ב-22 בינואר, 2009, פורסם בכתב העת היוקרתי Nature מאמרם של דקל ועמיתיו על
היווצרות גלקסיות ביקום המוקדם באמצעות סילונים קרים. בהודעה לעיתונות מטעם האוניברסיטה העברית נאמר: "...הבנה חדשה של אופן היווצרות הגלקסיות ביקום לפני כעשרה מיליארד שנים הוצעה על ידי קוסמולוגים באוניברסיטה העברית בירושלים ובפריס. התיאוריה החדשה קוראת תיגר על התרחיש של התהוות הגלקסיות כפי שהיה מקובל עד עתה."
התיאוריה החדשה נתמכת על ידי תצפיות אסטרונומיות חדשניות של הגלקסיות ביקום הקדום, ומבוססת על המילה האחרונה של הדמיה במחשבי-על. על פי המודל החדש, הגלקסיות נוצרו כתוצאה של זרימת חומר אפל וגז קר (שהוא ברובו מימן) לאורך המארג הקוסמי דמוי קורי עכביש. החוקרים מראים כי להתנגשויות בין גלקסיות הייתה השפעה חלקית בלבד על היווצרות הגלקסיות, בניגוד לדעה שרווחה עד לאחרונה.
הגלקסיות הן אבני הבניין היסודיות של היקום. הן מופיעות בשני סוגים עיקריים: מצד אחד גלקסיות ספיראליות שהן דיסקות של גז וכוכבים צעירים וכחולים (כמו גלקסיית שביל החלב שלנו), ומצד שני גלקסיות אליפטיות שהן כדורים של כוכבים זקנים ואדומים. כל גלקסיה שוכנת במרכזו של כדור מסיבי פי עשרה העשוי מחומר אפל, אשר אינו פולט כל קרינה וניתן לזהותו באמצעות המשיכה הגרוויטציונית בלבד. טבעו המדויק של החומר האפל אינו ידוע עדיין, והמנגנונים שגורמים להיווצרות הגלקסיות מהסוגים השונים אינם ברורים.
התיאוריה החדשה של דקל ועמיתיו זכתה להד רב באמצעי התקשורת הבינלאומיים. החשיבות של התגלית וההתרגשות הכללית שהיא עוררה נובעים מן העובדה שהיא מסבירה באופן פיזיקאלי איכותי וכמותי את התצפיות המהפכניות החדשות, שגילו שהגלקסיות נוצרו ויצרו כוכבים בתוכן בקצב מהיר בשלב המוקדם של התפתחות היקום, לפני יותר מ-10 מיליארד שנים.
העיתוי של פרסום המחקר של דקל ועמיתיו התלכד עם מועד ההכרזה על ש
נת האסטרונומיה הבינלאומית 2009 IYA. ביקשנו אם כן את פרופסור דקל, המכהן גם כנשיא האגודה הישראלית לפיזיקה, להפנות מילים לקוראי פיזיקה פלוס מקוון, ולענות על מספר שאלות הנוגעות לעבודתו.
