31 קוואזרים חדשים התגלו ביקום הצעיר, ובהם שניים שאורם נפלט כאשר היקום היה בן כ־670 מיליון שנה בלבד. התגלית מעמיקה את התעלומה כיצד חורים שחורים על־מסיביים הצליחו לגדול במהירות כה רבה זמן קצר לאחר המפץ הגדול
טלסקופ החלל אוקלידס של סוכנות החלל האירופית סייע לאסטרונומים לגלות 31 קוואזרים מן התקופה הראשונה בתולדות היקום. שניים מהם הם הקדומים ביותר שנצפו עד כה: אורם נפלט כאשר היקום היה בן כ־670 מיליון שנה בלבד, פחות מחמישה אחוזים מגילו הנוכחי.
הקוואזרים החדשים התגלו בנתוני הסקר הרחב של אוקלידס. 14 מהם נמצאים בהסחה לאדום של 7 ומעלה, ושני הקדומים ביותר נמצאים בהסחות לאדום 7.69 ו־7.77. התגלית יותר מכפילה את מספר הקוואזרים המוכרים מתקופה כה מוקדמת ומספקת לאסטרונומים אוכלוסייה גדולה יותר שבאמצעותה אפשר לחקור את צמיחת החורים השחורים והגלקסיות הראשונות.
הממצאים פורסמו בכתב העת Astronomy & Astrophysics בידי צוות בינלאומי בהובלת דמינג יאנג, דוקטורנט באוניברסיטת ליידן, ובהשתתפות פרופ' ג'וזף הנאווי מאוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה ומאוניברסיטת ליידן.
משואות קוסמיות המופעלות בידי חורים שחורים
קוואזר הוא גרעין פעיל ובהיר במיוחד של גלקסיה. מקור האנרגיה שלו אינו החור השחור עצמו, שממנו אור אינו יכול להימלט, אלא החומר המקיף אותו.
גז ואבק הנמשכים לעבר חור שחור על־מסיבי יוצרים דיסקת ספיחה. החומר בדיסקה מתחמם לטמפרטורות גבוהות מאוד עקב חיכוך ותהליכים מגנטיים, ופולט קרינה בעוצמה עצומה. קוואזר יכול להאיר בעוצמה המשתווה לזו של טריליוני שמשות ולהיות בהיר יותר מכל הכוכבים בגלקסיה המארחת גם יחד.
בהירות זו מאפשרת לראות קוואזרים ממרחקים קוסמיים עצומים. למעשה, האסטרונומים אינם רואים אותם כפי שהם כיום, אלא כפי שהיו כאשר האור יצא מהם לפני יותר מ־13 מיליארד שנה.
"העצמים האלה מספקים את הרמזים הטובים ביותר להבנת הדרך שבה נוצרים חורים שחורים על־מסיביים", אמר הנאווי. לדבריו, עצם קיומם של חורים שחורים בעלי מאות מיליוני מסות שמש בתקופה כה מוקדמת מציב אתגר בפני המודלים המסבירים את התפתחותם.
כיצד גדלו החורים השחורים במהירות כה רבה?
חורים שחורים כוכביים נוצרים בדרך כלל לאחר קריסתם של כוכבים מסיביים. אולם גם אם אחד החורים השחורים הראשונים החל לבלוע חומר זמן קצר לאחר הופעת הכוכבים הראשונים, הזמן שעמד לרשותו עד התקופה שבה נצפו הקוואזרים החדשים היה קצר מאוד במונחים קוסמיים.
כדי להגיע למאות מיליוני מסות שמש בתוך פחות מ־700 מיליון שנה, נדרש חור שחור להתחיל מ"זרע" מסיבי יחסית, לצבור חומר בקצב מהיר מאוד, להתמזג עם חורים שחורים אחרים – או לשלב בין כמה מהתהליכים האלה.
אחת האפשרויות היא שכוכבים מן הדור הראשון היו מסיביים במיוחד, ולאחר קריסתם הותירו חורים שחורים גדולים יותר מאלה הנוצרים כיום. אפשרות אחרת היא שענני גז עצומים קרסו ישירות לחורים שחורים בעלי אלפי או עשרות אלפי מסות שמש, בלי לעבור תחילה שלב ממושך של כוכב רגיל.
