הטלסקופ של אינשטיין

הטלסקופ של אינשטיין

 

אין מדובר במכשיר טלסקופ חדש. אלא בטבע עצמו. מדענים רותמים את היקום כ”מכשיר” מדעי בחיפושיהם כדי לקבוע את מבנה היקום.

בגרסת טיוטא של מאמר שפורסם לפני חודש על ידי זוג חוקרים ישראלים, ד”ר טום ברודהרסט ועדי ציטרין מאוניברסיטת תל אביב, הם זיהו עדשות כבידה בגלקסיה ספיראלית. הגלקסיות שצבועות בצהוב-לבן בהיר הן חלק מצביר שידוע בשם: MACS J1149.5+2223

zitrinbroadhurstfigure1.jpg

הכבידה מתנהגת כאן כמו עדשה של טלסקופ שמגדיל את האור מגלקסיה רחוקה.

 

מדובר במה שקרוי “טבעות אינשטיין”. טבעת אינשטיין היא העיוות של האור ממקור – כמו למשל גלקסיה – לצורת טבעת באמצעות תופעת עדשות הכבידה של האור של המקור על ידי עצם בעל מסה מאוד גדולה (כמו למשל גלקסיה אחרת או חור שחור). זה מתרחש כאשר המקור, העדשה והצופה הם כולם מיושרים זה עם זה.

טבעת אינשטיין:

 

 

נשוב לתמונה העליונה: צביר הגלקסיות – העצמים שצבועים בצבע צהוב-לבן בהיר גרמו לעדשת כבידה לגלקסיה הספיראלית שהיא הרבה יותר רחוקה מהם והיא צבועה באיור בצבע כחול-סגול. כתוצאה מאפקט זה הגלקסיה שוכפלה לחמישה עותקים של עצמה. היא מופיעה באיור בחלק העליון השמאלי, בחלק התחתון הימני, ועוד שלושה עותקים מופיעים בדיוק מתחת ומעט ימינה מהמרכז.

לפיכך, בעוד שהעצמים בצורת עננות הצבועים בצבע כחול-סגול הם חמש מראות של גלקסיה ספיראלית בודדת אחת, למעשה הגלקסיה הזו עברה תופעת עדשת כבידה מעיוות המרחב-זמן שנוצר על ידי צביר הגלקסיות הצהוב-לבן. האור מהגלקסיה, שמונח כמעט ישירות מאחורי מרכז הצביר, אבל הרבה יותר רחוק מאיתנו, נע לאורך מספר מסלולים עקומים דרך עדשות הצביר. האור הזה יצר ריבוי מראות מוגדלות של הגלקסיה.

בתוך הריבוע שמצויר במרכז האיור רואים סימולצית מחשב של הגלקסיה שלא עברה עדשות כבידה, כאשר היא מוגדלת בפקטור של פי ארבע.זאת כדי שפרטי הספיראלות שלה יהיו ניכרים. רואים שללא עדשות הכבידה היינו רואים את הגלקסיה הזו כיציר לא מעוות. אולם עדשות הכבידה מעוותות, מקצרות ומגדילות את המראות של המקור של הגלקסיה הספיראלית ברקע.

 

לפני מספר חודשים פרופ’ אבילין גייטס, סגנית מנהל מכון קביל לפיזיקה קוסמולוגית מאוניברסיטת שיקגו קראה לתופעה היחסותית של עדשות כבידה ביקום בשם “הטלסקופ של אינשטיין“. המכשיר פועל כמעין טלסקופ טבעי.

בספרה החדש שיצא לאחרונה:

 Einstein’s Telescope: The Hunt for Dark Matter and Dark Energy in the Universe

ראו כאן.

היא מסבירה כיצד “הטלסקופ של אינשטיין פועל.

למרות ש”הטלסקופ” מבוסס על תורת היחסות הכללית של אלברט אינשטיין, ניתן להדגים בקלות את האפקט. אם תתבוננו באור דרך תחתית בקבוק יין, מציעה גייטס, ותביטו על עיוות האור כתוצאה, תראו משהו כמו עדשות כבידה.

הטלסקופ של אינשטיין משתמש ביקום עצמו כעדשה שדרכה ניתן לחפש גלקסיות, שאחרת היו יותר מידי חלושות ולא ניתן היה לגלותן.

 

פרופ’ גייטס והדמיית עדשת כבידה.

 

אינשטיין ועדשות הכבידה

 

בתחילת דרכו ליחסות הכללית, בסביבות 1912, אינשטיין הסיק שקרן אור בשדה כבידתי תתעקם בשדה הכבידה של השמש. הוא תיקן את הערך המספרי של ההתעקמות ב-1915. אולם ב-1912 מסתבר שאינשטיין הסיק משהו נוסף מהתעקמות האור בסמוך לדסקת השמש: הוא גזר את האפשרות של עדשות כבידה (גיאומטריות).

עדשת כבידה כזו מורכבת ממסה M שמסיחה את האור ממקור אור רחוק S, בדרך כזו שהאור מגיע לצופה O על פני שני מסלולים שונים. כתוצאה, הצופה O יראה שני מראות שונים של S, כאילו שהייתה שם עדשה אופטית לכל דבר:

Sketch of a simple geometric gravitational lens: Two light-rays from a distant source Q pass close to the mass M and are bent towards each other in such a way that both of them end up at the location of the observer O. 

