SciTechDaily

ניקולס

ווב חוקר את השחר הקוסמי: עדים לגלקסיות הראשונות הניזונות מגז קר

איור זה מראה גלקסיה שנוצרה רק כמה מאות מיליוני שנים לאחר המפץ הגדול, כאשר גז היה תערובת של שקוף ואטום במהלך עידן היינון מחדש. נתונים מטלסקופ החלל ג'יימס ווב של נאס"א מראים שיש הרבה גז קר ונייטרלי בסביבת הגלקסיות המוקדמות האלה – ושהגז עשוי להיות צפוף יותר מהצפוי.
ווב צפה בגלקסיות הללו כחלק מסקר ה-Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) שלו כמה חודשים לאחר שהחל לבצע תצפיות בשנת 2022. CEERS כולל גם תמונות וגם נתונים הידועים כספקטרים ​​מהמיקרו-תריסים על סיפון ה-NIRSpec (ספקטרוגרף אינפרא אדום קרוב). נתונים מ-CEERS פורסמו באופן מיידי כדי לתמוך בתגליות כמו זו כחלק מתוכנית מדע השחרור המוקדם (ERS) של Webb.
קרדיט: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

רק טלסקופ החלל ג'יימס ווב יכול לזהות ולחקור את הגלקסיות הללו, שנוצרו בתוך גז צפוף ואטום כשהיקום היה בן כמה מאות מיליוני שנים בלבד.

צוות בדנמרק בוחן נתוני ארכיון מה טלסקופ החלל ג'יימס ווב לאחרונה מצאו שלישיית גלקסיות רחוקות שהיו בתהליך של איסוף גז כשהיקום היה בן כמה מאות מיליוני שנים בלבד. הזיהוי והאפיון שלהם הם הישגים יוצאי דופן שרק Webb מסוגל להם כרגע, הודות להתמחות שלו באור אינפרא אדום. הנתונים מראים לראשונה שמאגרי גז גדולים מקיפים את הגלקסיות המוקדמות הללו. גז זה ייפול בסופו של דבר לתוך הגלקסיות, יתדלק היווצרות כוכבים חדשים, ובמשך מיליוני שנים, יוביל לגלקסיות בעלות מבנה גבוה השופע כוכבים.

אינפוגרפיקה של יקום לאורך זמן

למרות שאיננו בטוחים מתי בדיוק הכוכבים הראשונים החלו לזרוח, אנו יודעים שהם בוודאי נוצרו מתישהו לאחר עידן הרקומבינציה, כאשר נוצרו אטומי מימן והליום (380,000 שנים לאחר המפץ הגדול), ולפני הגלקסיות העתיקות ביותר הידועות. היה קיים (400 מיליון שנה לאחר המפץ הגדול). האור האולטרה-סגול שנפלט מהכוכבים הראשונים פירק את גז המימן הנייטרלי הממלא את היקום ליוני מימן ולאקטרונים חופשיים, והחל את עידן ה-Reionization וסוף העידנים האפלים של היקום. קרדיט: NASA, ESA, CSA, STScI

גלקסיות נוצרות באופן פעיל ביקום המוקדם שנתפסו ניזונות מגז קר

חוקרים שניתחו נתונים מטלסקופ החלל ג'יימס ווב של נאס"א איתרו שלוש גלקסיות שעשויות להיווצר באופן פעיל כשהיקום היה בן 400 עד 600 מיליון שנים בלבד. הנתונים של ווב מראים שהגלקסיות הללו מוקפות בגז שהחוקרים חושדים שהם כמעט אך ורק מימן והליום, היסודות המוקדמים ביותר שקיימים בקוסמוס. המכשירים של ווב כל כך רגישים שהם הצליחו לזהות כמות חריגה של גז צפוף המקיפה את הגלקסיות הללו. גז זה ככל הנראה יתדלק בסופו של דבר היווצרות כוכבים חדשים בגלקסיות.

תובנות ממרכז השחר הקוסמי

"הגלקסיות האלה הן כמו איים נוצצים בים של גז אטום נייטרלי אחרת", הסביר קספר היינץ, המחבר הראשי ועוזר פרופסור לאסטרופיזיקה במרכז השחר הקוסמי (DAWN) באוניברסיטת קופנהגן בדנמרק. "ללא ווב, לא היינו מסוגלים לצפות בגלקסיות המוקדמות האלה, שלא לדבר על ללמוד כל כך הרבה על היווצרותן."

"אנחנו מתרחקים מתמונה של גלקסיות כמערכות אקולוגיות מבודדות. בשלב זה בתולדות היקום, הגלקסיות כולן קשורות באופן אינטימי למדיום הבין-גלקטי עם חוטי הלהט והמבנים שלו של גז בתולי", הוסיפה סימון נילסן, מחברת שותפה וסטודנטית לדוקטורט המבוססת גם היא ב-DAWN.

