שני חוקרים ישראלים, רנן ברקנא (אוניברסיטת ת”א) ואבי לייב (אוניברסיטת הרוורד שבארה”ב) מצאו לראשונה עדות ישירה להיווצרות גלקסיות בגודל של שביל החלב כאשר היקום היה בן מיליארד שנה בלבד
בעזרת טלסקופים ענקיים שהם מכוונים לשמים, אסטרונומים חוקרים את העבר הרחוק שבו הגלקסיות עוד היו בצעירותן ויצרו בתוכן את הדורות הראשונים של הכוכבים. אחת השאלות הגדולות שהטרידה את החוקרים הייתה: כמה זמן לקח לגלקסיות הראשונות להיווצר אחרי המפץ הגדול? התשובה – מהר מאד! שני חוקרים ישראלים, רנן ברקנא (אוניברסיטת ת”א) ואבי לייב (אוניברסיטת הרוורד שבארה”ב) מצאו לראשונה עדות ישירה להיווצרות גלקסיות בגודל של שביל החלב כאשר היקום היה בן מיליארד שנה בלבד.
זרקורים בקצה היקום
כדי ללמוד על היקום המוקדם, אסטרונומים חוקרים את העצמים הרחוקים ביותר – גלקסיות וקוואזרים שאורם מגיע אלינו מיליארדי שנה אחרי שנפלט. קוואזרים הם העצמים הכי בהירים שידועים בשמים. אורם המבריק מיוצר, כך חושבים, ע”י חורים שחורים ענקיים במרכזי גלקסיות. כמויות אדירות של גז נמשכות לעבר החור השחור, ותחת כוח המשיכה העצום הגז נדחס ומתחמם ואת הקרינה העצומה שהוא פולט ניתן לראות למרחקים אדירים.
מחקרים רבים של גלקסיות קרובות אלינו הראו שיש קשר בין כל גלקסיה לבין החור השחור שבמרכזה. זאת אומרת, גלקסיות גדולות מכילות חורים שחורים גדולים, וגלקסיות קטנות מכילות חורים שחורים קטנים. חוקרים ציפו שאותו הקשר יישמר גם אצל החורים השחורים הרחוקים ביותר ביקום המוקדם, אבל עד לאחרונה לא הייתה שום עדות לכך. ברקנא ולייב עכשיו סיפקו את הראיות הראשונות.
אסטרונומים צפו בקוואזרים שונים ומדדו בכל אחד את הספקטרום – את עוצמת האור באורכי גל (או צבעים) שונים. בחלק מהקוואזרים הספקטרום הראה צורה של שתי פסגות, אבל ממצא זה לא משך במיוחד תשומת לב עד עכשיו. ברקנא ולייב יצרו מודל מחשב שמפרש את צורת הספקטרום כתוצאה של בליעה ע”י גז מימן.
מימן בין-גלקטי שנמשך אל הגלקסיה נופל לכיוונה ובולע חלק מהאור שנפלט מהקוואזר. הנפילה נגרמת מכוח המשיכה של הגלקסיה, ולכן מהירות הנפילה מודדת את המשקל הכולל של הגלקסיה. זוהי השקילה הראשונה של גלקסיה כה מוקדמת.
הילות של חומר אפל
מחקרים קודמים ששקלו גלקסיות קרובות אלינו הראו שהגלקסיות יושבות בתוך הילות גדולות של חומר אפל. זהו חומר בלתי נראה, עשוי ממרכיבים לא ידועים, אבל ניתן לאתר אותו ע”י כוח המשיכה שהוא מפעיל על כוכבים ועל גז. למעשה, רוב החומר ביקום הוא אפל, והיסודות הכימיים המוכרים מהווים רק כחמישית מסך כל החומר. המדידות החדשות של הגלקסיות הקדומות מוצאות משקל כבד ביותר ומחזקות את ההשערה שהחומר האפל דומיננטי גם ביקום המוקדם.
עפ”י המודל ההיררכי של היווצרות גלקסיות, גלקסיות קטנות נוצרו קודם ואח”כ התמזגו וספחו עוד חומר כדי ליצור גלקסיות יותר גדולות. התהליך הזה לוקח זמן, ולכן מעניין לגלות שגלקסיות גדולות כמו גלקסיית שביל החלב שלנו נוצרו בפחות ממיליארד שנה. גלקסיות אלה מהוות כנראה רק את קצה הקרחון. הדעה הרווחת היא שרוב הגלקסיות באותה תקופה היו קטנות הרבה יותר, אבל הן מייצרות אור קלוש יותר ולכן קשה לראותן.
בינתיים, ברקנא ולייב ישמו את המודל שלהם בשני מקרים של קוואזרים רחוקים שבשבילם היו קיימות תצפיות באיכות מספיק גבוהה. תצפיות בהפרדה גבוהה של הספקטרום של קוואזרים נוספים דרושות כדי לאמת את המודל.
מחקר זה מתפרסם במגזין Nature בגיליון של 23 בינואר, 2003.
