הסוד של אלפא

במכתש טבעי באי פּוּאֵרטוׁריקו החל בחודש פברואר 2005 מחקר ארוך-שנים שמטרתו לגלות את גורל המימן ביקום. המחקר מנצל יכולות חדשות של טלסקופ לגלי רדיו הגדול בעולם כדי לבסס את פונקציית התפלגות מאסות המימן בגלקסיות מסוגים שונים. תוצאות אחרות שצפויות ממחקר זה נוגעות גם להתפלגות הגלקסיות ביקום, מהסביבה הקרובה לנו ביותר ועד למרחקים של 800 מיליוני שנות-אור מאתנו, לטבע הגלקסיות ה"אפֵלות" שמכילות מעט כוכבים, ועוד.

על אף שבסיס המחקר הוא המידע שנקלט מהיקום בתחום קרינת הרדיו, קיימת חשיבות מכרעת לצירוף נתונים שנאספים בתחומי ספקטרום שונים: החל מתצלומי אור-נראה, דרך מידע בתת-אדום ובעל-סגול, וכלה בצירוף מפות רדיו בתחומים אחרים ומדידות בקרינת X. במאמר זה נתאר את המתקן החדש שמאפשר את פריצת הדרך בביצוע המחקר, ונעמוד על ההשלכות הצפויות למדע האסטרונומיה מן התוצאות הסופיות.

המידע האסטרונומי נאסף בימינו בדרכים שונות. רוב הקוראים מכירים ודאי את התמונות הנפלאות של טלסקופ החלל "האבל"; תמונות אלו צולמו מהחלל, מהסביבה הקרובה לכדור הארץ, כמה מאות ק"מ מעל פניו. הצילומים הם בעלי חדות מעולה, ובחלקם אף מראים תחומי קרינה שלא ניתן לצלם דרך האטמוספרה של כדור הארץ. אך לא כל המידע האסטרונומי הוא בתחום האור הנראה. בימינו נעזרים המדענים במידע מסוגים שונים, החל מקרינות X וגאמא בעלות האנרגיה הגבוהה וכלה בקרינת רדיו בעלת אורך גל גדול, שם האנרגיה של כל פוטון נמוכה ביותר. פה נעסוק במידע מהסוג האחרון. האפשרות לקלוט קרינה מהחלל בתחום הרדיו התבררה רק לאחר המצאת הרדיו, ולאמיתו של דבר כשלושים שנים לאחר מכן - כאשר החל השימוש בגלי רדיו בעלי אורך גל קצר לצורכי תקשורת. מסתבר שגלי רדיו בעלי אורכי גל שונים מתנהגים בצורה שונה כאשר הם משודרים מפני כדור הארץ, משום שסביב כדור הארץ, כחלק מהאטמוספירה הגבוהה, נמצאת שכבה של אטומים מיוננים המכונה "יונוספרה". מפני כדור הארץ אפשר לחקור רק קרינה שמסוגלת לחדור בעד היונוספרה.

יסודות האסטרונומיה בתחום הרדיו

בעוד שהאטמוספירה שאנו מכירים בנויה בעיקר מולקולות ואטומים נייטרליים, היונוספרה מורכבת מפלזמה – חומר מיונן, שמורכב ממטענים חשמליים שליליים וחיוביים ומוליך חשמל, לכן מתנהג במובנים רבים כאילו היה מתכתי. כידוע, משטחים מתכתיים מחזירים גלים אלקטרומגנטיים, ביניהם גם קרינת רדיו. ההתנהגות ה"מתכתית" של שכבת היונוספרה גורמת לגלי רדיו להיות מוחזרים ממנה מבלי יכולת לצאת לחלל.

ואולם כושר ההחזרה של היונוספרה תלוי באורך הגל של הקרינה: גלי רדיו בעלי גלים ארוכים מוחזרים, בעוד שקרינה קצרת גלים מצליחים לעבור דרך היונוספרה אל החלל. הגבול המבדיל בין גל "קצר" ל"ארוך" עומד על מטרים אחדים; קרינה בעלת אורך גל קטן יותר זולגת לחלל בעוד שהקרינה שאורך גל שלה עולה על מטרים אחדים מוחזרת לעבר כדור הארץ. מאחר שכדור הארץ עצמו מוליך חשמל, גלי רדיו קצרי גל מוחזרים מהקרקע כפי שהם מוחזרים מהיונוספרה. לכן גלי רדיו ארוכי גל נקלטים מתחנות שידור הממוקמות בחלקו האחר של הכדור, בעוד שלא ניתן לקלוט שידורי טלוויזיה של תחנות מרוחקות אלא אם נעזרים בכבלים או בלווייני תקשורת.

אמריקאי נוסף, גְרוטֶה רֵבֵּר (Grote Reber), שהיה חובב רדיו, שמע על תגליתו של יאנסקי ששביל החלב משדר גלי רדיו. הוא בנה בחצרו אנטנה בצורת צלחת ענקית לאותם ימים, שקוטרה היה 10 מטרים, ומדד בעזרתה את עוצמת הקרינה באורך גל של 1.9 מטרים, המגיעה מכיוונים שונים של השמיים. חלק מהקרינה ניתן היה לייחס לפליטה מחומר חם (קרינה תרמית), אך לחלק אחר של הקרינה נמצא פירוש רק באמצע המאה ה-20, כאשר המדען היהודי-רוסי גינזבורג הראה שחלקיקים מהירים הנעים בשדה מגנטי פולטים קרינת רדיו (קרינת סינכרוטרון).

