העידן האפל של היקום

אסטרונומים מנסים למלא את הדפים הריקים באלבום תמונות הילדות של היקום 

מאת אברהם לייב, הופיע במהדורה הישראלית של סיינטיפיק אמריקן גליון פברואר-מארס 2007

הקדמה לקוראים הישראלים: לראשונה בהיסטוריה האנושית מדענים חוקרים את סיפור בראשית דרך טלסקופים. המאמר שכתבתי מתאר את חזית המחקר של היקום הצעיר שמתרכזת בפסוק “ויהי אור”. כמו תמיד המדע, יותר משהוא עונה – הוא פותח צוהר  לשאלות נוספות, שאולי אחד מקוראיי הצעירים יפתור בעתיד. כילד צעיר במושב בית חנן אהבתי לנסוע בטרקטור אל השדות ולהתלבט שם בשאלות פילוסופיות על היקום. את רוב השאלות האלה עדיין לא הצלחתי לפתור.

בהרימי את מבטי אל שמי הלילה, אני תוהה פעמים רבות אם אנו, בני האדם, איננו שקועים מדי בעצמנו. הלוא יש ביקום כל כך הרבה מעבר למה שנגלה לעינינו על כדור הארץ. התמזל מזלי, וכאסטרופיזיקאי משלמים לי כדי לחשוב על נושא זה, עיסוק שנותן לי נקודת מבט אחרת על הדברים. אלמלא כן, היו בוודאי נושאים אחרים שהיו מטרידים אותי – מותי שלי, למשל. כל אדם ימות ביום מן הימים, אך כשאני מביט ביקום כולו, אני מתמלא תחושה של אריכות ימים. בזכות התמונה הכוללת, אני מוצא את עצמי מוטרד פחות מקיומי הפרטי מכפי שהייתי מוטרד אולי בנסיבות אחרות.

הקוסמולוגים עוסקים בכמה משאלות היסוד שבני האדם ניסו לפתור מאות בשנים באמצעות חשיבה פילוסופית, אבל אנו עושים זאת בהסתמך על תצפיות שיטתיות ועל מתודולוגיה כמותית. אפשר שההישג הגדול ביותר של המאה שעברה היה בניית מודל של היקום, המבוסס על גוף ידע נרחב. כשאני מעיין בעיתון, כחלק משגרת הבוקר שלי, אני נתקל לעתים קרובות בתיאורים ארוכים של סכסוכים בין אנשים על גבולות, נכסים או חירויות. חדשות היום נשכחות לרוב כמה ימים אחר כך, אך מה מוצאים על פי רוב בפרק הראשון של כתבים עתיקים, שממקדים את עניינם של קהלים רחבים לאורך תקופות ארוכות, כמו למשל התנ”ך? דיון על דרך היווצרותם של מרכיבי היקום – אור, כוכבים, חיים. אף על פי שבני אדם שקועים לעתים קרובות בבעיות יום-יומיות, הם סקרנים באשר לתמונה הגדולה. כאזרחי היקום, אך טבעי הוא לנו לתהות כיצד נוצרו מקורות האור הראשונים, כיצד התהוו החיים והאם אין מלבדנו ישויות אינטליגנטיות בחלל הגדול הזה. האסטרונומים במאה ה-21 מצויים במצב ייחודי המאפשר להם למצוא תשובות לשאלות הגדולות הללו.

מה שהופך את הקוסמולוגיה המודרנית למדע ניסויי הוא יכולתנו להציץ אל העבר, פשוטו כמשמעו. כשאתה מתבונן בדמותך הנשקפת במראה המוצבת במרחק מטר ממך, אתה רואה את עצמך כפי שנראית לפני 6 ננו-שניות – הזמן שבו נע האור אל המראה וחזרה. באופן דומה, קוסמולוגים אינם צריכים לנחש כיצד התפתח היקום; אנו מסוגלים לצפות בהיסטוריה שלו מבעד לטלסקופים. מאחר שמבחינה סטטיסטית היקום נראה זהה בכל הכיוונים, הרי מה שאנו רואים במרחק מיליארדי שנות אור הוא כנראה ייצוג טוב למדי של מצבו של מקטע היקום שלנו לפני מיליארדי שנים.

