עד קצה הקרחון

זה אחד הטלסקופים הגדולים על כדור הארץ, ובכל זאת הוא נראה קטן להפליא כנגד הנוף האנטרקטי הנרחב. בעולם הקרח הזה, כשהלובן מעוור והשמש כלל לא שוקעת בדצמבר, קשה לאמוד מרחקים. גודלה האמתי של צלחת טלסקופ הקוטב הדרומי, שרוחבה 10 מטרים, מתברר רק כשרכב הזחלים שלנו עוצר ליד הבניין שמאכלס אותה.

אף אחד לא מעלה בדעתו לחצות ברגל את כמה מאות המטרים המפרידים בין התחנה האנטרקטית אמונדסן-סקוט לכאן. אמנם אפקט רוח של כמעט 40- מעלות צלזיוס נחשב נעים בקרב יושבי התחנה, אני מאבד תחושה באצבעות מיד אחרי שאני מוריד את הכפפות כדי לצלם כמה תמונות. ואף על פי שמשקפי מגן מכסות חצי מפניי, הדמעות שסוחטת ממני הרוח קופאות על העדשות.

אמנם התצפיות הנעשות ממנו ומטלסקופים אחרים מספקות לנו תמונה מצוינת של היקום רק 380,000 שנה לאחר המפץ הגדול, אך הן לא מגיעות מעבר לזה.

נראה שהמדען הראשי, בראד בנסון מאוניברסיטת שיקגו, לא מתרגש מהקור הקיצוני והבידוד של המקום השומם הזה בתחתית העולם. ככלות הכול, בתחנה יש חדר מוזיקה, בר, אפילו סאונה – כנראה אחד המקומות החמים ביבשת. למרות כל אלה, התלהבותו של בנסון נובעת בעיקר מעבודתו. הוא ועמיתיו מתקרבים לפריצת דרך מהפכנית בקוסמולוגיה. בעזרת מצלמה רגישה שהותקנה בטלסקופ לפני מעט יותר משנה, הם מקווים לשפוך אור על מיליארדית של מיליארדית של מיליארדית השנייה הראשונה לאחר לידת היקום. ואם לשם כך הם נדרשים להקריב כמה דברים, זה בסדר גמור. "הקוטב הדרומי הוא אחד המקומות הטובים על כדור הארץ למחקר מהסוג הזה," אומר בנסון כשהוא מוחה גבישי קרח מזקנו.

היקום, כשרק נולד, היה דחוס ביותר, חם בצורה בלתי נתפסת ומלא בקרינה אנרגטית. ככל שהוא התרחב והתקרר, הלכה אנרגיית הקרינה ונעשתה דלילה, ואורך הגל שלה נמתח עד שכמעט 14 מיליארד שנים אחר כך, לא נשאר ממנה דבר מלבד זוהרם של גלי המיקרו הנמצאים בכל מקום. חקר קרינת הרקע הקוסמית הזו, שלעתים קרובות מכונה "דמדומי הבריאה" (the afterglow of creation), הוא הדרך הטובה ביותר מבחינתם של קוסמולוגים לפענח את רגעיו הראשונים של היקום ואת התפתחותו לאחר מכן. למשל, הבדלי טמפרטורה מזעריים בקרינת הרקע הקוסמית, שהתגלו לראשונה במשימות חלל בשנות ה-90, העידו על קיומם של אזורים של חומר קדמוני במצב של דחיסות-יתר או בתת-דחיסות, שגדלו והפכו לצבירים ולחללים הריקים שאנו רואים ביקום כיום.

טלסקופ הקוטב הדרומי נבנה לפני שש שנים כדי לחקור את קרינת הרקע הקוסמית לעומק. אמנם התצפיות הנעשות ממנו ומטלסקופים אחרים מספקות לנו תמונה מצוינת של היקום רק 380,000 שנה לאחר המפץ הגדול, אך הן לא מגיעות מעבר לזה. בזמנים קדומים יותר, החלל היה מלא בפלזמה גועשת של חלקיקים טעונים שספגו פוטונים ופלטו אותם מחדש ללא הרף, כך שהאור לא היה יכול לברוח. רק כשהטמפרטורות ירדו בסופו של דבר במידה שאפשרה לחלקיקים האלה להצטרף זה לזה וליצור אטומים ניטרליים, יכלה הקרינה, ולכן גם האור, להתפזר בחופשיות ביקום. אז אנחנו יכולים לקבל תמונת ינקות של היקום מרגע שהיה אפשר לראותו, אבל לא תפסנו את רגע לידתו.