סיפורו של ספין

בשנות מלחמת העולם השנייה חקר הדוקטורנט ההולנדי הצעיר הנריק וַאן דֶר הוּלסט (van der Hulst) במצפה הכוכבים של העיר ליידן בהולנד תחת הנחייתו של הפרופ' יאן אורט (Oort) היבטים תיאורטיים של אטומי מימן שנובעים מתורת הקוונטים. אטום המימן הוא הפשוט מבין האטומים: הוא מורכב מחלקיק כבד טעון במטען חשמלי חיובי (פרוטון) בגרעין ומאלקטרון קל וטעון מטען חשמלי שלילי שחג סביבו. האלקטרון יכול להימצא במצבי אנרגיה שונים כשהוא מחובר לגרעין - במובן מסוים ניתן לדמות זאת למרחקים שונים בין האלקטרון לגרעין.

במצב היסוד, שם האנרגיה נמוכה ביותר מכל המצבים, האלקטרון נמצא "הכי קרוב" לגרעין. התרחקות למצבי אנרגיה אחרים דורשת אנרגיה, שיש להשקיע ע"י בליעת פוטון (חלקיק של קרינה אלקטרומגנטית). כאשר אלקטרון באטום מדלג מרמת אנרגיה גבוהה יותר לאחת נמוכה יותר, נפלט פוטון. ואן דר הולסט הראה שגם כאשר האלקטרון היחיד של אטום המימן נמצא במצב היסוד, כלומר כשהוא במצב הקרוב ביותר לגרעין, עדיין יכולים להיות לו שני מצבי אנרגיה שונים.

מצבי האנרגיה שוואן דר הולסט מצא קשורים לתכונה המכונה ספין (spin), כאילו היו האלקטרון והפרוטון סביבונים המסתובבים כל הזמן סביב עצמם ללא הפסקה. מבחינה קוונטית, כך הראה ואן דר הולסט, ציר הסיבוב של האלקטרון יכול להיות בכיוון זהה לזה של הפרוטון, או יכול להיות בדיוק הפוך לו. ואן דר הולסט הראה שכאשר מגמות הסיבוב של הפרוטון בגרעין והאלקטרון סביבו הפוכות, המצב האנרגטי של האטום נמוך יותר מאשר אם מגמות הסיבוב זהות. הפרש האנרגיה בין שני המצבים, של ספינים מקבילים או אנטי-מקבילים, הוא זעום.

פוטונים חלשלושים

באטום מימן, אלקטרון הנופל מרמת האנרגיה השלישית לשנייה גורם לפליטת פוטון בתחום האור הנראה, שצבעו אדום ואורך הגל שלו 656.3 ננו-מטר. פוטון זה הוא חלק מקו ספקטראלי שהאסטרונומים מכנים H-אלפא. האנרגיה שנושא פוטון זה היא 1.88 אלקטרון-וולט. האנרגיה של פוטון H-אלפא אחד אמנם נמוכה, אך היא גדולה לאין שיעור מזו של הפוטון המשתחרר כאשר האלקטרון באטום המימן הופך את כיוון הספין שלו ממקביל לאנטי-מקביל לספין הפרוטון בגרעין. מעבר אנרגיה זה גורם לפליטת פוטון שאורך הגל שלו 21 ס"מ, אורך גל ארוך פי 320,000 מזה של פוטון H-אלפא.

מדובר, אם כן, בפוטונים "חלשלושים" ביותר מבחינת אנרגיה. האסטרונומים מתעניינים בפוטונים אלה מפני שהם מלמדים על המימן, היסוד הנפוץ ביותר בטבע, וגם משום שאורכי גל כה גדולים אינם מושפעים מהאבק הבינכוכבי, הנפוץ מאוד בין הכוכבים. אורך הגל הקצר, יחסית לקרינות אחרות בתחום הרדיו, מבטיח גם שהיונוספרה לא תשפיע לרעה על מעבר האותות עד למקלטי החוקרים.

שידורי הרדיו של אטומי המימן הנייטרליים בחלל משולים לשריקה שגובה הצליל שלה ועוצמתו ניתנים למדידה. גובה הצליל הוא תדר השידור (או אורך הגל). נזכור שמדובר בקו ספקטראלי, כלומר בשידור שהתדר שלו נקבע במדויק ע"י פרמטרים אטומיים. סטייה מתדר זה יכולה להיגרם רק אם קיימת מהירות יחסית בין מקור השידור למקלט, בגלל אפקט דופלר.

באמצעות מיפוי זהיר של עוצמת האותות והמיקום ממנו הם באים, ובפרט בתחום קרינת ה-21 ס"מ של המימן, ניתן ללמוד רבות על היקום. בעזרת המדידות הללו הצליחו האסטרונומים להראות כי חלק מהחומר שמרכיב את הגלקסיות הוא "חומר אפל": הוא תורם לכוח המשיכה אך אין לו חתימה בתחום האור הנראה. המידע החשוב שהתקבל ממדידות קו ה-21 ס"מ הוא לגבי כמות המימן הכוללת שבגלקסיה מסוימת. מדידה זו, שתלויה בעוצמת האות המגיע מגלקסיה מסוימת ובטווח המהירויות שבינינו בין הגלקסיות בהן נמדדת פליטת המימן, מראה כמה חומר גלם ליצירת כוכבים יש בגלקסיה.