עמוד הבית > מדעי כדור-הארץ והיקום > אסטרונומיה [מדעי החלל] > טלסקופים ומצפי כוכבים
אאוריקה : כתב-עת להוראת מדעים וטכנולוגיה



תקציר
עצמים בחלל שצולמו באמצעות טלסקופ החלל "האבל" (Hubble Space Telescope) הם כה חדים וברורים, והצבעים כה עזים ומגוונים, עד כי נדמה שלא תופעת טבע נגלית לעינינו אלא זוהי יצירת אמנות. אלה הם פירותיו הבלעדיים של אחד ההישגים הטכנולוגיים המרשימים ביותר שהושגו בשלהי המאה הקודמת - טלסקופ בחלל.



עיניים בגובה 600 ק"מ : טלסקופ האבל והמבט אל קצה היקום
מחבר: יואב יאיר


לעתים, בזמן הרצאותיי על אסטרונומיה, כשאני מראה שקופיות של עצמים בחלל שצולמו באמצעות טלסקופ החלל "האבל" (Hubble Space Telescope), הצופים אינם מאמינים. המראות כה חדים וברורים, והצבעים כה עזים ומגוונים, עד כי נדמה שלא תופעת טבע נגלית לעינינו אלא זוהי יצירה ממכחולו של אמן סוריאליסטי - סלבאדור דאלי או רנה מאגריט. ואכן, תצלומיהם של ערפילית "עין החתול" או של ערפילית "הנשר" (הנקראות 6543 NGC- ו-16-M בהתאמה, בעגה המקצועית) שהושגו באמצעות HST, מגלים לנו נופים שמימיים מרהיבים, דמיוניים כמעט, שלא נראו בשום טלסקופ או מצלמה מכדור הארץ. אלה הם פירותיו הבלעדיים של אחד ההישגים הטכנולוגיים המרשימים ביותר שהושגו בשלהי המאה הקודמת - טלסקופ בחלל.


 

האטמוספרה "הבעייתית" של כדור הארץ (מנקודת ראותו של אסטרונום...)


כולנו יודעים שמרבית המצפים בכדור הארץ בנויים על פסגות של הרים גבוהים, הרחק מריכוזי אוכלוסין, בהרי האנדים, בהוואי, בפירנאים ואפילו במצפה-רמון. השאיפה ל"שמים נקיים" מורכבת מהרצון לצפות בכוכבים מעומקה של האטמוספרה ללא "זיהום האור" שנגרם מערים ויישובים. למעשה, אנו יכולים לראות ולפענח רק חלק ממה שהכוכבים "מספרים" לנו בקרינה שהם פולטים, והאסטרונומים אינם זוכים לתצפית אידאלית על מושא מחקרם.
ישנן כמה סיבות לכך: ראשית, האטמוספרה של כדור הארץ, ובפרט שכבותיה התחתונות, בולעת חלקים מספקטרום הקרינה שנפלט מהכוכבים, וכך מסננת את המידע המגיע לצופים בפני כדור הארץ. תרכובת כמו אוזון, למשל, המגינה עלינו מפני קרינת העל-סגול המסוכנת שנפלטת מהשמש, שוללת מאתנו את היכולת לראות את הקרינה הזו גם מכוכבים ומגלקסיות מרוחקות. הסיבה השנייה היא העובדה שבתוך האטמוספרה נעות מערכות מזג האוויר: עננים מסוגים ובגבהים שונים, ובהם טיפות מים וגבישי קרח, סופות אבק ואובך ואף אפר געשי. חלקיקים אלה מסתירים את אור הכוכבים, ודי בצעיף דקיק ביותר של ענני נוצה (כזה שקשה לעתים לראותו בעין בלתי מצוידת) כדי להרוס לחלוטין תצפית אסטרונומית.
העובדה שפני השטח של כדור הארץ פולטים חום, גורמת לאוויר הסמוך לפניו לנוע בזרמים ובמערבולות אנכיות (הקרויים "זרמי קונבקציה"), והללו מפריעים מאוד לתצפיות.
ומעוותים את דמות העצם הנצפה, גם כאשר שמי הלילה בהירים לחלוטין מעננים. מובן שאסור לשכוח את "תרומת" המין האנושי בדמות זיהום אוויר, פיח הנפלט ממכוניות, עשן תעשייתי, גזי פליטה ממטוסים מגביהי-טוס ועוד ועוד. בקיצור - השמים מלוכלכים מדי, ועדיף להימצא מעליהם.



