בראשית
מְגֵרָה אחת בארון המשרד שלי במחלקה לאסטרונומיה באוניברסיטת הרווארד מסומנת בתווית "רעיונות". היא מכילה קלסר ובו מעטפות חומות, גדושות דפים עמוסי משוואות. כל הזמן צצים בי רעיונות. הם פשוט מבעבעים ועולים, ואם אין לי זמן לעבוד עליהם אני פשוט מוסיף עוד פיסת נייר למגֵרה.
בשנים האחרונות אני עוסק בניסיון להבין את הפיזיקה המסובכת של "שחר היקום", התקופה שאורם של הגלקסיות והכוכבים הראשונים הבקיע מבעד לגז המימן שמילא את היקום הצעיר. ביחד עם עמיתַיי הרבים הסברנו איך נולדו הכוכבים הראשונים, איך אפשר להבחין בהתפרצויות קרינת גאמה ביקום המוקדם, איך צמחו חורים שחורים ענקיים והתמזגו זה עם זה, ואף, לראשונה, איך "לצלם" חור שחור. גילינו את האפשרות התיאורטית לקיומו של תהליך טבעי שמוביל להאצת כוכבים למהירות האור על ידי כוח הכבידה של זוג חורים שחורים במרכז גלקסיות (זוג החורים השחורים משמש כ״קלע״ המאיץ את "אבן הקלע" – הכוכב), וחקרנו איך כוכב נמתח לסילון דק בקִרבתו של חור שחור.
מחקרים תיאורטיים אלה הובילו לתצפיות בתופעות הפיזיקליות הקיצוניות הללו. רעיונותיי על היווצרות חיים ביקום הניבו מאמרים על חיפוש סימני חיים באטמוספירה של פלנטות מחוץ למערכת השמש, על דרכים להבחין באור שנשלח מציוויליזציות חוצניות קרובות (אם אכן קיימות כאלה), ועל השאלה איך יחקרו האסטרונומים של העתיד (הרחוק מאוד) את תולדות התפשטות היקום.
אני מנסה לטפח את התערובת הזאת של תיאוריה רצינית ומבוססת עם תחזיות הרפתקניות בקרב סטודנטים וחוקרים ב"מכון לתיאוריה ומִחשוב״ (ITC – Institute for Theory and Computation) בהרווארד, שאני עומד כיום (2015) בראשו.
נולדתי בשנת 1962 וגדלתי בבית חנן, מושב חקלאי כעשרים קילומטר מדרום לתל אביב. אבי ריכז את ענף גידול אגוזי הפקאן בישראל. למשפחתנו היו גם לולי תרנגולות ופרדסי תפוזים ואשכוליות.
תמונות ילדות ממושב בית חנן
אחרי איסוף ביצים וביצוע עבודות אחרות יחד עם אחיותיי הגדולות הייתי נוסע בטרקטור אל הגבעות וקורא ספרים מאת פילוסופים אקזיסטנציאליסטים כמו ז׳ן פול סרטר או אלבר קאמי, שאמי קנתה עבורי. נדמה לי שאפשר לזהות השפעה של חלק מן הפילוסופים האלה בכמה מן הקטעים המובאים בחלקו השני של הספר, שנכתבו כשהייתי בן שמונה-עשרה בערך.
בגיל שמונה-עשרה התקבלתי לתכנית "תלפיות" בצה"ל. למדתי פיזיקה ומתמטיקה באוניברסיטה העברית בירושלים. אחר כך עבדתי ב"מרכז למחקר גרעיני בנחל שורק", ושם עמדתי בראש מחקר לפיתוח כלי נשק חדש, שהיה אמור לפעול באמצעות זרמים חשמליים שיציתו חומרים בעלי משקל אטומי נמוך יותר מאבק שרפה, כגון פּוליאֶתילֶן. בגיל עשרים וארבע קיבלתי תואר דוקטור בפיזיקה של הפלזמה, ושנתיים לאחר מכן סיימתי את שירות החובה.
עבודתי במרכז שורק עוררה את התעניינותו של הגנרל ג'יימס אבּרַהמסון מחיל האוויר של ארצות הברית, והוא בא לישראל במסגרת תפקידו כמנהלה הראשון של תכנית "היוזמה להגנה אסטרטגית" של הנשיא דאז, רונלד רייגן. אנשיו צוותו של הגנרל הזמינו אותי לבקר בארצות הברית, ושם הופניתי אל "המכון ללימודים מתקדמים"(IAS – Institute for Advanced Study) בפרינסטון, ניו-ג'רסי, בהמלצת בכיר הפיזיקאים של הפלזמה, מרשל רוֹזֶנבּלוּת. האסטרופיזיקאי ג'ון בּאקַל הזמין אותי לשהוּת של חודש במכון. בתום ביקור זה הוא הדהים אותי בהצעה למשׂרה של חמש שנים – בתנאי שאעבור ממחקר הפיזיקה של הפלזמה למחקר באסטרופיזיקה.
