מדוע הגלקסיות ביקום המוקדם מתו צעירות

“ביקום המוקדם גלקסיה פעילה יצרה כוכבים בקצב גבוה במשך של כ-1-2 מיליארד שנה, ואז עוברת התכווצות דרסטית ומתה” אומר פרופ’ אבישי דקל מהאוניברסיטה העברית בתשובה לשאלת אתר הידען. קבוצתו של פרופ’ דקל שותפה במאמר המופיע היום בכתב העת סיינס

מסתבר שהגלקסיות ביקום המוקדם היו פעילות מאד, ויצרו כוכבים חדשים בקצב גבוה, אך הפסיקו בשלב מסוים את פעילות יצירת הכוכבים, ונעשו ״אדומות ומתות״. במקביל התגבשה צורתן למבנים כדוריים דחוסים של כוכבים זקנים. אלה הן בסופו של דבר הליבות של הגלקסיות האליפטיות הלא פעילות של היום, אשר מכילות את מרבית הכוכבים (שמשות). תהליכים אלה החלו להתרחש לפני יותר מעשרה מיליארד שנה, כשלושה מיליארד שנה אחרי המפץ הגדול של היווצרות היקום. הבנת הפסקת הפעילות ויצירת המבנה הדחוס הן מהשאלות המרתקות שעומדות בפני הקוסמולוגים.

במאמר שמתפרסם היום בכתב העת היוקרתי Science, מדווחים אסטרונומים על גילויים תצפיתיים ששופכים אור על דחיסתן ותהליך מותן של גלקסיות. קבוצת החוקרים כוללת אסטרונומים משוויץ ומגרמניה, וכן את קבוצת הקוסמולוגיה של האוניברסיטה העברית בירושלים בראשותו של פרופ׳ אבישי דקל. הגילויים החדשים מאששים את ההבנה התיאורטית החדשה שמפתחים פרופ׳ דקל ועמיתיו על סמך הדמיות מחשב של היווצרות גלקסיות. על פי המודל המתחוור והולך, כל גלקסיה עוברת במשך ההיסטוריה שלה ארוע של התכווצות דרמטית, שמסביר את הדחיסות הניצפית, מנבא את הפרץ המוקדם של כוכבים החדשים, ובעקבותיו את ההפסקה המוחלטת של היווצרות כוכבים.

לאירוע הדרמתי של דחיסה גורמים שונים, כמו התנגשויות בין גלקסיות, או בין זרמי גז מנוגדי כיוון שבונים את הגלקסיה. בעקבות ארוע כזה, גז המימן, שהוא המרכיב העיקרי של הגלקסיות ביקום המוקדם, מתחמם, נדחס לצפיפות גבוהה, מאבד אנרגיה וסיבוביות, וקורס בהשפעת כוח הכבידה של עצמו לליבה דחוסה של הגלקסיה. גז צפוף הוא ה״דלק״ להיווצרות כוכבים בקצב מהיר. אולם, פרץ היווצרות הכוכבים עצמו הוא זה שגורם בסופו של דבר להפסקת היווצרות הכוכבים. חלק מהגז בליבה נבלע בכוכבים החדשים ובחור השחור הענק שבמרכז הגלקסיה, וחלקו האחר מועף אל מחוץ לגלקסיה בעקבות התפוצצויות סופרנובה של כוכבים ובשל רוחות עזות המועפות מסביבת החור השחור. באותו זמן נפסקת נפילתו של גז טרי אל מרכז הגלקסיה, ובכך נעצרת אספקת ה״דלק״ להיווצרות כוכבים חדשים. פרופ׳ דקל ועמיתיו מתארים את התהליכים הפיסיקליים שאחראים לרצף הארועים הזה במאמר שמתפרסם בימים אלה בכתב העת של האגודה המלכותית הבריטית לאסטרונומיה.

הניבויים התיאורטיים מתאימים לתצפיות שמראות שהגלקסיות ביקום המוקדם הן אכן דחוסות באופן ניכר. תחילה התגלו גלקסיות דחוסות אדומות, לא פעילות. לאחרונה אישרו תצפיות שהמקור לאלה הן גלקסיות דחוסות כחולות, שיוצרות כוכבים בקצב גבוה. אלה התגלו באמצעות טלסקופ החלל של האבל, בפרויקט CANDELS בו משתתפת קבוצת הקוסמולוגיה באוניברסיטה העברית. הגילויים התצפיתיים שמדווחים עתה ב Science מבססים את התרחיש המדובר באמצעות תצפיות מהמצפה האירופאי הגדול בצ׳ילה, אשר מאפשרות לחדד ברזולוציה גבוהה את המבנה הפנימי של ליבות הגלקסיות הדחוסות ביקום המוקדם. התצפיות מזהות לראשונה גלקסיות שנמצאות בעיצומו של התהליך המדובר של העצרות היווצרות הכוכבים בליבת הגלקסיה, בעוד כוכבים עדיין נוצרים בהיקף הגלקסיה.