 

טלסקופ בחלל


הרעיון לבנות מצפה כוכבים בחלל, מעל כל האטמוספרה, אינו חדש והועלה לראשונה כבר בשנות ה-40 של המאה הקודמת. תכניות ראשונות ועיצוב טכני החלו עולים על שולחנות המהנדסים בשנות ה-70. בניגוד לפרויקטים אחרים, מהנדסי החלל הבינו שמדובר במשימה ארוכת-טווח הדורשת היערכות מיוחדת. בתחילה תוכנן הטלסקופ להיות מטופל בחלל אחת לשנתיים וחצי, ומדי חמש שנים הוא היה אמור להיות מוחזר בשלמותו לכדור הארץ לצורכי אחזקה וחילוף חלקים. אולם גישה זו נזנחה ב-1985 בשל הקשיים הכרוכים בהחזרת מערכת כה מורכבת וכבדה באמצעות מעבורת החלל, והוחלט לאמץ גישה לפיה יתוחזק הטלסקופ בחלל מדי שלוש שנים על ידי צוותים של אסטרונאוטים שיגיעו אליו עם מעבורת החלל האמריקנית.
"טלסקופ החלל הגדול", שמו המקורי של HST, הוא מיזם משותף של סוכנות החלל האמריקנית NASA וסוכנות החלל האירופית ESA. זהו המכשיר המדעי הטכנולוגי היקר ביותר שנבנה עד היום, ועלותו הכוללת כ-2 מיליארד דולר בקירוב. הוא נראה כמו אוטובוס נוסעים בינוני. אורכו 13 מטרים, משקלו 12.5 טונות, והוא פורש כנפיים סולריות (לוחות שמש לקליטת אנרגיה) באורך 12 מטרים. בלבו של הטלסקופ יש מראה מלוטשת בקוטר 2.4 מטרים, שנועדה לקלוט את הקרינה באור נראה, על-סגול ותת-אדום, לפני שזו מגיעה אל האטמוספרה של כדור הארץ. המערכת האופטית של HST הִנה מופת של עיצוב טכנולוגי חדשני, משום שהיה עליה לעמוד בדרישות עיצוב יוצאות דופן: משקל קטן, יכולת הכוונה ושליטה מרחוק, בטיחות גבוהה ועמידות בתנאי חלל וכושר לשרוד את מאמצי השיגור.
האור הפוגע במראה הראשית של HST מוחזר אל מראה קטנה יותר בקוטר 0.3 מטרים, אשר משגרת בתורה את האור דרך חור דמוי כעך המצוי במרכזה של המראה הראשית. האור עושה את דרכו אל ירכתי הטלסקופ, ושם הוא פוגש גלריה של מכשירים מדעיים, שגודל כל אחד מהם כגודל תא טלפון ציבורי. HST נושא כיום שתי מצלמות: המצלמה הפלנטרית רחבת השדה (WFPC) המשמשת לתצפיות על כוכבי לכת ועצמים בעלי גודל זוויתי רחב, והמצלמה לעצמים חיוורים (FOC) שמיועדת ללכוד את אורם של עצמים חלשים במיוחד. נוסף להן מצוי הספקטרומטר (STIS) המסוגל לפענח את האור מתחום העל-סגול הקצר (115 ננומטר) ועד התת-אדום הקרוב (1000 ננומטר). משלימים אותו הספקטרומטר והמצלמה לעצמים בתת-אדום (NICMOS), שהוא גלאי המקורר על ידי חנקן קפוא, המיועד לתצפיות בתחום התת-אדום. שורה של חיישנים רגישים שומרים על מיקומו המרחבי של הטלסקופ ועוזרים לכוונו למטרותיו, וכמובן "מוח" ממוחשב המאפשר לאסטרונום מכדור הארץ להזיז את "האוטובוס" לעבר יעד התצפית. על מנת לאפשר את תחזוקתו נקבעו על גופו HST של מאחזים מיוחדים וכ-76 נקודות עגינה לצוות האסטרונאוטים בעת הליכות-החלל הנועזות שלהם.
בנייתו של מכשיר טכנולוגי משוכלל כל כך, כמו טלסקופ החלל, היא תוצאה של מאות שנים של מחקר מדעי עיקש ועקיב בתחומי האופטיקה, המכניקה, האסטרונומיה ותחומים נוספים. כאשר מכשיר מורכב כל כך "עובד", סימן שהתאוריות המדעיות שעליהן הסתמכו המפתחים שלו הן נכונות, כלומר, זהו עבורן מבחן התוצאה!