המטרה הסופית של הקוסמולוגיה התצפיתית היא לתאר את היסטוריית היקום כולה, ולספק תמונה מלאה של התפתחותנו מאז שהיה הכול גז חסר צורה של חלקיקים תת-אטומיים. יש בידינו תמונה רגעית של היקום כפי שהיה 400,000 שנה לאחר המפץ הגדול – מתוך קרינת הרקע הקוסמית – וגם תמונות של גלקסיות יחידות, כמיליארד שנים לאחר מכן. עד אמצע העשור הבא מתכוונת נאס”א לשגר טלסקופ חלל חדש בשם “טלסקופ החלל ג'יימס ווֶב” (JWST), שיהיה מסוגל לצפות בגלקסיות הראשונות, שנוצרו, לדעת התיאורטיקנים, בגיל קוסמי של כמה מאות מיליוני שנים.

אך כל זה עדיין משאיר אותנו עם פער עצום. בתקופה שבין שחרור קרינת הרקע הקוסמית, לבין זריחת קרני האור הראשונות של הכוכבים, שרר חושך ביקום, והקרינה הקוסמית לא עקבה אחר התפלגות החומר. פרק זמן זה עשוי להישמע עגום, מעין קטע ביניים משעמם שבין התוצאות המיידיות של המפץ הגדול, לבין הקוסמוס הסואן של ימינו. אך למעשה, באותם ימים א אירעו התרחשויות הרות משמעות: הבליל הקדמוני התפתח לַמגוון העשיר של גופים שמימיים שאנו רואים כיום. בתוך האפלה הסמיכה עסקו כוחות הכבידה בהרכבתם של גופים בקוסמוס. 

האסטרונומים ניצבים במצב הדומה לדפדוף באלבום תמונות של אדם המכיל את תמונת האולטרה-סאונד הראשונה שלו כעובר שטרם נולד, וכמה תמונות שלו כנער מתבגר וכאדם מבוגר. לו ניסיתם לנחש על פי התמונות האלה מה ארע בין שתי התקופות, אפשר שניחושכם היה שגוי מאוד. ילד איננו עובר שעבר הגדלה, או מבוגר שעבר הקטנה, והדבר נכון גם לגבי גלקסיות. הן לא עקבו אחר מסלול התפתחות ברור מאליו מאותו חומר ראשוני שתועד בקרינת הרקע הקוסמית. תצפיות מרמזות שהיקום עבר תהליך עיוות מסוים באותו עידן אפל.

האסטרונומים היום מחפשים אחר אותם דפים חסרים באלבום התמונות הקוסמי, שיראו כיצד התפתח היקום בתקופת ינקותו, וכיצד נוצרו אבני הבניין של גלקסיות כמו שביל החלב שלנו. לפני עשר שנים, כשהצטרפתי למאמץ הזה, רק קומץ חוקרים גילה עניין בנושא. היום, חלק ניכר מן הפרויקטים התצפיתיים העתידיים עוסקים בכך, והתחום נראה כאחד משדות-הפעולה המרגשים ביותר בקוסמולוגיה בעשור הקרוב.
מיונים ליונים

לפי תיאוריית המפץ הגדול, היה היקום הקדום מלא בפלזמה חמה – קלחת של פרוטונים, אלקטרונים, פוֹטונים, וקומץ חלקיקים אחרים. האלקטרונים שנעו בחופשיות הגיבו עם הפוטונים בתהליך הקרוי פיזור תומסון, וכך נוצר צימוד חזק בין חומר לקרינה. תוך כדי התפשטותו והתרחבותו התקרר היקום, וכשהטמפרטורות ירדו מתחת ל-3,000 מעלות קלווין, נקשרו הפרוטונים לאלקטרונים ויצרו אטומי מימן ניטרלים מבחינה חשמלית. תהליך פיזור תומסון הסתיים, והתגובה בין פוטונים וחומר נחלשה מאוד ונעשתה לקרינת הרקע הקוסמית. התפשטות היקום המשיכה לקרר את הגז, כך שיכולנו לצפות שהגז הקוסמי יהיה קר וניטרלי גם היום.

