ליל ה- 15 באוגוסט 1977. השעה 23:16 (שעון מקומי) בעיירה דלאוור, אוהיו. חדר הבקרה של הרדיו-טלסקופ Big Ear במצפה הכוכבים של אוניברסיטת אוהיו ריק מאדם. הרעש היחיד הנשמע בחדר, הוא של מדפסת הסיכות המחוברת למחשב ה- IBM 1130 של המצפה. המדפסת פולטת דף נוסף בשרשרת הדפים המתארכת. הדפים מכילים תדפיסים של אותות הרדיו הנקלטים בטלסקופ הסורק את השמיים, בתקווה למצוא אותות שמקורם בציוויליזציה תבונית במסגרת פרויקט SETI (ראשי תיבות של: Search for Extraterrestrial Intelligence), כלומר חיפוש חיים תבוניים מחוץ לכדור הארץ. בין מאות האותיות והמספרים על גבי התדפיס שנפלט זה עתה, מופיעה לפתע סדרת התווים “6EQUJ5”. איש אינו יודע עדיין שהתווים הללו מבטאים את אות הרדיו הנחשב עד היום לראיה החזקה ביותר לכאורה לתשדורת רדיו של ציוויליזציה אינטליגנטית חוץ ארצית.
שלושה ימים לאחר מכן, נחתה ערמת הדפים על השולחן בביתו של ד”ר ג’רי אהמן (Jerry Ehman) שעבד בהתנדבות במצפה. אהמן נהג לעבור בכל כמה ימים על התדפיסים, אשר עד לאותו היום לא הכילו כל מידע מעניין על פעילות רדיו (לא טבעית), ולמעשה תעדו את רעש הרקע של החלל הבין כוכבי. במהלך קריאת התדפיס, אהמן נתקל לפתע בסדרת התווים “6EQUJ5”. הוא מבין מיד כי הפעם לא מדובר ברעש אלא באות אמיתי, ובאופן אינסטינקטיבי הוא כותב את ההערה !WOW בצידו השמאלי של הדף. הערה זו הפכה לשמו של האות אשר כונה עד מהרה “אות !WOW”.
צילום התדפיס המקורי של Big Ear משנת 1977. (קרדיט: אוניברסיטת אוהיו)
מה הופך את אות !WOW לראיה חזקה כל כך לקיום תקשורת של ציוויליזציה חוץ ארצית? מה משמעות האותיות “6EQUJ5”? האם ישנם הסברים אחרים למקור האות? איך מסבירים את העובדה שהאות נקלט פעם אחת בלבד? ומהו בכלל רדיו-טלסקופ? בואו נצלול לאחת מהתעלומות המסתוריות ביותר בתחום חיפוש החיים מחוץ לכדור הארץ שמציתה כבר למעלה מארבעים שנה את הדמיון של עשרות חוקרים, רדיו-אסטרונומים וחובבי חלל.
הפוסט הפעם בשני חלקים. השבוע נעסוק בראשית אסטרונומיית הרדיו והקמת טלסקופ Big Ear. בחלק ב’ שיתפרסם בדיוק ביום השנה להופעת האות ב- 15 באוגוסט, נעסוק ב- SETI וב- !WOW עצמו.