ש. כיצד אתה מעריך את חשיבותה של 2009 IYA להפצת התגליות האחרונות בקוסמולוגיה, אסטרופיזיקה ופיזיקה בכלל בקרב הציבור הרחב?ת. שנת האסטרונומיה הבינלאומית אכן מעניקה לנו, המדענים, הזדמנות להביא לציבור הרחב את התובנות על ההתקדמות האחרונה בהבנתנו את הפיזיקה של היקום. טלסקופים חדשניים, המוצבים על הקרקע או משייטים בחלל, שפועלים באורכי גל שונים של הספקטרום האלקטרומגנטי, מספקים לנו נתונים בעלי עושר חסר תקדים. ההתקדמות הגדולה בקוסמולוגיה בעשור האחרון נבעה מהגילוי שהיקום מתפשט בקצב שמואץ עם הזמן. הגילוי התאפשר באמצעות מדידת סופרנובות רחוקות, ואושש על ידי ניתוח קרינת הרקע הקוסמית בתחום המיקרוגל מטלסקופ החלל WMAP . מדידות אלה אפשרו לקבוע את התכונות הבסיסיות של היקום הפיזי עד לדיוק של כ- 1%, ובמיוחד לקבוע כי הוא ימשיך להתפשט לנצח באופן מואץ, וכי המרחב משתרע הרבה מעבר לכדור הנצפה כיום שרדיוסו כ-14 מיליארד שנות אור. חקר המבנים ביקום, וכיצד הם נוצרו, יכול כעת להתקדם בהתבסס על הבנה מוצקה של התכונות היסודיות של היקום בממדים הגדולים. הטלסקופים החדשים מאפשרים לנו מצד אחד לגלות כוכבי לכת קטנים יחסית הסובבים כוכבים בגלקסיה שלנו, ומצד שני לחקור גלקסיות המרוחקות 12-13 מיליארד שנות אור מאתנו, ולראות אותן כפי שהן היו רק כמיליארד שנים אחרי המפץ הגדול. עם ההתקדמות הגדולה בהבנתנו את הפיזיקה של היקום, במקביל עם יכולתנו לבצע סימולציה של תהליכים אסטרופיזיקליים במחשבי-על, אנחנו מסוגלים להשוות את התצפיות החדשות עם הניבויים של מודלים תיאורטיים מבוססים. ההתקדמות התיאורטית נוגעת כמעט לכל ענף בפיזיקה המודרנית, החל מתורת המיתרים המיקרוסקופית עד לתיאוריה המאקרוסקופית של כבידה. ההתקדמות המקבילה של התצפית והתיאוריה היא המקור להתקדמות המהירה בהבנתנו את היקום.
ש. האם התגלית שלכם מאתגרת את הפרדיגמה המקובלת של התהוות היררכית של גלקסיות, הטוענת שתחילה נוצרו גלקסיות קטנות והגלקסיות הגדולות נוצרו בתהליך המיזוג של הגלקסיות הקטנות?ת. כלל לא. להפך, עבודתנו היא הצעד הטבעי הבא בדרך להבנה של היווצרות הגלקסיות במסגרת התרחיש ההיררכי המקובל, שמבוסס על המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי בו צפיפות האנרגיה נשלטת ע"י חומר אפל קר ואנרגיה אפלה. הכדורים הגלקטיים של חומר אפל נוצרים בנקודות המפגש של סילונים, שהם חלק מהמארג הקוסמי דמוי קורי עכביש בקנה מידה גדול. הגז הקר, שמורכב מחומר "רגיל" של פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים, זורם לאורך סילוני החומר האפל וחודר אל תוך מרכזי ההילות, שם הוא יוצר דיסקה מסתובבת. השטף האינטנסיבי המתמשך של הגז גורם לכך שהדיסק מתפצל לגושים מסיביים שבתוכם נוצרים כוכבים ביעילות רבה. זרמי הגז שחודרים אל הגלקסיה מבחוץ הם בחלקם חלקים ובחלקם עשויים גושים (ראה איור 1). כאשר הגושים הנכנסים פוגשים את הגלקסיה שבמרכז נוצר מיזוג. לכן התרחיש החדש הוא הכללה של התרחיש הישן, שעל פיו למיזוגים היה תפקיד מרכזי בבניית הגלקסיות ובהיווצרות הכוכבים בתוכם.