מכאן.

 

עדשות הכבידה מגדילות דברים והן גם מכפילות מראות ומעוותות את הצורות של המראות. זאת בצורה כזו שלמעשה ניתן להשתמש בהן כמו מעין זכוכית מגדלת.

אינשטיין שרבט את התכונות הבסיסיות של עדשת הכבידה באחת ממחברותיו. כנראה בעת ביקורו לברלין באפריל 1912. באותו הזמן הוא נפגש עם האסטרונום ארווין פרוינדליך, שעמו הוא דיבר על האפשרויות השונות של בדיקת רעיונותיו בעזרת תצפיות אסטרונומיות אודות התעקמות קרני האור בסביבת דסקת השמש. המחברת מכילה רישומים מקורבים ואת הנוסחאות הבסיסיות הדרושות לתיאור אפקט עדשות הכבידה. להלן אחד העמודים:

 

Extract from Einstein's notebook showing a rough sketch of a lens system and a few formulae 

מכאן.

באותו הזמן כנראה שאינשטיין הסיק שלא ניתן למעשה לצפות באפקט עדשות הכבידה, כי הוא יותר מידי חלוש ולכן אינשטיין דחה אותו כחסר משמעות. אומנם אינשטיין ראה בכתביו את הבלתי נראה – עדשות הכבידה – אבל הוא הבין שלא ניתן לגלותן.

בשנים שבאו אחר כך, הרעיון של עדשות כבידה הופיע מחדש במספר פרסומים. אינשטיין עצמו הזכיר את התופעה במכתב שהוא כתב ב-15 לדצמבר, 1915 לחברו הפציפיסט הינריך זנגר, פרופסור לרפואה משפטית מאוניברסיטת ציריך. התופעה נדונה על ידי מחברים נוספים במאה העשרים שהסכימו ביניהם שאין כל סיכוי שאסטרונום ארצי יוכל לגלות עדשות כבידה בשמים.

 

 

אלברט אינשטיין, אדווין האבל וולטר אדמס, 1931 במצפה הר ווילסון, דרום קליפורניה.

כאן האבל גילה את התפשטות היקום.

Courtesy of the Archives, California Institute of Technology

 

עדשות כבידה גורמות למעין מרקם אנמורפי במרחב-זמן (“אנה” מלשון שוב ביוונית ו”מורף” מלשון צורה).

הן מזכירות את האומנות האנמורפית שמעוותת על ידי טרנספורמציות שעברו היטל שקשה להבחין בהן. האמנים שעסקו בתחום חישבו מתמטית וגיאומטרית את הטרנספורמציות בצורה מאוד מסובכת. ניתן ליצור את העיוות מחדש על ידי שנתבונן שוב בעיוות מבעד למראה ישרה או גלילית. ברנסנס המוקדם ציירים אירופאים שהחלו לשלוט בפרספקטיבה הוקסמו מנפלאותיה של האומנות האנמורפית. כמובן שהראשון להתחיל באומנות הזו היה ליאונרדו דה וינצ’י.

ראו למשל את הציור המפורסם הבא של הנס הולביין מהרנסנס “השגרירים” (1533).

הצורה הנמתחת בקצה התחתון של הציור היא גולגולת שניתן להבחין בה עלידי זה שתמקמו מראה מהפינה ותסובבו אותה עד שהגולגולת מופיעה כרגיל. כנראה שהציור של הולביין היה אמור להיות תלוי ליד גרם מדרגות גדול, כך שאנשים שעולים למעלה ומביטים למטה ידהמו ממראה הגולגולת שלאט לאט מתגלית בפניהם.

 

 

 

חומר אפל ואנרגיה אפלה

 

אסטרונומים מקווים היום להשתמש בעדשות כבידה כדי לחפש אחר החומר האפל והאנרגיה האפלה, שתי החידות המסתוריות ביותר של המדע המודרני.

לא ניתן לראות אנרגיה אפלה על ידי שום אמצעי, אולם מחפשים כיצד היא אולי עיצבה את התפלגות החומר ביקום עלפני העבר של מיליארדי שנות קיומו. מניחים שהיא אולי הייתה הגורם הדומיננטי, ולכן חושבים שיתכן והיא השפיעה על הקצב שבו היקום התפשט.

מכאן שעדשות כבידה הן בעיקרן רק שיטה שבעזרתה אסטרונומים יכולים לעקוב אחרי רשת של חומר אפל שאולי ממלא את היקום. ובעזרתן הם יוכלו לקבוע כיצד האנרגיה האפלה יכלה להשפיע על האבולוציה של מרקם היקום.

מניחים שבדיוק כמו החומר האפל, כך האנרגיה האפלה היא בלתי נראית. אולם שני אלה – כך סבורים המדענים – מסבירים את הקיום של מרבית החומר ביקום. בשל היותם בלתי נראים אין יודעים מהם. המדענים רק חושבים שהחומר האפל שונה משמעותית מהחומר הרגיל – שהוא בעיקרו מורכב מפרוטונים וניטרונים – והוא השולט בחיי היומיום שלנו.

אולם המדע היום סבור שהחומר ממנו אנו מורכבים הוא רק חמישה אחוזים מכלל החומר ביקום.

 

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s