תנאים בעידן המחודש (איור)

לפני יותר מ-13 מיליארד שנים, בעידן של יינון מחדש, היקום היה מקום שונה מאוד. הגז בין גלקסיות היה אטום במידה רבה לאור אנרגטי, מה שהקשה על צפייה בגלקסיות צעירות. כאשר כוכבים וגלקסיות צעירות המשיכו להיווצר ולהתפתח, הם החלו לשנות את הגז סביבם. במשך מאות מיליוני שנים, הגז הפך מגז ניטרלי ואטום לגז מיונן ושקוף. קרדיט: נאס"א, ESA, CSA, ג'ויס קאנג (STScI)

תצפיות וניתוח מפורטים

בתמונות של ווב, הגלקסיות נראות כמו כתמים אדומים חלשים, ולכן נתונים נוספים, הידועים כספקטרים, היו קריטיים למסקנות הצוות. ספקטרום אלה מראות שאור מגלקסיות אלה נספג בכמויות גדולות של גז מימן ניטרלי. "הגז חייב להיות נפוץ מאוד ולכסות חלק גדול מאוד מהגלקסיה", אמר דראך ווטסון, מחבר שותף שהוא פרופסור ב-DAWN. "זה מצביע על כך שאנו רואים הרכבה של גז מימן ניטרלי לגלקסיות. הגז הזה ימשיך להתקרר, להתקבץ וליצור כוכבים חדשים."

היקום היה מקום שונה מאוד כמה מאות מיליוני שנים לאחר המפץ הגדול בתקופה המכונה עידן היינון מחדש. (ראה תמונה למעלה.) הגז בין כוכבים וגלקסיות היה אטום במידה רבה. הגז ברחבי היקום הפך לשקוף מלא רק כמיליארד שנים לאחר ה המפץ הגדול. כוכבי הגלקסיות תרמו לחימום ויינון הגז שסביבם, מה שגרם לגז להיות בסופו של דבר שקוף לחלוטין.

על ידי התאמת הנתונים של ווב למודלים של היווצרות כוכבים, החוקרים מצאו גם שבגלקסיות הללו יש בעיקר אוכלוסיות של כוכבים צעירים. "העובדה שאנו רואים מאגרי גז גדולים מעידה גם על כך שלגלקסיות עוד לא היה מספיק זמן ליצור את רוב הכוכבים שלהן", הוסיף ווטסון.

זו רק ההתחלה

Webb לא רק עומד ביעדי המשימה שהניעו את הפיתוח וההשקה שלו – הוא חורג מהם. "אי אפשר היה להשיג תמונות ונתונים של הגלקסיות הרחוקות הללו לפני ווב", הסביר גבריאל בראמר, מחבר שותף ופרופסור חבר ב-DAWN. "בנוסף, הייתה לנו תחושה טובה של מה אנחנו הולכים למצוא כשהצצנו לראשונה בנתונים – כמעט גילינו תגליות בעין."

נותרו עוד שאלות רבות להתייחס אליהן. איפה, ספציפית, הגז? כמה נמצא ליד מרכזי הגלקסיות – או בפאתיהן? האם הגז בתולי או כבר מאוכלס באלמנטים כבדים יותר? מחקר משמעותי לפנינו. "השלב הבא הוא לבנות מדגמים סטטיסטיים גדולים של גלקסיות ולכמת את השכיחות והבולטות של התכונות שלהן בפירוט", אמר היינץ.

סקר מדעי השחרור המוקדם של האבולוציה הקוסמית (CEERS) (תמונה של Webb NIRCam)

בוהה עמוק בנוף העצום הזה. הוא נתפר יחד ממספר תמונות שצולמו על ידי טלסקופ החלל ג'יימס ווב באור כמעט אינפרא אדום – והוא למעשה פועם בפעילות. קרדיט: נאס"א, ESA, CSA, סטיב פינקלשטיין (UT Austin), Micaela Bagley (UT Austin), רבקה לארסון (UT Austin), אליסה פגן (STScI)

ממצאי החוקרים היו אפשריים הודות לסקר ה-Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) של Webb, הכולל ספקטרום של גלקסיות רחוקות מה-NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) של הטלסקופ, ושוחרר מיד כדי לתמוך בתגליות כמו זו כחלק מ-Webb's Early תוכנית מדע שחרור (ERS).

עבודה זו פורסמה בגיליון ה-24 במאי 2024 של כתב העת מַדָע.

למידע נוסף על תגלית זו, ראה ווב לוכד את הולדת הגלקסיות המוקדמות ביותר של היקום בפעם הראשונה.

טלסקופ החלל ג'יימס ווב הוא מצפה הכוכבים המוביל בעולם למדעי החלל. ווב פותר תעלומות במערכת השמש שלנו, מסתכל מעבר לעולמות רחוקים סביב כוכבים אחרים, וחוקר את המבנים והמקורות המסתוריים של היקום שלנו ומקומנו בו. Webb היא תוכנית בינלאומית בהובלת נאס"א עם שותפיה, ESA (סוכנות החלל האירופית) ו-CSA (סוכנות החלל הקנדית).

ניקולס