חפירת חורבותיה של ארידו: מסע ארכיאולוגי לשחר היקום

באמצעות טלסקופ החלל ג'יימס ווב, ארכיאולוגים של היקום חשפו "תל חורבות" קוסמי - גלקסיה מסיבית ועתיקה בשם "ארידו" שכבר הייתה "מתה" כשהיקום היה צעיר ושוקק חיים. איך היא גדלה כל כך מהר ומה גרם למותה בטרם עת? התשובות מאתגרות את כל מה שחשבנו שידענו על שחר היקום. הצטרפו למסע ארכיאולוגי בזמן, לחשיפת סודותיה של הגלקסיה שחיה מהר ומתה צעירה.

דמיינו ארכיאולוג, כורע בלב מדבר צחיח, מבריש בעדינות שכבות של אבק וחול מעל שרידיה של עיר עתיקה. כל גרגר חול שהוא מסיר חושף עוד פיסה בחידה של תרבות שנכחדה, סיפור על עלייתה ונפילתה של ציוויליזציה. במשך דורות, כך חקרנו את עברנו. אך מה אם היינו יכולים להשתמש בכלים דומים לא כדי לחפור באדמה, אלא כדי לחפור בזמן עצמו? מה אם היינו יכולים להביט אחורה, אל שחר היקום, ולחשוף את חורבותיהן של הגלקסיות הראשונות שנולדו? זו בדיוק היכולת המופלאה שהעניק לנו טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST), מכונת הזמן המשוכללת ביותר שבנתה האנושות. וכעת, בחפירה ארכיאולוגית קוסמית חסרת תקדים, הוא חשף ממצא שמאלץ אותנו לכתוב מחדש את הפרקים הראשונים של ההיסטוריה של היקום: גלקסיה עתיקה, מסיבית ו"מתה", ששמה הולם את סיפורה - "ארידו".

כדי להבין את גודל התגלית, עלינו לצאת למסע בזמן. האור, כידוע, נע במהירות סופית. כשאנו מביטים בכוכבים, אנו לא רואים אותם כפי שהם עכשיו, אלא כפי שהיו כשהאור יצא מהם, לעיתים לפני אלפי או מיליוני שנים. טלסקופ ג'יימס ווב תוכנן במיוחד כדי לקלוט את אור האינפרא-אדום החלש והעתיק ביותר, אור שיצא ממקורו לפני מיליארדי שנים ו"נמתח" על ידי התפשטות היקום. ככל שהאור עתיק יותר, כך ההסחה שלו לאדום גדולה יותר. האסטרונומים שצפו ב"ארידו" מדדו לה הסחה לאדום של z=2.675, מה שאומר שהם ראו אותה כפי שהייתה כשהיקום היה בן כ-2.7 מיליארד שנים בלבד - פחות מרבע מגילו הנוכחי. בתקופה זו, המכונה "הצהריים הקוסמיים" (Cosmic Noon), היקום היה בשיא פעילותו, מעין גן עדן לגלקסיות צעירות, שופע גז קריר וזמין ליצירת כוכבים חדשים. רוב הגלקסיות באותה תקופה היו אמורות להיות כחולות, בוהקות ושוצפות חיים, מעין "משתלות כוכבים" קוסמיות.

אך "ארידו", שנקראה על שם אחת הערים העתיקות ביותר במסופוטמיה, לא התנהגה כמצופה. כשהאסטרונומים ניתחו את אורה, הם גילו תמונה שונה לחלוטין. היא הייתה אדומה, לא כחולה. היא הייתה שקטה, לא רועשת. היא הייתה "רדומה" (Quiescent). במילים אחרות, היא הייתה גלקסיה מתה. תהליך יצירת הכוכבים בתוכה פסק כמעט לחלוטין. למצוא גלקסיה מסיבית ורדומה בתקופה זו זה כמו למצוא שלד של דינוזאור בתוך שכבה גיאולוגית של יונקים קדומים - זה פשוט לא מסתדר עם ציר הזמן המוכר. על פי המודלים המקובלים, תהליך "הכיבוי" (Quenching) של גלקסיה, שבו היא מאבדת את מאגרי הגז שלה ומפסיקה לייצר כוכבים, הוא תהליך ארוך שאמור להתרחש בשלבים מאוחרים יותר בהיסטוריה הקוסמית. "ארידו", אם כן, הייתה תעלומה. כיצד גלקסיה כה מפותחת הספיקה לא רק להיוולד ולגדול לממדי ענק, אלא גם להזדקן ולמות, כל זאת בפרק זמן כה קצר?