גילוי אסטרונומיית הרדיו
משחר האנושות, הדרך לחקור את השמים, את היקום, הייתה באמצעות הראייה. בין אם היו אלו הבבלים, האשורים, אברהם אבינו (“הבט נא השמימה וספור הכוכבים, אם תוכל לספור אותם…”), תלמי, אריסטו או הרומאים – כולם צפו בעיניהם אל הכוכבים. בשנת 1609, גלילאו גליליי היה הראשון שחשב לקחת את טלסקופ העדשות שהומצא מספר שנים לפני כן, לכוון אותו אל השמיים (עד אז הטלסקופ היה בשימוש בעיקר למטרות מסחריות וצבאיות) ולקחת את האסטרונומיה צעד אחד אדיר קדימה. גילוי המכתשים על הירח, ירחי צדק, טבעות שבתאי, פאזות נוגה – כל אלו תרמו לביסוס המודל ההליוצנטרי לפיו השמש – היא במרכז, ולא כדור הארץ. מאז הלכו הטלסקופים והשתכללו. גם אדווין האבל, שהשתמש בטלסקופ 100 האינץ’ העצום במצפה הר וילסון וגילה שאנדרומדה היא גלקסיה (דבר שהוביל לגילוי התרחבות היקום וביסוס תיאוריית המפץ הגדול) – גם הוא השתמש במחקריו באותם עקרונות שהשתמשו גלילאו, תלמי, אריסטו ואברהם אבינו – צפייה בכוכבים באור הנראה, זה הנקלט בעינינו או בלוחות צילום הרגישים לאור. אולם האור הנראה, כפי שכבר הסברנו בפוסט על צבע אור השמש, הוא רק חלק קטן ומוגבל מהספקטרום כולו, וכפי שיסתבר בהמשך, היקום “מדבר” בתדרים ובארכי גל נוספים, לא רק ברצועת התדרים הצרה שרואות עינינו.
נזכיר שלמעשה האור המגיע מפנס רחוב ונקלט בעינינו לא שונה מהותית מאות רדיו המגיע ממשדר תחנת גלי צה”ל ונקלט במכשיר הרדיו ברכב שלנו. בשני המקרים מדובר בגל אלקטרומגנטי. ההבדל ביניהם הוא אורך הגל או התדר (הקשורים אחד לשני בקשר הפוך). האור מפנס הרחוב באורך גל של כ- 550 ננו-מטר (מילארדית המטר) או בתדר של 540 טרה-הרץ (כלומר אות שמתנודד 540 אלף מיליארד פעמים בשנייה). האות מתחנת גלי צה”ל הוא בתדר 96.6 מגה-הרץ (מתנודד 96.6 מיליון פעמים בשנייה) או באורך גל של כ- 3 מטרים. העיניים שלנו רגישות רק לגלים באורכי גל של כ- 400-700 ננו מטר, גלים קצרים מאוד, ואינן רגישות לגלים באורכים אחרים כמו אותות רדיו או אינפרה אדום ואולטרה סגול. כאשר אומרים “אות רדיו” מתכוונים לאות בתחום תדרים של הרצים בודדים ועד בערך 300 מגה-הרץ (300 מיליון הרץ). האות של גלי צה”ל (או כל תחנת רדיו אחרת) נופל בתחום זה, ולכן הוא אות רדיו. האור הנקלט בעינינו מהשמש אינו נופל בתחום זה ולכן אינו אות רדיו. האות מלוויין ה- GPS למשל, בתדר 1.5 גיגה-הרץ, גם הוא אינו בתחום הנ”ל ולכן נחשב לאות מיקרוגל, אולם לרוב מכנים גם אותות בתחום המיקרוגלים כאותות רדיו וכך נעשה גם אנחנו בהמשך. מי שמעוניין להרחיב בנושא הספקטרום יכול להתחיל מכאן.
קיומם של גלי הרדיו והקרינה האלקטרומגנטית הוכח עוד ב- 1864 ע”י ג’יימס קלארק מאקסוול (Maxwell). היינריך הרץ (Hertz) ביסס את התאוריה בעיקר באמצעות ניסויים, ואחריו ניקולה טסלה (Tesla) וג’וליילמו מרקוני (Marconi) פיתחו את טכנולוגיית הרדיו לכדי שידור ושליטה אלחוטית מרחוק על חפצים (טסלה אגב, היה הראשון שהדגים שליטה על סירה באמצעות שלט רחוק). בעשור הראשון של המאה העשרים התפתח השימוש בגלי רדיו לשידורי רדיו ומאוחר יותר שידורי טלוויזיה. בתחום הצבאי, מלחמת העולם השנייה נתנה דחיפה עצומה לשימוש במכ”מים המבוססים כמובן גם הם על שידור אותות רדיו.
