הזוג שגר בתוך האנטנה
באחד מימי 1965 הניח פרופסור בפרינסטון את שפופרת הטלפון, פנה לחבריו שישבו סביב שולחן ארוחת הצהריים, ואמר: טוב ילדים, הקדימו אותנו.
שנה קודם, על גבעה בניו ג’רזי:
ב-1964 טיפסו שני חוקרים של מעבדות בל אל תוך אנטנה מאלומיניום על גבעה בניו ג’רזי. הפתח שלה היה רחב משישה מטרים, ובפנים, על המתכת החמימה, גר זוג יונים. הן ישבו שם זמן רב וכיסו את דפנות האנטנה בלשלשת.
ההנחה הייתה פשוטה: הלשלשת היא מקור הרעש. השניים קירצפו את המתכת, לכדו את היונים במלכודת תיל, הרחיקו אותן מן הגבעה - והן חזרו. בסוף ירו בהן ברובה ציד.1
הרעש נשאר בדיוק כפי שהיה.
בלון שלא שידר כלום
האנטנה הזאת נבנתה ב-1959 על גבעת קרופורד בהולמדל, בשביל פרויקט אקו של נאס“א. אקו לא שידר דבר. זה היה בלון ענק מצופה אלומיניום שהחזיר אותות רדיו מן הקרקע, ובמעבדות בל בנו לו אוזן בהתאם: 15 מטר אורך, פתח של 6.1 על 6.1 מטרים, 18 טון אלומיניום.2
בסתיו 1963 נגמרו פרויקטי אקו וטלסטאר, והאנטנה התפנתה. היא עברה לשני חוקרים צעירים, ארנו פנזיאס ורוברט וילסון, שרצו לעסוק בה באסטרונומיית רדיו. התצלום שמלווה את הפרק צולם ב-1962, כשנה לפני שקיבלו אותה.
באותו זמן, בפרינסטון הסמוכה, החלה קבוצה לבנות מקלט לחפש קרינה שנשארה מן היקום הקדום. התשובה כבר ישבה על גבעה בניו ג’רזי, ושני הצדדים עוד לא ידעו זה על זה.
צעצוע בן 18 טון לשני צעירים
פנזיאס ווילסון לא חיפשו את ראשית היקום. הם רצו למדוד כמה מקורות רדיו, ובעיקר את שביל החלב, בדיוק שלא היה קיים עד אז. שביל החלב הוא בעיה קשה למדידה דווקא מפני שאנחנו בתוכו: אין שמיים ריקים לידו להשוואה.
לכן בנו מקור ייחוס משלהם: קצה של קו תמסורת טבול בהליום נוזלי, בטמפרטורה של כ-4 קלווין.3 פנזיאס סיפר אחר כך שבנה אותו טוב ככל האפשר מבחינה חשמלית, ודאג לקירור רק אחר כך. בלי להתכוון, הם בנו מכשיר מדויק בהרבה ממה שהתוכנית שלהם דרשה.
שלושה וחצי קלווין יותר מדי
מה שהם קיבלו היה רעש עודף קטן. בתדר 4080 מגה-הרץ, כלומר באורך גל של 7.35 סנטימטרים, נמדדו כ-3.5 קלווין מעל האפס המוחלט. המדידות נמשכו מיולי 1964 עד אפריל 1965.4
3.5 קלווין הוא כמעט כלום. כמעט כל דבר בעולם חם יותר. הבעיה הייתה שהמספר לא זז: ביום ובלילה, בחורף ובקיץ, בין אם האנטנה כוונה לשמיים ובין אם לקרקע. ולעומת מה שהיה אמור להיות שם - שביל החלב וכל מקור רדיו מוכר אחר יחד - הרעש היה גדול פי מאה בערך.4
איש לא חיכה לתוצאה כזאת. לכן הם עשו את מה שמדען עושה כשהוא מוצא משהו שאינו מסתדר: הם החליטו שזו התקלה שלהם.