אך למרבה ההפתעה המצב שונה. אף על פי שהעולם סביבנו עשוי מאטומים, רוב החומר הרגיל ביקום היום הוא בצורת פלזמה, המצויה עמוק בחלל הבין-גלקטי. תצפיות בספקטרום האור של הקווזרים, הגלקסיות והבזקי קרינת הגמא הרחוקים ביותר המוכרים לנו (ולכן גם העתיקים ביותר) מעידות, שאותו מימן קוסמי מפוזר עבר כולו יינון בעת שהיקום היה בן מיליארד שנה. רמז למה שקרה הגיע לפני שלוש שנים, כשהחללית לחקר אי-אחידויות בקרינת הרקע הקוסמית על שם וילקינסון (WMAP) מצאה קיטוב קל בקרינת הרקע הקוסמית. מימן ניטרלי אינו יכול לקטב את הקרינה הזו, אלא רק מימן מיונן. מידת הקיטוב מעידה שהגז היה מיונן כבר כמה מאות מיליוני שנים לאחר המפץ הגדול. כלומר, האטומים ודאי התפרקו בחזרה למרכיביהם, הפרוטונים והאלקטרונים, כשהגיע לסיומו העידן האפל.

רוב החוקרים מקשרים תהליך זה של יינון מחדש ליצירה הראשונה של כוכבים. יינון של אטום מימן מצריך אנרגיה של 13.6 אלקטרון-וולט, כמות שנושא פוטון בתחום האולטרה-סגול. זו אינה אנרגיה רבה – היא שוות ערך לכ-109 ג'ול לק”ג מימן, הרבה פחות מכמות האנרגיה של 1015 ג'ול המשתחררת בהיתוך גרעיני של אותה כמות מימן. לו רק מיליונית מכמות הגז ביקום הייתה עוברת היתוך בתוך כוכבים, הייתה משתחררת די אנרגיה כדי ליינן את כל שאר הגז. חוקרים אחרים משערים שחומר שנשאב לתוך חורים שחורים שיחרר את האנרגיה שנדרשה ליינון. נפילה לתוך חור שחור משחררת  עד 1016 ג'ול לק”ג, ולכן רק עשירית המיליונית של המימן הקוסמי היה צריך ליפול לחורים שחורים כדי ליינן את כל השאר.

כוכבים וחורים שחורים נוצרים בתוך גלקסיות, ולכן לפני שהיינון מחדש היה יכול להתרחש, היו חייבות להיווצר גלקסיות. אף כי נהוג לחשוב על גלקסיות כעל קבוצות כוכבים, קוסמולוגים מגדירים אותן כצבירים גדולים של חומר. בדרך כלל, כוכבים בגלקסיות נוצרו רק בשלב מאוחר יחסית. ולמעשה, רוב החומר בגלקסיות הוא חומר אפל – סוג של חומר שטרם זיהינו, ובהגדרתו הוא בלתי נראה. יש הסוברים שגלקסיות נוצרו כאשר אזור של היקום, שהיה צפוף יותר מן הממוצע, הצטופף עוד יותר עקב הכבידה העצמית שלו. אף כי האזור התפשט בתחילה, כמו שאר היקום, הכבידה העודפת האטה את קצב ההתפשטות שלו, הפכה את מגמתה, וגרמה לאזור לקרוס וליצור גוף שמימי קשור – גלקסיה.