 

פתיחה ברגל שמאל, תיקון וקפיצה קדימה


HST שוגר לחלל ב-25 באפריל 1990 מסיפונה של מעבורת החלל "אנדבר" (Endeavor). האסטרונומים ציפו במתח לרגע הנקרא "אור ראשון" (First Light) שבו נפתחת לראשונה דלת הטלסקופ, ואור מהחלל פוגע במערכות האופטיות שלו. ההבטחה האדירה של HST שבישרה על כושר הפרדה גבוה פי 10 מכל טלסקופ בכדור הארץ ועל מראות צלולים וחדים ללא כל הפרעה אטמוספרית, קיבלה מהלומה קשה, כאשר התקבלו התצלומים הראשונים. התברר שתקלה בליטוש המראה הראשית גרמה להיווצרות עיוות אופטי ידוע הנקרא אברציה כדורית. התמונות שהתקבלו היו מטושטשות וחסרו מיקוד. במכון טלסקופ החלל במרילנד (Space Telescope Science Institute) החלו המדענים לתכנן את התיקון הדרוש, ואכן תוך שלוש שנים כבר נמצאו ה"משקפיים" הדרושות ל-HST, והללו הורכבו בו בדצמבר 1993: מערכת הנקראת COSATR ששיפרה להפליא את כושר ההפרדה והחדות של הטלסקופ. המראות המופלאים שמגלה HST לעינינו היום הם פרי התיקון הטכנולוגי שבוצע במראה הראשית.
ב-11 לפברואר 1997 בוצעה משימת התחזוקה השנייה ב-HST שבמסגרתה הותקנו שניים מהגלאים החדשים (STAIS, NICMOS) המהווים את חוט השדרה המדעי של HST. ב-29 באוקטובר 1998, בטיסת מעבורת נוספת, בחן הצוות של המעבורת "דיסקברי" טכנולוגיות חדישות שתוכננו להיות מותקנות בטיסות התחזוקה הבאות של HST.
אולם התכנונים המסודרים נקטעו ב-13 בנובמבר 1998, לאחר שסביבון ג'ירו רביעי ב- HSTכשל (אלה הם הכלים המייצבים את הטלסקופ במרחב התלת-ממדי, ובלעדיהם לא ניתן לכוונו למטרות אסטרונומיות או להבטיח שלוחות השמש יצברו את האנרגיה הדרושה לתפעולי השוטף). המהנדסים החליטו להעביר את HST ל"מוד בטוח" (Safe Mode ) ולעצור את התצפיות, והטלסקופ הושבת.
נאס"א ארגנה במהירות טיסת תחזוקה שלישית, וזו שוגרה לחלל ב-9 בדצמבר 1999. הצוות של מעבורת החלל "דיסקברי" ביצע כמה הליכות-חלל מסובכות, שבמהלכן הוחלפו מערכת ההנחיה וחלק מסביבוני הג'ירו וכן בוצעה תחזוקה כללית. משימה נוספת מתוכננת לחודש ינואר 2002, והפעם מגיע תורה של המעבורת "קולומביה" (שבה עתיד לטוס האסטרונאוט הישראלי, אילן רמון, בקיץ 2002). הצוות יתקין מצלמה חדשה בטלסקופ הנקראת ACS ואשר עתידה לשפר פי 10 את כושר ההפרדה של הטלסקופ. מצלמה זו נבנתה בשיתוף פעולה בין מדעני אוניברסיטת ג'והן הופקינס ומהנדסים בנאס"א, והיא מהווה קפיצת דרך טכנולוגית שתעמוד במוקד פעילותו של HST בעשור הראשון של המילניום החדש.



