תצפיות של טלסקופ החלל ג’יימס וב על גלקסיות ביקום הצעיר גילו שהאור הראשון בחלל הגיע מכוכבים צעירים ובוהקים
מאת עמית פנדו, אתר מכון דוידסון לחינוך מדעי
שלבים רבים בחייו המוקדמים של היקום אינם מוכרים לנו במדויק. אחת התעלומות נוגעת להופעה של מקורות האור הראשונים ביקום, שאותם אנחנו מצליחים לראות. מחקר חדש, שמתבסס על תצפיות של טלסקופ החלל ג’יימס וב, מצביע על כך שאותם מקורות היו כוכבים צעירים שהיו בוהקים הרבה יותר מכפי שמדענים שיערו.
מדוע היקום נראה כפי שהוא? זו אחת השאלות הפתוחות באסטרופיזיקה בפרט ובפיזיקה בכלל. במיליארד השנים הראשונות לחייו, היקום הפך ממרק חסר סדר של חלקיקים עם אנרגיה גבוהה לאוסף מאורגן יותר של גלקסיות וכוכבים, אך פרטים רבים בתהליך הזה אינם ברורים לנו. במחקר החדש, קבוצת חוקרים בינלאומית ניתחה תצפיות של טלסקופ החלל ג’יימס וב על גלקסיות ננסיות מהיקום המוקדם, וממנו עולה שמהגלקסיות הללו קרן אור חזק בהרבה מהצפוי. המחקר הוא פריצת דרך בידע שלנו על מקורות האור הראשונים ביקום.
קיצור תולדות החום ביקום
מייד אחרי המפץ הגדול, היקום התפשט מהר כשהוא חם ועם אנרגיה גבוהה מאוד: הטמפרטורה הממוצעת של החלקיקים ביקום הייתה כ-1030 מעלות צלזיוס. בטמפרטורה גבוהה כזאת, חלקיקים תת-אטומיים לא יכולים להתחבר זה לזה, וביקום לא היה חומר שמזכיר את החלקיקים שמוכרים לנו כיום. כעבור שנייה אחת בערך היקום הספיק להתקרר לטמפרטורה של כמיליארד מעלות, והחלקיקים התת-אטומיים שאותם אנחנו מכירים מהמודל הסטנדרטי נוצרו, התחברו ויצרו פרוטונים ונייטרונים.
כשהיקום היה בן עשרים דקות, הוא כבר התקרר לטמפרטורה חמימה של מאות אלפי מעלות צלזיוס, והפרוטונים והנייטרונים החלו להתחבר ליונים של מימן, הליום וליתיום. בגלל הטמפרטורה הגבוהה של היקום, לחלקיקים עדיין הייתה אנרגיה גבוהה מאוד, ולכן האלקטרונים לא יכלו להתחבר לפרוטונים וליצור אטומים. כתוצאה מכך, רוב היקום היה מורכב מפלזמה – מצב צבירה של חלקיקים עם מטען חשמלי שעפים זה סביב זה. הפלזמה אטומה לקרינה אלקטרומגנטית, ולכן אור לא היה יכול להתפשט ביקום.
במהלך 370 אלף השנים שאחר כך, היקום המשיך להתקרר עד שהגיע לטמפרטורה של כ-4,000 מעלות. זה היה קר מספיק על מנת שהאלקטרונים יתחברו לפלזמה ויִיצרו אטומים ניטרליים. קרינת הרקע הקוסמית שממנה אנו לומדים על היקום המוקדם היא הקרינה שהשתחררה בשלב הזה ושהצליחה לעבור מרחק גדול עד שהגיעה אלינו, כיוון שכבר אין פלזמה שתעצור אותה.
איך אור נולד
בשלב הזה, כשהיקום היה בן כמעט 400 אלף שנים, הוא היה מורכב ברובו מאטומים ניטרליים של מימן והליום שהיו מפוזרים באופן די אחיד. עוד לא היו כוכבים, גלקסיות או שום גוף מורכב אחר שאנחנו רגילים לראות כשאנחנו מסתכלים אל השמים. בפרט, לא היה שום מקור אור. היקום היה חשוך.
רק כ-20 מיליון שנים אחר כך, כשהיקום התפשט והתקרר באופן משמעותי, נוצרו מקורות האור הראשונים ביקום. אסטרופיזיקאים שחוקרים את תולדות היקום לא יודעים מה טבעם ומקורם של מקורות האור הללו, מתי נוצרו ואיך. ההשערות שלהם בנוגע למקורות האור הראשונים ביקום כללו חורים שחורים גדולים, גלקסיות מסיביות או כוכבים צעירים. לרוע המזל, אין עדיין תיאוריה מבוססת של היווצרות כוכבים וגלקסיות ביקום המוקדם, ופיזיקאים מנסים להבין מתי ואיך הופיעו מקורות האור הראשונים ביקום.