הייתי צריך ללמוד הכול מהתחלה. לא ידעתי אפילו איך השמש זורחת. פלזמה היא מצב הצבירה של חומר בטמפרטורות גבוהות כשהאטומים בתוכו מפורקים לאלקטרונים חופשיים בעלי מטען חשמלי שלילי ולחלקיקים בעלי מטען חיובי, שקרויים יונים. למרות שרוב החומר ביקום כיום קיים במצב צבירה של פלזמה (בין היתר, השמש ושאר הכוכבים מכילים פלזמה), פיזיקת הפלזמה מתרכזת בתנאי מעבדה שאינם קשורים לחקר היקום. זו הייתה קפיצה גדולה כי נדרשתי ללמוד עובדות בסיסיות לפני שיכולתי לכתוב מאמרים מקוריים ורלוונטיים באסטרופיזיקה. תחום המחקר העיקרי שהקמתי ב"תלפיות" עסק בשאלה מתי ואיך הפך החומר האטומי ביקום לפלזמה.
תחום המחקר הראשון שיזמתי התמקד ב"עידן היינון המחודש" (reionization era) – פרק זמן ארוך, שהחל כמאה מיליון שנה אחרי המפץ הגדול (שהתרחש לפני כ-13.8 מיליארד שנה), ובו פילח אור על-סגול מכוכבים וגלקסיות את הערפל הקוסמי האפל של המימן הנייטרלי ופירק אותו לפרוטונים ולאלקטרונים. בכמה מאמרים, שכתבתי עם סטודנטים ופוסט-דוקטורנטים, ניסיתי להסביר את הפיזיקה שמתארת איך התפשטו "בועות" של מימן מיוּנן ולבשו צורות שנעשו מורכבות יותר ויותר, כמו ספוג קוסמי שנקבוביותו גוברת עם הזמן, בעת שניצתו הכוכבים הראשונים והקוואזרים. במחקריי קישרתי את תהליך היינון, כלומר הפיכת האטומים ביקום לפלזמה, ליצירת אור הכוכבים הראשונים ביקום. אפשר לומר שעסקתי בגִרסה מדעית לפסוק מספר בראשית, ״ויהי אור״.
המימן הנייטרלי מאותה תקופה מוקדמת פלט קרינה באורך גל של 21 סנטימטר. מחישובים שערכתי עלה שאנטנות רדיו בתדירות נמוכה על פני כדור הארץ יכולות לקלוט את הקרינה הזאת, שנמתחה לאורך גל של עד שלושה מטרים בגלל התפשטות היקום הנמשכת והולכת. ככל שהמימן מרוחק יותר כן נמתח אורך הגל הנצפה של הקרינה הנפלטת ממנו. בדקתי בפרוטרוט איך יכולים אסטרונומים להיעזר בשינוי באורך הגל הנצפה (הקרוי בספרות המקצועית "הסחה לאדום") כדי לשרטט אטלס תלת-ממדי של ערפילי המימן האטומי שפורק למרכיביו בשחר היקום, תהליך שנמשך כמיליארד שנה.
אני גאה גם במספר מפעלים אחרים שסייעו להתוות דרך לחוקרים. ראשית, במחקר משנת 1992 בפרינסטון הראיתי, לצד אנדרו גוּלד, שפלנטות החגות סביב כוכבים אחרים יכולות להתגלות בזכות הבזקי אור של כוכבים רחוקים מאחוריהן שנוצרים עקב מיקרו-עידוש כבידתי (gravitational microlensing) – עיוות במסלולן של קרני אור בהשפעת שדה הכבידה של הפלנטות. זו הדרך היחידה הידועה עד כה לחשוף פלנטות של כוכבים מרוחקים בשביל החלב. כעבור עשור, במהלך שבתון בפרינסטון, הצעתי עם הפוסט-דוקטורנט סקוט גאודי שיטה חדשה נוספת לאיתור פלנטות. השיטה מבוססת על מדידת ההשתנות בבהירות הכוללת של הכוכב כתוצאה מתנועתו לכיוון הפלנטה. שימוש בטכניקה זו הוביל לאחרונה לגילוי פלנטה חדשה מנתונים שאסף הלוויין קפלר. בערך באותו זמן, עמיתי ואני חישבנו שהתפרצויות קרינת גאמה – הפיצוצים האדירים ביותר הידועים לאדם – הרחק בשולי היקום הנראה, עדיין יכולים להיראות בטלסקופים. הלווין סוויפט של נאס"א אימת את התחזיות האלה.