על פי המודלים הקיימים היום, גלקסיות ננסיות החלו להתהוות כשהיקום היה בן 100 מיליון שנים. בחלוף הזמן, הן התמזגו יחד ויצרו גלקסיות גדולות יותר ויותר. גלקסיה מודרנית, כמו שביל החלב, נוצרה אחרי כמיליון התמזגויות כאלה. בתוך הגלקסיות העובריות התקרר הגז והתקבץ עד להיווצרות כוכבים. הקרינה האולטרה-סגולה של הכוכבים דלפה אל תוך החלל הבין-גלקטי, ניתקה אלקטרונים מן האטומים שלהם ויצרה בועה מתפשטת של גז מיונן. יותר ויותר בועות כאלו הופיעו עם היווצרותן של גלקסיות חדשות, והחלל הבין-גלקטי החל להיראות כמו גבינה שוויצרית. הבועות החלו לחפוף זו את זו ולבסוף מילאו את החלל כולו.

רצף האירועים הזה אמנם נשמע אפשרי, אך עד כה הוא היה קיים רק במוחותיהם של התיאורטיקנים. קוסמולוגים מעשיים היו מעוניינים למצוא הוכחה ישירה לתקופת היינון מחדש לפני שמוסיפים את הפרק החסר לספרי הלימוד. יתרה מכך, רק תצפיות יכולות לקבוע האם כוכבים או חורים שחורים שלטו בעידן היינון-מחדש ומה היו תכונותיו של החומר האפל. אך כיצד ייתכנו בכלל תצפיות כאלו אם, לפחות בתחילתו, היה העידן האפל אפל?
לראות בחשיכה

למרבה המזל, אפילו מימן קר מסוגל לפלוט סוג של אור. לחלקיקים תת-אטומיים יש תכונה פנימית, הקרויה ספין (סַחריר), שיכולה להצביע לאחד משני כיוונים ושמדענים מסכימים  לכנותם “מעלה” ו”מטה”. האלקטרון והפרוטון באטום מימן יכולים להצביע באותו כיוון (מצב מקביל) או בכיוונים מנוגדים (מצב מהופך). האנרגיה של אטום במצב המהופך נמוכה יותר. אם למשל בתחילה גם האלקטרון וגם הפרוטון מצביעים כלפי מעלה, ואז האלקטרון מתהפך ומצביע כלפי מטה, האטום כולו יורד לרמת אנרגיה נמוכה יותר, ומשחרר את הפרש האנרגיה בפוטון שאורך הגל שלו 21 סנטימטר. ובתהליך הפוך, אם האטום בולע פוטון באורך גל כזה, האלקטרון הפונה מטה יהפוך את כיוונו.

האנרגיה של פוטון באורך גל של 21 סנטימטר נמוכה בהרבה מזו של פוטונים האופייניים לקפיצה של אלקטרון בין המסלולים באטום מימן. ולכן תהליך היפוך הספין יכול היה להתרחש גם כשהכוכבים עוד לא קרנו. היה די באנרגיה של קרינת הרקע הקוסמית ובהתנגשויות בין האטומים כדי להפוך ספין של אלקטרונים ולגרום למימן לפלוט קרינה חלשה. היחס בין מספר האטומים במצב מקביל, למספר האטומים במצב מהופך מגדיר את “טמפרטורת הספין” של הגז. טמפרטורת ספין גבוהה, לדוגמה, מעידה על שיעור גבוה של אטומים במצב מקביל.

לפיכך, על פי התאורייה, העידן האפל מוגדר על ידי שלושה סוגי טמפרטורות: טמפרטורת הספין (מדד לשיעור האטומים במצבי ספין שונים), הטמפרטורה הקינטית הרגילה (מדד לתנועתם של האטומים) וטמפרטורת הקרינה (מדד לאנרגית הפוטונים שברקע). שלוש הטמפרטורות האלה יכלו להיות שונות זו מזו בשל התהליכים הפיזיקליים השונים שהתרחשו.

