גלקסיה פעוטה ביקום המוקדם התגלתה בעזרת ״טלסקופ קוסמי״

קבוצת אסטרונומים בינלאומית גילתה בעזרת טלסקופ הרדיו ALMA במדבר אטאקמה בצ׳ילה, גלקסיה מסתובבת חדשה בגודל מאית משביל החלב בלבד. הגלקסיה הפעוטה נראית כאשר היקום היה רק 7% מגילו כיום. תודות לתופעת העידוש הכבידתי, הצליח הצוות  לראשונה לחקור  את  טבען של  "גלקסיות נורמליות" ביקום המוקדם - גלקסיות קטנות ו״חשוכות״ יחסית, המייצגות את האוכלוסייה העיקרית של הגלקסיות הראשונות. הגילוי מסייע בצורה משמעותית  להבין  את  השלבים הראשונים בהתפתחות גלקסיות. 

"רבות מהגלקסיות ביקום המוקדם הן כה קטנות ורחוקות כך שאינן בהירות מספיק בכדי להתגלות אפילו ע״י הטלסקופים הגדולים ביותר על פני כדור-הארץ או בחלל״, אמר ניקולה לאפורט, עמית בכיר באוניברסיטת קיימברידג', "עם זאת, האור שהגיע מהגלקסיה בשם  RXCJ0600-z6,  הוגבר  מאוד  על ידי עידוש כבידתי, מה שהפך אותו למטרה אידיאלית לחקר המאפיינים והמבנה של גלקסיות פעוטות טיפוסיות".  

עידוש כבידתי היא תופעת טבע שבה אור הנפלט מעצם מרוחק ״מכופף״ על ידי שדה הכבידה של גוף מסיבי כגון גלקסיה או צביר גלקסיות. השם "עדשת כבידה" נגזר מהעובדה ששדה הכבידה של האובייקט המסיבי פועל כמו עדשה. כאשר אנו מביטים דרך עדשת כבידה, האור של עצמים רחוקים מתעצם וצורותיהם נמתחות משל היינו מסתכלים דרך זכוכית מגדלת ענקית. כלומר, למעשה זהו "טלסקופ קוסמי טבעי" בחלל.

שיתוף הפעולה הבינלאומי ALMA Lensing Cluster Survey (ALCS) – נעזר בטלסקופ הרדיו ALMA  בכדי לחפש גלקסיות רבות ביקום המוקדם אשר מוגדלות ע״י עדשות כבידה. בשל ההגברה מתופעת העידוש, הטלסקופ יכול למעשה לראות גלקסיות חיוורות יותר.

ד״ר עדי ציטרין, חבר סגל במחלקה לפיסיקה באוניברסיטת בן גוריון בנגב, הינו חבר בשיתוף-הפעולה הבינלאומי ALCS ובין הכותבים המובילים של אחד ממאמרי הגילוי. ״תרומתנו העיקרית לגילוי הייתה בשני מישורים: ראשית, בנינו מודל ממוחשב עבור עדשת הכבידה בעזרתו ניתן היה לנתח את עידוש הגלקסיה וללמוד על מאפייניה הפנימיים. שנית, תצפיות ספקטרוסקופיות של הגלקסיה מטלסקופ ג׳מיני  (Gemini)על הר מאונה קיאה בהוואי, עזרו לנו לקבוע את המרחק אליה וכך לאשש את קווי הפליטה שנראו בטלסקופ ALMA״.

מדוע חיוני לחקור את הגלקסיות הקלושות ביותר ביקום המוקדם? חישובים תיאורטיים וסימולציות נומריות מנבאים כי רוב הגלקסיות הראשונות, אשר נוצרו כמה מאות מיליוני שנים לאחר המפץ הגדול, הן קטנות, ולכן חיוורות. למרות שנצפו בעבר מספר גלקסיות ביקום המוקדם, בשל יכולות הטלסקופים  אלו שנחקרו היו מוגבלות לאובייקטים המסיביים ביותר, ולכן הגלקסיות הפחות מייצגות ביקום המוקדם. הדרך היחידה להבין את היווצרותן הסטנדרטית של הגלקסיות הראשונות ולקבל תמונה מלאה של היווצרות הגלקסיה, היא להתמקד בגלקסיות החיוורות והנפוצות יותר.