כדי לפענח את התעלומה, החוקרים הפעילו את כל יכולותיו של ג'יימס ווב, שהפך למעבדה פורנזית משוכללת. באמצעות ספקטרוגרף ה-NIRSpec, הם פרסו את אורה של הגלקסיה לקשת צבעים מדויקת, וחיפשו אחר "טביעות האצבע" הכימיות שהותירו הכוכבים שבה. היעדרם של קווי פליטה המעידים על גז מימן מיונן ולוהט אישר את החשד הראשוני: לא היו שם כוכבים צעירים, חמים וכחולים. כל הכוכבים ב"ארידו" היו זקנים ואדומים. אך הניתוח הספקטרלי חשף רמז עבה עוד יותר. החוקרים מדדו את היחס בין יסודות כימיים שונים, ובמיוחד את היחס בין מגנזיום (Mg) לברזל (Fe). היחס הזה, המכונה "שפע יסודות אלפא" (Alpha Enhancement), הוא שעון עצר קוסמי רב עוצמה. מגנזיום, כמו חמצן וסיליקון, נוצר בעיקר בסופרנובות של כוכבים מסיביים מאד, שחיים חיים קצרים ומתפוצצים בעוצמה תוך מיליוני שנים ספורות. ברזל, לעומת זאת, נוצר בעיקר בסופרנובות מסוג אחר (Type Ia), שמקורן בכוכבים קטנים יותר שמתפוצצים לאחר תהליך ארוך של מיליארד שנה ויותר.

ב"ארידו", היחס בין המגנזיום לברזל היה גבוה באופן קיצוני. זו הייתה הוכחה חותכת, "אקדח מעשן" קוסמי. המשמעות היא שרוב מוחלט של כוכבי הגלקסיה נוצרו בפרץ יצירה אדיר, מהיר ואלים, שנמשך פרק זמן קצר מאד. כל כך קצר, שהכוכבים המסיביים הספיקו להיווצר, לחיות, להתפוצץ ולהעשיר את הגלקסיה במגנזיום, אך התהליך כולו הסתיים לפני שהכוכבים האיטיים יותר הספיקו להתחיל לייצר ברזל. באמצעות מודלים ממוחשבים, הצליחו החוקרים לשחזר את סיפור חייה של הגלקסיה. הם הגיעו למסקנה מדהימה: "ארידו" בנתה את כל המסה הכוכבית העצומה שלה, כמעט טריליון שמשות, ב-500 מיליון השנים הראשונות של היקום בלבד, ומאז, במשך יותר משני מיליארד שנים, היא שקטה ורדומה. היא חיה חיים מהירים ומתה מוות צעיר.

הספקטרום המשולב הנצפה (שחור), אי-הוודאות המשויכת (אפור, לאורך החלק התחתון), וספקטרום מודל ה-Prospector בהתאמה הטובה ביותר (אדום).

אבל מדוע? מה יכול לגרום לגלקסיה לגדול כל כך מהר, ואז להכבות בפתאומיות? גם כאן, התצפיות סיפקו רמז. "ארידו" לא נמצאת לבדה במרחבי החלל. היא חלק מ"צביר-על קדום" (Massive Protostructure), אזור ביקום המוקדם שהיה צפוף במיוחד בגלקסיות. סביבה כזו היא כמו כרך סואן ותחרותי. הגלקסיות נמצאות קרוב זו לזו, מתנגשות ומתמזגות לעיתים קרובות. תהליכי מיזוג אלימים כאלה יכולים לדחוס כמויות אדירות של גז למרכז הגלקסיה המאוחדת, ולגרום לפרץ יצירת כוכבים (Starburst) בקצב מסחרר. אך לאותו תהליך יש גם צד אפל. אותה התפרצות אנרגטית, יחד עם קרינה מחור שחור על-מסיבי שגדל במרכז, יכולה "לפוצץ" ולסלק את כל שאריות הגז הקר מהגלקסיה. ללא חומר גלם ליצירת כוכבים חדשים, הגלקסיה נידונה למוות איטי ושקט. סביבתה הצפופה של "ארידו" סיפקה לה גם את ההזדמנות לגדול במהירות וגם את הסיבה לדעוך בטרם עת.

גילויה של "ארידו" הוא יותר מסתם מציאת גלקסיה חריגה. זוהי ראיה המאתגרת את התיאוריות המקובלות על התפתחות היקום. היא מראה שתהליכי בנייה וכיבוי של גלקסיות מסיביות יכולים להתרחש הרבה יותר מהר ובשלבים הרבה יותר מוקדמים ממה ששיערנו. ייתכן ששחר היקום לא היה עידן של גדילה איטית והדרגתית, אלא תקופה סוערת ואלימה של "בליץ" קוסמי. "ארידו" היא אולי רק החורבה הראשונה שהצלחנו לחפור ולחקור לעומק, אך קיומה מרמז שביקום הקדום מסתתרות עוד ערים עתיקות ורדומות רבות, מחכות שטלסקופ הזמן שלנו יחשוף את סיפורן. כל תצפית כזו היא עוד פיסת פאזל, המקרבת אותנו להבנת סיפור המקורות שלנו - הסיפור של היקום כולו.

המחקר:

Excavating The Ruins: an Ancient Galaxy Which Formed in the First 500 Myr