שלוש הטמפרטורות יצרו משולש יחסים משונה: תחילה הייתה טמפרטורת הספין דומה לטמפרטורה הקינטית, אחר כך לטמפרטורת הקרינה, ולבסוף שוב לטמפרטורה הקינטית (ראו הרחבה בתיבת הטקסט). כשהחלל התפשט, הגז והקרינה התקררו. לו היה הגז מבודד, הוא היה מתקרר מהר יותר, אך בשל מספר קטן של אלקטרונים חופשיים שנותרו לאחר היווצרות המימן, ההתקררות הייתה איטית יותר. האלקטרונים החופשיים שימשו כמתווך. הם העבירו אנרגיה מקרינת הרקע הקוסמית אל האטומים, וכך שמרו על שוויון בין שלוש הטמפרטורות. רק עשרה מיליון שנים לאחר המפץ הגדול הפסיקו האלקטרונים החופשיים לשמש כמתווכים, בשל הדילול בקרינת הרקע. שיווי המשקל בין הגז לקרינה הופר, והגז החל להתקרר במהירות. התנגשויות אטומיות השוו בין טמפרטורת הספין לטמפרטורה הקינטית. בשלב זה המימן רק בלע פוטונים באורך גל של 21 סנטימטר, וספג את האנרגיה של קרינת הרקע הקוסמית (אם כי לעולם לא במידה מספקת כדי להשיב את המערכת לשיווי משקל).

מאה מיליון שנים לאחר המפץ הגדול התרחש שינוי נוסף. ההתפשטות הקוסמית דיללה את הגז עד כי ההתנגשויות התרחשו בתדירות נמוכה מדי להשוואת טמפרטורת הספין והטמפרטורה הקינטית. הספינים החלו לצבור אנרגיה מהקרינה הקוסמית, וכשטמפרטורת הספין חזרה לשיווי משקל עם טמפרטורת הקרינה, המימן גם בלע וגם פלט פוטונים באורך גל של 21 סנטימטר. בתקופה זו לא ניתן היה לראות את הגז על רקע הקרינה הקוסמית.

כשהופיעו הכוכבים והחורים השחורים הראשונים, התרחש השינוי השלישי. קרני ה-x שהם פלטו העלו את הטמפרטורה הקינטית. האור האולטרה-סגול שלהם נבלע ונפלט מחדש על ידי המימן, והמעברים החוזרים ונשנים של אלקטרונים בין המסלולים האטומיים הביאו את טמפרטורת הספין והטמפרטורה הקינטית לשיווי משקל. טמפרטורת הספין עלתה מעל לטמפרטורה של קרינת הרקע הקוסמית, והמימן קרן בעוצמה רבה יותר מן הרקע.  מאחר שהיפוך ספין של אלקטרונים מצריך הרבה פחות אנרגיה מיינון אטומים, הגלקסיות גרמו למימן לקרון הרבה לפני שגרמו לו להתיינן מחדש. לבסוף, כשהמימן עבר יינון, הוא פלט קרינה בדרכים אחרות, והפליטה הבין-גלקטית באורך גל של 21 סנטימטר דעכה.
טומוגרפיה קדמונית

בשל אותו משולש יחסים, יהיו השמים מוארים בקרינה של 21 סנטימטר או חשוכים יותר מקרינת הרקע, כתלות בזמן ובמקום. תופעה נוספת שצופים צריכים להביא בחשבון היא ההסחה של הפוטונים לאורכי גל ארוכים יותר, שהביאה ההתפשטות הקוסמית. מאז תחילת העידן האפל גדל היקום פי 1,000 בקוטרו, ולכן פוטון של 21 סנטימטר שנפלט באותו זמן, יגיע לכדור הארץ באורך גל של 210 מטר. פוטון שנפלט לקראת סוף העידן האפל מוסח לאורך גל של מטר אחד עד שני מטרים.

זהו טווח אורכי גל המצוי בתחום גלי הרדיו של הספקטרום האלקטרומגנטי. הפליטה יכולה להיקלט באמצעות מערך אנטנות לתדירות נמוכה, כמו אלו המשמשות לשידורי רדיו וטלוויזיה. כמה קבוצות מחקר עוסקות כיום בבניית מערכים כאלה. מערך השדה “מילורה” (MWA) שבמערב אוסטרליה יכלול 8,000 אנטנות מפוזרות בשטח שקוטרו קילומטר וחצי ורגישוֹת לאורכי גל של מטר עד 3.7 מטרים. למערך יכולת הפרדה זוויתית של כמה דקות-קשת, המתאימות לקנה מידה פיזיקלי של כשלושה מיליון שנות אור בזמן העידן האפל. יוזמות נוספות בתכנון הן מערך התדרים הנמוכים (LOFAR), טלסקופ המבנה הקדמון (PaST) ובעתיד הרחוק יותר, מערך הקילומטר הרבוע (SKA).