צוות ALCS ביצע תוכנית תצפית בקנה מידה גדול של 95 שעות, זמן ארוך מאוד על טלסקופ ALMA, בכדי לצפות באזורים המרכזיים של 33 צבירי גלקסיות המהווים עדשות כבידה. אחד מהצבירים, RXC0600-2007, ממוקם בכיוון קבוצת הכוכבים ״ארנבת״,  ולו מסה פי מיליון מיליארדים  (10^15)ממסת השמש שלנו. הצוות גילה עם ALMA גלקסיה רחוקה אחת המושפעת על ידי ה״טלסקופ  הטבעי״ הזה. זיהוי האור מיוני פחמן ואבק כוכבים בגלקסיה, בשילוב  נתונים שנלקחו מטלסקופ 'ג'מיני' (Gemini),  קבעו  כי הגלקסיה נראית כ-900 מיליון שנה לאחר המפץ הגדול (לפני 12.9 מיליארד שנים). ניתוח בעזרת מודל עדשת הכבידה הציע  כי חלק ממקור זה נראה בהיר פי 160 מכפי שהיה נראה ללא עדשת הכבידה.

על ידי מיפוי מדויק של התפלגות המסה בצביר הגלקסיות, ניתן "לבטל" את אפקט העידוש הכבידתי ולשחזר את המראה המקורי של האובייקט המוגדל. בעזרת שילוב נתונים מטלסקופ  החלל האבל (Hubble Space Telescope) והטלסקופ  הגדול מאוד של המצפה הדרומי האירופי (Very Large Telescope) יחדיו עם  המודל התיאורטי, הצוות הצליח לשחזר את הצורה בפועל של הגלקסיה הרחוקה RXCJ0600-z6. המסה הכוללת של הגלקסיה הזו גדולה בערך פי 2 עד 3 מיליארד ממסת השמש שלנו, כ- 1/100 לערך מגלקסיית שביל החלב שלנו.

מה שהדהים את הצוות הוא ש- RXCJ0600-z6 מסתובבת. באופן מסורתי, גז  בגלקסיות הצעירות  נחשב  כבעל תנועה  אקראית וכאוטית.  רק לאחרונה  גילו החוקרים מספר גלקסיות צעירות המסתובבות באופן סדיר יותר ושאתגרו את המסגרת התיאורטית המסורתית, אך אלו היו בהירות יותר (וגדולות יותר) מ- RXCJ0600-z6.

"המחקר שלנו מדגים, בפעם הראשונה, שאנחנו יכולים למדוד ישירות את התנועה הפנימית של  גלקסיות חיוורות (פחות מסיביות) כאלה ביקום המוקדם,  ולהשוות  אותן  עם התחזיות התיאורטיות", אומר קוטארו קוהנו, פרופסור באוניברסיטת טוקיו והמוביל של  צוות ALCS.

העובדה ש- RXCJ0600-z6  מוגברת מאוד גורם לנו לפתח ציפיות למחקר עתידי״, מסביר סייג׳י פוג׳ימוטו ממכון נילס בוהר. ״גלקסיה זו נבחרה, יחדיו עם כמה מאות גלקסיות אחרות, לתצפית  על ידי טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST), טלסקופ החלל מהדור הבא שישוגר בסתיו הקרוב. באמצעות  תצפיות משותפות עם ALMA ו- JWST, נחשוף את תכונות הגז והכוכבים בגלקסיה הצעירה ואת  תנועותיה  הפנימיות. כאשר בנייתם של טלסקופי ענק כגון ה- Thirty Meter Telescope וה-Extremely Large Telscope תסתיים, הם יהיו עשויים לזהות צבירי כוכבים בגלקסיה הזו ואולי אף למצוא כוכבים בודדים. ישנה כיום דוגמה לעידוש כבידתי שעזר לראות כוכב יחיד במרחק של 9.5 מיליארד שנות אור, ולמחקר זה פוטנציאל אף להגדיל טווח זה לפחות ממיליארד השנה הראשונים של היקום״.

"נהדר לראות את המדע המתאפשר בעזרת תופעת העידוש הכבידתי בשנים האחרונות״, מסכם ד״ר ציטרין, ״שימוש בתופעת העידוש, בפרט עם טלסקופים חדשים הנבנים כעת כגון טלסקופ החלל ג׳יימס ווב (JWST), ודאי יובילו לעוד תגליות חדשות ומרגשות בשנים הקרובות.״

הנתונים מטלסקופ 'ג'מיני' (Gemini) בהם נעשה שימוש במחקר, התקבלו באמצעות הסכם בין איגוד האוניברסיטאות למחקר באסטרונומיה בע"מ (AURA- the Association of Universities for Research in Astronomy, Inc. ) לבין אוניברסיטת בן-גוריון בנגב.