לכוון לניו יורק כדי להיפטר ממנה
בשנה שאחרי המדידות הראשונות עברו השניים על כל החשודים לפי הסדר.5
הם שללו מכ“ם ושידורי רדיו. הם כיוונו את האנטנה ישירות לעבר ניו יורק, לבדוק אם הרעש מגיע מן העיר. הם בדקו את השמש, את שביל החלב ואת הקרקע סביב האנטנה. האות נשאר זהה בכל כיוון.
נשאר החשוד הסביר ביותר: המכשיר עצמו. כל מדידה הושוותה שוב ושוב למקור הייחוס המקורר בהליום נוזלי, כדי לחשב בדיוק כמה רעש מוסיפה האלקטרוניקה. אחרי כל החיסורים נשאר עודף.
שנה של קרצוף
שנה שלמה עבדו השניים מתוך הנחה שהם מפספסים משהו פשוט: כיול, ניקוי, מדידה חוזרת.
בסיכום שכתב ב-1981 מנה פנזיאס את כל מה שהיה צריך להחסיר מן המדידה. הרשימה מתחילה באטמוספרה ובקרקע, ממשיכה ברכיבים בתוך האנטנה, ומסתיימת ככה:
היינו צריכים להביא בחשבון רעש מן האטמוספרה, מן הקרקע, מרכיבים מאבדים באנטנה עצמה - ופריטים שונים ומשונים, כמו הלשלשת של זוג יונים בעלות מטרה אחת.ארנו פנזיאס, סיכום אישי, 1981, תרגום מאנגלית
שיחה אחת לפרינסטון
השמועה על רעש שלא נעלם הגיעה בסוף למי שחיפש אותו. קבוצה בפרינסטון, במרחק נסיעה קצר, התכוננה לחפש קרינה שנשארה מן היקום החם של ראשיתו, וכבר החלה לבנות מקלט. פנזיאס התקשר לראש הקבוצה, רוברט דיקה.
דיקה הקשיב יותר מדיבר, ומדי פעם חזר על מה ששמע: אנטנת קרן, כיול בהליום נוזלי, רעש עודף.6
ארוחת צהריים עם טלפון שחור
באותה שעה ישבה קבוצת פרינסטון לארוחת צהריים במשרד של דיקה: גיליונות, כריכים מן הבית, טלפון שחור, וארבעה אנשים שחיפשו משהו שמישהו אחר כבר מצא.
כשדיקה הניח את השפופרת אמר לחבריו משפט שנשמר בזכות דייוויד וילקינסון, שהיה בחדר וסיפר אותו אחר כך. אין תמלול, רק עדות:6
טוב ילדים, הקדימו אותנו.רוברט דיקה לקבוצתו בפרינסטון, לפי עדותו של דייוויד וילקינסון
גב אל גב ביולי
ביולי 1965 פרסם Astrophysical Journal שני מאמרים קצרים גב אל גב. מאמר פרינסטון הסביר מה המשמעות של קרינה כזאת לקוסמולוגיה, וציין שהקבוצה עמדה להתחיל בחיפוש כששמעה על תוצאת בל.
מאמר בל היה קצת יותר מעמוד אחד: “מדידת עודף טמפרטורת אנטנה ב-4080 מגה-הרץ”. כמעט כולו ניסיון לשכנע שהמדידה אמיתית: מה נשלל, מה נמדד, כמה פעמים. לפירוש הוקדש משפט אחד, שקט, בלשון הווה: הסבר אפשרי אחד לרעש העודף הוא זה שנתנו דיקה, פיבלס, רול ווילקינסון.7
מי שכבר ראה ולא הבין
החלק המביך בסיפור הוא שהוא לא היה צריך לקרות ב-1965. הקרינה הזאת כבר נמדדה, כמה פעמים, ואיש לא זיהה אותה.
