אסטרונומיה

אַסְטְרוֹנוֹמִיָה (מיוונית: הלחם של המילים άστρον, אסטרון - כוכב, ו-νόμος, נומוס - חוק) היא ענף במדעי הטבע החוקר באמצעות תצפיות וניתוחן את התנועה, מבנה, ההתהוות וההתפתחות של גרמי השמים והיקום.
לאסטרונומיה הייתה השפעה גדולה לאורך השנים על תרבויות, אמונות ותפישות מדעיות. נמצאו ממצאים מרשימים עוד מהתקופה הפרהיסטורית המעידים על מרכזיות האסטרונומיה בחברות פרהיסטוריות. אמונות רבות העמידו במרכז האמונה היבטים אסטרונומיים, דוגמה לכך היא הפילוסופיה של אריסטו. במהפכות מדעיות רבות שימשה האסטרונומיה בסיס מרכזי, אחת מהבולטות שבהן היא תורת היחסות.
ייחוד נוסף של המדע האסטרונומי הוא תרומתם של אסטרונומים חובבים לחקר האסטרונומיה. תרומתם של האסטרונומים החובבים ניכרת בעיקר בגילוי אירועים חד פעמיים כמו סופרנובות, שביטים, אסטרואידים וכוכבים משתנים. עם התפתחות האינטרנט אסטרונומים חובבים מסייעים גם בנתוח תצפיות בפרויקטים כדוגמת Galaxy Zoo.
עוד מאפיין ייחודי לאסטרונומיה הוא שבניגוד לשאר המדעים, האסטרונומיה כמעט אינה עוסקת בניסויים אלא בתצפיות. כמעט כל המחקר האסטרונומי נעשה באמצעות צפייה וניתוח של הספקטרום האלקטרומגנטי. יוצא מן הכלל הוא מחקר הירח, המאדים ומספר אסטרואידים שנעשה גם באמצעות דגימות קרקע.

היסטוריה

האסטרונומיה היא, ככל הנראה, המדע העתיק ביותר. כבר תרבויות פרימיטיביות שמו לב לתופעות אסטרונומיות בסיסיות; זריחה ושקיעה, מופעי הירח, נטיית מסלול השמש בעונות השנה, השפעת נטיית השמש על אורך היום והלילה ומזג האוויר, תנועת כוכבי הלכת וסידור כוכבי השבת. הבנת תופעות אלו הייתה חשובה במעבר לחברה חקלאית, על פי התופעות האסטרונומיות יכלו בני האדם לדעת מתי לחרוש ומתי לזרוע. ישנם גם ממצאים ארכאולוגים המתעדים אירועים נדירים יותר כגון שביטים, ליקוי מאורות ואף נובות וסופר נובות. אם כי לרוב ממצאים אלו אינם מוחלטים.

אסטרונומיה קדומה

איננו יודעים מתי החל חקר האסטרונומיה המסודר ומתי פעל האסטרונום הראשון, אולם ישנן עדויות ארכאולוגיות ברורות לעיסוק רציני באסטרונומיה ברמה גבוהה בתרבויות העתיקות ביותר. נמצאו עדויות לעיסוק באסטרונומיה מתקופת הפריחה של שומר (לפני כ-6,000 שנה), וידוע גם שהמצרים הקדמונים עסקו בה. ממצא מרשים הוא סטונהנג' שבאנגליה (נבנה במהלך האלף השלישי לפנה"ס). החוקרים חלוקים האם האתר שימש כמצפה כוכבים או לשימוש אחר, אך מוסכם על כולם שהאבנים מוקמו על פי אירועים אסטרונומיים. עמודי האבן ממוקמים כך שניתן לחשב בעזרתם אירועים אסטרונומים כגון נקודת השוויון ונקודת היפוך נקודות במסלולו של הירח ועוד. עד ל פילוסופים היוונים ביוון הקלאסית שימשה האסטרונומיה הן כמדע תצפיתי (שסייע למשל לקבוע את לוח השנה) והן כבסיס לאסטרולוגיה שנחשבה אז חלק בלתי נפרד ממנה. גם כתבים אסטרונומיים מימיה האחרונים של ממלכת בבל, מן המאה השלישית או השנייה לפני הספירה, כוללים נתונים מספריים תצפיתיים, ללא רמז למודל שיוכל להסביר את התצפיות. ממצאים המעידים על תצפיות שיטתיות נמצאו במצרים, הודו, סין ומסופוטמיה. בכל המקומות הללו נעשו חישובים שחזו אירועים אסטרונומיים כגון ליקויים.