זה חבל, אומר בנסון, כי התיאוריה אומרת לנו שדברים מלהיבים התרחשו ברגעים הראשונים החמקמקים האלה. לפי ההשערות על האינפלציה הקוסמית, קרי התנפחות היקום, הוא התחיל להתפשט כבר כשהוא היה בגיל 10 בחזקת מינוס 36 שניות, בזכות אנרגיית ריק מסתורית בעלת לחץ שלילי. תוך שבריר שנייה, היקום הנראה התפשט מגודל הקטן יותר מאטום לגודלה של אשכולית, פחות או יותר. למזלנו הרב, האינפלציה נעצרה כשהשעון הקוסמי הגיע ל-10 בחזקת מינוס 33 שניות בערך, ומשם החל היקום להתפשט בצורה נינוחה יותר, מה שאפשר את היווצרותן של גלקסיות, כוכבים וכוכבי לכת.

האינפלציה הקוסמית היא רעיון פופולרי, המגובה על-ידי פיזיקת קוונטים ובמידה מסוימת, על-ידי ראיות ממשימות כגון טלסקופ החלל פלאנק של סוכנות החלל האירופית, ולוויין המחקר WMAP של נאס"א. הרעיון הזה פותר כמה בעיות מציקות בתחום הקוסמולוגיה. למשל, הוא מסביר הבדלי דחיסות ביקום המוקדם כ"תפיחות" של תנודות קוונטיות מזעריות. ייתכן שהוא אף קשור לאנרגיה האפלה המוזרה שנדמה שמאיצה את ההתפשטות הקוסמית כיום.

בשעה שגלי הכבידה חולפים במרחב הזמן ויוצרים אדוות, הם מניעים אלקטרונים בצורה ייחודית וכך מותירים את חותמם על קרינת הרקע הקוסמית

לחדור את האפלה

למרות זאת, מתסכל לראות כמה מעט אנחנו יודעים על הפיזיקה של האינפלציה הקוסמית. מודלים שונים ורבים הוצעו, ואסטרונומים אינם בטוחים לגמרי שזה אכן קרה. בלי שנוכל לחזור אחורה עד תקופת האינפלציה הקוסמית ולהביט בה, נראה שלא נוכל לומר איזה מודל הוא הנכון, ואם אחד מהם אכן נכון. אבל אולי יש דרך לעשות זאת. בעשור האחרון החלו קוסמולוגים להבין שעצירתה הפתאומית של האינפלציה הקוסמית לבטח שילחה רעידות במרחב הזמן, רעידות הידועות כגלי כבידה, שקיומם נחזה על-ידי תורת היחסות הכללית של איינשטיין. בניגוד לקרינה, גלי הכבידה הקדמוניים האלה יכלו לחצות את היקום הלוהט המוקדם, כך שתדירותם ועוצמתם מלמדים אותנו על מצבו של היקום בזמן שבו הפסיקה האינפלציה שלו.

גלי כבידה קדמוניים אמורים להיקלט על-ידי כמה ניסויים, כגון פרויקט המצפים התאומים המכונה Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. המצפים ממוקמים בהאנפורד, וושינגטון, ובליווינגסטון, לואיזיאנה, ומטרתם היא לזהות אדוות במרחב הזמן, שנוצרו על-ידי התנגשויות של חורים שחורים או כוכבי נייטרונים. אך גלים כאלה אמורים בכל זאת להותיר דפוס בעל משמעות בקרינת הרקע הקוסמית. זיהוי ואפיון הדפוס הזה עשויים לאפשר לנו להבחין בין מודלים שונים של אינפלציה קוסמית.

לכן בנסון כל כך נרגש לגבי המצלמה החדשה של הצוות שלו, מד הקיטוב של טלסקופ הקוטב הדרומי (South Pole Telescope Polarimeter – SPTPol). היא נבנתה כדי לבצע מדידות מדויקות של הקיטוב בקרינת הרקע הקוסמית. כפי שאור השמש מקוטב כאשר הוא משתקף מפני אגם או כביש, כך גם קרינת הרקע הקוסמית מקוטבת כשהיא מפזרת אלקטרונים במהלך מסעה ביקום. תחזיות אומרות שגלי הכבידה ישנו קלות את דפוס הקיטוב. בשעה שהגלים חולפים במרחב הזמן ויוצרים אדוות, הם מניעים אלקטרונים בצורה ייחודית וכך מותירים את חותמם על קרינת הרקע הקוסמית.

