לכוכבי לכת מחוץ למערכת השמש בפלטות צילום בנות מאה שנה

הר ווילסון הוא המקום שבו נתגלו בתחילת המאה ה-20 חלק מהתגליות המכוננות בידע שלנו על הגלקסיה ועל היקום. אך יש גם תגלית פחות ידועה, תגלית מלפני מאה שנה, תגלית שלא זוהתה ולא הוערכה עד לאחרונה – הראיות הראשונות לקיומם של כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש, אם יודעים היכן לחפש אותן 

מתחת למשרד אלגנטי עם גג רעפים אדום בסגנון ספרדי בפסדינה, קליפורניה, יושבים שלושה מחסנים שאותות הזמן ניכרים בהם, ובמחסנים אילו שמורים היטב ממצאים של יותר ממאה שנה של אסטרונומיה. מי שיורד במדרגות ופונה ימינה, מוצא את עצמו במרתף קסום. אינספור קופסאות ומגירות מעץ, מסודרות בערימות מהרצפה ועד לתקרה, עם לוחות צילום של טלסקופים, ציורי כתמי שמש, ורשומות רבות ושונות. ריח אמוניה ממלא את האוויר, ריח שמזכיר סרטי צילום ישנים.

אחד מחדרי האיחסון מוגן על ידי דלת שחורה עם שלט שעלוי כתוב “דלת זו צריכה להשאר סגורה”.

במצפי הכוכבים של קרנגי מאוחסנים יותר מ-250,000 לוחות צילום שצולמו במצפי הר ווילסון, פאלומר, ולאס קמפנאס. בימי השיא שלהם, הטלסקופים של הר ווילסון, אחד בקוטר 60 אינץ’ (כ-1.5 מ’) והשני בקוטר 100 אינץ’ (כ-2.5 מ’), הגדול מביניהם ראה אור כוכבים לראשונה ב-1 בנובמבר, 1917 – היו הטלסקופים המתקדמים ביותר בעולם. התצפיות שנעשו באמצעותם שינו את הבנתנו לגבי מקומנו ביקום. אך פלאי הטכנולוגיה הללו הקדימו את זמנם – ובמקרה אחד, קלטו סימנים לעולמות רחוקים כמאה שנה לפני שניתן היה לזהות אותם.

הר ווילסון היה האתר שבו נתגלו חלק המהתגליות החשובות על הגלקסיה שלנו ועל היקום בתחילת המאה ה-20. שם הבין אדווין האבל (Edwin Hubble) שלא ייתכן שגלקסיית שביל החלב מהווה את כל היקום שלנו, כיוון שאנדרומדה (או M31) רחוקה יותר מפאתיה הרחוקים ביותר של הגלקסיה שלנו. לוח הצילום מטלסקופ הוקר  (100-inch Hooker) מ-1923, ששימר את אותה הבנה מכוננת, הוגדל לפוסטר ענק המוצג מחוץ למחסנים של קרנגי.

האבל ומילטון יומאסון (Milton Humason) שהתחיל את הקריירה שלו בהר ווילסון כשרת, עבדו יחד בחקר היקום ובחקר התפשטות היקום. באמצעות הטלסקופים המיתולוגיים, ובשילוב עם נתונים ממצפה לוול בפלגסטף, אריזונה, הם זיהו שמצבורי גלקסיות מתרחקים זה מזה – והגלקסיות הרחוקות יותר מתרחקות זו מזו במהירות גבוהה יותר.

אך ישנה תגלית הרבה פחות ידועה, גם היא מארכיון הר ווילסון, תגלית שלקח מאה שנה עד שרק לאחרונה הובנה כהלכה: הראיות הראשונות לכוכבי לכת מחוץ למערכת השמש.

