איך נראו הגלקסיות הראשונות ביקום?

אם הצטיידת במדריך הטרמפיסט לגלקסיה אבל עדיין לא קיבלת את כל התשובות לכל השאלות בנוגע למרחב ולזמן של היווצרות היקום שלנו - יכול מאוד להיות שהתשובה טמונה במחקר הזה: צוות בינלאומי של אסטרופיזיקאים, בהובלת פרופ' רנן ברקנא מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש סאקלר, הצליח לראשונה לאפיין סטטיסטית את הגלקסיות הראשונות ביקום, שהתגבשו כ-200 מיליון שנה בלבד אחרי המפץ הגדול. לפי התוצאות פורצות הדרך, הגלקסיות הראשונות היו קטנות ועמומות, הן היו יותר אפלות  מהגלקסיות בימינו, והמירו רק פחות  מ-5% מהגז שלהן לכוכבים. כמו כן, הגלקסיות הראשונות לא פלטו קרינת רדיו בעוצמה גבוהה בהרבה מזו שאנו רואים היום.

כשהיקום היה ענן של אטומי מימן

המחקר החדש נערך בשיתוף פעולה עם קבוצת SARAS, בהובלת קבוצת המחקר באוניברסיטת קיימברידג׳ באנגליה של ד"ר אנסטסיה פיאלקוב, שבעצמה הייתה דוקטורנטית של פרופ׳ ברקנא באוניברסיטת תל אביב.  תוצאות המחקר החלוצי פורסמו בכתב העת היוקרתי Nature Astronomy.

"זהו תחום חדש מאוד ומחקר ראשון מסוגו", מסביר פרופ' ברקנא. "אנחנו מנסים להבין את הכוכבים הראשונים ביקום, מה שנקרא 'השחר הקוסמי', כ-200 מיליון שנה אחרי המפץ הגדול. טלסקופ החלל החדש ג'יימס ווב למשל, לא באמת יכול לראות את הכוכבים האלה, אלא מעט גלקסיות בהירות במיוחד מתקופה קצת יותר מאוחרת. השאיפה שלנו היא להצליח לאפיין את כלל אוכלוסיית הכוכבים הראשונים".

לפי המודל המקובל, לפני שכוכבים החלו להתיך יסודות כבדים יותר בליבותיהם, היקום שלנו לא היה אלא ענן של אטומי מימן מהמפץ הגדול (בנוסף לחומר אפל). גם היום רוב היקום מורכב מגז מימן, אלא שביקום המודרני רוב המימן הזה מיונן בשל קרינת הכוכבים.

"אטומי מימן פולטים באופן טבעי קרינה אלקטרומגנטית באורך גל של 21 ס"מ, שזה בתחום הרדיו", אומר פרופ' ברקנא. "מאחר שקרינת הכוכבים שינתה את הקרינה שפלטו אטומי המימן, הרעיון הוא להשתמש במימן כגלאי של הכוכבים הראשונים: אם נצליח לראות את ההשפעה שלהם על המימן, נוכל לדעת מתי הם נולדו, כיצד הם הסתדרו בגלקסיות וכו'. אני מראשוני התיאורטיקנים שפיתחו את הרעיון הזה כבר לפני 20 שנה, אבל מבחינה תצפיתית רק עכשיו מצליחים ליישם אותו. ברחבי העולם יש מספר קבוצות מחקר שמנסות לגלות את אות ה-21 ס"מ של המימן ביקום העתיק".

אות מהעבר

אחת מהקבוצות הללו היא EDGES, המשתמשת באנטנת רדיו קטנה יחסית שמודדת את קרינת הרדיו הממוצעת מכל השמיים ומגיעה מתקופות שונות בשחר הקוסמי. ב-2018 הודיעה קבוצת EDGES כי מצאה את האות של 21 ס"מ מאטומי המימן הקדומים.

"הבעיה שקשה לשכנע שזה אכן הסיגנל של אטומי המימן הראשונים שספגו קרינה מהכוכבים הראשונים, ולא סיגנל מהמוליכות החשמלית של העפר שמתחת לאנטנה", מספר פרופ' ברקנא. "לכן חיכו למדידה עצמאית נוספת שתאשר או תשלול את הממצאים, ובאמת בשנה שעברה ערכו אסטרונומים בהודו ניסוי נוסף בשם SARAS. הפעם האנטנה צפה באגם, כך שהמים ההומוגניים לא יוכלו לייצר הפרעות שייראו כמו הסיגנל, ולפי התוצאות שלהם, יש סיכוי של 95% שהסיגנל של EDGES הוא הפרעה כזאת".

"ב-SARAS בעצם מצאו את החסם העליון של הסיגנל בשמיים, ומצאו שהוא חלש משמעותית מהסיגנל ש-EDGES מצא לכאורה. בהנחה שהמדידה של SARAS טובה ונכונה, בדקנו מהן ההשלכות שלה לגבי הגלקסיות הראשונות, כלומר מה היו התכונות שלהן לפי החסם העליון של הסיגנל. זאת הפעם הראשונה שאנחנו יכולים להגיד שלא הייתה אפשרות לקיומן של גלקסיות מסוג מסוים בתקופה כה מוקדמת".

פרופ' ברקנא מסכם: "הגלקסיות היום, כמו גלקסיית שביל החלב שלנו, פולטות המון גלי רדיו. שמנו חסם עליון ראשון על קצב ייצור הכוכבים בגלקסיות הקדומות, וגם על סך פליטות הרדיו שלהן. וזאת רק ההתחלה. מדי שנה נערכים ניסויים משוכללים יותר וכתוצאה מכך מתפרסמים חסמים יותר ויותר חזקים, בניסיון לקבל תמונה ראשונה של השחר הקוסמי. אנו מקווים שבקרוב יהיו לנו לא רק חסמים אלא גם מדידה מדויקת ואמינה של הסיגנל".

^{פרופ' רנן ברקנא}