הננסיות שמאירות פי ארבעה
החוקרים השתמשו בטלסקופ החלל ג’יימס וב, שהושק בסוף 2021 על מנת לצפות בגלקסיות רחוקות מאוד. אור נע במהירות סופית, ולכן לאור מגלקסיות רחוקות נדרש זמן רב להגיע אלינו. החוקרים צפו באור שנפלט מגלקסיות לפני כ-13 מיליארד שנים ומגיע אל הטלסקופ היום. כך החוקרים יכולים ללמוד היום על תהליכים שהתרחשו ביקום המוקדם.
הגלקסיות רחוקות ונראות לנו כפי שהיו לפני מיליארדי שנים, כשהיו גלקסיות צעירות ופלטו מעט אור בהשוואה לשאר גופי השמיים. כתוצאה מכך, קשה לצפות בגלקסיות רחוקות כל כך בדרכים סטנדרטיות. לכן החוקרים השתמשו בתכסיס מחוכם: לפי תורת היחסות הכללית של איינשטיין, מסות כבדות יכולות לעקם את המרחב ולגרום לאור לשנות את מסלולו. החוקרים הביטו רק בגלקסיות שנמצאות מאחורי צביר הגלקסיות המסיבי Abell 2744. המסה של הצביר כל כך גדולה שהוא יכול לשמש כעדשה ולמקד את האור שמגיע מאחוריו. כך החוקרים יכלו להגדיל את כמות האור שמגיעה לטלסקופ ולבצע תצפיות מדויקות יותר.
החוקרים ניתחו את האור שהגיע מגלקסיות ננסיות – גלקסיות שמכילות רק כמיליארד כוכבים. לצורך ההשוואה, בגלקסיית שביל החלב שבה אנחנו נמצאים יש מאות מיליארדי כוכבים. החוקרים ניתחו בזהירות את התצפיות וגילו שהגלקסיות הננסיות האלה פולטות קרינה חזקה פי ארבעה מכפי ששיערו עד כה. יתרה מכך, ביקום המוקדם הגלקסיות האלה היו נפוצות בהרבה מאשר גלקסיות גדולות. כתוצאה מכך, החוקרים משערים שרוב מקורות האור ביקום המוקדם היו גלקסיות מהסוג הזה.
המחקר הוא דוגמה נוספת לפריצת דרך מדעית שמקורה בטלסקופ וב. תוצאות המחקר משמעותיות, אבל החוקרים מציינים שדרושה עבודה רבה נוספת – בין השאר, החוקרים מעוניינים לצפות במדגם רחב יותר של גלקסיות כדי לחזק את הסבירות של מסקנות המחקר.
עוד בנושא באתר הידען:עוד בנושא באתר הידען:
10 תגובות
זמבלה, ניסים
האנטרופיה אינה עולה כי אם יורדת מכייוון שרמת הסדר עולה, וזו אכן בעיה.
אך האנטרופיה יורדת רק במערכת של הגלקסיות הנצפות, ולונגפלאו הסביר זאת בכך שהמערכת ״שותה״ סדר באמצעות כבידה.
זמבלה
לא חייבים להוסיף אנרגיה כדי להגדיל אנטרופיה. שחרר מעט גז בפינה של חדר שיש בו ריק. הגז יתפשט בחדר והאנטרופיה תגדל.
“הטמפרטורה הממוצעת של החלקיקים ביקום הייתה כ-10 בחזקת 30 מעלות צלזיוס. בטמפרטורה גבוהה כזאת, חלקיקים תת-אטומיים לא יכולים להתחבר זה לזה, וביקום לא היה חומר שמזכיר את החלקיקים שמוכרים לנו כיום. כעבור שנייה אחת בערך היקום הספיק להתקרר לטמפרטורה של כמיליארד…” לפי משפט זה לא ניתן להסיק שהטמפרטורה ביקום התקררה ב- 10 בחזקת 20 לפחות בשנייה אחת, אך בהמשך מצויין שכשאר היקום היה בן 20 דקות הטמפרטורה ירדה בפחות מ- 10 בחזקת 10. איל זה אפשרי או שךא הבנתי נכון? לי נראה שהמשפט שהסקתי מאוד הגיוני, אך האימרה השנייה סותרת את זה. מישהו יוכל להסביר?
הנה הציטוט: “כשהיקום היה בן עשרים דקות, הוא כבר התקרר לטמפרטורה חמימה של מאות אלפי מעלות צלזיוס…”.