עוד ב-1941 הסיק אנדרו מקלאר טמפרטורה של 2.3 קלווין מקווי בליעה של ציאנוגן בספקטרום של כוכב. המספר היה קרוב להפליא לאמת, ונרשם כמידע על מולקולות בין-כוכביות, בלי קשר ליקום.8
ב-1955 נמדדה בצרפת טמפרטורה של 3 קלווין פלוס-מינוס 2, וב-1957 נמדדה בברית המועצות טמפרטורה של 4 פלוס-מינוס 3. שתי התוצאות קרובות לאמת, ושתיהן לא נחשבו לראיה לשום דבר, כי אי-הוודאות שצוינה בהן הייתה כמעט בגודל התוצאה עצמה.9
וב-1961 מצא אד אוהם, בזמן כיול אנטנה, עודף של 3.3 קלווין באורך גל של 11 סנטימטר. הפעם מישהו כן שם לב: סקירה סובייטית מ-1964 ציטטה את מדידתו - כראיה נגד המפץ הגדול. המחברים סברו בטעות שאוהם מייחס את העודף לאטמוספרה, ולכן קראו אותו כטעות כיול.10
במילים אחרות: מדידת קרינת הרקע הקוסמית כבר הוצגה פעם אחת כטיעון נגד קיומה.
הפרס על המספר, לא על ההסבר
ב-1978 קיבלו פנזיאס ווילסון מחצית מפרס נובל לפיזיקה על גילוי קרינת הרקע הקוסמית. המחצית השנייה הלכה לפיוטר קפיצה, על פיזיקה של טמפרטורות נמוכות.11
שווה לשים לב למה שהפרס לא ניתן עליו. את התחזית נתן ג’ורג’ גאמוב, וראלף אלפר ורוברט הרמן העריכו עוד ב-1948 שהקרינה שנשארה מן היקום הקדום נמצאת היום סביב 5 קלווין. את הפירוש נתנה פרינסטון. מה ששייך לבל הוא המספר - והם שמרו עליו גם כשכל הסבר סביר נשלל.
היום המספר הזה הוא בערך 2.725 קלווין. הוא נמצא בכל ספר לימוד בקוסמולוגיה, והוא האור הקדום ביותר שיש.
המלכודת במוזיאון
המלכודת שתפסה את היונים שרדה. ב-2001 השאילו דוקטור וגברת וילסון אותה למוזיאון האוויר והחלל של הסמית’סוניאן בוושינגטון, ושם היא רשומה באוסף: מלכודת תיל פשוטה שלצידה הסבר על רעש שאיש לא הצליח להסביר.1
האנטנה עומדת במקומה על גבעת קרופורד, וב-1989 הוכרזה אתר מורשת לאומי אמריקאי. לא בגלל הבלונים של נאס“א, אלא בגלל שני הצעירים שקיבלו אותה בירושה.12
שני אנשים בילו שנה בניסיון לגרד מאנטנה רעש שכל אסטרונום בעשרים השנים שלפני כן היה שמח לקבל. הרעש הזה הוא היום המשפט הראשון בכל תיאור של ראשית היקום.
ונשארה רק מלכודת תיל אחת במוזיאון בוושינגטון, לזכר הזמן שבו האור העתיק ביותר ביקום נחשב ללכלוך של יונים.