אסטרונומיה מסופוטמית

חוקרים שבדקו את קבוצות הכוכבים המקובלות בעולם העתיק, והשוו זאת לכוכבים הנראים בקווי רוחב שונים בתקופות שונות, שערו כי החלוקה הראשונית של כוכבים בהירים לקבוצות נעשתה לראשונה לפני כ-4,800 שנה באזור קו רוחב 40°. יש יסוד לדבר שהחלוקה נעשתה בארם נהריים.
הלוח הבבלי (שמבוסס על לוח שומרי) מבוסס על מחזור ה"סארוס"- מחזור של ליקוי חמה (או לבנה) של 18 שנים ו-11 יום שהם 223 חודשים סינודים (הפרש בין מולד ירח אחד למשנהו). מחזור זה מאפשר קביעת לוח שמסנכרן חודשי ירח ושנות חמה ומעיד על לוחות תצפית מדויקים לאורך שנים רבות. מחזור זה היווה, ככל הנראה, בסיס למחזור המטוני של מטון ולחישוביו של תאלס איש מילטוס. גם הלוח העברי בנוי על יסוד חישובים אלו. נמצאו לוחות תצפית שמפרטים את מיקומי השמש, הירח, כוכבי הלכת, ליקויים, נקודות היפוך, ולעיתים אף את זריחתו של סיריוס. הלוחות מתוארכים מסוף המאה השביעית לפסה"נ ועד למאה הראשונה לפסה"נ. הבבלים המציאו את גלגל המזלות המוכר וקבעו את תחילתו באלדברן שהיה אז בנקודת השוויון האביבי.
לאסטרולוגיה היה חלק חשוב בפיתוח האסטרונומיה הבבלית. היו להם אלים לכל כוכבי הלכת ואל לשמיים ולכוכבים. מצפי הכוכבים מוקמו כחלק מהמקדשים, וכהני הדת היו מנסים לחזות אירועים חשובים כמו עליית ונפילת מלכים.
בסביבות המאה ה-5 לפסה"נ חישבו הבבלים ברמת דיוק מפליאה את אורך החודש הסינודי הממוצע- 29.530614 או 29.530594 יום לעומת הזמן המדויק שעמד על 29.530583 באותה התקופה. גם את אורך השנה הטרופית חשבו הבבלים כ-365.234 במקום 365.2422. רמת דיוק זו מפליאה בייחוד בהתחשב במכשירי המדידה הלא מדויקים שהיו באותה תקופה.

אסטרונומיה מצרית

האסטרונומיה המצרית לא הגיעה, ככל הנראה, לאותה רמת התפתחות של זאת הבבלית, אך הייתה גם היא מפותחת מאד. המצרים ידעו בשלב מוקדם למדי את ההבדל בין אורך של שנת חמה (365.25 יום) לבין הלוח המצרי (365 יום). המצרים חישבו מחזור גדול שבו 1,461 שנים שלהם שוות ל-1,460 שנות חמה. על פי החישוב מחזורים גדולים כאלה התחילו בשנים 4,241, 2,781 ו-1,321 לפסה"נ. אין ראיות ברורות מתי התחיל הלוח, אבל ישנם כמה חוקרים שסבורים שהתאריך הראשון היה תחילת הלוח. אם השערה זו נכונה הרי שמדובר בתאריך הקדום ביותר הידוע של כרונולוגיה היסטורית. בבניית הפירמידות במצרים ניכרים הישגיהם של המצרים באסטרונומיה. הן בכיוון המדויק לרוחות השמיים והן בכיוון אלמנטים שונים לאירועים אסטרונומיים כמו עמדות כוכבים בעונות השנה.