מערכים אלו יסרקו תדרים כדי למפות את הקרינה של 21 סנטימטר בתקופות שונות בהיסטוריה הקוסמית. האסטרונומים יוכלו להרכיב מפה תלת-ממדית של התפלגות המימן הניטרלי. הם יוכלו לצפות כיצד הבדלי צפיפות קלים ביקום בשיעור של חלק אחד ל-100,000 (כמו בקרינת הרקע הקוסמית) הלכו והתעצמו בכמה סדרי גודל. באזורים שצפיפותם גבוהה יותר, אנו מקווים לראות גלקסיות המתחילות לקבל צורה וליצור בועות של מימן מיונן. הבועות יתרבו ויתמזגו עד שלבסוף ינקו את החלל הבין-גלקטי ממימן ניטרלי (ראו תיבת טקסט מימין). חדות קווי המתאר של הבועות תענה לשאלה מה גרם ליינון מחדש, כוכבים כבדים או חורים שחורים? כוכבים כבדים משחררים את רוב האנרגיה שלהם בתחום האור האולטרה-סגול, קרינה שהמימן הבין-גלקטי ממסך בקלות, ואילו חורים שחורים יוצרים בעיקר קרני-x, החודרות עמוק אל תוך הגז. לכן חורים שחורים יוצרים קווי מתאר מטושטשים יותר.

מפת הקרינה באורך גל של 21 סנטימטר צפויה לתת יותר מידע מכל מפה קודמת בקוסמולוגיה, ובכלל זה מפת קרינת הרקע הקוסמית. ישנן כמה סיבות לכך. ראשית, בעוד קרינת הרקע הקוסמית מספקת תמונה דו-ממדית, מאחר שנוצרה ברגע יחיד בזמן (כשהיקום התקרר אל מתחת ל-3,000 קלוין), מפת 21 הסנטימטר תהיה, כאמור, תלת-ממדית. שנית, קרינת הרקע היא מטושטשת מעט, מכיוון שהיא לא שוחררה בו-בזמן בכל מקום. היקום עבר עידן ביניים שבו הוא לא היה אטוּם למעבר קרינה ולא שקוף, כמעין ערפל שהלך והתפוגג בהדרגה. במהלך תקופה זו, התפזרה הקרינה לאורך מרחקים קצרים והטביעה חותם דק על קרינת הרקע הקוסמית. לעומת זאת, כשקרינת 21 הסנטימטר נפלטה מאטומי המימן, דבר לא הפריע את התקדמותה בחלל, וכך היא משקפת את התפלגות הגז ללא טשטוש. סיבה שלישית היא המידע שנושאת קרינת הרקע. קרינה זו נושאת מידע על צפיפות החומר שהיווה את הזרעים לגלקסיות, ואילו קרינת 21 הסנטימטר תמפה גם את זרעי הגלקסיות וגם את השפעת הגלקסיות על סביבתן, מיד ברגע שנוצרו.

כדי לגלות את אותות הקרינה באורך גל של 21 סנטימטר, יהיה צורך להתגבר על כמה אתגרים. ראשית, יש לסנן את שידורי הרדיו בפס רחב ובתדירויות נמוכות על פני כדור הארץ. שנית, יהיה צורך לטפל בפליטת גלי הרדיו מן הגלקסיה שלנו, פליטה חזקה פי 10,000 ויותר מן האותות שיתקבלו מעידן היינון-מחדש. למרבה המזל, צורת הרעש הגלקטי אחידה פחות או יותר באורכי גל קרובים זה לזה, ואילו אותות קרינת 21 הסנטימטר משתנים עם אורך הגל לפי המבנה המרחבי של הבועות המיוננות. הבדל זה יאפשר לחלץ את אותות הקרינה מתוך הרעש הגלקטי. אסטרונומים יוכלו להשוות את מפות 21 הסנטימטר עם תמונות שהתקבלו באמצעים אחרים, כמו JWST. הגלקסיות הנראות באור אינפרה-אדום אמורות להתאים לבועות היונים המפוזרות במרחבי המימן הניטרלי. 

