סוכנות החלל של נאס"א חוקרת כיצד משימת גלי כבידה עתידית תוכל לגלות עולמות חדשים

חוקרי נאס"א תארו כיצד בעוד עתיד הרחפנים של החלל יכולים לגלות עולמות דרך שינויים מינוריים בגלי כבידה שהם מקבלים מזוג של כוכבי לבן. הדו"ח המדעי של נאס"א שפורסם ב-10 בנובמבר מתאר שני מחקרים שמדגימים כיצד פרויקט הלייזר אינטרפרומטר בחלל, או LISA, עשוי לגלות אוכלוסייה ייחודית של כוכבי חוץ שלא התגלו עדיין באמצעים הקיימים.

עד היום לא התגלתה שום כוכב חוץ באמצעות שיטה זו. LISA עדיין בפיתוח, והמחקר של נאס"א מדגים כיצד משקל של כוכב עלול להשפיע על אות המגיע מזוג של כוכבי לבן שנמצאים בקרבה. התוצאה היא חיזוי של היכולות של המשימה, ולא דיווח על תגלית קיימת.

מהן גלי כבידה?

גלי כבידה הם תזוזות ומרקמים של מרחב-זמן הנוצרים כאשר עצמים כבדים מאוד ממהרים, כמו שני כוכבים המקיפים זה את זה. LISA מתוכננת כמכשיר תצפית מבוסס שלושה חלליות שיסייעו למדוד את הגלים הללו. נאס"א מגדירה את המשימה כביטוי עתידי למחקר על מערכות שמפילות אותות בתדר נמוך יותר מאלה שיכולות חיישנים מבוססי קרקע של היום להבחין בהם.

כוכבי הלבן הם שאריות צפופות שנשארות לאחר שכוכב כמו השמש תמה את דלקו. שני כוכבי לבן בקרבה יכולים לייצר גלים כבידתיים קבועים. אות זה פועל כמו שעון קוסמי מדויק. אם זוג זה מקיף כוכב או שלם מסוים, המשקל שלו יכול לגרום לרטטות קלויות שיכולות לשנות את הזמן שהגל מגיע למכשיר LISA.

ההסבר של נאס"א אומר שבשיטה זו אפשר לאתר כוכבי חוץ שמקיפים זוג של כוכבי לבן — אוכלוסייה שבה לא אושרו עדיין קיומם של כוכבים חוץ. השפעתו של כוכב חוץ תהיה עקיפה: המדענים יפיקו את קיומו מבהירות השינוי באות של גלי הכבידה, ולא יוצגו במפורש.

מדוע לחפש כוכבי חוץ סביב שני כוכבים מתים?

רוב כוכבי החוץ שנמצאים על ידי שיטות קלאסיות – אם באמצעות צפייה בהפחתת אור של כוכב כשכוכב חוץ עובר מולו או באמצעות מדידת תנועת הכוכב בעת שהכוכב החוץ מושך אותו — הם מקרבים במיוחד לשמש ומוארים מספיק לרגע. שיטת גלי הכבידה יכולה לפתוח חלון שונה לחקר כוכבי חוץ שנמצאים במערכות כוכבים צפופות ומוצקות.

החוקרים בנאס"א מעריכים שהגליל שלנו מכיל כ-10 מיליון מערכות של שני כוכבי לבן שמקדימות פחות משעה בכל מחזור, ואולי יכולות לייצר גלים בתדר שרגיש אליהן LISA. זוהי הערכה של מערכות פוטנציאליות, ולא הערכה של כמות מערכות שממש יש שם כוכבי חוץ. אפילו אם יזהו המשימה את רבים מהזוגות הללו, רק חלק מהם יכיל כוכבים עם אותות חזקים מספיק כדי לאתרם בבהירות.

חקר כוכבי חוץ שבסביבת כוכבי לבן גם יכול לסייע בהבנת המה קורה למערכות כוכבים עתיקות כשהכוכבים שלהם מזדקנים ומתפתחים. כשהשמש המקיפה את כדור הארץ מתרחבת בחיים המאוחרים שלה, כוכביה עשויים להיבלע, להשתנות או להשפיע בצורה אחרת. מערכות של כוכבי לבן מספקות רמזים על הישרדות חומרים כוכביים לאחר פרק החיים המרכזי של הכוכב, אך התנאים הם מורכבים ועדיין נבדקים.

תחזיות תלויות ברגישות המשימה ובמודלים של אותות

שני המחקרים מראים כיצד כוכב חוץ עלול לשנות את אות גלי הכבידה, אך היכולת המדויקת לגלות שינוי כזה תשתנה בהתאם לרגישות של LISA, אורך המעקב, המרחק לזוג הכוכבים וגודל ומיקום של כל כוכב חוץ. החוקרים צריכים להבחין בין השפעת כוכב החוץ לבין רעש, ולשם כך נדרשים מודלים, בדיקות סטטיסטיות וצפיות ראשוניות.

זהו אתגר בלתי פשוט. על המדענים לדמות את האות משני הכוכבים במדויק ככל האפשר כדי לזהות תזוזות נוספות שעלולות להעיד על כוכב חוץ. ייתכן שכוכב חוץ ייווצר תזוזה דקה בלבד, ולא כל מערכת מסלול תיצור תבנית ניתנת לגילוי. המדענים יצטרכו סיכומים, סימולציות ובחינות על מנת להעריך באיזה אופן יוכלו לאשר את ההשערות שלהם לגבי מערכות מסוימות.