קטע מהשיחה הטרנס-אטלנטית האלחוטית הראשונה, ינואר 1927. (קרדיט: ערוץ ההיסטוריה)
בשנת 1927 חברת AT&T (אותה הזכרנו לא מעט בפוסט זה) קיימה את השיחה הטרנס-אטלנטית האלחוטית הראשונה. השיחה הייתה בין נשיא AT&T בניו יורק לבין מזכיר משרד הדואר של בריטניה. ב- 1928 חברת AT&T כבר סיפקה שירותי טלפוניה טרנס-אטלטנטיים מבוססי רדיו, כאשר מחיר שיחה היה 75 דולר (שווה ערך לכ- 1000 דולר של ימינו) לשלוש הדקות הראשונות. AT&T זיהתה את הפוטנציאל של שוק השיחות האלחוטי, ושאפה בין היתר לשפר כל העת את איכות השיחות. לשם כך, החברה החלה במחקר באמצעות מעבדות בל (שהיוו את הזרוע הטכנולוגית של החברה) לזיהוי מקורות טבעיים של גלי רדיו שעשויים היו להפריע לשידורים האלחוטיים.
את המחקר הוביל חוקר צעיר בשם קרל ינסקי (Jansky). ינסקי, בסך הכל בן עשרים ואחת, בדיוק סיים את לימודי הפיזיקה שלו באוניברסיטת ויסקונסין. ינסקי בנה אנטנת רדיו גדולה באתר מעבדות בל בהולמדל, שהייתה מסוגלת לקלוט אותות רדיו בתדר של 20.5 מגה-הרץ (אורך גל של כ- 14.5 מטרים). האנטנה הוקמה על במה מסתובבת שהסתובבה כשלוש פעמים בשעה ואפשר לה לקלוט אותות רדיו מכל הכיוונים. גובהה של האנטנה היה כשישה מטרים וקוטרה כשלושים מטר. בשל צורתה המסתובבת היא כונתה עד מהרה “הקרוסלה של ינסקי” (“Jansky’s Merry-go-round”).
קרל ינסקי, ממציא אסטרונומיית הרדיו (קרדיט: ויקיפדיה)
קרל ינסקי על רקע האנטנה שבנה (קרדיט: National Radio Astronomy Observatory)
לאחר השלמת בניית האנטנה בשנת 1930, ינסקי החל למדוד ולסווג את הרעשים שנקלטו בה. הוא חקר ומצא שקיימים שלושה סוגים של רעשים: קבוצה אחת נבעה מסופות ברקים מקומיות והשנייה מסופות ברקים מרוחקות. את הקבוצה השלישית הוא התקשה לסווג וקבע תחילה שמקורה אינו ברור. ינסקי התעקש למצוא את מקור הרעשים והמשיך לחקור אותם במשך עוד כשנה. הוא גילה שהרעשים מגיעים לשיא אחת ליממה בערך, וליתר דיוק כל 23 שעות ו- 56 דקות. ינסקי שם לב שככל שעבר הזמן, השיא זז מעט ביחס לשמש. ינסקי שלא היה אסטרונום, שוחח על התופעה המוזרה עם חברו, אסטרופיזיקאי בשם אלברט מלווין סקלט (Skellett) שהצביע על העובדה שהשיא למעשה חוזר במרווח זמן השווה ליממה כוכבית (Sidreal day). מה ההבדל בין יממה כוכבית ליממה שמשית (Solar day)? יממה כוכבית הוא הזמן שלוקח לכדור הארץ לבצע הקפה אחת בדיוק סביב עצמו, והוא שווה ל- 23 שעות ו- 56 דקות. אולם בזמן הזה כדור הארץ גם נע סביב השמש (הוא משלים בערך 1/365 מהסיבוב השנתי סביב השמש). אם התחלנו למשל למדוד את הזמן כאשר השמש בדיוק בזניט, מעל לראש, לאחר יממה כוכבית אחת, השמש לא תהיה שוב מעל הראש אלא בזווית קטנה יותר, כיוון שכדור הארץ זז מעט סביב השמש ויידרשו עוד כארבע דקות לשמש להגיע שוב מעל הראש. זו יממה שמשית.
אנימציה המדגימה את ההבדל בין יממה כוכבית ליממה שמשית.