מלבד האתגרים התצפיתיים שהזכרנו, ישנן עוד כמה משימות העומדות בפני התיאורטיקנים. בראש ובראשונה, הם יצטרכו להריץ הדמיות מחשב גדולות יותר – כדי שיוכלו לעקוב אחר אירועים בנפח גדול דיו להיות מדגם סטטיסטי מייצג של היקום (ברוחב מיליארד שנות אור), וברזולוציה גבוהה דיה – כדי לעקוב גם אחר גלקסיות גמדיות. ההדמיות יצטרכו גם לעקוב אחר התקדמות הקרינה המייננת מן הגלקסיות אל הגז שמסביב, תהליך שההדמיות תיארו עד כה רק תיאור גס מאוד. ייתכן מאוד שהתצפיתנים יבחינו ביינון מחדש, עוד לפני שהתיאורטיקנים יצליחו לחזות מה בדיוק הם אמורים לראות.

המאמץ המשולב – הניסויי והתיאורטי כאחד – אמור לפזר קצת מן הערפל השורר בכמה סוגיות מטרידות בתיאוריה של היווצרות גלקסיות. סוגיה אחת כזו נוגעת לחורים השחורים המסיביים שבמרכזי הגלקסיות. בעשר השנים האחרונות הבינו אסטרונומים שכמעט בכל גלקסיה ביקום היום, ובכלל זה בשביל החלב, יש חור שחור מסיבי. על פי הסברה החורים השחורים האלה בולעים גז במהלך אירועים המתרחשים כשגלקסיות מתמזגות. כשזה קורה, זורח הגז הקורס בעוצמה גבוהה הרבה יותר מכל שאר הגלקסיה, ויוצר קווזר. סקירת השמים הדיגיטלית על שם סלואן גילתה שקווזרים בעלי חורים שחורים בגודל של יותר ממיליארד מסות שמש היו קיימים כבר בגיל הקוסמי של מיליארד שנה. כיצד נוצרו חורים שחורים כה מסיביים כה מוקדם? ומדוע הפסיקו לגדול?

סוגיה נוספת נוגעת להתפלגות הגודל של גלקסיות. התיאורטיקנים סבורים שהקרינה האולטרה-סגולה, שפלטו גלקסיות גמדיות בתקופת היינון מחדש, חיממה את הגז הקוסמי ודיכאה את היווצרותן של גלקסיות חדשות בעלות מסה נמוכה. כיצד התפתח מצב זה עם הזמן? אילו מהגלקסיות הגמדיות שאנו רואים היום היו קיימות כבר בהתחלה? אלו הן רק כמה מן השאלות הרבות שהתשובות להן מצויות בעידן האפל.
 סקירה כללית – עידן היינון מחדש
בשנים האחרונות הקדישו בקוסמולוגיה תשומת לב רבה לקרינת הרקע הקוסמית, המספקת תמונה רגעית של היקום בגיל 400,000 שנה. אך בין הזמן הזה לבין זמן הופעתן של הגלקסיות הראשונות שררה תקופה של חושך כמעט מוחלט, שהופרע רק מאור קלוש של כוכבים. בתקופה זו טמון סוד היווצרות הגלקסיות.
ברור שקשה לחקור תקופה, שמעצם טבעה היא כמעט בלתי נראית. המפתח טמון בחיפוש האותות החלושים של גלי רדיו שפלט גז מימן ניטרלי בעת שהגיב עם קרינת הרקע. כיום מתחילים מדענים לערוך חיפוש כזה.
התוצאה תהיה מפה מעניינת יותר אף מזו של קרינת הרקע הקוסמית. תהיה זו מפה תלת-ממדית שתתאר שלב אחרי שלב כיצד נוצרו תבניות וסדר מתוך בליל חסר צורה.