בתשובה לשאלת אתר הידען, האם זה מה שצפוי לגלקסיות גם כיום או שזו היתה תופעה נפוצה ביקום המוקדם, אומר פרופ’ דקל: “ההתכווצות היתה תופעה נפוצה ביקום המוקדם. התנאי להתכווצות הוא שחלק משמעותי של המסה הוא בגז, לא בכוכבים, כי גז יכול לאבד אנרגיה (על ידי קרינה) ולהידחס. זה המצב ביקום המוקדם, אבל בגלקסיות היום הגז מהווה פחות מ10% מהמסה.

מה הכוונה בגלקסיות אלה נמצאות רוב השמשות, כלומר יש הרבה יותר גלקסיות מתות מאשר פעילות?

פרופ’ דקל: “מרבית הגלקסיות המסיביות, ורוב המסה, הן גלקסיות אליפטיות, אדומות ומתות. יש יותר גלקסיות ספיראליות, פעילות, אך הן קטנות יותר, ולכן מכילות פחות ממחצית הכוכבים בממוצע לעומת גלקסיות מתות. הגלקסיות האליפטיות של היום היו הגלקסיות הפעילות של היקום המוקדם. הן היו הרבה יותר פעילות מהגלקסיות הפעילות של היום.”

מה קרה לשאר הכוכבים בה? האם הכוכבים התקרבו? האם כוכבים רבים ברחו לגלקסיות אחרות או שפשוט סיימו את חייהם והגדולים שבהם פשוט התפוצצו בסופרנובה?

פרופ’ דקל: “בשלב הדחוס מרבית הכוכבים הם בליבה הדחוסה. רק מאוחר יותר נוצרים כוכבים חדשים בדיסקה מסביב.”

מה תוחלת החיים הממוצעת של גלקסיה פעילה?

“ביקום המוקדם גלקסיה פעילה יוצרת כוכבים בקצב גבוה במשך של כ-1-2 מיליארד שנה, ואז עוברת התכווצות דרסטית ומתה. גלקסיה פעילות בשלבים מאוחרים יותר של היקום חיה יותר מ-5 מיליארד שנה, כי קצב הפעילות שלה קטן יותר.

מה עשוי לקרות במהלך ההתנגשות הצפויה בין שביל החלב לאנדרומדה, שתי גלקסיות ענק עם מאות מיליארדי כוכבים. האם שתיהן תתכווצנה לאחר פרץ אדיר של היווצרות כוכבים כתוצאה מהתעבות גז בינכוכבי?

“שביל החלב ואנדרומדה הן שתיהן גלקסיות עם פעילות של יצירת כוכבים, אבל נמוכה (כשמש אחת בשנה). יש בהן רק מעט גז. לכן תוצאת ההתנגשות תהיה הרבה פחות דרמטית. הן תהפוכנה לגלקסיה כדורית, אך ללא התכווצות כוללת. כאמור, לשם התכווצות צריכות הגלקסיות להיות בנויות בעיקר מגז, שהוא דיסיפטיבי – יכול לאבד אנרגיה אחרי יצירת גלי הלם בהתנגשות.”

לדברי החוקרים, הנסיון להבין את היווצרות הגלקסיות הוא התחום הפעיל ביותר במחקר המודרני בקוסמולוגיה, בדרך להבנת הקשר בין היקום והתפתחות חיים בו. השילוב של תצפיות מהחלל ומטלסקופים ענקיים על פני הארץ, ושל הדמיות מתקדמות במחשבי על של היווצרות הגלקסיות ביקום, מובילות צעד אחר צעד להבנה של היווצרות הגלקסיות. זוהי אבן דרך מרכזית בתהליך הקוסמי שהחל במפץ הגדול, עבר דרך היווצרות המארג הקוסמי ובו הגלקסיות, היווצרות כוכבים (שמשות) בתוכן, התגבשות כוכבי לכת סביבם, ובסופו של דבר התפתחות חיים על כוכבי הלכת.

פעילותו המחקרית של מרכז האסטרופיסיקה והמדעים הפלנטריים של האוניברסיטה העברית מתרחשת במסגרת מרכז המצוינות הלאומי (ICORE) ״בראשית: מהמפץ הגדול להיווצרות החיים״.

עוד בנושא באתר הידען:

• הדמיה הוכיחה: הירח נוצר מחומר שהועף מכדור הארץ בעת התנגשות גוף גדול בו
• מולקולות אורגניות מורכבות, הבסיס לחיים, התגלו בדיסקה של מערכת שמש בהתהוות
• התגלה צביר עצום של גלקסיות
• הסימולציה המפורטת הראשונה של היקום

.