במילים אחרות, ינסקי גילה שהרעשים אינם מגיעים מהשמש או ממערכת השמש אלא ממקור חיצוני. ינסקי השווה את המידע מתצפיותיו למפות אסטרונומיות (אופטיות, המתבססות כמובן על האור הנראה) וגילה שמקור הקרינה מגיע ממרכז גלקסיית שביל החלב, באיזור קבוצת קשת. ינסקי, בקושי בן עשרים ושש, היה הראשון שקלט גלי רדיו מן החלל החיצון, ובכך פתח את הפתח לצמיחתו של מדע חדש – אסטרונומיית רדיו. ינסקי הוכיח שניתן ללמוד על היקום גם מעבר להתבוננות ברצועה המוגבלת של גלים אלקטרומגנטיים בספקטרום האור הנראה.
BIG EAR
קרל ינסקי רצה להמשיך לחקור את אותות הרדיו השמיימיים, אולם בשנת 1935 מעבדות בל העבירו אותו לתפקיד אחר, והוא זנח את העיסוק באסטרונומיית הרדיו. אף על פי כן, מספר אנשים הושפעו מעבודתו והבינו את הפוטנציאל הרב הטמון בחקר השמיים בתדרי רדיו.
האנטנה הפרבולית של גרוט ריבר בחצר ביתו. (קרדיט: ויקיפדיה)
אחד מהם הוא חוקר צעיר בשם ג’ון קראוס (Kraus) מאוניברסיטת אוהיו. קראוס פוגש במהלך מלחמת העולם השנייה מהנדס רדיו בשם גרוט ריבר (Reber) שהמשיך את עבודתו של ינסקי, ואף בנה בחצר ביתו מקלט עם אנטנת צלחת (פרבולית) בקוטר של כ- 9 מטרים, והיה הראשון והיחיד בעולם באותה התקופה, שהחל למפות בצורה סדורה את השמיים. האנטנה של ריבר היוותה למעשה אב טיפוס של כל האנטנות מסוג זה שמיוצרות עד היום. ריבר היווה השראה לקראוס שרצה להכניס את אסטרונומיית הרדיו גם לפקולטה שלו באוניברסיטת אוהיו, אליה הצטרף בשנת 1946.
קראוס פיתח אנטנה מיוחדת בצורת סליל, עליה הוא ביסס את הרדיו טלסקופ הראשון אותו הוא בנה במשך מספר שנים עד להשלמתו בשנת 1952. יחד עם סטודנטים בפקולטה, הם בנו מערך אנטנות סליל באורך של 50 מטר ששימש את הטלסקופ. קראוס ערך סקר למיפוי השמים עם טלסקופ הרדיו ולאור ההצלחה, הוא הבין שהוא צריך משהו הרבה יותר גדול. הוא ממשיך ומתכנן טלסקופ שישתרע על רוחב של כ- 650 מטר אך בשל הקושי לגייס תקציב ושטח לפרויקט כה שאפתני, הוא מתפשר לבסוף על רוחב של כ- 110 מטר. בשנת 1956 קראוס מגיע להסכם עם אוניברסיטת אוהיו על הקצאת מגרש בשטח של 20 אקר (כ- 80 דונם) שייועד להקמת מצפה רדיו לאוניברסיטה. עד מהרה ידבק במצפה הכינוי Big Ear (אוזן גדולה) בשל השטח הגדול שעליו השתרע והיכולת היוצאת מן הכלל שלו להאזין לאותות החלשים ביותר ביקום. העבודות החלו בשנת 1956 ונמשכו כחמש שנים, בפיקוחו של קראוס עצמו, כאשר הבנייה התבצעה בעיקר על ידי הסטודנטים.
