על מיקרו עידוש כבידתי

כתבו ערן אופק ודוד פולישוק

עידוש כבידתי (Gravitational Lensing) הן מגוון תופעות אסטרופיסקליות הקשורות ב"עיקום" מסלול קרני האור כתוצאה משדה כבידה של מסה או מסות כלשהן. תופעת העידוש הכבידתי נחזתה ע"י אלברט אינשטיין בשנת 1915, במסגרת תורת הכבידה היחסותית שלו הידועה גם בשם תורת היחסות הכללית (General Relativity). על פי תורת היחסות הכללית, נוכחות של מסה מעקמת את המרחב. המשמעות בפועל של העיקום הנ"ל היא שבמרחב עקום הקו הקצר ביותר המחבר שתי נקודות אינו בהכרח קו ישר. על פי אינשטיין קרינה אלקטרומגנטית (ובכלהן קרני האור) נעה במסלולים הקצרים ביותר. אם כן, בנוכחות מסה המרחב מתעקם וקרני האור נעות במסלולים מעוקמים. אינשטיין חזה כי קרני אור מכוכב רחוק שיעברו בסמוך לשפת השמש יוסטו מעט ממסלולן וייראו לנו כמגיעות מנקודה שמוזזת מעט ממיקומו האמיתי של הכוכב. שיעור ההסטה הנ"ל הינו קטן (כ 1.74 שניות קשת) אך נמדד לראשונה בניסוי המפורסם של ארתור אדינגטון, בזמן ליקוי חמה מלא, בשנת 1919. מאז אושרה התופעה בדיוק גבוה במגוון רחב של ניסויים.

מיקרו-עידוש כבידתי (Gravitational Microlensing) מתרחש כאשר כוכב בגלקסיה שלנו עובר בינינו לבין כוכב רחוק יותר. הכוכב הקרוב משנה את מסלול קרני האור ומגדיל את סה"כ עוצמת האור של הכוכב המרוחק (הכוכב המעודש). בפועל נוצרות מספר דמויות של הכוכב המעודש, אך המרחק הזוויתי ביניהן קטן מדי מכדי שנוכל להפריד אותן באמצעות אמצעי התצפית הקיימים כיום (ומכאן השם מיקרו-עידוש כבידתי). בכל רגע נתון, אחד למיליון כוכבים בגלקסיה שלנו עובר מיקרו-עידוש כבידתי. למרות שהתופעה נדירה, כיום מתגלים כאלף אירועים מסוג זה כל שנה באמצעות טלסקופים העוקבים אחרי עשרות מיליוני כוכבים, מודדים את עוצמת אורם כתלות בזמן ומחפשים אחר החתימה האופיינית של שינוי עוצמת האור הנגרם כתוצאה ממיקרו-עידוש כבידתי.

תופעת המיקרו-עידוש הכבידתי מאפשרת גם לחפש כוכבי לכת מסביב לכוכב המעדש. במקרה זה כוכב הלכת יגרום למעין עיוות ב"עדשה" וישנה מעט את השתנות עוצמת האור כתלות בזמן. במקרים מסוימים התופעה מאפשרת גם למדוד את אפקט האפלת השפה בכוכב המעודש. הפרויקטים לחיפוש מיקרו-עידוש כבידתי תוכננו במקור על מנת לבדוק את טיבה של המסה האפלה בגלקסיית שביל החלב. במידה והמסה האפלה היתה מרוכזת בכוכבים קטנים, חורים שחורים וכדומה, הסיכוי למיקרו-עידוש כבידתי היה גבוה יותר. הניסויים הללו הראו כי המסה האפלה בגלקסיה איננה מופיעה בצורה כזאת של כוכבים קטנים, חורים שחורים או כוכבי לכת חופשיים המרחפים בחלל.

הגרף למטה מציג מדידות של עוצמת האור כתלות בזמן, של אירוע מיקרו-עידוש בעל הגברה עצומה (פי 500 בעוצמת האור). הנקודות הירוקות נמדדו במצפה הכוכבים ע"ש וייז במצפה רמון. התצפית באירוע הנ"ל איפשרה לשלול קיומם של כוכבי לכת במגוון מסות ובתחום נרחב מסביב לכוכב המעדש. באם לכוכב המעדש היה כוכב לכת, הייתה נראית עקומת האור "מופרעת".

במקרה וקיים כוכב לכת סביב הכוכב המעדש הגברת האור איננה סימטרית והיא תלויה במקומו של כוכב הלכת ביחס לכוכב המעדש וביחס לקרני האור המגיעות מהכוכב המעודש. מספר אפשרויות מופיעות בתרשים למטה, כאשר חלקו העליון של התרשים מציג את עקומת האור.

בעזרת מדידות של אירועי מיקרו-עידוש כבידתי נמצאו בשנים האחרונות מספר כוכבי לכת סביב שמשות זרות. מכיוון שאירועים כאלו מתרחשים לאורך מספר ימים (ימי ארץ), מתבצע המעקב אחר אירועי מיקרו-עידוש בשיתוף פעולה של אסטרונומים מסביב לעולם. כך, גם מצפה הכוכבים וייז של אוניברסיטת תל-אביב הינו חבר בהתארגנות כזו והוא היה שותף בכמה תגליות מעניינות של כוכבי לכת ובכלל זה מערכת עם שני כוכבי לכת שגודלם ומרחקם מהשמש שלהם זהה לנתוניהם של צדק ושבתאי במערכת השמש שלנו. התרשים למטה (מתוך Gaudi et al. 2008) מציג את עקומת האור של המערכת הזו, ובכלל זה נתוני מצפה הכוכבים וייז (באדום).

לשיטת המיקרו-עידוש כבידתי יתרונות על פני שיטות אחרות לחיפוש כוכבי לכת זרים (exoplanets). השיטה איננה רגישה למרחק כוכב הלכת מהכוכב שלו ולזווית המסלול של כוכב הלכת ביחס לצופה מהארץ, בניגוד לשיטת המהירות הראדיאלית ולשיטת הליקויים. מעבר לכך, בהינתן הגברה גדולה של הכוכב המעודש, גם כוכב לכת שגודלו כגודל כדור-הארץ יגרום להפרעה בעקומת האור – ולזיהוי ודאי. החיסרון הגדול של שיטה זו הינו שהמדידה והגילוי הם חד-פעמיים. ברגע שהכוכב המעדש ממשיך לדרכו לא ניתן עוד לזהות או לחקור את כוכב הלכת במשך שנים רבות, ולעיתים, הכוכב אובד לנצח.

להלן קישורים למספר מחקרים של שיטת המיקרו-עידוש כבידתי שהחוקרים במצפה הכוכבים וייז היו שותפים להם:

Gaudi et al., 2008. Discovery of a Jupiter/Saturn Analog with Gravitational Microlensing. Science 319, pp. 927-930.

Gould et al., 2010. Frequency of Solar-Like Systems and of Ice and Gas Giants Beyond the Snow Line from High-Magnification Microlensing Events in 2005-2008.

Batista et al., 2009. Mass measurement of a single unseen star and planetary detection efficiency for OGLE 2007-BLG-050.

Bennett et al., 2009. Masses and orbital constraints for the OGLE-2006-BLG109Lb,c Jupiter/Saturn analog planetary system.

Yee et al., 2009. Extreme Magnification Microlensing Event OGLE-2008-BLG-279: Strong Limits on Planetary Companions to the Lens Star.