שני חוקרים ישראלים, רנן ברקנא (אוניברסיטת ת"א) ואבי לייב (אוניברסיטת הרוורד שבארה"ב) מצאו לראשונה עדות ישירה להיווצרות גלקסיות בגודל של שביל החלב כאשר היקום היה בן מיליארד שנה בלבד
בעזרת טלסקופים ענקיים שהם מכוונים לשמים, אסטרונומים חוקרים את העבר הרחוק שבו הגלקסיות עוד היו בצעירותן ויצרו בתוכן את הדורות הראשונים של הכוכבים. אחת השאלות הגדולות שהטרידה את החוקרים הייתה: כמה זמן לקח לגלקסיות הראשונות להיווצר אחרי המפץ הגדול? התשובה – מהר מאד! שני חוקרים ישראלים, רנן ברקנא (אוניברסיטת ת"א) ואבי לייב (אוניברסיטת הרוורד שבארה"ב) מצאו לראשונה עדות ישירה להיווצרות גלקסיות בגודל של שביל החלב כאשר היקום היה בן מיליארד שנה בלבד.
Spotlights at the edge of the universe
כדי ללמוד על היקום המוקדם, אסטרונומים חוקרים את העצמים הרחוקים ביותר – גלקסיות וקוואזרים שאורם מגיע אלינו מיליארדי שנה אחרי שנפלט. קוואזרים הם העצמים הכי בהירים שידועים בשמים. אורם המבריק מיוצר, כך חושבים, ע"י חורים שחורים ענקיים במרכזי גלקסיות. כמויות אדירות של גז נמשכות לעבר החור השחור, ותחת כוח המשיכה העצום הגז נדחס ומתחמם ואת הקרינה העצומה שהוא פולט ניתן לראות למרחקים אדירים.
Many studies of galaxies close to us have shown that there is a connection between each galaxy and the black hole at its center. That is, large galaxies contain large black holes, and small galaxies contain small black holes. Researchers expected the same relationship to hold for the most distant black holes in the early universe, but until recently there was no evidence of this. Barkna and Leib have now provided the first evidence.
אסטרונומים צפו בקוואזרים שונים ומדדו בכל אחד את הספקטרום – את עוצמת האור באורכי גל (או צבעים) שונים. בחלק מהקוואזרים הספקטרום הראה צורה של שתי פסגות, אבל ממצא זה לא משך במיוחד תשומת לב עד עכשיו. ברקנא ולייב יצרו מודל מחשב שמפרש את צורת הספקטרום כתוצאה של בליעה ע"י גז מימן.
Intergalactic hydrogen drawn into the galaxy falls in its direction and absorbs some of the light emitted by the quasar. The infall is caused by the gravitational force of the galaxy, so the infall velocity measures the total weight of the galaxy. This is the first measurement of such an early galaxy.
Dark matter halos
מחקרים קודמים ששקלו גלקסיות קרובות אלינו הראו שהגלקסיות יושבות בתוך הילות גדולות של חומר אפל. זהו חומר בלתי נראה, עשוי ממרכיבים לא ידועים, אבל ניתן לאתר אותו ע"י כוח המשיכה שהוא מפעיל על כוכבים ועל גז. למעשה, רוב החומר ביקום הוא אפל, והיסודות הכימיים המוכרים מהווים רק כחמישית מסך כל החומר. המדידות החדשות של הגלקסיות הקדומות מוצאות משקל כבד ביותר ומחזקות את ההשערה שהחומר האפל דומיננטי גם ביקום המוקדם.
עפ"י המודל ההיררכי של היווצרות גלקסיות, גלקסיות קטנות נוצרו קודם ואח"כ התמזגו וספחו עוד חומר כדי ליצור גלקסיות יותר גדולות. התהליך הזה לוקח זמן, ולכן מעניין לגלות שגלקסיות גדולות כמו גלקסיית שביל החלב שלנו נוצרו בפחות ממיליארד שנה. גלקסיות אלה מהוות כנראה רק את קצה הקרחון. הדעה הרווחת היא שרוב הגלקסיות באותה תקופה היו קטנות הרבה יותר, אבל הן מייצרות אור קלוש יותר ולכן קשה לראותן.
Meanwhile, Barkna and Leib applied their model to two cases of distant quasars for which observations of sufficiently high quality were available. High-resolution observations of the spectra of additional quasars are needed to validate the model.
This study is published in the January 23, 2003, issue of the journal Nature.