האסטרונומיה ביוון

ממסופוטמיה עברה גחלת האסטרונומיה לעולם ההלניסטי, שבו מוקד העיסוק השתנה מאירועים כגון ליקויי חמה ולבנה והפקת לוחות שנה למיפוי כיפת השמים ויצירת קטלוגים ותאוריות קוסמולוגיות. כתבים המיוחסים לאסטרונום אאודוקסוס מקנידוס, מן המאה הרביעית לפני הספירה, כוללים מודל גיאוצנטרי, לפיו כדור הארץ היה במרכז וסביבו סבו השמים כולם. אצל אוודוקסוס, כל כוכב לכת נע כאילו הוא משובץ בכדור גדול שמרכזו מתלכד עם מרכז כדור הארץ, בעוד שהכדור סב על צירו. כדי להסביר את הנתונים האסטרונומיים, אוודוקסוס נאלץ להניח שציר הסיבוב עצמו אינו קבוע, אלא נוקף במעגל קטן כמו ציר הסיבוב של סביבון.
בתקופה הרומאית חל קפאון באסטרונומיה, שבתקופה זו עיקר תפקידה היה ביישומה המעשי (לדעת מאמיניה באותה תקופה), האסטרולוגיה. ברבע השני של המאה השנייה לפני הספירה ערך היפרכוס קטלוג שכלל כ־1000 כוכבים, והצביע על אי-דיוקים במודלים האסטרונומיים של מערכת השמש שהיו מקובלים בתקופתו.
מעט מאוחר יותר התקין יוליוס קיסר, המנהיג הרומאי החשוב, לוח אחיד באימפריה הרומית, הוא הלוח היוליאני.
במאה השנייה לספירה ערך תלמי את המודל הגיאוצנטרי למידת דיוק גבוהה, ומודל זה משל בכיפה עד לימי גלילאו. החסות שהעניקה הכנסייה הקתולית למודל הרתיעה מחיפוש מודל שונה. מודל ההליוצנטרי ראשוני ולא מדויק היה קיים באותה עת אך נזנח ונשכח.

אסטרונומיה בימי הביניים-שליטת המודל הגיאוצנטרי

לאחר נפילת האימפריה הרומית עבר לפיד האסטרונומיה לערבים (עם עליית האסלאם) ולהודים ולסינים שקיבלו אותה דרך דרך המשי. בעוד ההודים והסינים, שעסקו באסטרונומיה עוד לפני זאת, לא פיתחו את האסטרונומיה במיוחד בתקופה זו, הערבים, שעד עליית האסלאם היו עם מפגר אחרי העמים שבסביבתו, החלו בתקופה זו במחקר אסטרונומי רב כפי שלא נראה עד אותה תקופה, ועד היום רוב הכוכבים שלהם שם שאינו תחת מערכת מתן שמות מסודרת - שמם ערבי. אחת המוטיבציות לכך הייתה שימוש בניווט אסטרונומי למסעות ימיים ואחד האמצעים שסייעו בידם הייתה המצאה יוונית בשם אצטרולב.
באירופה, הבקיאות בשפה היוונית התמעטה וכתבים מפורטים שנכתבו ביוונית על תחום האסטרונומיה הפכו לפחות נגישים ואת מקומם תפסו תקצירים או מאמרים ישומיים בלטינית. עיקר העניין באותה עת בתחום האסטרונומיה היה בהקשר של לוחות השנה וקביעת מועדי החגים הנוצריים (כך למשל, חיבור של בדה ונרביליס שימש לקביעת המועד המדויק של חג הפסחא) ומצד אסטרולוגים. במאה ה-12 משכילים אירופאים כדוגמת סילבסטר השני ערכו מסעות אל ספרד וסיציליה עקב השמועה על הידע הקיים בעולם הערבי הקשור לאסטרונומיה ועריכת לוח השנה ובפרט האצטרולב. כתבים בערבית ויוונית תורגמו ללטינית והעשירו את הידע באירופה, באוניברסיטאות שהחלו לקום באותה עת נלמדה גם אסטרונומיה וכתבים חדשים נוצרו, כדוגמת אלו של יוהנס דה סקרובוסקו.

מבט על שני המודלים מנקודת מבט קרטזיאנית

כבר גלילאו טען שתיאור פיזיקלי אמיתי של המציאות חייב לכלול שיהיה נכון עבור כל מערכת שהיא, ובכלל זה שהתיאור יתאים ללא תלות בבחירת הגוף המרכזי במערכת פלנטרית. עקרון זה נדחק לשוליים של המאבק להנחלת המודל ההליוצנטרי. למעשה ניתן לומר ששני הרעיונות נכונים - אך המודל ההליוצנטרי פשוט הרבה יותר בשל בחירת מרכז המסה של המערכת כנקודת הייחוס. ניתן לתיאור את מערכת השמש כנקודת המרכז נבחרת בכל מקום אחר - יהא זה כדור הארץ או אחד מירחי צדק. עם זאת ככל שהנקודה הנבחרת לתפקיד ראשית מערכת הצירים שרירותית יותר, כך ילך התיאור ויסתבך.