על המחבר
אברהם לייב (Loeb) הוא מדען מוביל בעולם במחקר תיאורטי של הכוכבים הראשונים ושל עידן היינון מחדש. לדבריו, מה שמניע אותו הוא עניין בשאלות פילוסופיות עתיקות יומין. שאלות אלו העניקו לו השראה להיכנס לתחום הפיזיקה עוד בצעירותו. כיום הוא פרופסור לאסטרונומיה באוניברסיטת הרווארד ופרופסור אורח במכון ויצמן למדע ברחובות. לייב היה גם מחלוצי הגילוי של כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש באמצעות עדשות-מיקרו כבידתיות ויצירת קרני גמא בחלל הבין גלקטי. הוא השתתף בקבוצת העבודה המדעית הראשונה בטלסקופ החלל ג'יימס ווב וקיבל את מלגת גוגנהיים לשנת 2002.

אף על פי שלא היו עדיין כוכבים בנמצא, לא היה העידן האפל אפל לגמרי. תהליך נדיר גרם לגז המימן לזרוח בעמימות.
כדי שהמימן יזרח נדרש מקור אנרגיה. המקורות הזמינים היחידים היו האנרגיה הקינטית של האטומים עצמם (שהשתחררה בהתנגשויות בין האטומים) והפוטונים של קרינת הרקע הקוסמית. קומץ אלקטרונים חופשיים סייע להעברת האנרגיה בין האטומים לפוטונים.
עם זאת, שום מקור אנרגיה לא היה חזק דיו כדי לגרום למימן לזרוח באמצעים המוכרים, כפי שקורה כשאלקטרון נזרק למסלול אטומי גבוה יותר (הקרוי “מצב מעורר”) ואז חוזר למסלולו המקורי תוך פליטת פוטון.
ההתנגשויות והפוטונים סיפקו די אנרגיה להיפוך הספין של האלקטרון ולהעבירו למצב מקביל לספין הפרוטון. כשהספין של האלקטרון התהפך בחזרה, הוא שיחרר פוטון באורך גל של 21 סנטימטר.
האנרגיה הקינטית, אנרגית הפוטונים ואנרגיית הספין שימשו כשלושה אמבטי אנרגיה שהחליפו אנרגיה זה עם זה בתהליכים שונים.
אפשר לייצג את כמות האנרגיה בכל אמבט באמצעות טמפרטורה: ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך האנרגיה רבה יותר. בתחילת העידן האפל כל שלוש הטמפרטורות היו זהות (א). אז החלו הטמפרטורה הקינטית וטמפרטורת הספין לצנוח מהר יותר מאנרגיית הפוטונים (ב). לאחר זמן מה, טמפרטורת הספין שבה לשיווי משקל עם טמפרטורת הפוטונים (ג). לבסוף, כוכבים וקווזרים חיממו את הגז והעלו את הטמפרטורה הקינטית ואת טמפרטורת הספין (ד). הטמפרטורות היחסיות קובעות איך (ואם) אפשר לצפות במימן.

ועוד בנושא

Measuring the Small-Scale Power Spectrum of Cosmic Density Fluctuations through 21cm Tomography Prior to the Epoch of Structure Formation. Abraham Loeb and Matias Zaldarriage in Physical Review Letters, Vol. 92, No. 21, Paper No.211301; May 25, 2004, Preprint available at arxiv.org/abs/astro-ph/0312134

The State of the Universe, Peter Coles in Nature, Vol.433, pages 248-256; January 25, 2005.

First Light, Abraham Loeb, Lecture Notes for the SAAS-Fee Winter School, April 2006, arxiv.org/abs/astro-ph/0603360

Chasing Hubble's Shadows: The Search for Galaxies at the Edge of Time, Jeff Kanipe, Hill and Wang, 2006.

Cosmology at Low Frequencies: The 21 cm Transition and the High-Redshift Universe,Steven Furlanetto, S. Peng Oh and Frank Briggs in Physics Reports (forthcoming).
arxiv.org/abs/astro-ph/0608032