תודה על המאמר. כתוב יפה וברור. יש לי שאלה לגבי מאמר אחר שבו כתבו על נסיון להבין את מבנה היקום הצעיר מעידוש כבידתי של הקרינה הקוסמית. זה לא מובן לי ואולי תוכל להסביר לי. הקרינה הקוסמית היא האור הראשון שהשתחרר לאחר התקררות היקום. אז האור הזה יצא הרבה לפני שהתחילו להיווצר כוכבים וגלקסיות. אז איך איך יש עידוש כבידתי שמשפיע על הקרינה הקוסמית הנצפת?
תודה
@ יותם (המגיב הראשון)
צברי הגלקסיות בעלי מסה ענקית כמו Abell 2744 משמשים כסוג מסוים של מגדלת המאפשרת לנו לצפות בעצמים רחוקים ברזולוציה מוגברת לעומת האופטיקה הכי משוכללת שיש בידנו היום (אם כי אינה חפה מעיוותים גיאומטריים).
אתה יכול לעשות ניסוי פשוט בבית: קח מטבע של 10 אג׳ הבט בו באוויר ומדוד את גודלו בעיין. עכשיו הכנס את אותו המטבע לתוך כוס מים שקופה והשווה את הגודל…המטבע נראה גדול בהשוואה לאוויר על אף צורתו המעט מעוותת. זה קורה בגלל שהמסה של המים כבדה מזו של האוויר. עכשיו חשוב על צברי גלקסיות בעלי מסה פי…
סתם שאלה מאיפה באה ההתקשרות שעליה מדובר
האם היה קיים חוק טבע כל שהוא ביקום שכאשר יש התחממות צריכה להיות התקררות
מה קירור את החום הגבוהה
יותר מדוייק זה
שבגלל שאנחנו רגילים למושג קור חום הקיים היום
הרי זה לא היה בתחילת הווצרות היקום (לפי ההיפותזה של המפץ כמובן) שהרי חוקי הפיסיקה הידועים לנו לא היו קיימים.
אז מילא בהנחה שהיה מפת.
איך נעשה קירור
הכתבה נכתבה על ידי פיזיקאי.
אתם לא קוהרנטים בכתבה.
מצד אחד אתם כותבים שה
הפרוטונים והנייטרונים החלו להתחבר ליונים של מימן, הליום וליתיום. ואז אתם כותבים שהיה חם מדי והאלקטרונים לא יכלו להתחבר לפרוטונים וליצור אטומים. לא ממש מובנת הלוגיקה כאן.אבל זה לא הדבר היחידי שלא ברור. אתם ממשיכים ומציינים
שכתוצאה מכך, מהחום העצום, רוב היקום היה מורכב מפלזמה – מצב צבירה של חלקיקים עם מטען חשמלי שעפים זה סביב זה. הפלזמה אטומה לקרינה אלקטרומגנטית, ולכן אור לא היה יכול להתפשט ביקום. כלומר בגלל החום, זה מה שקרה.
טאז היקטם התקרר במשך 379 אלף שנה לטמפרטורה של 4000 מעלות שאיפשרה, שימו לב לניסוח:
זה היה קר מספיק על מנת שהאלקטרונים יתחברו לפלזמה ויִיצרו אטומים ניטרליים.
אז בואו תסבירו לי מה ההבדל בין הפלזמה החמה ששררה לפני שהיקום התקרר והפלזמה שנוצרה אחרי שהוא התקרר.
בקיצור, לא היה מזיק שהכתבה תעבור עריכה.
כל הניסוח נשמע כמו ג’יבריש של צ’אט gpt.
אם “היקום הפך ממרק חסר סדר של חלקיקים עם אנרגיה גבוהה לאוסף מאורגן יותר של גלקסיות וכוכבים” אזי הוא עבר מדרגת אנטרופיה נמוכה יותר לדרגה גבוהה יותר, ומשהו מחוץ למערכת הפיזיקלית הקרויה יקום היה דרוש כדי לספק ליקום את האנרגיה הדרושה למעבר הזה? האם לפיזיקאים יש הסבר מניח את הדעת מניין הגיעה האנרגיה הזו?
הגלקסיות המוקדמות מתגלות רק בגלל גלקסיה מסיבית באמצע..
זה לא אומר שההתחלה נמצאת שם.
הן חלשות בגלל המרחק הרב ורק החלק הבוהק מתגלה
זה לא אומר שאין לגלקסיות הללו זרועות אשר מכפילות את גודלן הזרועות חלשות בהרבה בריכוז הכוכבים ובטח לא יעבור מרחק רב כזה.
אגב אם הגלקסיות הוותיקות בנות 13 מיליארד..
אז זה אומר שהגלקסית שביל החלב כבר נוכחת 13 מיליארד ורק חיכתה לאור הזה שיגיע..
אחרת מה הקדים את החומר בגלקסיה שלנו את החומר שמגיע מלפני 13 מיליארד שנה?!