הדו"ח של נאס"א מתאר זאת כהזדמנות חדשה לגלות כוכבי חוץ. הוא אינו מציין ש-LISA תגלות תמיד מספר מסוים של עולמות, וגם לא שכל הזוגות של כוכבי לבן ייבדקו במדויק. אפשרויות הזיהוי הן תחזיות שישופרו ככל שהעיצוב של המשימה ושיטות ניתוח הנתונים יבשילו.

מה LISA תוכל להוסיף לידע על כוכבי חוץ?

אם תצליח, זיהוי כוכבי חוץ באמצעות גלי כבידה יגביר את הידע הקיים שנאסף באמצעות שיטות תאורה, ויקנה מרחב חדש למחקר על מערכות שקשות לצפייה בתוכם דרך האור של הכוכבים. הכוכבים המתפקדים כמקצת כוכבי חוץ סביב מערכות צפופות יוכלו להיחשף ולפתח את התיאוריות על היווצרות והישרדות כוכבים ופלנטות.

זה גם עשוי להרחיב את ההבנה על מגוון הסביבות שבהן יכולים להווצר ולשרוד כוכבי חוץ, וכך לשפר את הידע על התפתחות מערכות כוכבים עתידיות. תוצאות כאלה, אם יוטמעו יחד עם תצפיות נוספות, יאפשרו לחקור מערכות בעומק רב יותר באמצעות שיטות מובות בשיטות מובחנות.

חשוב לזכור כי ייתכן שהשיטה הזאת לא תיתן תמונות מפורטות כשל שיטות הצילום הרגילות, והיא בעיקר תספק נתונים על מסת הכוכב והמסלול שלו באמצעות ההשפעה הכובדית. המידע שיוכלו להסיק יהיה תלוי באיכות האות ובמבנה המערכת. המדענים יצטרכו להציג ולהבהיר את חוסר הוודאות כשיחשפו מועמדים לגלי כבידה.

השלב הבא הוא משימתה של LISA עצמה

הפרסום של נאס"א מציג התקדמות מדעית, אך אינו הכרזה על השקה ישירה. הצפיות עם LISA יתחילו רק לאחר שבניית החלליות תושלם, והן יושקו ויקבלו את ההגדרות המתאימות. המשימה תצריך שמירה על מרחקים מדויקים בין החלליות ומדידות קפדניות של שינויים באותות הלייזר במרחקים העצומים.

לעת עתה, המחקרים האלה מסייעים למערכות המדעיות להבין איך לנתח את הנתונים שיגיעו, ומקדמים את הפיתוח של שיטות גילוי שיאפשרו להם להבחין בתבניות שצריך לחפש, ואילו מערכות של זוגות כוכבי לבן יהיו המפורסמות ביותר כדי להפיק תובנות.

האפשרות היא מרתקת: חוקרים עתידיים עשויים להשתמש בגלי כבידה כדי לגלות כוכבים שקשה להבחין בהם באור של הכוכבים. אך התהליך כולו עדיין תיאורטי — לדמות את האות, להשיק את המכשיר, לזהות מועמדים, ולאשר את ההשערות. עבודת המחקר החדשה מקדמת את הצעד הראשון, ומראה כיצד הכובד של כוכב חוץ עלול להשאיר סימן נמדד בגלי הכבידה מהשאריות הכוכביות המתחרות זו בזו בחלל.

הבטחות המשימה ותהליך הזיהוי

שני המחקרים מראים כי זוגות של כוכבי לבן יציגו אותות עוצמתיים וחוזרים, שעלולים להיחשב כקליפת איתות חזקה. עם זאת, כוכב חוץ יהיה תורם לתבנית קטנה יותר דרך שינוי בזמן שהכוכבים והכוכב החוץ מקיפים את מרכז המסה המשותף שלהם. המדענים יצטרכו לבדוק אם תבנית זו תואמת לכוכב חוץ ולא לתוצאות של מכשיר פגום, כוכב אחר או מודל לא שלם של המסלול הזוגי.

זו הסיבה ששני המחקרים של נאס"א מתרכזים באיך אופן ההסתכלות על האות ומה LISA עשויה לגלות. דימוי המודלים מאפשר לחוקרים לבנות שיטות חיפוש לפני שהמכשיר יתחיל באיסוף נתונים. זה גם עוזר להערכת אילו מערכות יהיו הפוטנציאליות ביותר, ומהטווח של מסת כוכבים ותקופות מסלולים ייתכן שיקבלו זיהויים.

מועמדות של גל של כוכב חוץ עשויה להסגר טוב יותר אם תתמוך בהן תצפית עצמאית. טלסקופ עשוי לא לראות את הכוכב חוץ ישירות, אבל יוכל לנתח את הלבנה של הכוכב הישן או לחפש סימנים נוספים לכוכב לוויין. אימות חיצוני חשוב מכיוון שתבנית זמנים יוצאת דופן לא תמיד תעיד על קיומו של כוכב חוץ.

המשימה תספק זווית חדשה ביחס לסקרים של מעבר, שמבוססים על כוכבים החוצים את קו הראייה ישירות. אות גלי כבידה עשוי לחשוף השפעות מסלוליות גם בהעדר מעבר ישיר, אך ככל הנראה שיטה זו תהיה רגישה יותר לסוג מסוים של זוגות של כוכבי חוץ, ותשלים את שאר שיטות הזיהוי עמם היא תעבוד יחד, ולא תחליף אותן.

המידע המלא מצוין במבנה שפרוס בפלטפורמת נאס"א המתארת את LISA כמערכת המתוכננת לחקור גלי כבידה בחלל. מחקרים שנערכו בנובמבר מצביעים על אפשרות למדעי המחקר העתידיים, אך אורך המועד והתוצאות המדויקות ייקבעו רק לאחר שהמשימה תהיה בקו התפעול.