"מגדלורים קוסמיים" – ווב מגלה את סודות האור הראשון של היקום

תצפיות פורצות דרך ב-JWST חושפות את התפקיד המרכזי של גלקסיות בעלות מסה נמוכה ביינון מחדש של היקום המוקדם, ומאתגרות את תיאוריות האבולוציה הקוסמיות הקיימות.

מדענים העובדים עם נתונים מטלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST) של נאס"א השיגו את הספקטרום המלא הראשון של כמה מאור הכוכבים המוקדמים ביותר ביקום. התמונות מספקות את התמונה הברורה ביותר עד כה של גלקסיות שזה עתה נולדו בעלות מסה נמוכה מאוד, שנוצרו פחות ממיליארד שנים לאחר המפץ הגדול, ומציעות שהגלקסיות הזעירות הן מרכזיות בסיפור המקור הקוסמי.

צוות החוקרים הבינלאומי, כולל שני אסטרופיזיקאים של פן סטייט, פרסמו לאחרונה את תוצאותיהם בכתב העת טֶבַע. הספקטרום חושף חלק מהאור הנראה הראשון מתקופה ביקום המכונה יינון מחדש, שהופעל על ידי הגעת הכוכבים והגלקסיות המוקדמות ביותר.

היקום הקדמוני: מעבר מחושך לאור

חומר רגיל ביקום התחיל כערפל חם וצפוף העשוי כמעט כולו מגרעיני מימן והליום, הסביר ג'ואל לג'ה, עוזר פרופסור לאסטרונומיה ואסטרופיזיקה בפן סטייט ומחבר העיתון. כאשר הוא התרחב והתקרר, פרוטונים ואלקטרונים בודדים החלו להיקשר, ויצרו מימן ניטרלי בפעם הראשונה. ואז, בערך 500 עד 900 מיליון שנים לאחר ה המפץ הגדולאותו מימן ניטרלי – ששלט ביקום המוקדם – החל להיפרד שוב לגז מיונן, מדרבן יצירת כוכבים וגלקסיות והרים את הערפל הקדמון כדי שהאור יוכל לעבור ללא הפרעה ביקום בפעם הראשונה.

"משהו נדלק שהתחיל לשאוב פוטונים באנרגיה גבוהה מאוד אל הריק הבין-גלקטי", אמר ליאה. "המקורות האלה פעלו כמו מגדלורים קוסמיים ששרפו את הערפל של מימן ניטרלי. מה שזה לא היה, זה היה כל כך אנרגטי וכל כך מתמיד, שהיקום כולו הפך להיות מחודש מחדש."

חלוצים גלקטיים: תפקידן של גלקסיות בעלות מסה נמוכה

על ידי ניתוח הספקטרום של גלקסיות צעירות בעלות מסה נמוכה, המדענים הוכיחו שגלקסיות קטנות היו מועמדות חזקות ל"משהו" שעורר את היינון מחדש של היקום על ידי חימום הגז הקדמון הצפוף סביבן ויינון המימן שהיה פעם ניטרלי.

"אם שאר הגלקסיות בעלות המסה הנמוכה ביקום נפוצות ואנרגטיות כמו אלה, אנו חושבים שסוף סוף אנו מבינים את המגדלורים שנשרפו מהערפל הקוסמי", אמר ליה. "הם היו כוכבים אנרגטיים להפליא בהרבה מאוד גלקסיות זעירות."

רוב הגלקסיות ביקום המוקדם צפויות להיות קטנות יחסית, מה שהופך את לימוד התדירות שלהן ותכונותיהן לקשה ביותר, הוסיפה ליאה. הודות להישג טכנולוגי שהתאפשר בזכות השילוב הייחודי של רגישות JWST ואפקט העדשות הכבידתיות של צביר Abell 2744 – גלקסיות סמוכות הפועלות כמו מגדילים קוסמיים, מעוותות את החלל ומגבירות את האור של גלקסיות הרקע – כעת ניתן לקבוע את שפע של גלקסיות קטנות ותכונות המייננות שלהן במהלך מיליארד השנים הראשונות של היקום.

"מצאנו שמספר הגלקסיות הקטנות עלו על מספר הגלקסיות המסיביות בכמאה עד אחת במהלך תקופה זו של יינון מחדש של היקום", אמר חכים אטק, אסטרופיזיקאי באוניברסיטת סורבון, חוקר במכון האסטרופיזיקה של פריז ומחבר ראשון במאמר במהדורה. "תצפיות חדשות אלה גם חושפות שגלקסיות קטנות אלו יצרו כמות ניכרת של פוטונים מייננים, שחרוגה פי ארבעה מהערכים הקנוניים הנחשבים בדרך כלל לגלקסיות מרוחקות. המשמעות היא שהשטף הכולל של פוטונים מייננים הנפלטים מגלקסיות אלו חורג בהרבה מהסף הנדרש ליינון מחדש".

שרטוט האבולוציה הקוסמית: כיוונים עתידיים

צוות פן סטייט הוביל את המודלים של סקר UNCOVER, שכוון לצביר הגלקסיות הגדול בקדמת החזית, שעדשה את הגלקסיות הקטנות והמרוחקות יותר. החוקרים של פן סטייט ניתחו את כל נקודות האור הקטנות בסקר כדי להבין את תכונות האובייקט וכן את המסות והמרחקים הסבירים שלהם. הניתוח הזה שימש לאחר מכן כדי להנחות תצפיות JWST מאוחרות יותר, מפורטות יותר שהניעו את הגילוי הזה, הסביר ליה.

לפני הממצאים הללו, היו מספר השערות שזיהו מקורות אחרים האחראים ליינון מחדש קוסמי, כגון חורים שחורים סופר מסיביים; גלקסיות גדולות עם מסות העולה על מיליארד מסות שמש; וגלקסיות קטנות עם מסות של פחות ממיליארד מסות שמש. חוקרים אמרו כי אישור ההשערה המתייחסת לגלקסיות בעלות מסה נמוכה התברר כקשה במיוחד, לאור עוצמת הארה הנמוכה שלהן, אך הממצאים החדשים מציעים את ההוכחה הברורה ביותר עד כה לכך שגלקסיות בעלות מסה נמוכה מילאו תפקיד מרכזי ביינון מחדש של היקום.

החוקרים רוצים כעת להרחיב את המחקר לקנה מידה גדול יותר כדי לאשר שהמיקום המסוים שהם ניתחו מייצג את התפלגות הממוצעת של הגלקסיות ביקום. מעבר לתהליך היינון מחדש, התצפיות שלהם מספקות תובנה לגבי תהליך היווצרות כוכבים מוקדמים, כיצד הגלקסיות הגיחו מהגז הקדמון – וכיצד הן התפתחו ליקום שאנו מכירים היום.

בינג'י וואנג, פוסט-דוקטורט באסטרופיזיקה, הוא המחבר השני בפן סטייט במחקר. רשימה מלאה של מחברים ומוסדותיהם בהתאמה זמינה בעיתון שפורסם. החוקרים מכירים במימון ותמיכה מ-CNES, התוכנית הלאומית לקוסמולוגיה וגלקסיות, CEA, מרכז השחר הקוסמי, קרן המחקר הלאומית הדנית, מועצת המחקר האוסטרלית, NOW, הנציבות האירופית ותוכנית CO-FUND Rosalind Franklin של אוניברסיטת חרונינגן , קרן המדע הדו-לאומית של ארצות הברית-ישראל, הקרן הלאומית למדע בארה"ב (NSF), משרד המדע והטכנולוגיה, ישראל ו NOIRLabהמנוהלת על ידי איגוד האוניברסיטאות למחקר באסטרונומיה במסגרת הסכם שיתוף פעולה עם ה-NSF.