Big galaxies, after only a billion years
By Marit Selvin
חוקרים ישראלים הראו לראשונה שגלקסיות בגודלה של "שביל החלב" נוצרו סביב קוואזרים ביקום המוקדם
אחת השאלות שמטרידות אסטרונומים החוקרים את היקום הצעיר היא כמה זמן עבר מאז המפץ הגדול, שהתרחש על פי הדעה המקובלת לפני כ-14 מיליארד שנים, ועד להיווצרותן של הגלקסיות הראשונות. על פי מאמר של שני חוקרים ישראלים, שפורסם בגיליון האחרון של כתב העת," "Nature התשובה היא – זמן קצר מאוד. רנן ברקנא מבית הספר לפיסיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב ואבי לייב מאוניברסיטת הרווארד בארה"ב מצאו לראשונה עדות ישירה להיווצרות גלקסיות בגודל של גלקסיית שביל החלב, כאשר היקום היה בן מיליארד שנה בלבד.
To learn about the early universe, astronomers study the most distant objects - galaxies and quasars whose light reaches Earth billions of years after being emitted. A quasar, the brightest celestial object, is a body located at the center of a galaxy with a supermassive black hole at its center. Huge amounts of gas are drawn towards the black hole, and under the influence of the enormous gravity the gas is compressed and heated. Before the gas falls in, it emits enormous radiation. Although due to the tremendous light emitted by the quasar, the stars around it are not visible (except in galaxies close to the Earth), the assumption is that there are also galaxies around ancient quasars. However, so far no direct evidence of their existence has been found and their size has not been measured.
מדענים סבורים שגלקסיות קטנות נוצרו בשלב מוקדם בחיי היקום ובמשך הזמן ספחו עוד ועוד חומר ויצרו גלקסיות גדולות יותר. התהליך הזה מצריך זמן, ולפיכך הדעה המקובלת היתה שבתנאים ששררו ביקום המוקדם לא יכול היה להיווצר מספר רב של גלקסיות גדולות. "גלקסיות גדולות כמו גלקסיית שביל החלב שלנו מאוד נדירות ביקום המוקדם", אומר ברקנא. "אלה שישנן נוצרו כנראה מאזור צפוף במיוחד, שבמשך מאות מיליוני שנים ספח אליו חומר רב. בסופו של דבר נוצר אזור צפוף, נדיר בגודלו – כמו הר החרמון במדינת ישראל, שבה יש הרים קטנים בלבד. גם חומר מרוחק יותר, שאינו חלק מהגלקסיה, חש בכוח המשיכה שלה והחל ליפול לעברה. נפילה זו היא חלק חשוב מהמודל המקובל של היווצרות הגלקסיות, אבל עד כה לא הצליחו להוכיח שהיא אכן מתרחשת", אומר ברקנא.
The study by the Israeli researchers was based on data collected in a quasar survey conducted in recent years in which several ancient quasars were discovered. In each of the quasars, the spectrum is measured, that is, the intensity of light in different wavelengths (or colors). The intensity of the light indicates the age of the quasars and the chemical elements found around them. In some quasars the spectrum manifested itself in a certain characteristic that most researchers did not pay special attention to. But it turns out that precisely this characteristic provides an important layer for understanding the organization of galaxies in the early universe, as Barkana and Leib showed.
"מאפיין כזה מתקבל כאשר החומר שמרכיב את הגלקסיה מושך גז לעברה, והגז בולע חלק מהאור שנפלט מהקוואזר המצוי במרכז הגלקסיה. על סמך אותו מאפיין יכולנו לחשב את המהירות שבה נע הגז הנופל לעבר מרכז הגלקסיה, ומצאנו שהגז נע במהירות של כשני מיליון קילומטרים לשעה. המהירות הזאת מצביעה על כך שהגלקסיה המושכת את הגז גדולה בערך כמו גלקסיית שביל החלב".
Once you know the size of the galaxy around the quasar, you can study the relationship between the galaxy and the black hole at its center. Many studies of galaxies close to our own have shown that large galaxies contain large black holes, while small galaxies contain small black holes. Researchers hypothesized that the same relationship would also hold for the most distant black holes in the early universe. Barkana and Leib's research is the first evidence that such a relationship is indeed preserved.
Barkna and Leib applied their model to two distant quasars observed in sufficiently high quality. In both cases, it turned out that large galaxies formed around the ancient quasars when the universe was only a billion years old. Barkana emphasizes that observations of additional quasars are needed to verify the model and continue to develop it.