כל קוואזר קדום נוסף מאפשר למדענים לבדוק אילו מן התרחישים האלה מתאימים לנתונים. ככל שהקוואזר קדום יותר, נותר פחות זמן לחור השחור שבמרכזו לגדול – ולכן האתגר למודלים נעשה קשה יותר.
מדוע קשה כל כך למצוא קוואזרים קדומים?
קוואזרים מתקופה זו נדירים מאוד. היקום עדיין היה צעיר, ומעט גלקסיות הספיקו לגדול ולהזין חורים שחורים פעילים ובהירים.
נוסף על כך, קוואזרים רחוקים עשויים להיראות בתצלומים דומים מאוד לכוכבים קרובים בגלקסיית שביל החלב, ובייחוד לננסים חומים. על כל קוואזר קדום אמיתי קיימים אלפי עצמים קרובים יותר העלולים להיראות כמוהו במדידות הראשוניות.
התרחבות היקום מוסיפה קושי נוסף. אור שנפלט מן הקוואזרים בתחום העל־סגול נמתח בדרכו אלינו ומגיע באורכי גל בתחום התת־אדום הקרוב. תהליך זה מכונה הסחה לאדום. ככל שההסחה לאדום גבוהה יותר, האור יצא בדרך כלל מעצם רחוק יותר ומתקופה קדומה יותר בתולדות היקום.
בהסחה לאדום של 7 אנו רואים את היקום כפי שהיה כאשר גילו היה כ־750 מיליון שנה. שני הקוואזרים החדשים, שהסחתם לאדום קרובה ל־7.7, נצפו מתקופה קדומה עוד יותר.
התצפית מן הקרקע קשה משום שאטמוספרת כדור הארץ עצמה זוהרת בתחום התת־אדום ומסתירה מקורות עמומים. לשם איתור קוואזרים נדירים דרוש גם סקר עמוק וגם כיסוי של שטח שמים גדול – שילוב שאוקלידס מסוגל לספק מן החלל.
היתרון של אוקלידס: עומק ושטח שמים עצום
אוקלידס שוגר בשנת 2023 כדי לחקור את החומר האפל, האנרגיה האפלה והתפתחות המבנה הגדול של היקום. הסקר הרחב שלו מיועד לכסות יותר משליש משמי הלילה ולצלם מיליארדי גלקסיות באור נראה ובתת־אדום הקרוב.
יכולת זו הפכה אותו גם לכלי יעיל במיוחד לחיפוש אחר קוואזרים קדומים. לפני תחילת פעילותו נמצאו רק מעטים מן הקוואזרים הבהירים ביותר מתקופת היקום הראשונה. אוקלידס מסוגל לסרוק שטחים עצומים ברגישות גבוהה ולאתר גם מקורות חלשים יותר.
"אוקלידס משנה את כללי המשחק", אמר יאנג. "בעבר יכולנו למצוא רק קומץ מהקוואזרים הקדומים הבהירים ביותר, אך אוקלידס מאפשר לנו לחפש ביעילות רבה יותר על פני שטחים עצומים של השמים וללכוד אור חלש בהרבה."
המועמדים שאותרו בנתוני אוקלידס עברו תצפיות ספקטרוסקופיות כדי לוודא שאכן מדובר בקוואזרים רחוקים ולא בכוכבים קרובים. כשני שלישים מן הקוואזרים החדשים, ובהם שלושת הרחוקים ביותר, אושרו באמצעות טלסקופי קק שבהוואי.
למידת מכונה מצאה מחטים בערמת שחת קוסמית
לצד התצפיות מן החלל, החוקרים השתמשו בשיטות חישוביות ובלמידת מכונה כדי לסנן עשרות מיליוני מקורות אור ולאתר את המועמדים הסבירים ביותר.
האלגוריתמים משווים את הבהירות של כל עצם באורכי גל שונים ומנסים להבחין בין חתימתו של קוואזר רחוק לבין זו של כוכב, ננס חום או גלקסיה קרובה יותר.
ללא סינון כזה היה צורך לבצע תצפיות המשך יקרות באלפי עצמים שנראים דומים. למידת המכונה אינה מחליפה את הספקטרוסקופיה, אך היא מאפשרת לצמצם את מספר המועמדים לרשימה שניתן לבדוק בטלסקופים גדולים.
