מדענים ישראלים גילו חוט קוסמי של חומר אפל קרוב לשביל החלב

שרשרת של 14 גלקסיות המסודרות בקו ישר עוררו את חשדם של חוקרים באוניברסיטת ת”א שהחליטו לחקור אותם לעומק ממצפה הכוכבים במצפה רמון * עדי ציטרין שזו עבודת המוסמך שלו והמנחה ד”ר נח ברוש הגיעו למסקנה שמדובר בגלקסיות שנוצרו כתוצאה מריכוז חומר אפל

מחקר שהושלם לאחרונה במצפה הכוכבים ע”ש וייז של אוניברסיטת תל אביב מרמז שחומר מצטבר מהחלל על ריכוזי חומר אפל ויוצר גלקסיות. במסגרת המחקר נחקרו בפירוט גלקסיות קרובות, ותוצאותיו מלמדות על מנגנוני היווצרות גלקסיות בכל היקום. מחקר זה עבודת המוסמך של עדי ציטרין בחוג לאסטרונומיה ולאסטרופיסיקה, שנכתבה בהנחיית דר' נח ברוש, מנהל מצפה הכוכבים וייז. עיקרי המחקר יפורסמו בעיתון האגודה המלכותית לאסטרונומיה בבריטניה.

בשיחה עם אתר הידען מסביר ד”ר ברוש כי ניתן לגלות חומר אפל אך ורק באמצעות כוח הכובד שלו כפי שהשפעתו נמדדת על סביבתו. החומר האפל מהווה כ-23% מתכולת היקום, בעוד שהחומר המאיר מהווה אחוזים בודדים בלבד. אף שטבעו של החומר האפל עדיין אינה ידועה, חישובים מראים שהיקום זרוע בהצטברויות המכונות “הילות אפלות”. הילות אלה משפיעות על סביבתן בגלל שהחומר האפל מושך אליו גז בין-גלקטי ההופך לכוכבים שיוצרים גלקסיה. תמונת היווצרות הגלקסיות שמקובלת כיום מצביעה על הצטברות ענני גז באזורים בעלי כוח כובד חזק מאשר בסביבה. “שקעים” אלה של כוח כובד נוצרים בגלל המצאות חומר אפל.

המחקר של ציטרין וברוש התמקד בקבוצה של גלקסיות הנמצאות כ-15 מיליון שנות-אור מאיתנו. זהו מרחק קרוב, יחסית למרחק משביל החלב (הגלקסיה שלנו) של רוב הגלקסיות. גלקסיות קרובות נראות יותר גדולות ובהירות מגלקסיות רחוקות, באותה מידה שעצמים קרובים נראים ברורים יותר מאלה הרחוקים. הגלקסיות נמדדו תחילה במסגרת סקר שמיים בתחום קרינת הרדיו שמבוצע במצפה ארסיבו שבפוארטו ריקו. דר' ברוש הוא אחד ממנהליו של סקר זה, המכונה ALFALFA, בו נמדד שידור רדיו באורך גל של 21 ס”מ של אטומי מימן קוסמי. מקורות קרינת הרדיו מזוהים לרוב עם גלקסיות הפולטות גם אור נראה. השידור ממוקם במרחב התלת-ממדי בגלל מדידה בו-זמנית של מהירות המקור יחסית לנו – פירוש התפשטות היקום הוא שהמרחק עומד ביחס ישר למהירות לגבי עצמים רחוקים.

סקר ALFALFA מצא 14 גלקסיות באזור קטן של היקום הקרוב, שנמצאות בערך באותו מרחק מאיתנו ושתמונותיהן באור נראה מרמזות על גילן הצעיר. התעניינות החוקרים התמקדה בגלקסיות אלה בגלל שהן מסודרות בשמיים על קוו ישר, בעוד האזור כולו מאופיין בצפיפות גלקסיות נמוכה משמעותית מהממוצע. המחקר שמתואר כאן הוסיף למידע באור נראה מדידה של כמות האור הנפלט ע”י כוכבים צעירים מאוד, בני כמה מיליוני שנים בלבד, מכל אחת מהגלקסיות. יחד עם מדידות בצבעים אחרים, מאפשר המחקר את שחזור היסטוריית היווצרות הכוכבים בכל גלקסיה.