צוות החוקרים ליד הטלסקופ בקוטב הדרומי

יהיה קשה לזהות את הדפוס – קצת כמו לנסות לאתר את צרצורו של צרצר בזמן הופעת רוק. אות הקיטוב החלש הנובע מגלי הכבידה הקדמוניים טובע באות החזק הרבה יותר שיצרו תנודות הדחיסות ביקום המוקדם. האות החזק הזה אותר לראשונה בשנת 2002 על-ידי הטלסקופ המכונה Degree Angular Scale Interferometer, גם הוא בקוטב הדרומי. אף אחד לא יודע כמה קשה יהיה לזהות את דפוס הקיטוב של גלי הכבידה, אומר בנסון. "זו תופעה עדינה," אומר החוקר הראשי של טלסקופ הקוטב הדרומי, ג'ון קרלסטרום. עד כה, הגבולות העליונים הטובים ביותר של קיטוב גלי הכבידה הושגו בשנים 2006 ו-2007 על-ידי מכשיר נוסף מהקוטב הדרומי, המופעל במסגרת ניסוי ה- Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization (BICEP) .

להימנע מרטיבות

מדוע כל כך הרבה טלסקופים של קרינת הרקע הקוסמית ממוקמים באחד המקומות המבודדים והעוינים ביותר בכדור הארץ? כדי לצפות בקרינת המיקרו הקוסמית, צריך להיות במקום גבוה ויבש. אדי מים אטמוספריים סופגים את גלי המיקרו – לפי אותו עיקרון שגורם לכוס מים להתחמם במיקרוגל שלכם. כתוצאה מזה, אי אפשר לצפות בקרינת רקע קוסמית בגובה פני הים: יש פשוט יותר מדי אטמוספירה עמוסת-מים מעל הטלסקופ. וגם על פסגות הרים גבוהות, דרוש אוויר יבש. הקוטב הדרומי נמצא בגובה 2830 מטר והאוויר בו יבש מאוד, עובדה שברורה לכל מבקר. לעתים קשה לי לנשום כאן, וקשה לעלות גם בגרם מדרגות אחד. בסוף היום, השפתיים שלי יבשות כמו נייר קלף.

וזה עוד כלום. הטלסקופ המכונה Array for Microwave Background Anisotropy או AMiBA, נמצא בגובה 3,400 מטר על שיפועו של הר המאונה לואה בהוואי. ובמדבר אטקמה בצ'ילה, התנאים טובים במיוחד – לטלסקופים, בכל אופן. מאז 2012, ניסוי ה-Polarbear למדידת הקיטוב של קרינת הרקע הקוסמית נמצא במדבר זה, בגובה 5,200 מטר, ליד פסגת הסֶרו טוֹקו. מאוחר יותר השנה תצטרף אליו מצלמת ה-ACTPol, בטלסקופ הקוסמולוגי של אטקמה השוכן בסמוך. היא תספק את המדידות הרגישות ביותר אי פעם לקיטוב קרינת הרקע הקוסמית, אומר מייק נימק מאוניברסיטת קורנל שבאיתקה, ניו יורק. הוא עזר לפתח את הגלאים של הטלסקופים בקוטב הדרומי ובאטקמה, ועובד כעת בצוות שבאטקמה.
התחרות בין שני הצוותים היא עזה אבל ברוח טובה, אומר נימק. והיא לא תיעצר בדור הנוכחי של מדי הקיטוב.

תוך שבריר שנייה, היקום הנראה התפשט מגודל הקטן יותר מאטום לגודלה של אשכולית, פחות או יותר

צוות ה-SPTPol כבר התחיל לבנות מכשיר חדש ומשודרג שיהיה רגיש פי עשרה מקודמו. בינתיים, נימק ושותפיו מתכננים גרסה מתקדמת של ה-ACTPol. רגישות, רזולוציה זוויתית, כיסוי תדירות וכיסוי שמיים, לכל אלה יש תפקיד במצוד אחר טביעת הקיטוב החמקמקה של האינפלציה הקוסמית. "אנחנו עדיין לא יודעים מהי עוצמתו של האות. זה לא מדע מבוסס," אומר דייוויד ספרגל מאוניברסיטת פרינסטון.

לאור גודל הפרס, צוותים רבים משתתפים במרוץ. משימת פלאנק, למשל, ממפה את קרינת הרקע הקוסמית ברמת פירוט חסרת תקדים מאז שנת 2009. בחודש מרץ השנה, פרסם צוות המשימה את המפות המפורטות ביותר שנעשו אי פעם לקרינת הרקע הקוסמית ברחבי השמיים. הם עדיין מנתחים את המדידות ממדי הקיטוב של הלוויין. "אנחנו מתכננים לפרסם את נתוני הקיטוב הראשונים שלנו בעוד שנה," אומר מדען בפרויקט, יאן טאובר מהמרכז האירופי למחקר וטכנולוגיית החלל בנורדוויק שבהולנד. הוא מקווה שצוות פלאנק יהיה הראשון לזהות את אות הקיטוב של גלי הכבידה האינפלציוניים.