ש. התגלית שלכם מבוססת על תצפיות ועל הדמיות מחשב. מהם הניבויים החשובים ביותר מהמודל שלכם שניתן יהיה לדעתך לאמת באמצעות תצפיות?ת. התחזית שלנו היא שניתן יהיה לזהות בטלסקופים את הזרמים הקרים של גז שהזינו את הגלקסיות ביקום הקדום. זה יתאפשר ע"י פענוח הקרינה הייחודית שנפלטת מגז מימן קר, הידועה כקרינת לימן-אלפא. אנו חוזים את התכונות של מקורות הפליטה של קרינת לימן-אלפא: את הספק האנרגיה הכולל שלהם ואת צורתם האופיינית הלא סדירה דמויות אצבעות החורגות למרחקים מעל ל-100,000 שנות אור ממרכז הגלקסיה. התיאוריה שלנו מנבאת גם את הופעתם של הדיסקים הגלקטיים הגזיים הקדומים. המורפולוגיה שלהם אמורה להיות מאוד לא רגולרית, עם גושים גדולים בתוכם (ראה איורים 3 ו-3). ההתפלגות החזויה של כוכבים בגלקסיות אלה מראה על כדור מרכזי בעל מסה דומה לזו של הדיסקה שמסביבו. הכדור המרכזי נוצר עקב נדידת הגושים מהדיסק החיצוני אל המרכז – תופעה שאנו מבינים באופן תיאורטי ורואים בסימולציות מחשב. התרחיש הזה מסייע לנו גם להסביר את קיומן של גלקסיות אליפטיות אדומות כבר ביקום הקדום.
ש. בהתאם לתיאוריה שלכם על התהוות גלקסיות והדמיית מחשב נראה חומר הזורם אל מרכז הגלקסיה באמצעות שלושה זרמי גז קר. מה מקור הגז ה"קר" הזה ומה הטמפרטורה שלו? ת. הצפיפות הממוצעת של מסת הגז היא כ-16% מכלל צפיפות המסה ביקום. בתחילה הגז היה מפוזר ביקום בהתאם להתפלגות של החומר האפל, ביוצרם ביחד את המארג הקוסמי. לפני הכניסה להילות הגלקטיות הגז הוא "קר", בטמפרטורה של כ-10,000 מעלות. עם כניסתו לתוך ההילות הגלקטיות הגז אמור היה להתחמם עד כמיליון מעלות, דבר שעלול היה להקטין את יעילות נפילתו אל הגלקסיות המרכזיות. במחקרנו מצאנו שהגז נשאר קר בשל זרימתו לאורך הסילונים הצרים והצפופים של חומר אפל, והוא חודר לכן ביעילות לתוך מרכזי ההילות. הדרך השונה הזאת של הזנת הגלקסיות עם חומר חדש משנה את כל התמונה כיצד הגלקסיות צמחו וכיצד נוצרו הכוכבים ביקום המוקדם.
ש. כיצד אתה מעריך את ההשלכות האפשריות של התיאוריה שלכם על היווצרות של גלקסיות על האסטרוביולוגיה, המתפתחת במהירות עם הגילוי של כוכבי לכת אקסטרה-סולריים מרובים? ת. ההיווצרות של גלקסיות הוא מרכיב מפתח בשרשרת האירועים המובילים להופעת חיים ביקום. ההצטברות של גז בגלקסיות מביאה אותו לצפיפות גדולה בטמפרטורה נמוכה יחסית - התנאים הדרושים להיווצרות כוכבים. הכוכבים פועלים ככורים גרעיניים ענקיים שבהם גרעיני המימן הפרימיטיבי הראשוני מתמזגים לגרעיני הליום, ובעקבות זאת ליסודות כבדים יותר כגון פחמן וחמצן, שהם אבני הבניין של החיים. היסודות הכבדים נפלטים מהכוכבים הראשונים אל התווך הבין-כוכבי באמצעות התפוצצויות סופרנובה. החומר המעובד משמש להיווצרות כוכבים חדשים וכוכבי לכת הסובבים אותם, שם יכולים להופיע חיים. הבנת התהליך של היווצרות הגלקסיות קשור אם כן ישירות לאסטרוביולוגיה.
האיורים: תודות לד"ר דניאל סברינו וד"ר טוביאס גורדט מהאוניברסיטה העברית
המראיין: ד"ר אלכס מנס, עורך מדעי, פיזיקה פלוס מקוון