סיפור בלשי

הסיפור התחיל עם בן צוקרמן, פרופסור אמריטוס לאסטרונומיה באוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג’לס, קליפורניה. פרופ’ צוקרמן הכין הרצאה על הרכבם החומרי של כוכבי לכת וגופים סלעיים קטנים יותר מחוץ למערכת השמש שלנו בשביל סימפוזיון שנערך ביולי, 2014. הוא הוזמן על ידי גאיי פריהי (Jay Farihi) – צוקרמן היה המנחה של פריהי כשפריהי למד באוניברסיטת קליפורניה. פריהי הציע שצוקרמן ירצה על זיהום של ננסים לבנים – כוכבים מתים, שמאירים בעוצמה חלשה, ומורכבים ברובם ממימן ומהליום. המשמעות של “זיהום” באסטרונומיה, היא פלישתם של יסודות כבדים יותר אל הפוטספירות – האטמוספירות החיצוניות – של כוכבים אילו. אותם יסודות כבדים נוספים, לא אמורים להיות שם – כח הכבידה החזק של ננס לבן אמור למשוך את היסודות אל תוך הכוכב, ומחוץ ליכולת שלנו לראותם.

הננס הראשון המזוהם שזוהה נקרה כוכב פן מאנן (Van Maanen’s star)  – או “van Maanen 2” בספרות המדעית. הוא נקרא על שם מגלה הכוכב אדריאן פן מאנן. פן מאנן גילה אותו ב-1917 על ידי כך שהוא זיהה תנועה קלה יחסית לכוכבים אחרים בין השנים 1914 ו-1917. האסטרונום וולטר סידני אדאמס, שיותר מאוחר מונה לתפקיד מנהל מצפה הר ווילסון, לכד את הספקטרום – טביעת האצבע הכימית – של הכוכב של פן מאנן על לוח צילום קטן באמצעות טלסקופ ה-60 אינץ’ של הר ווילסון. אדאמס פירש את הספקטרום כספקטרום המאפיין כוכב מסוג F, ככל הנראה על פי הנוכחות המשמעותית של סידן ועל  סמך מאפייני בליעת אור נוספים האופיינים ליסודות כבדים, אך עם טמפרטורה קצת יותר גבוהה מהטמפרטורה של השמש שלנו. ב-1919 פן מאנן כינה אותו “כוכב עם אור מאוד חלש”.

כיום ידוע לנו שכוב פן מאנן, שנמצא במרחק של ב-14 שנות אור, הוא הננס הלבן הקרוב ביותר לכדור הארץ שאינו חלק ממערכת בינארית.

“הכוכב הזה הוא סמל”, אמר פריהי לאחרונה. “הוא הראשון מסוגו. למעשה הוא האב-טיפוס.”

בזמן שצוקרמן הכין את ההרצאה, קרה לו משהו שבדיעבד הוא כינה “רגע ההארה שלו”. כוכב פן מאנן הוא התצפית הראשונה שיש בה ראיה לקיומם של כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש – משהו שלא היה ידוע לאסטרונומים שחקרו אותו ב-1917, ולא היה ידוע לאסטרונומים שהרהרו בו במשך עשרות שנים לאחר שנתגלה.

מה זה קשור לכוכבי לכת מחוץ למערכת השמש?

יסודות כבדים בשכבה החיצונית של הכוכב לא יכולים היו להווצר בתוך הכוכב, כיוון שהם מייד היו שוקעים עקב כוח המשיכה החזק  הננס הלבן. עם גילויים של ננסים לבנים נוספים עם יסודות כבדים בפוטוספירות שלהם, התפתחה הסברה אצל מדענים שמקורם של החומרים האקזוטיים הוא ודאי בתווך הבין-כוכבי – כלומר, יסודות שנעים בחלל שבין הכוכבים.

ב-1983, יותר מ-70 שנה לאחר שנשמר הספקטרום של כוכב פן מאנן, צוקרמן ושותפו למחקר אריק בקלין (Eric Becklin) דיווחו על עוצמה יתרה של אור אינפרה-אדום מסביב לננס לבן. הם סברו שמקורו היה ב”כוכב כושל” עם עוצמה נמוכה, ננס חום. ב-1990 הפרשנות שלהם הייתה שזוהי דסקת אבק חמה המקיפה את ננס לבן. בתחילת שנות ה-2000 פותחה תיאוריה חדשה על זיהום ננסים לבנים: כוכבי לכת יכולים למשוך גופים סלעיים קטנים אל עבר הכוכב, וכוח המשיכה החזק של הכוכב מרסק את הגופים הקטנים לאבק. האבק, המכיל יסודות כבדים מהגוף שרוסק, נופל על הכוכב.