התנגשות שביט שומייקר-לוי 9 בכוכב הלכת צדק. צילום מטלסקופ החלל האבל, יולי 1994.
צילום באדיבות נאס"א.



 

מה שראינו, מה שאנו רואים, מה שעוד נראה


קשה לסכם את העושר של התגליות המדעיות שהושגו באמצעות טלסקופ "האבל", בין היתר, משום שהזרם של תצלומים חדשים אינו פוסק לרגע. נכון לרגע כתיבת שורות אלה, הטלסקופ צילם למעלה מ-400,000 תצלומים של 15,000 עצמים אסטרונומיים שונים, בחדות גבוהה ביותר, שאין דומה לה בטלסקופים על פני כדור הארץ. למעלה מ-11,000 מאמרים מדעיים התפרסמו בעיתונות המקצועית העוסקת באסטרונומיה, ועוד אלפים בעיתונות הפופולרית. הישג טכנולוגי זה "פתח את העיניים", פשוטו כמשמעו, בכל ענפי האסטרונומיה - בקוסמולוגיה, באסטרופיסיקה ובמדעים פלנטריים. המחקר המדעי מתקדם בדרך כלל בהדרגתיות, כשהידע מתאסף במנות קטנות, אך פיתוחו של מכשיר טכנולוגי, כמו טלסקופ "האבל", גורם לקפיצה בהתקדמות המחקר המדעי, בתחומים הרלוונטיים. תוך כדי הליכה עקב בצד אגודל - לפתע צעד גדול!

ספרים רבים מציגים מאות מתמונותיו המרהיבות, אולם לא צריך לחכות לספרים: אתרים של נאס"א ושל מכוני מחקר ואוניברסיטאות מפרסמים תוצאות חדשות כמעט מדי יום, באמצעות רשת האינטרנט (רשימת אתרים מצורפת בסוף המאמר). להלן אחדות מ"הכותרות הראשיות":
# מראה החלל העמוק (Hubble Deep Spacs ), סקר הגלקסיות העצום בקבוצת הדובה הגדולה. תצלומים אלה מראים את היקום הצעיר ומגלים עצמים במרחק מיליארדי שנות-אור מכאן.
# שיפור המדידה של קבוע האבל המלמד על מהירות התפשטותו של היקום.
# התנגשות שביט שומייקר-לוי 9 בכוכב הלכת צדק והתרשמות ראשונה מהכוח ההרסני של מפגש כזה. התצלומים עוררו את שאלת הסכנה לכדור הארץ.
# חקר השרידים של התפוצצויות כוכבים ויצירת אנימציה של התפשטות החומר בערפילית הסרטן, שריד סופרנובה משנת 1054.
ׂ# גילוי טבעות הגז סביב שרידי סופרנובה A1987, תגלית שאפשרה להבין את המנגנון שעל פיו מסיימים כוכבים את חייהם.
# חממות כוכביות - מקומות שבהם נולדים כוכבים חדשים בערפילית "אוריון", מבט אל השלבים המוקדמים ביצירת כוכבים מענני אבק וגז צעירים.
# דיסקות פרוטופלנטריות סביב כוכבים צעירים: הוכחה לכך שכוכבי לכת נוצרים סביב שמשות אחרות.
# תצלומים של העננים באטמוספרות של נפטון ואורנוס, מבט ראשון על פניו של פלוטו הזעיר. סופות חול על פניו של מאדים, זוהר הקוטב בשבתאי ובצדק.
# גילוי עקבות של חורים שחורים בגלקסיה שלנו ובגלקסיות אחרות, מדידת אורם של קוואזרים.

כל תצפית ותגלית מאלה המופיעות ברשימה, יכולה לשמש בסיס למאמר או לגיליון שלם של "אאוריקה". הקוראים מוזמנים לשוטט בעולם החדש ש-HST פתח לנו צוהר אליו ולהעמיק וללמוד את סודותיו של היקום. זהו ללא ספק הכלי הטכנולוגי-מדעי המדהים ביותר שנבנה אי פעם, והוא מגיע ישירות אל המחשב האישי של כל אחד מאתנו בלחיצה קטנה על העכבר.