גלקסיות גדולות, אחרי מיליארד שנה בלבד
מאת מרית סלוין
חוקרים ישראלים הראו לראשונה שגלקסיות בגודלה של “שביל החלב” נוצרו סביב קוואזרים ביקום המוקדם
אחת השאלות שמטרידות אסטרונומים החוקרים את היקום הצעיר היא כמה זמן עבר מאז המפץ הגדול, שהתרחש על פי הדעה המקובלת לפני כ-14 מיליארד שנים, ועד להיווצרותן של הגלקסיות הראשונות. על פי מאמר של שני חוקרים ישראלים, שפורסם בגיליון האחרון של כתב העת,” “Nature התשובה היא – זמן קצר מאוד. רנן ברקנא מבית הספר לפיסיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב ואבי לייב מאוניברסיטת הרווארד בארה”ב מצאו לראשונה עדות ישירה להיווצרות גלקסיות בגודל של גלקסיית שביל החלב, כאשר היקום היה בן מיליארד שנה בלבד.
כדי ללמוד על היקום המוקדם, אסטרונומים חוקרים את העצמים הרחוקים ביותר – גלקסיות וקוואזרים שאורם מגיע לכדור הארץ מיליארדי שנה לאחר שנפלט. קוואזר, העצם השמימי הבהיר ביותר, הוא גוף הממוקם במרכז גלקסיה ובמרכזו יש חור שחור ענק. כמויות אדירות של גז נמשכות לעבר החור השחור, ובהשפעת כוח הכבידה העצום הגז נדחס ומתחמם. לפני שהגז נופל פנימה, הוא פולט קרינה עצומה. אף שבשל האור האדיר שפולט הקוואזר לא רואים את הכוכבים סביבו (למעט בגלקסיות קרובות לכדור הארץ), ההנחה היא שגם סביב קוואזרים קדומים נמצאות גלקסיות. אלא שעד כה לא נמצאה עדות ישירה לקיומן וגודלן לא נמדד.
מדענים סבורים שגלקסיות קטנות נוצרו בשלב מוקדם בחיי היקום ובמשך הזמן ספחו עוד ועוד חומר ויצרו גלקסיות גדולות יותר. התהליך הזה מצריך זמן, ולפיכך הדעה המקובלת היתה שבתנאים ששררו ביקום המוקדם לא יכול היה להיווצר מספר רב של גלקסיות גדולות. “גלקסיות גדולות כמו גלקסיית שביל החלב שלנו מאוד נדירות ביקום המוקדם”, אומר ברקנא. “אלה שישנן נוצרו כנראה מאזור צפוף במיוחד, שבמשך מאות מיליוני שנים ספח אליו חומר רב. בסופו של דבר נוצר אזור צפוף, נדיר בגודלו – כמו הר החרמון במדינת ישראל, שבה יש הרים קטנים בלבד. גם חומר מרוחק יותר, שאינו חלק מהגלקסיה, חש בכוח המשיכה שלה והחל ליפול לעברה. נפילה זו היא חלק חשוב מהמודל המקובל של היווצרות הגלקסיות, אבל עד כה לא הצליחו להוכיח שהיא אכן מתרחשת”, אומר ברקנא.
המחקר של החוקרים הישראלים התבסס על נתונים שנאספו בסקר קוואזרים שנערך בשנים האחרונות ושבו התגלו כמה קוואזרים קדומים. בכל אחד מן הקוואזרים נמדד הספקטרום, כלומר עוצמת האור באורכי גל (או צבעים) שונים. עוצמת האור מעידה על גילם של הקוואזרים ועל היסודות הכימיים הנמצאים סביבם. בחלק מהקוואזרים הספקטרום התבטא במאפיין מסוים שרוב החוקרים לא הקדישו לו תשומת לב מיוחדת. אלא שמתברר כי דווקא מאפיין זה מספק נדבך חשוב להבנת התארגנות הגלקסיות ביקום המוקדם, כפי שהראו ברקנא ולייב.
“מאפיין כזה מתקבל כאשר החומר שמרכיב את הגלקסיה מושך גז לעברה, והגז בולע חלק מהאור שנפלט מהקוואזר המצוי במרכז הגלקסיה. על סמך אותו מאפיין יכולנו לחשב את המהירות שבה נע הגז הנופל לעבר מרכז הגלקסיה, ומצאנו שהגז נע במהירות של כשני מיליון קילומטרים לשעה. המהירות הזאת מצביעה על כך שהגלקסיה המושכת את הגז גדולה בערך כמו גלקסיית שביל החלב”.
מרגע שיודעים את גודל הגלקסיה מסביב לקוואזר, אפשר לחקור את הקשר בין הגלקסיה ובין החור השחור שבמרכזה. מחקרים רבים של גלקסיות קרובות לגלקסיה שלנו הראו שגלקסיות גדולות מכילות חורים שחורים גדולים ואילו גלקסיות קטנות מכילות חורים שחורים קטנים. חוקרים הניחו שאותו הקשר יישמר גם בחורים השחורים הרחוקים ביותר ביקום המוקדם. המחקר של ברקנא ולייב הוא העדות הראשונה לכך שקשר כזה אכן נשמר.
ברקנא ולייב יישמו את המודל שלהם על שני קוואזרים רחוקים שנצפו באיכות גבוהה במידה מספקת. בשני המקרים התברר כי סביב הקוואזרים הקדומים נוצרו גלקסיות גדולות כשהיקום היה בן מיליארד שנה בלבד. ברקנא מדגיש כי דרושות תצפיות של קוואזרים נוספים כדי לאמת את המודל ולהמשיך לפתחו.