“העקרון החשוב הוא: אם אתה אסטרואיד או כוכבד שביט, אתה לא יכול סתם לשנות כתובת. אתה צריך שמישהו יזיז אותך,” מסביר פריהי.”המועמדים הטובים ביותר להיות אילו שמזיזים אותך, הם כוכבי לכת.”

טלסקופ החלל שפיצר (Spitzer) שיחק תפקיד חיוני בהרחבת חקר הננסים הלבים המזוהמים המוקפים על ידי דיסקות אבק חמות. מאז שיגורו בשנת 2004, ספיצר אישש תצפיות של כ-40 כוכבים מסוג זה. טלסקופ חלל נוסף של נאסא, WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer – סורק שדה רחב באינפרא-אדום), גילה גם קומץ כוכבים דומים, והעלה את מספר הכוכבים הידועים לכארבעה תריסרים. כיוון שגרמי שמיים אילו הם בעלי עוצמת תאורה נמוכה, יש צורך באור אינפא אדום כדי לזהות אותם.

לדברי פריהי לא ניתן למדוד במדויק את כמות האור האינפרא-אדום שמגיעה מהעצמים באמצעות טלסקופים שנמצאים על הקרקע. וטלסקופ ספיצר פרץ את התחום לרווחה.

צוקרמן ועמיתיו פירסמו בשנת 2007 תצפיות של אטמוספירה של ננס לבן עם 17 יסודות – חומרים הדומים לחומרים הנמצאים במערכת הארצית-ירחית. התצפיות תמכו בתיאורית “דיסקת האבק” סביב ננסים לבנים. (פרופסור מייקל ג’ורה המנוח (Michael Jura) מאוניברסיטת קליפורניה, שתרם תרומות חיוניות למחקר ננסים לבנים מזוהמים, היה חלק מצוות המחקר).

הייתה זו ראיה נוספת לכך שלפחות גוף סלעי אחד – אולי אפילו כוכב לכת – רוסק על ידי כוח המשיכה של ננס לבן. כיום מדענים נוטים להסכים שלננס לבן עם יסודות כבדים בספקטרום שלו יש ככל הנראה לפחות חגורת שפוכת סלעית אחר – שאריות של גופים שהתנגשו זה בזה באלימות ולעולם לא יצרו כוכבי לכת – ולפחות כוכב לכת אחד.

יסודות כבדים שבמקרה נעו בתווך הבין כוכבי אינם יכולים לספק הסבר לתצפיות. לדברי צוקרמן, כ-90 שנה לאחר תגליתו של פן מאנן, אסטרונומים אמרו “רגע – מודל הצמיחה מיסודות בין כוכביים לא יכול להיות נכון.”

רדיפה אחרי הספקטרום

בהשראת צוקרמן, פריהי נשבה בקסמו של הרעיון שמישהו צילם ספקטרום עם הראיות הראשונות לכוכבי לכת מחוץ למערכת השמש כבר ב-1917, ושחייב להיות איזשהו רישום של אותה תצפית. “תפסתי את השאלה בשתי ידיים, ולא הייתי מוכן לעזוב אותה.” סיפר פריהי.

פריהי פנה אל מצפה הכוכבים קרנגי, שבבעלותו נמצאים הטלסקופים של הר ווילסון, והוא גם אחראי על הארכיונים שלהם. מנהל קרנגי ג’והן מלקייהי נתן את המשימה למתנדב דן קוהן. קוהן חפר בארכיונים ולאחר יומיים מלקייהי שלך לפריהי תמונה של הספקטרום.

פריהי תיאר את תגובתו: “אני לא יכול לומר בכנות שהייתי בשוק, אבל קפצתי בשמחה מהכסא כשראיתי שטביעת האצבע נראתה שם, וניתן לראות אותה אפילו בעין.”

הספקטרום של כוכב פן מאנן שפריהי ביקש נמצא כיום בשרוול ארכיון קטן, ועליו סיום תאריך בכתביד “24 אוקטובר 1917” ופתק דביק צהוב בן-זמננו “ככל הנראה  – הרשומה הראשונה לכוכב לכת מחוץ למערכת השמש”.