כמה מחברי צוות פלאנק. צילום: Guy Lebègue

אבל הגלאים של פלאנק אינם רגישים כמו חלק מהמכשירים הנמצאים על הקרקע, והם לא מסוגלים להבחין בדפוסים בקנה מידה הקטן ביותר. זה נותן לניסויים אחרים למדידת הקיטוב של קרינת הרקע הקוסמית, הזדמנות לתפוס את ההובלה. ויש רבים מהם.

כמה מהם פועלים במיקומים גבוהים. אחרים נתלים מתחת לבלונים וטסו לאחרונים בגובה רב מעל אנטרקטיקה, אוסטרליה וניו מקסיקו. מכשיר ה-BICEP-2 פועל מאז 2009 על טלסקופ קטן בקוטב הדרומי, בחודש ינואר השלים גלאי ה-EBEX טיסת בלון של 25 יום מעל אנטרקטיקה. ניסויים נוספים מתוכננים. "מה שאני יכול לומר בוודאות הוא שתהיה התקדמות רבה בשנים הקרובות," אומר ספרגל. הוא מאמין שאישור האינפלציה הקוסמית בעזרת קיטוב קרינת הרקע הקוסמית הוא הישג שראוי לפרס נובל בפיזיקה.

ומי יודע, ייתכן שהמדידות כבר נאספו – אם לא על-ידי SPTPol או פלאנק, אז על-ידי BICEP-2 או EBEX. "אנחנו מתכננים לפרסם תוצאות ראשוניות השנה," אומר ג'יימי בוק, שעובד בצוות ה-BICEP-2, "אבל אנחנו עדיין מנתחים נתונים חזקים משלוש שנים." הניתוח דורש כיול, הבנה מדויקת של האופן שבו המכשיר מעבד אותות ורעש, וכן חקירה של שגיאות מערכתיות. "זה לא קל," אומר בוק, "צריך להקפיד בכל דבר ודבר."
בוק טוען שרגישותו של ה-BICEP-2 הגיעה ל"רמות מעניינות." אבל אי אפשר לדובב אותו ולהבין אם הצוות כבר מצא חותם של אינפלציה: "אני לא בטוח, וגם אם הייתי בטוח, לא הייתי יכול לומר לך."
נכון לעכשיו, התחום פתוח לחלוטין. "אנחנו לא יודעים מה הרמה שבה גלי הכבידה הקדמוניים מייצרים קיטוב של קרינת הרקע הקוסמית," אומר שאול חנני שמוביל את צוות ה-EBEX, "ולכן אנחנו גם לא יודעים מי יהיה הראשון לגלות את האות. אבל ייתכן שהוא יתגלה בשנתיים הקרובות, פחות או יותר." ל-EBEX הייתה תקלה באחד המנועים שתפקידם לכוון את הטלסקופ באורך 1.5 מטרים במעופו, אבל השפעתה על התוצאות הסופיות עדיין לא ברורה.

כשרואים איך מדענים כמו בנסון עוזבים את ביתם הנוח למשך חודשים רבים כדי לחיות חיים ספרטניים בתחתית העולם, מתחילים להבין עד כמה הם רציניים לגבי החיפוש אחר הוכחה מוצקה לאינפלציה הקוסמית. אין ערובה להצלחה. אם הגלים הקדמוניים אינם חזקים מספיק, ייתכן שדפוס קיטוב מספק "לעולם לא יתגלה," אומר קרלסטרום. וגם אז, אין משמעות הדבר שהאינפלציה לא התרחשה, הוא מוסיף. "בהתבסס על מדידות הקיטוב, לעולם אי יהיה אפשר להפריך את האינפלציה." הסיכויים לכישלון אינם מייאשים את הקוסמולוגים. גם אם הם לא ייראו דבר ברמה מסוימת, הם יוכלו כך לשלול אוסף שלם של מודלים אינפלציוניים שונים. "זאת התקדמות," אומר ספרגל. ■

גוברט שילינג הוא כתב לענייני אסטרונומיה הפועל באמרספורט שבהולנד. הוא בילה שבוע באנטרקטיקה ובקוטב הדרומי בדצמבר 2012, כנציג תקשורת נבחר של התוכנית האנטרקטית של קרן ה מדע הלאומית של ארצות הברית.

@2013 New Scientist Magazine, Reed Business Information Ltd. All rights reserved. Distributed by Tribune Media Services, Inc.