ביהדות

ביהדות נודעה חשיבות רבה לעיסוק בחישובים האסטרונומיים, לצורך קביעת לוח השנה העברי וקביעת זמני חגי ישראל ומועדיו, שנקבעו עד אמצע תקופת האמוראים על סמך תצפיות בירח וחישובים אסטרונומיים. על פי חז"ל, ישנה גם מצווה לחשב תקופות ומזלות, דהיינו לעסוק בחישובים אסטרונומיים ("מזל" בארמית פירושו כוכב).
חכמי הסנהדרין היו חייבים להיות בקיאים באסטרונומיה, ובידיעותיהם השתמשו לצורך תפקידיהם בקידוש החודש ועיבור השנה. את ראשי החדשים קבעו על סמך עדים שהגיעו לבית הדין והעידו שראו את הלבנה החדשה, אך מהימנותם של העדים נבדקה על סמך ההיתכנות האסטרונומית לראיית הלבנה החדשה. בתלמוד מובאים כמה כללים שעל פיהם יכלו לאמת את נכונות העדות, כגון: "מעולם לא ראתה חמה פגימתה של לבנה", כלומר, החלק החשוך של הירח (להבדיל מהצד ההפוך של הירח) לעולם לא יפנה לכיוון השמש (מכיוון שהשמש היא זאת שמאירה את הירח), ולכן עדים שהעידו שפגימת הלבנה פנתה לכיוון השמש איננה קבילה; המולד הממוצע (החודש הסינודי) הוא 29 יום 12 שעות ו-793/1080 של שעה, לאחר המולד הקודם, והלבנה אינה אמורה להיראות בארץ ישראל עד שש שעות אחרי המולד, ולכן עדים שראו את הלבנה מוקדם יותר אינם מהימנים. אך רבן גמליאל עצמו קיבל עדים כאלו, על סמך מסורת מאבותיו שלפעמים המולד האמיתי מתרחש לפני המולד הממוצע ולפעמים אחרי המולד הממוצע.
כמה מחכמי ישראל היו ידועים בבקיאותם בחכמת האסטרונומיה. האמורא שמואל העיד על עצמו שהוא בקי בשבילי הרקיע כמו בשבילי נהרדעא עירו, ואף הרמב"ם הביא באריכות חישובים אסטרונומיים מורכבים כדי ללמד את מסלולי השמש והירח לצורך הלכות קידוש החודש (משנה תורה, ספר זמנים, הלכות קידוש החודש). בתלמוד אף הובאו כמה ידיעות אסטרונומיות, כגון: חישוב ארבע התקופות; אורך שנת החמה הוא 365 יום ורבע (על פי ערובין נ"ה ע"א); שנת החמה ארוכה באחד עשר יום משנת הלבנה; ועוד.

תצפיות אסטרונומיות

מידע תצפיתי באסטרונומיה נאסף בכל תחומי הספקטרום האלקטרומגנטי, מגלי רדיו דרך הספקטרום הנראה ועד לקרינת גמא. צפייה בטווחים שונים של הספקטרום נדרשת כדי לקבל תמונה רחבה של היקום. רוב גרמי השמים פולטים קרינה רק בחלקים מסוימים מטווח הספקטרום האלקטרומגנטי בגלל תהליכים פיזיקליים שונים. ניתוח ספקטרום בליעה וספקטרום פליטה של גרמי שמים נותן מידע רב על תכונותיהם הפיזיקליות כגון טמפרטורה, הרכב, מהירות, עוצמת שדה מגנטי ועוד.
ייחוד נוסף לשימוש בתחומים שונים של הספקטרום הוא התגברות על תהליכים פיזיקליים הגורמים לשינויים בספקטרום הנמדד ביחס לנפלט. לדוגמה, אפקט דופלר של קוואזרים מסוגל לגרום להזזה של קווים מתחום העל סגול לתת אדום. דוגמה נוספת היא חקר אזורים מוסתרים בתחום הנראה, כגון ערפיליות יצירה או ליבת גלקסיית שביל החלב. פיזור האור על ידי ענני אבק בין-כוכבי משפיע בעיקר על אורכי גל קצרים ולכן אפשר לצפות אל ליבת הגלקסיה רק באמצעות טלסקופי רדיו ותת אדום ולא באור הנראה.
אורכי הגל השונים של הספקטרום האלקטרומגנטי מצריכים אמצעי תצפית שונים, בעלי ייחודים שונים בעיצובם בבחירת החומרים ובמבנה שלהם. חלקים נרחבים מהתחומים הלא נראים של הספקטרום נחסמים בשכבות שונות של האטמוספירה וכדי למדוד אותם צריך להשתמש באמצעי תעופה שונים, החל מכדורים פורחים וכלה בחלליות.
להלן יפורטו שיטות התצפית באורכי הגל השונים.