בינתיה האנט (Cynthia Hunt), אסטרונומית המשמשת כיו”ר ועדת ההסטוריה של קרנגי, הוציאה את לוח הצילום מהמעטפה והניחה אותו על מכשיר תצוגה שהאיר אותו. גודל הספקטרום עצמו הוא קצת יותר מ-0.4 ס”מ.

למרות שבמבט ראשון לא רואים שום דבר מיוחד בלוח, פריהי ראה שני “ניבים” בולטים המייצגים נפילות בספקטרום. בשבילו, זה היה האקדח העשן: שני קווי בליעה מאותו יון סידן, כלומר שני יסודות כבדים בפוטוספירה של הננס הלבן – מה שמראה שככל הנראה יש לו לפחות כוכב לכת אחד. הוא כתב על כך ב-2016 ב- Astronomy Reviews.

כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש ודיסקות שפוכת

הסברה הרווחת בין מדענים כבר זמן רב הוא שכוח המשיכה של כוכבי לכת ענקיים מחזיק את חגורות השפוכת במקומן. מחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת The Astrophysical Journal הראה שלכוכבים צעירים עם סידקות אבק ושפוכת יש סיכוי גבוה יותר שיהיו להם כוכבי לכת ענקיים במרחק גדול מהכוכב מאשר לכוכבים בלי חגורות אבק.

ננס לבן הוא לא כוכב צעיר- נהפוך הוא, הוא נוצר כשכוכב שמסתו היא נמוכה עד בינונית שרף את כל הדלק שלו. אך העקרון הוא אותו עקרון: כח המשיכה של כוכבי הלכת הענקיים יכול להשליך גופים סלעיים קטנים אל עבר הננס הלבן.

השמש שלנו תהפוך לענק אדום בעוד כ-5 מיליארד שנים, והיא תגדל עד כדי כך שהיא תבלע גם את כדור הארץ לפני שהיא תשיל את השכבות החיצוניות שלה ותהפוך לננס לבן. בשלב זה, השפעת כח המשיכה של צדק על רצועת האסטרואידים עשויה לגדול, ולהשליך אסטרואידים אל עבר השמש הדועכת. תרחיש זה עשוי להסביר את היסודות הכבדים בכוכב פן מאנן.

התצפיות של ספיצר על כוכב פן מאנן לא מצאו שם עד כה כוכבי לכת. למעשה, עד היום לא נמצאו כלל כוכבי לכת המקיפים ננסים לבנים, למרות שלאחד מהם יש עצם שהסברה היא שהוא כוכב לכת ענק. ראיות משכנעות נוספות נתגלו בשנים האחרונות. צוקרמן ומדענים נוספים, לאחר תצפיות שנעשו במצפה W.M Keck  בהוואי, הודיעו שהם גילו ראיות לעצם דמוי חגורת קויפר שנבלע על ידי ננס לבן.

מדענים עדיין חוקרים ננסים לבנים מזוהמים ומחפשים את כוכבי הלכת שאולי מקיפים אותם. כ-30%  מכל הננסים הלבנים הידועים לנו הם ננסים לבנים מזוהמים., אך קשה למצוא את דיסקות השפוכת שלהם. פרופ’ ג’ורה העלה את האפשרות שכיוון שאסטרואידים רבים מתנגשים בשפוכת, ייתכן שהאבק הופך לגז, וקשה יותר לגלות גז באינפרא-אדום כיוון שאין לו את אותו אות אינפרא-אדום שיש לאבק.

פריהי היה מאוד נרגש שעבודת הבלשות שלו בארכיון הר ווילסון הניבה כאלו תוצאות. ב-2016 הוא תיאר את התגלית ההסטורית בהקשר של מאמר על ננסים לבנים מזוהמים, וטען שננסים לבנים מהווים “מטרות משכנעות למחקר מערכתי על כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש”.

מי יודע אילו אוצרות נוספים ממתינים שיגלו אותם בארכיונים של מצפי הכוכבים הגדלות – רשומות של תצפיות על שמי הקוסמוס עתירי דקויות. סקרנותם של אנשים שישאלו את השאלות הנכונות עשויה להוביל אותם לרמזים נוספים.

פריהי אמר:”האינטראקציה האישית עם הנתונים יכולה לדרבן אותנו להיות מחויבים לשאלות שאנחנו שואלים.”

תורגם

Overlooked Treasure: The First Evidence of Exoplanets