“רבות מהגלקסיות הללו היו מוכרות קודם אך עד לתצפית הרדיו בארסיבו לא ידעו שהן נמצאות ביחס דומה בחלל, כלומר באותו איזור ומתרחקות באותה מהירות מאיתנו. אני אחד ממנהלי המחקר בפורטו-ריקו ובמסגרת זו ראיתי את אחת הנתונים הראשונים שהתקבלו ושמתי לב מיד שמדובר בתופעה מוזרה – שהגלקסיות מסודרות בשמים ופחות או יותר באותו מרחק מאיתנו ואז החלטנו לבדוק מהן תכונות היווצרות הכוכבים שלהם. הגענו למסקנה ש-14 הגלקסיות אותן חקרנו יכולות להיווצר על בסיס חומר אפל. יש לכך כמה סיבות, ראשית, הגלקסיות אינן נוגעות אחת בשניה, ולכאורה הן אפילו די רחוקות אחת מהשניה אך מסודרות הן לאורך קו ישר, וכולן נראות כמו גלקסיות צעירות – כלומר כאלה שנוצרו זמן רב לאחר היווצרות היקום (חלקן ככל הנראה בנות פחות מ-5 מיליארד שנה והאחרות לכל היותר בנות 10 מיליארד שנה), והיתה בהן היווצרות כוכבים בעשרות מיליוני השנים האחרונות.” אומר ד”ר ברוש.

הגלקסיות הללו הן חלק מהחבורה המקומית שלנו?

“הגלקסיות הללו קרובות אך אינן נמצאות בתוך החבורה המקומית, הן מרוחקות כ-15 מיליון שנות אור. החבורה המקומית משתרעת עד 2 מיליון פרסק או 6 מיליון שנות אור בערך.”

תופעה זו, של היווצרות כוכבים מסונכרנת במספר גלקסיות שכנות, מוכרת באסטרונומיה אך לרוב מיוחסת להשפעת גלקסיה אחת על חברתה בעקבות התנגשות או ע”י פעולת “כוח גאות”; אלה מדרבן פרץ של היווצרות כוכבים. אך רוב הגלקסיות מבין ה-14 שנחקרו אינן מראות סימנים של השפעה הדדית חזקה.

חישובים תיאורטיים של חוקרי האוניברסיטה העברית בראשות פרופ' אבישי דקל,של התפתחות המבנה הגדול ביקום, מצביעים על קיום תנאים בהם הגז הבין-גלקטי יכול להצטבר על הילות אפל קטנות מבלי להתחמם לטמפרטורה של מיליוני מעלות. גז בין-גלקטי “קר” יכול להפוך ביעילות לכוכבים. חישובים תיאורטיים אחרים הראו שבתהליך היווצרות המבנים הגדולים ביקום נוצרים צבירי גלקסיות (ריכוזים של מאות ואלפי גלקסיות בנפח שקוטרו כ-10 מיליון שנות-אור), גלקסיות בשדה שם צפיפותן קטנה מאשר בצבירים, וגם “חללים קוסמיים” שכמעט נטולי גלקסיות. בחללים ענקיים אלה יש מספר קטן של הילות אפלות קטנות, שלפעמים מסודרות לאורך “חוט” (filament). חוט של חומר אפל יכול לשמש מוקד של כוח כובד ולמשוך אליו גז בין-גלקטי מהסביבה.

הגלקסיות שנחקרו ע”י ציטרין וברוש מסודרות על קוו ישר שאורכו לפחות מיליון וחצי שנות-אור בתוך אזור המוגדר כ-“חלל קוסמי”. כולן מהסוג הצעיר והננסי, כשהגדולה מהן היא רק כעשרה אחוזים משביל החלב שלנו ורובן קטנות בהרבה ממנה. כמעט כולן יוצרות כוכבים בתקופה הנוכחית. הגלקסיות הן אוסף של הילות אפלות שמסודרות לאורך חוט קוסמי של חומר אפל, כשהיווצרות הכוכבים הנוכחית נגרמת כנראה מספיחת גז בין-גלקטי ע”י החוט הקוסמי. הקרבה היתרה של מערך גלקסיות זה אלינו, רק כ-15 מיליון שנות-אור, מאפשרת מחקר שימקד עוד יותר את היסטוריית היווצרות הכוכבים בכל אחת מהגלקסיות ויבהיר את הקשר בין מהות החומר האפל לבין טבע הגלקסיות שאנו רואים כיום.

מה כל כך מוזר ביצירה מאסיבית של כוכבים, הרי בשביל החלב נוצרים כל העת כוכבים חדשים?

ד”ר נח ברוש: “כשאתה רואה אירועים מאסיביים של היווצרות כוכבים בשתי גלקסיות סמוכות זה קורה בגלל שהן משפיעות אחת על השנייה, כלומר שגלקסיה אחת קורעת חתיכות מהשניה בגלל כוח הכובד והחתיכות הללו נופלות על אחת הגלקסיות ואם יש בהן גז, הגז הזה יכול להפוך לכוכבים אבל אין מנגנון מוכר שמסביר מדוע הרבה גלקסיות – למעלה מעשר גלקסיות שאינן נוגעות זו בזו, מייצרות כוכבים בו זמנית. שביל החלב היא גלקסיה זקנה ומסודרת ואת היווצרות הכוכבים בה ניתן להסביר בקלות. עם זאת, לא בכל הגלקסיות בחבורה המקומית נוצרים כוכבים. בכלל, החבורה המקומית היא גם אוסף די אמורפי של גלקסיות והן אינן מסודרות בקו אחד.

אז מדוע דווקא לקבוע שהן מורכבות מחומר אפל ולא מחומר רגיל?

ההסבר שאנו מציעים הוא שהגלקסיות הללו שאנו רואים נוצרו כתוצאה מהצבטרויות של חומר אפל. החומר האפל מושך אליו גז מהסביבה. הגז הזה מצטופף עד שהוא יכול ליצור כוכבים וכשהכוכבים נדלקים אנו רואים את הגלקסיות.

האם הטלסקופ במצפה רמון הספיק למשימה זו?

“התצפיות האופטיות נעשו ממצפה רמון ומהן הצלחנו ללמוד על תכונות היווצרות הכוכבים בגלקסיות אלה. היינו שמחים אם היה לנו טלסקופ יותר גדול כי אז היינו יכולים לעשות עבודה יותר מדוקדקת כמו למשל למצוא את שכיחות היסודות הכבדים בגלקסיות הללו (פחמן, חמצן) ולאתר בכך את גילן. לשם כך נדרש טלסקופ גדול של שמונה מטר.”

בשנים האחרונות עולה בקהילת האסטרונומיה, ופרופ' חגי נצר אף אמר זאת במפורש, דרישה להצטרף לאחד מפרויקטי הטלסקופים הגדולים, מה עלה בגורל בקשה זו?

ד”ר ברוש: “אם היה מתאפשר לנו היינו מצטרפים. היינו רוצים להצטרף למצפה האירופי הדרומי שנמצא בצ'ילה. לא רק שיש להם 4 טלסקופים של 8 מטר שעובדים ביחד אלא הם גם מתכננים טלסקופ שהקוטר שלו קרוב ל-50 מטר, אבל אנחנו נסתפק גם בטלסקופ יותר קטן בין 8 ל-10 מ' יכול לספק אותנו ל-10-15 שנים. אין התקדמות בנושא. הדבר דורש איש חזון שיכול לממש תקציבים לכך ושיכול לראות שתצמח למדינת ישראל תועלת, לא רק לקהילה הקטנה של האסטרופיסיקאים אלא גם לתעשייה בארץ, קידום המדעים באופן כללי וכו'.” מסכם ברוש.

איור: התמונה מראה את 14 הגלקסיות שנחקרו במצפה הכוכבים ע”ש וייז.התמונה של כל גלקסיה הורכבה משלושה צילומים דיגיטאליים שצולמו דרך מסננים שונים. הצבעים הם “כחול”, “אדום”, והצבע המיוחד שפולט גז מימן מיונן. חמש הגלקסיות החיוורות ביותר מוצגות סינטטית לצורך ההדמיה. האזור השמימי בו נראות הגלקסיות משתרע על כ-6 מעלות בשמיים בעוד שגודלה הנראה של כל גלקסיה היא רק כדקת זווית אחת, לכן תמונות הגלקסיות מוגדלות בהרבה כדי להבליט פרטים בתוך הדמות. הגדלים היחסיים של הגלקסיות נשמרים בקירוב, אך מרחקיהן זו מזו מוקטנים תוך שמירת המצב ההדדי. כמו כן, יחסי הצבעים בין הגלקסיות שונו לקבלת הדמיה טובה. הרקע עליו מורכבות דמויות הגלקסיות הנו מלאכותי. יש לשים לב לכך שהגלקסיות מסודרות לאורך קוו הנמתח מהחלק הימני-תחתון של התמונה אל חלקה השמאלי-עליון. אזורי היווצרות הכוכבים בכל גלקסיה בולטים כנקודות זוהרות בגווני צבע אדמדם.

ידיעות קשורות באתר הידען

• סימולציה של שביל החלב העלתה קיומם של ריכוזי חומר אפל בתוך הגלקסיה ואפילו בקרבת מערכת השמש
• פרופ' חגי נצר: על ישראל להצטרף לאחד המצפים הגדולים בעולם