מאדים בקרבה מרבית לכדור הארץ.
http://oposite.stsci.edu/pubinfo/PR/2001/24/index.html
צילום באדיבות נאס"א.

אתרים מומלצים
מכון טלסקופ החלל - http://www.stsci.edu
גלריית תמונות של האבל, ממוינות לפי נושאים : http://oposite.stsci.edu/pubinfo/subjectT.html
דף הבית של טלסקופ החלל - http://hubble.gsfc.nasa.gov
"החלל המופלא" - אתר ובו פעילויות ומערכי שיעור המתבססים על תצלומי HST:
http://amazing-spacs.stsci.edu



 

מה צופן העתיד לטלסקופ "האבל"?


על פי התכנונים הקיימים תשלח נאס"א משימת תחזוקה אחרונה ל"האבל" בשנת 2004. לאחריה צפוי הטלסקופ להמשיך בפעילות עד שנת 2010. אז תעמודנה בפני נאס"א שלוש אפשרויות: האחת, להכין לו "הלוויה שמימית", כמו זו של תחנת החלל "מיר" הישנה, כלומר, שרפה מתוכננת באטמוספרה והתפזרות השברים באוקיינוס, הרחק ממקום יישוב. אפשרות אחת היא "להזיז אותו מהדרך" ולהעלות אותו למסלול גבוה יותר, שם ימשיך להקיף את כדור הארץ ולא יתפקד עוד כמכשיר מדעי. אפשרות שלישית היא לשלוח מעבורת חלל כדי לתפוס אותו ולהחזירו ארצה, למען ישמש מוצג מוזאוני חינוכי לטובת ילדי ארצות הברית והעולם כולו.

יורשו של "האבל" הוא טלסקופ החלל של הדור הבא - NGST - אשר נמצא בתכנון של מהנדסי נאס"א. טלסקופ זה עתיד להיות מוצב בחלל בשנת 2009, והוא מהווה קפיצת מדרגה טכנולוגית שתשפר משמעותית את כושר התצפית בתחומי האור הנראה והתת-אדום. ראש נאס"א, דניאל גולדין, התרה לא פעם באסטרונומים: "אל תתרגלו לחבק את האבל", וכוונתו היא שהטכנולוגיה החדישה - שיפורים במזעור ובמחשוב ובמערכות הניווט וההנחיה - יהפכו את ה- NGST ליורש ראוי ל"האבל", ושהקהילה המדעית צריכה להתרגל למחשבה שתיאלץ להיפרד ממנו. יחד עם זאת, קשיי התקציב בנאס"א כיום ותקלות בתכנון ה- NGST הביאו לכך שיש כעת הרהור שני על מועד ההחלפה של "האבל". ייתכן שבסופו של דבר "האבל" ימשיך ללוות אותנו עוד שנים ארוכות, ומבטיו על מעמקי היקום יביאו לתגליות מפליאות נוספות.




ד"ר יואב יאיר הוא ראש תל"מ (תקשוב להוראה מרחוק) באוניברסיטה הפתוחה, חוקר ומלמד אסטרונומיה ומדעי האטמוספירה באוניברסיטה הפתוחה ומרכז פרויקט טיסת האסטרונאוט הישראלי במעבורת החלל של נאס"א.



אל האסופה מסע במרחבי כדור הארץ : פרקים נבחרים בגאוגרפיה פיזית3

ביבליוגרפיה:
כותר: עיניים בגובה 600 ק"מ : טלסקופ האבל והמבט אל קצה היקום
מחבר: יאיר, יואב
תאריך: אפריל 2002 , גליון 15
שם כתב העת: אאוריקה : כתב-עת להוראת מדעים וטכנולוגיה
בעלי זכויות : רמות; אוניברסיטת תל אביב
הוצאה לאור: אוניברסיטת תל אביב; רמות
הערות: 1. כתב העת יוצא ביוזמת למדע: מרכז מורים ארצי להוראת מדע וטכנולוגיה בבתי הספר היסודיים.
הערות לפריט זה: 1. כתב העת יוצא ביוזמת למדע: מרכז מורים ארצי להוראת מדע וטכנולוגיה בבתי הספר היסודיים
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית