טלסקופ החלל ג'יימס ווב זיהה נקודות אדומות קטנות בשמי הלילה, שחשף תובנות חדשות לגבי היווצרותם של חורים שחורים סופר-מאסיביים, וקורא תיגר על תיאוריות אסטרונומיות קיימות לגבי צמיחתם המהירה בימיו הראשונים של היקום. (קונספט האמן.) קרדיט: twoday.co.il.com
ה טלסקופ החלל ג'יימס ווב עושה את אחד הממצאים הבלתי צפויים ביותר בשנה הראשונה לשירותו: מספר גבוה של נקודות אדומות קטנות וקטנות ביקום הרחוק עשוי לשנות את הדרך בה אנו מבינים את יצירתם של חורים שחורים סופר מסיביים. המחקר, בהובלת ג'וריט מת'י, פרופסור עוזר לאסטרופיזיקה במכון למדע וטכנולוגיה אוסטריה (ISTA), מתפרסם כעת ב- ה כתב עת אסטרופיזי.
חבורה של נקודות אדומות קטנות שנמצאות באזור זעיר בשמי הלילה שלנו עשויה להיות פריצת דרך בלתי צפויה עבור טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST) במהלך שנת השירות הראשונה שלו. לא ניתן היה להבחין בין עצמים אלה לגלקסיות רגילות דרך ה'עיניים' של המבוגרים טלסקופ החלל האבל.
"מבלי שפותח למטרה ספציפית זו, ה-JWST עזר לנו לקבוע שנקודות אדומות קטנות וקלושות – שנמצאו רחוק מאוד בעבר הרחוק של היקום – הן גרסאות קטנות של חורים שחורים מסיביים במיוחד. החפצים המיוחדים הללו יכולים לשנות את הדרך בה אנו חושבים על יצירתם של חורים שחורים", אומר ג'וריט מת'י, פרופסור עוזר במכון למדע וטכנולוגיה אוסטריה (ISTA), והמחבר הראשי של המחקר.
"הממצאים הנוכחיים יכולים לקרב אותנו צעד אחד יותר לתשובה לאחת הדילמות הגדולות ביותר באסטרונומיה: לפי המודלים הנוכחיים, כמה חורים שחורים סופר-מאסיביים ביקום המוקדם פשוט צמחו 'מהר מדי'. אז איך הם נוצרו?"
קוואזר ענק ונקודות אדומות קטנות. תמונת NIRCam של NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope (JWST) של הקוואזר הזוהר J1148+5251, חור שחור סופר מסיבי פעיל נדיר ביותר של 10 מיליארד מסות שמש. האור של הקוואזר, המקור דמוי הכוכב הכתום עם שישה קוצים ברורים של עקיפה, נפלט לפני 13 מיליארד שנים. קיומם של חורים שחורים מסיביים כאלה ביקום הצעיר מציב אתגר חשוב לתיאוריות היווצרות חורים שחורים וגלקסיות. במקביל, התמונה לכדה עצמים אדומים קטנים דמויי נקודה, מה שנקרא נקודות אדומות קטנות. כמה אובייקטים כאלה מופיעים כמעט בכל תמונת JWST עמוקה. כמו הקוואזר J1148+5251, גם האור מהעצמים הללו (שבמקרים אלה נפלט לפני 12.5 מיליארד שנים) מופעל על ידי חורים שחורים סופר-מסיביים. עם זאת, החורים השחורים הללו נמוכים במסתם של מאה עד אלף ומסתירים מאוד על ידי אבק (מה שגורם להם להיראות אדומים). הנקודות האדומות הקטנות יכולות לייצג גלקסיות שנמצאות בשלב אבולוציוני שקדם לשלב הקוואזר הזוהר, ולכן לעזור לחוקרים להבין את היווצרותם ותפקידם של חורים שחורים סופר-מאסיביים בגלקסיות רחוקות.
התמונה צולמה כחלק מפרויקט EIGER.
קרדיט: NASA, ESA, CSA, J. Matthee (ISTA), R. Mackenzie (ETH ציריך), D. Kashino (מצפה הכוכבים הלאומי של יפן), S. Lilly (ETH ציריך)
נקודות האל-חזור הקוסמיות
מדענים ראו זה זמן רב בחורים שחורים קוריוז מתמטי עד שקיומם נעשה ברור יותר ויותר. הבורות הקוסמיים המוזרים חסרי התחתית הללו יכולים להיות בעלי מסות כה קומפקטיות וכוח משיכה חזק ששום דבר לא יכול לחמוק מכוח המשיכה שלהם – הם שואבים דבר, כולל אבק קוסמי, כוכבי לכת וכוכבים, ומעוותים את המרחב והזמן סביבם כך שאפילו אור לא יכול לברוח. .
תורת היחסות הכללית, שפורסמה על ידי אלברט איינשטיין לפני למעלה ממאה שנה, חזתה שלחורים שחורים יכולה להיות מסה כלשהי. כמה מהחורים השחורים המסקרנים ביותר הם החורים השחורים העל-מסיביים (SMBHs), שיכולים להגיע לפי מיליוני עד מיליארדי ממסת השמש. אסטרופיזיקאים מסכימים שיש SMBH במרכז כמעט כל גלקסיה גדולה. ההוכחה לכך שקשת A* היא SMBH במרכז הגלקסיה שלנו עם מסה של יותר מארבעה מיליון מהשמש, זיכתה את פרס נובל לפיזיקה לשנת 2020.
מסיבי מדי בשביל להיות שם
עם זאת, לא כל SMBH זהים. בעוד שאפשר להשוות את מזל קשת A* להר געש ישן, כמה SMBHs גדלים במהירות רבה על ידי בליעת כמויות אסטרונומיות של חומר. לפיכך, הם הופכים כה זוהרים שניתן לצפות בהם עד קצה היקום המתרחב. SMBHs אלה נקראים קוואזרים והם בין העצמים הבהירים ביותר ביקום.
"בעיה אחת עם קוואזרים היא שחלק מהם נראה מסיבי מדי, מסיבי מדי בהתחשב בגיל היקום שבו נצפים הקוואזרים. אנחנו קוראים להם 'הקוואזרים הבעייתיים'", אומר מתתי. "אם ניקח בחשבון שקוואזרים מקורם בהתפוצצויות של כוכבים מסיביים – ושאנחנו יודעים את קצב הגדילה המקסימלי שלהם מחוקי הפיזיקה הכלליים, חלקם נראים כאילו צמחו מהר יותר ממה שאפשר. זה כמו להסתכל על ילד בן חמש שגובהו שני מטרים. משהו לא מסתדר", הוא מסביר.
האם SMBHs עשויים לגדול אפילו מהר יותר ממה שחשבנו במקור? או שהם נוצרים אחרת?
Jorryt Matthee, עוזר פרופסור במכון למדע וטכנולוגיה אוסטריה (ISTA). קרדיט: © פיטר ריגאוד / ISTA
גרסאות קטנות של מפלצות קוסמיות ענקיות
כעת, מת'י ועמיתיו מזהים אוכלוסייה של עצמים המופיעים כנקודות אדומות קטנות בתמונות JWST. כמו כן, הם מדגימים שאובייקטים אלה הם SMBHs, אך לא מסיביים מדי. מרכזי בקביעה שאובייקטים אלה הם SMBHs היה הזיהוי של קווי פליטה ספקטרליים של Hα עם פרופילי קווים רחבים. קווי Hα הם קווים ספקטרליים באזור האדום העמוק של האור הנראה הנפלטים כאשר אטומי מימן מחוממים. רוחב הספקטרום עוקב אחר תנועת הגז.
"ככל שהבסיס של קווי ה-Hα רחב יותר, כך מהירות הגז גבוהה יותר. לפיכך, הספקטרום הזה אומר לנו שאנחנו מסתכלים על ענן גז קטן מאוד שזז במהירות רבה ומקיף משהו מאוד מסיבי כמו SMBH", אומר מת'י.
עם זאת, הנקודות האדומות הקטנות אינן המפלצות הקוסמיות הענקיות שנמצאות במכוניות SMBH מסיביות מדי. "בעוד שה'קוואזרים הבעייתיים' הם כחולים, בהירים במיוחד ומגיעים לפי מיליארדי מסה של השמש, הנקודות האדומות הקטנות דומות יותר ל'קוואזרים של תינוקות'. המסות שלהם נעות בין עשרה למאה מיליון מסות שמש. כמו כן, הם נראים אדומים כי הם מאובקים. האבק מסתיר את החורים השחורים ומאדים את הצבעים", אומר מתתי.
אבל בסופו של דבר, יציאת הגז מהחורים השחורים תנקב את פקעת האבק, וענקים יתפתחו מהנקודות האדומות הקטנות הללו. לפיכך, האסטרופיזיקאי של ISTA וצוותו מציעים שהנקודות האדומות הקטנות הן גרסאות קטנות ואדומות של SMBHs כחולים ענקיים בשלב שקדם לקוואזרים הבעייתיים. "לימוד גרסאות תינוקות של SMBHs מסיביות מדי יאפשר לנו להבין טוב יותר כיצד קוואזרים בעייתיים נוצרים."
טכנולוגיה "פורצת דרך".
מת'י וצוותו יכלו למצוא את הקוואזרים לתינוקות הודות למערכי הנתונים שנרכשו על ידי שיתוף הפעולה של EIGER (גלקסיות קו פליטה וגז בין-גלקטי בתקופת ה-Reionization) ו-FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopically Complete Observations). מדובר בתוכנית JWST גדולה ובינונית שבה מתתי היה מעורב. בדצמבר האחרון, מגזין Physics World רשם את EIGER בין 10 פריצות הדרך המובילות של השנה לשנת 2023.
"EIGER תוכנן לחקור במיוחד את הקוואזרים הכחולים הסופר-מסיביים הנדירים וסביבותיהם. זה לא נועד למצוא את הנקודות האדומות הקטנות. אבל מצאנו אותם במקרה באותו מערך נתונים. הסיבה לכך היא שבאמצעות שימוש במצלמת אינפרא אדום קרובה של JWST, EIGER רוכשת ספקטרום פליטה של כל העצמים ביקום", אומר מת'י. "אם תרים את האצבע המורה ותושיט את זרועך לחלוטין, האזור של שמי הלילה שחקרנו מתאים לערך עשרים משטח הציפורן שלך. עד כה, כנראה רק גירדנו את פני השטח".
מת'י בטוח שהמחקר הנוכחי יפתח אפיקים רבים ויעזור לענות על כמה מהשאלות הגדולות על היקום. "חורים שחורים ו-SMBHs הם אולי הדברים המעניינים ביותר ביקום. קשה להסביר למה הם שם, אבל הם שם. אנו מקווים שהעבודה הזו תעזור לנו להרים את אחד מצעיפות המסתורין הגדולות ביותר על היקום", הוא מסכם.
זמן קצר לפני פרסום מאמר זה, המכון למדע טלסקופ החלל (STScI) הכריז על הצעות התוכנית שנבחרו לשנה השלישית לפעילות המדעית של JWST. בין התוכניות שעברו את הבחירה התחרותית הייתה הצעתו של מת'י "לנתח נקודות אדומות קטנות: הקשר בין צמיחה מוקדמת של SMBH ויינון קוסמי", שתסתכם ב-45 שעות ב-JWST.