טלסקופ הרדיו BIG EAR (קרדיט: הסמית’סוניאן)
הטלסקופ מרשים בגודלו אך פשוט יחסית במבנהו. אורכו כ- 150 מטר על רוחב של כ- 110 מטר. השטח כוסה ברדיד אלומיניום על מנת להחזיר את גלי הרדיו. בקצה האחד (בתמונה זהו הקצה התחתון) ישנו משטח מחזיר פרבולי ובקצה השני (העליון בתמונה) משטח מחזיר ישר, הניתן לשינוי זווית הגבהה. במרכז רוחב המגרש, בקצה אורכו, מוקמו שתי אנטנות שופר (Feed Horn) לקליטת האותות המוחזרים. הרדיו-טלסקופ פעל למעשה באופן הבא: אותות מגיעים מהשמיים אל המשטח הישר, עוברים למשטח הפרבולי ומשם מוחזרים לאנטנת השופר, אחריה ממוקמים מקלט ומחשב שמעבד את האותות. הסרטון הבא מתאר את אופן פעולת הטלסקופ:
אופן פעולת Big Ear (קרדיט: WOW! Documentary)
בשונה מטלסקופי הרדיו הקיימים כיום, אותם ניתן לכוון לכל נקודה כיוון שיש להם שני צירי הנעה – מעלה ומטה (הגבהה) ולצדדים (צידוד), את טלסקופ Big Ear ניתן היה להזיז רק בציר אחד, למעלה ולמטה:
הדמיה של אופן הגבהת משטח האנטנות של Big Ear (קרדיט: WOW! Documentary)
את תפקיד הצידוד עשה… כדור הארץ! הרדיו-טלסקופ כוון לזווית הגבהה מסויימת, ואז בעקבות סיבוב כדור הארץ, הטלסקופ למעשה סרק באותה הגבהה סיבוב של 360 מעלות תוך יממה. בכל יממה, כוונה זווית הגבהה אחרת, וסיבוב כדור הארץ הביא להשלמת סריקת הפלח תוך 24 שעות. היתרון במבנה טלסקופ זה הוא היכולת למפות שטחים גדולים בקלות ובאפקטיביות גבוהה יחסית, ובעלות בנייה ותחזוקה נמוכים (בשל החיסכון במערכת הנעה ובקרה לציר סיבוב נוסף). הטלסקופ נבנה במטרה “לרצף” שטח, אך לא היה מסוגל להינעל על נקודה מסויימת בשמים במשך זמן ולעקוב אחריה. זהו אחד החסרונות המרכזיים של Big Ear שיהווה נקודת מפתח בהבנת הקושי בפענוח אות !WOW, עליו נרחיב בחלק ב’.
כשהושלמה בנייתו בתחילת שנות השישים, Big Ear היה אחד מטלסקופי הרדיו הגדולים בעולם, ובתוך כעשר שנים צוות ההפעלה של הטלסקופ בראשות פרופ’ קראוס יחד עם סגנו רוברט דיקסון (Dixon), השלים את סקר השמים הגדול ביותר עד אז, במיפוי מעל 20,000 עצמי רדיו כמו קואזרים, כוכבים ועוד. הודות להספק המיפוי הגבוה שלו, פרויקטים אחרים וחוקרים מכל העולם השתמשו במפות שהופקו ממנו על מנת להתמקד ולהרחיב את המחקר במטרות שנראו “מעניינות” מבחינה מדעית. בשנת 1972 הושלם למעשה סקר השמים הגדול. מצפי רדיו נוספים הוקמו ו- Big Ear לא היה יותר ייחודי. אם לא די בכך, הקרן הממשלתית למדע של ארה”ב (NSF) החליטה בעקבות קיצוץ תקציבי של הקונגרס על הפסקת המימון להפעלת הטלסקופ (מרבית התקציב יועד בעיקר לתקצוב צוות המחקר). Big Ear נשאר חסר תעסוקה.
אך לא לאורך זמן.
SETI – הפרויקט לחיפוש חיים תבוניים חוץ ארציים הלך וצבר בשנים אלו תאוצה, ורוברט דיקסון הצליח לשכנע את קראוס לרתום את Big Ear למיזם SETI, מהלך שיסלול את הדרך לתגלית אות !WOW.
מהו בעצם פרויקט SETI? כמה זמן נמשך אות !WOW? מה מייחד אותו מאותות רדיו אחרים בגלקסיה ומחוצה לה? וכמובן מה משמעות “6EQUJ5”?
התשובות ב- 15 באוגוסט…