תצפיות באמצעות טלסקופ החלל ג׳יימס ווב מגלות כמות כוכבים גדולה בגלקסיות כבר בתקופות המוקדמות של היקום בניגוד לתיאוריה המקובלת. כעת, צוות אסטרופיזיקאים מהאוניברסיטה העברית מציע פתרון פשוט לתעלומה

התצפיות הראשונות שנערכו לאחרונה באמצעות טלסקופ החלל ג'יימס ווב מגלות באופן מפתיע עודף של גלקסיות מסיביות ביקום – כבר בחצי מיליארד השנים הראשונות שאחרי המפץ הגדול. בעוד שהממצאים העמידו בספק את ההבנות הקיימות בדבר היווצרות הגלקסיות הראשונות, חוקרים מהאוניברסיטה העברית מציעים כעת פתרון פשוט לתעלומה. על פי המודל המוצע, התנאים המיוחדים ששררו בגלקסיות הראשוניות, של צפיפות גבוהה וריכוז נמוך של יסודות כבדים, אפשרו היווצרות כוכבים ביעילות גבוהה וללא הפרעה מכוכבים אחרים. המודל התיאורטי החדש, שפורסם על ידי פרופ' אבישי דקל יחד עם עמיתיו פרופ' יובל בירנבוים, ד"ר ניר מנדלקר, ד"ר קרטיק סרקר וד"ר ג׳וג׳ו לי, כולם ממכון רקח לפיזיקה באוניברסיטה העברית, התקבל לאחרונה לפרסום בכתב העת של האגודה המלכותית לאסטרונומיה.

טלסקופ ג'יימס ווב שוגר לחלל בסוף 2021, וכבר ביולי 2022 הדהים את העולם בתמונות מפורטות של גלקסיות רחוקות. במונחים של חקר החלל, להביט רחוק זה להביט אחורה בזמן, מפני שהאור שאנחנו רואים הוא למעשה מאירועים שהתרחשו לפני הרבה מאוד שנים. כאשר החוקרים החלו  לבחון את הנתונים מהטלסקופ החדשני, הם הופתעו מאוד לגלות עודף של גלקסיות מסיביות ביקום המוקדם בהשוואה למספר הגלקסיות הצפוי לפי התאוריה המקובלת. "כבר בחצי מיליארד השנים הראשונות, זיהינו גלקסיות שכל אחת מהן מכילה כעשרה מיליארד כוכבים, כמו השמש שלנו", משתף פרופ' דקל, "התגלית הזו הפתיעה את החוקרים, שהתחילו לשקול הסברים שונים לתופעה – החל מהאפשרות שהערכת כמות הכוכבים בגלקסיות היא מוגזמת, וכלה בצורך בשינויים קריטיים במודל הקוסמולוגי הסטנדרטי של המפץ הגדול".

לפי התאוריה המקובלת להיווצרות גלקסיות, אשר מגובה על ידי תצפיות ביקום המאוחר והדמיות מחשב, כוח הכבידה גורם לקריסה של הגז המפוזר ביקום אל מרכזיהם של עננים כדוריים ענקיים של חומר אפל, שם הוא הופך לכוכבים מאירים, כמו השמש שלנו. כך נוצרו הגלקסיות ביקום כולו וכך נוצרה גם גלקסיית שביל החלב שבה שוכנת מערכת השמש שלנו. עם זאת, התיאוריה והתצפיות עד היום הראו כי יעילות היווצרות הכוכבים בגלקסיות היא נמוכה, כאשר רק כ-10% מהגז שקורס לעננים אכן הופך לכוכבים. פרופ' דקל מסביר: "רוב הגז לא יוצר כוכבים משום שהוא מתחמם ואפילו נזרק אל מחוץ לגלקסיות בהשפעת רוחות ופיצוצי סופרנובה מהכוכבים שמצליחים להיווצר ראשונים".

אם כך, איך ייתכן שבגלקסיות היו כל כך הרבה כוכבים ביקום המוקדם? לפי חוקרי האוניברסיטה העברית, התנאים המיוחדים ששררו בגלקסיות הראשוניות אפשרו לכל הגז להפוך ביעילות לכוכבים ללא הפרעה מרוחות כוכבים אחרים ומפיצוצי הסופרנובה. זאת מפני שהתפוצצויות  מתרחשות רק כשני מיליוני שנה אחרי פרץ ההיווצרות של הכוכבים, אחרי שהכוכבים המסיביים מכלים את הדלק הגרעיני שבהם (בעיקר מימן) ומסיימים את חייהם בפיצוצים. כאשר שכיחות היסודות הכבדים נמוכה, גם הרוחות שלפני הפיצוצים מאפשרות ׳חלון הזדמנויות׳ דומה של כשני מיליון שנה לפני שהן נהיות אפקטיביות.  "בשלבים המוקדמים של היקום, העננים יוצרי הכוכבים היו בעלי צפיפות חומר גבוהה שאפשרה קריסה מהירה של הגז לתוכם והפיכתו לכוכבים בתוך פחות ממיליון שנה, כלומר בתוך חלון ההזדמנויות. כך התקבלה באופן טבעי היעילות הגבוהה של היווצרות כוכבים חדשים מהגז ללא הפרעה מפיצוצים או רוחות מהכוכבים הוותיקים יותר", מפרט פרופ׳ דקל. החוקרים מראים שתופעה זו התרחשה באופן טבעי אך ורק בתקופה המוקדמת של פחות מ-600 מיליון שנה אחרי המפץ הגדול והיא הוגבלה לגלקסיות מסיביות יותר מעשרה מיליארד מסות שמש. לדברי פרופ' דקל, כל גלקסיה כזו אמורה להכיל כעשרת אלפים צבירי כוכבים של כמיליון מסות שמש כל אחד.  את התהליך המוצע מכנים החוקרים ״פרץ כוכבים חופשי״ (Feedback-Free Starburst - FFB). המודל החדש מציע ניבויים תצפיתיים ברורים, שכבר מתחילים להיות מאוששים על ידי תצפיות חדשות מטלסקופ החלל.

בנוסף לכך, ממצאי המחקר הם בעלי השלכות מהותיות על אופן התפתחות הגלקסיות בכל התקופות. למשל, התרחיש המוצע מסביר היווצרות יעילה של חורים שחורים בעלי גודל בינוני (כאלף מסות שמש) במרכזי הצבירים הקדומים. חורים שחורים אלה יתלכדו בהמשך לחורים שחורים ענקיים (עד כמיליארד מסות שמש), כפי שמתגלים בתצפיות במרכזי הגלקסיות הגדולות כחצי מיליארד שנה מאוחר יותר. בכך יוכל התרחיש של פרצי כוכבים חופשיים להסביר גם את תעלומת החורים השחורים הענקיים, אשר מהווה גם היא נושא מרתק הממתין לפתרונו במחקר הקוסמולוגי. "הכוונה שלנו היא לבחון את ההשלכות הללו והשלכות חשובות אחרות במחקרים עתידיים״  מסכם פרופ׳ דקל.