תצפיות של טלסקופ החלל ג'יימס וב על גלקסיות ביקום הצעיר גילו שהאור הראשון בחלל הגיע מכוכבים צעירים ובוהקים
לרשימת כל הכתבות הקוליות באתר
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.
ניתוח תצפיות על גלקסיות ננסיות מגלה שקרן מהן אור חזק מהצפוי. טלסקופ ג'יימס וב בחלל | muratart, Shutterstock
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.
החוקרים הביטו רק בגלקסיות שנמצאות מאחוריו. צביר הגלקסיות Abell 2744 | מקור: Robert R French, Shutterstock
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.
המסה של הצביר כל כך גדולה שהוא יכול לשמש כעדשה ולמקד את האור שמגיע מאחוריו. עקרון העידוש הכבידתי | Julian Baum / Science Photo Library
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.