המחקרים האלה משקפים עיקרון חשוב של עבודתי: מגע הדוק עם הנתונים. אני נמנע מהשערות מתמטיות ומתיאוריות "בועה", כמו תורת המיתרים, ואני מנסה להרחיק מהן גם את תלמידיי. יש מציאות. מסוכן לעבוד לפי הפשטות בלי היזון חוזר של נתונים.
גם מאמרים שאני מפרסם ושיש בהם סיכון רב יותר מבססים את הערכותיהם על נתונים פיזיקליים עדכניים. לדוגמה, ביחד עם פוסט-דוקטורנט ב-ITC, ט''ג' קוקס שמו, ערכנו הדמיה של ההתנגשות בין שביל החלב ובין הגלקסיה השכנה שלנו, אנדרומֶדה, שעתידה להתחיל בעוד כשני מיליארד שנה. מערכת השמש שלנו, כך הסקנו, תוטל כמִקשה אחת כנראה אל שולי הגלקסיה הענקית שתיווצר, שקראתי לה "שבילוֹמֶדה" (ובאנגלית Milkomeda). בעתיד הרחוק, בגלל התאוצה הנמשכת והולכת של התפשטות היקום עקב האנרגיה האפלה (כפי שמתואר בהמשך) לא יוכלו תושבי כדור הארץ (אם אכן יהיו כאלה) לראות את כל הגלקסיות האחרות. ואף על פי כן יוכלו האסטרונומים של שבילוֹמֶדה לשחזר את מה שקרה בזכות כוכבים שיברחו ממנה למרחב הרחוק. כוכבים אלה יגדילו את מהירות בריחתם ככל שיתרחקו מאתנו ויאפשרו לתצפיתנים להסיק שהתפשטות היקום מאיצה.
גלקסית האנטנה: התמזגות של שתי גלקסיות
לאחרונה התחלתי להתעניין באפשרות להבחין באותות חיים מחוץ לכדור הארץ. אחד האותות האלה יהיה סימני חמצן ספקטרליים באטמוספירה של פלנטה סלעית. הספקטרום הוא קשת הצבעים שמרכיבים את האור מכל מקור בשמַים; והוא מכיל מידע על האטומים שפלטו או בלעו את האור. כך למשל, אנו יכולים לדעת על הרכבה הכימי של השמש מתוך הרכב הספקטרום של האור שהיא פולטת. בעבודתי עם האסטרופיזיקאי דן מעוז מאוניברסיטת תל אביב, הערכנו שטלסקופ החלל העתידי של נאס"א על שם ג'יימס וֶבּ יוכל להבחין באותות חלשים שמקורם בחמצן באטמוספירה של פלנטות החגות סביב ננסים לבנים – גופים בגודל כדור הארץ שהם שרידיו של כוכב בגודל השמש שלנו. גילוי חמצן משמש כסמן לחיים. למשל, אם החיים היו נכחדים על כדור הארץ החמצן היה נעלם מהאטמוספירה בתוך מיליון שנה. חיים כפי שהם מוכרים לנו (המבוססים על מים נוזליים) אפשריים בפלנטות שמקיפות את הננסים הלבנים אחת לעשר שעות, במקום אחת לשנה כמו במקרה של תנועת כדור הארץ סביב השמש. בשיתוף פעולה עם סטודנט לתואר ראשון בהרווארד, הנרי לין, הראינו שניתן עקרונית לזהות גם אותות ספקטרליים של זיהום תעשייתי מציוויליזציות זרות על פלנטות כאלה במרחק של מאות שנות אור, אם הזיהום עליהן מגיע לרמה הגבוהה פי עשרה מאשר כיום באטמוספירה של כדור הארץ.
במחקר חוצנים אחר, עם האסטרופיזיקאי אדווין טרנר, אנו מציעים להיעזר בטלסקופים עתידיים כדי לחפש את "אורות הכרך" של ציוויליזציות זרות, ולבחון את השיטה כבר עכשיו על ידי סקירת שולי מערכת השמש שלנו. למשל, חישבנו שבעזרת טלסקופים קיימים ניתן להבחין באורות הנפלטים מעיר גדולה כמו טוקיו אילו הייתה ממוקמת בקצה מערכת השמש. בהבדל מגופים שמחזירים את אור השמש שבהירותם דועכת ביחס הפוך למרחק בחזקה רביעית, מקור אור מלאכותי ישנה את בהירותו ביחס הפוך למרחק בריבוע. לפיכך נוכל להבחין במקור אור מלאכותי לפי הקצב שבו בהירותו משתנה, כשהוא מתרחק או מתקרב לשמש במהלך מסלולו.