קרינת הרקע הקוסמית - תצפיות מיקרוגל

קרינת הרקע הקוסמית באורכי גל שבין 1–2 מ"מ (150–300 גיגה-הרץ) היא קרינה המגיעה מן החלל והיא כמעט אחידה מכל הכוונים. קרינת הרקע מספקת מידע רב מאוד על ראשית היקום, והיא אחת העדויות הראשיות למפץ הגדול. התצפיות מתבצעות מלוויינים, מטלסקופים שמוטסים על גבי כדורים פורחים ומטלסקופים קרקעיים הממוקמים על פסגות הרים ומקומות ייחודיים נוספים. התאוריה המקובלת על מקור קרינת הרקע הוא כי הקרינה מתארת את הרגע שבו היונים החיוביים והשליליים התחברו והפכו לאטומים נייטרליים, אז היקום הפך לשקוף לכל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית, ולפני כן היה עשוי פלסמה שאינה מאפשרת מעבר אור. ההבדלים המזעריים בקרינה מכל כוון מספקים את התמונה של היקום כפי שהיה בעת ההיא, כ-380 אלף שנה לאחר המפץ הגדול. התצפיות מנסות למפות את התפלגות הקרינה באופן המדויק ביותר, בכל הכוונים בשמיים. המיפוי המקיף והמדויק ביותר נכון לשנת 2012 הוא של לוויין המחקר WMAP, כאשר לוויין המחקר פלאנק (Planck Surveyor) ביצע מיפוי מדויק יותר. תצפיות קרקעיות מוסיפות מידע נוסף, למשל מפה של קיטוב הקרינה.

אורכי גל הקצרים מהתחום הנראה

תצפיות באורכי הגל הקצרים: על-סגול, קרני רנטגן וקרני גמא מתבצעת כולה מאזורים גבוהים באטמוספירה או מהחלל משום שתחום קרינה זה נבלע באופן חזק ביותר באטמוספירה. כוכבים מסוימים מאירים גם בחלקים של האור העל סגול והרנטגן, אך תרומתם למראה היקום באורכי גל קצרים קטנה מאד. תצפיות בתחומים אלו כוללות בעיקר תהליכים פיזיקליים אלימים הקשורים ללידה ומוות של כוכבים ואזורים פעילים בליבות גלקסיות. תצפיות בתחום הרנטגן הן של גופים בעלי טמפרטורה אופיינית של מיליון עד מאות מיליוני מעלות קלווין, כגון עצמים קומפקטיים ככוכבי ניוטורונים או חומר בדיסקת ספיחה של חורים שחורים (אם כי החורים השחורים עצמם אינם מאירים כלל). מאז שנות ה-40 של המאה ה-20 ידוע כי גם השמש מאירה בעל סגול וברנטגן אך בצורה חלשה משמעותית מההארה בתחום האור הנראה. תצפיות בתחום קרינת הגמא בדומה לקרינת הרנטגן כוללות אירועים אלימים כסופרנובות, יצירת חורים שחורים וכן דעיכה של גרעינים כבדים. מתפרצי קרינת גמא הם האירועים האנרגטיים ביותר הידועים לנו כיום, משך שיא ההתפרצות עומד על עשרות שניות בודדות אך בזמן זה משתחררת כמות אנרגיה השווה לזו שתאיר השמש במשך כל חייה.