חלון אל תקופת ההיינון מחדש
הקוואזרים החדשים התקיימו בתקופת ההיינון מחדש, שלב מכריע בתולדות היקום.
לאחר המפץ הגדול התקרר היקום ונוצר בו מימן ניטרלי. במשך מאות מיליוני שנים מילא הגז הזה את החלל ובלע חלק ניכר מן הקרינה העל־סגולה. בהמשך החלו הכוכבים, הגלקסיות והחורים השחורים הפעילים הראשונים לפלוט קרינה שייננה מחדש את אטומי המימן – כלומר הפרידה את האלקטרונים מן הגרעינים.
תהליך ההיינון מחדש הפך בהדרגה את היקום לשקוף יותר לקרינה והכין את התנאים ליקום שאנו רואים כיום. אורם של הקוואזרים עבר דרך הגז הבין־גלקטי בתקופה זו, ולכן הספקטרום שלהם נושא מידע על מצבו של המימן ועל קצב התקדמות ההיינון מחדש.
אחד הקוואזרים הקדומים בקבוצה כבר נחקר בפירוט ונמצא בתוך גלקסיה עשירה בגז ובאבק, שבה התרחש קצב מהיר של היווצרות כוכבים. הדבר עשוי לספק הצצה לסביבה שבה צמחו החורים השחורים העל־מסיביים הראשונים.
ג'יימס וב ו־ALMA יבדקו את החורים השחורים
החוקרים קיבלו זמן תצפית בטלסקופ החלל ג'יימס וב כדי לחקור כמה מן הקוואזרים החדשים. התצפיות נועדו למדוד את מסות החורים השחורים, לבחון את ההרכב הכימי של הגז סביבם ולבדוק כיצד אור הקוואזרים הושפע מן התווך הבין־גלקטי בתקופת ההיינון מחדש.
מערך טלסקופי הרדיו ALMA שבצ'ילה יוכל לבחון את הקרינה הנפלטת מן האבק והגז הקר בגלקסיות המארחות, וכך למדוד את קצב היווצרות הכוכבים ואת מאגרי החומר הזמינים להזנת החור השחור.
המטרה הבאה של הצוות היא למצוא קוואזר בהסחה לאדום גבוהה מ־8 – עצם שאורו נפלט כאשר היקום היה בן פחות מ־630 מיליון שנה.
לדברי הנאווי, החזון הרחב הוא לחבר את התצפיות השונות לציר זמן עקבי: "כרוניקה של קוואזרים במיליארד השנים הראשונות."
שאלות ותשובות
מהו קוואזר?
קוואזר הוא גרעין פעיל ובהיר במיוחד של גלקסיה, המופעל באמצעות חומר הנופל אל חור שחור על־מסיבי. החומר מתחמם בדיסקת הספיחה ופולט כמויות עצומות של קרינה.
בני כמה הקוואזרים הקדומים שהתגלו?
אורם של שני הקוואזרים הרחוקים ביותר נפלט כאשר היקום היה בן כ־670 מיליון שנה. האור נע לעברנו במשך יותר מ־13 מיליארד שנה.
מהי הסחה לאדום?
הסחה לאדום היא התארכות אורכי הגל של האור עקב התרחבות היקום. ככל שעצם רחוק יותר, אורו עבר בדרך כלל הסחה גדולה יותר לעבר אורכי גל אדומים ותת־אדומים.
מדוע גילוי הקוואזרים מפתיע?
הקוואזרים מופעלים בידי חורים שחורים בעלי מאות מיליוני מסות שמש. לא ברור כיצד חורים שחורים הצליחו לצבור מסה רבה כל כך בתוך פחות מ־700 מיליון שנה לאחר המפץ הגדול.
מה תרומתו של טלסקופ אוקלידס?
אוקלידס מצלם שטחים עצומים בשמים גם בתחום התת־אדום הקרוב, מעל להפרעות האטמוספרה. כך הוא יכול לאתר עצמים נדירים וחלשים שאינם נגישים בקלות לסקרים קרקעיים.
האם אוקלידס צילם את החורים השחורים עצמם?
לא. החורים השחורים אינם פולטים אור ישירות. אוקלידס גילה את הקרינה העזה של החומר המתחמם סביבם ואת האור מן הגלקסיות המארחות.