הערות שוליים
- המלכודת היא מלכודת תיל מסחרית לתפיסת בעלי חיים קטנים בחיים. ב-2001 השאילו אותה דוקטור וגברת וילסון למוזיאון האוויר והחלל של הסמית’סוניאן, והיא רשומה שם באוסף. ההנחה שהלשלשת היא מקור הרעש נשללה: ניקוי האנטנה לא שינה את המדידה, והסיפור על רובה הציד מופיע בראיונות מאוחרים ולא בתיעוד של 1965. ↩
- האנטנה נבנתה ב-1959 לתמיכה בפרויקט אקו, באורך 15 מטר ובפתח של 6.1 על 6.1 מטרים, עשויה אלומיניום, בתכנונו של א. ב. קרופורד. ב-20 בדצמבר 1989 היא נרשמה כאתר מורשת לאומי אמריקאי. ↩
- מבפנים אי אפשר להשוות מקור לשמיים ריקים, ולכן נדרש מקור רעש מכויל: קצה של קו תמסורת טבול בהליום נוזלי, בטמפרטורה של כ-4 קלווין. ↩
- העודף נמדד בתדר 4080 מגה-הרץ, 7.35 סנטימטרים, והוערך בכ-3.5 קלווין. הוא נשאר זהה ביום ובלילה ובחורף ובקיץ, בין יולי 1964 לאפריל 1965, והיה גדול בסדרי גודל - פי מאה בערך - מכל מה שניתן היה לצפות משביל החלב או מכל צירוף של מקורות רדיו מוכרים. ↩
- בין הבדיקות: שלילת השפעות של מכ“ם ושל שידורי רדיו, כיוון האנטנה ישירות לעבר ניו יורק, בדיקת השמש ושביל החלב, והשוואה חוזרת מול מקור הרעש המכויל המקורר בהליום נוזלי. ↩
- הקבוצה בפרינסטון הגיעה לשאלה הזאת בעצמה: רוברט דיקה, פ. ג’. א. פיבלס, פ. ג. רול ודייוויד וילקינסון החלו לבנות מקלט לחיפוש אחרי קרינה מן היקום הקדום. פנזיאס התקשר לדיקה כדי לשמוע פרטים, ומה שאמר דיקה בסוף השיחה מובא כאן לפי עדותו של וילקינסון, לא כתמלול. ↩
- המאמרים פורסמו גב אל גב ב-Astrophysical Journal 142, יולי 1965: דיקה, פיבלס, רול ווילקינסון בעמודים 414 עד 419, ופנזיאס ווילסון, “A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s”, בעמודים 419 עד 421. המשפט על ההסבר האפשרי מופיע בגוף מאמרם. ↩
- מקלאר הסיק ב-1941 טמפרטורה סיבובית של 2.3 קלווין מקווי בליעה של רדיקל הציאנוגן בספקטרום של כוכב. הוא לא נתן למדידה פירוש קוסמולוגי, והקשר התגלה רק עשורים לאחר מכן. ↩
- מדידות קודמות של רעש הרקע: לה רו בצרפת ב-1955, 3 קלווין פלוס-מינוס 2 באורך גל של 33 סנטימטר, ושמאונוב בברית המועצות ב-1957, 4 קלווין פלוס-מינוס 3 באורך גל של 3.2 סנטימטרים. בשתי המדידות אי-הוודאות שצוינה הייתה כמעט בגודל התוצאה עצמה, ולכן שתיהן לא היו מובהקות סטטיסטית. ↩
- אד אוהם מדד ב-1961 עודף של 3.3 קלווין באורך גל של 11 סנטימטר בזמן כיול האנטנה. סקירה סובייטית של דורושקביץ’ ונוביקוב מ-1964 ציטטה את מדידתו כראיה נגד תורת המפץ הגדול, משום שסברה בטעות שאוהם מייחס את העודף לפליטה מן האטמוספרה ולא לשארית שנשארה אחרי החסרתה. ↩
- פרס נובל לפיזיקה 1978: מחצית לפיוטר קפיצה על המצאות ותגליות בפיזיקה של טמפרטורות נמוכות, ומחצית במשותף לפנזיאס ווילסון על גילוי קרינת הרקע הקוסמית. אלפר והרמן העריכו ב-1948 שהקרינה שנשארה מן היקום הקדום נמצאת היום בסביבות 5 קלווין. ↩
- האנטנה נרשמה במרשם הלאומי של מקומות היסטוריים ובאתרי המורשת הלאומיים ב-20 בדצמבר 1989, במספר 89002457, בשל קשרה לעבודתם של פנזיאס ווילסון. ↩
מקורות מרכזיים
פנזיאס ווילסון, “A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s”, Astrophysical Journal 142:419-421, 1965; הסיכום האישי של פנזיאס, Current Contents, 1981 (PDF); רשומת המוזיאון הלאומי לאוויר ולחלל על מלכודת היונים; פרס נובל לפיזיקה 1978; ויקיפדיה: גילוי קרינת הרקע הקוסמית; ותיאור הרצף שגילה את הרעש, אוניברסיטת מנצ’סטר.