JWST פותר במלואו את התעלומה של "נקודות אדומות קטנות"

הירשם לניוזלטר Starts With a Bang

טייל ביקום עם ד"ר איתן סיגל כשהוא עונה על השאלות הגדולות מכולם

בקיץ 2022, השקפותינו על היקום הרחוק - והסיפור שלנו על האופן שבו גלקסיות נוצרו וגדלו - השתנו לנצח כאשר טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST) החל בפעילות מדעית. עם כוח איסוף אור מעולה, הוא יכול לזהות עצמים חלשים יותר מאי פעם. עם רזולוציה מעולה, זה יכול להבדיל בין אובייקטים של מקור יחיד לבין אובייקטים מורחבים או מרובי מקורות טוב יותר מאי פעם. ועם היכולות המתמחות באינפרא אדום, הוא יכול לזהות אובייקטים מרוחקים יותר, בהסטה לאדום גבוהה מאי פעם. עם הטכנולוגיה המדהימה על סיפון JWST, היינו מוכנים ללמוד על השלבים המוקדמים ביותר של ההיסטוריה הקוסמית בכל הנוגע לכוכבים, גלקסיות וחורים שחורים סופר-מאסיביים.

בהתבסס על כל מה שלמדנו קודם לכן, היו לנו ציפיות לגבי:

  • כמה גלקסיות היינו רואים בתחילת ההיסטוריה הקוסמית,
  • מה יהיו המסות והבהירות של הגלקסיות האלה,
  • וכמה מהאור הנוצר הזה יגיע מכוכבים, לעומת כמה הגיע מחורים שחורים סופר-מסיביים פעילים בתוכם.

באופן בלתי צפוי, סוג חדש של אובייקטים - Little Red Dots (LRDs) - הופיע בשפע רב בנתונים. ה-LRDs הללו כלל לא תאמו את הציפיות שלנו: הם היו בהירים מאוד, מה שהצביע על מסות כוכבים אדירות, אך היו כה גדולים במספרם, בזמנים כה מוקדמים, שהתמונה השלמה לא הצטברה. כעת, בתחילת 2025,סוף סוף פתרנו את החידה, עם חורים שחורים סופר מסיביים פעיליםמשחק תפקיד חשוב בהסבר היקום.

אינפוגרפיקה זו מציגה את האנטומיה ומחזור החיים של גלקסיה פעילה, שבה שני סילונים דו-קוטביים נפלטים מחומר מואץ המתפתח בתוך דיסקית הצטברות המקיפה חור שחור סופר-מאסיבי.

אַשׁרַאי: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

ברוב הגלקסיות שאנו רואים ומודדים, הן רק שתי סיבות עיקריות שמאחוריהן מדוע צבעה של גלקסיה תהיה אדומה באופן מהותי כאשר אנו צופים בה.

  1. הגלקסיה יכולה להיות אדומה מכיוון שהכוכבים בתוכה הם בעיקר ישנים, מכיוון שהכוכבים הבהירים, החמים והכחולים ביותר הם גם הכוכבים הקצרים ביותר. הגלקסיות ה"אדומות והמתות" הללו הן לרוב ללא גז, ולא יצרו כוכבים חדשים מזה מיליארדי שנים.
  2. הגלקסיה יכולה להיות אדומה כי היא מאובקת מאוד, שכן אבק קוסמי חוסם את האור שמגיע מעצמים (כמו כוכבים) שנמצאים מאחורי האבק. אבק חוסם אור זה, מכיוון שהוא עשוי מגרגרי אבק בגודל סופי ספציפי, יעיל הרבה יותר בחסימת אור כחול מאשר אור אדום, כך שהאפקט ה"אדום" הזה יחול על כל האור שמייצרת הגלקסיה לפני שהוא נוסע לאורכה היקום.

עבור גלקסיות סמוכות, אנו מוצאים באופן קבוע גלקסיות הנכללות בשתי הקטגוריות: גלקסיות שהן אדומות מטבען בגלל שהן ישנות, וגלקסיות שהן אדומות מטבען בגלל שהן מאובקות. אבל בתחילת ההיסטוריה הקוסמית - רק כמה מאות מיליוני שנים או אולי מיליארד שנים לאחר המפץ הגדול - אין שום סיכוי שיהיו "גלקסיות אדומות" מהסוג הראשון הזה. היקום היה פשוט צעיר מדי מכדי שהכוכבים החמים, הכחולים והזוהרים בתוכם, כולם מתו.

אנימציה זו מציגה את כדורית Bok Barnard 68 במגוון אורכי גל גלויים ואינפרא אדום. כפי שחושפים אורכי הגל הארוכים יותר, זה לא חור ביקום אלא פשוט ענן מאובק של גז, שבו אורכי הגל הארוכים יותר (האדומים יותר) של האור חודרים ועוברים דרך האבק. כאשר ענני אבק נוצרים ומתפוגגים, ניתן לחשוף את צפיפות האבק על ידי בחינת האור שנחסם ומועבר על ידי עצמים קבועים ברקע.

אַשׁרַאי: זה

כאשר אנו רואים גלקסיות רחוקות, במיוחד בקנה מידה קוסמולוגי, ישנו אפקט "מאדום" נוסף שאנו צריכים לתת עליו את הדעת: ההשפעה של ההיסט לאדום הקוסמולוגי. ככל שאובייקט רחוק יותר מאיתנו, כך גדל פרק הזמן שהאור צריך לעבור ביקום כדי להגיע לעינינו. מכיוון שהיקום מתרחב, ככל שאור עובר דרכו, אורך הגל של האור הזה נמתח - או מוסט לאדום - לאורכי גל ארוכים יותר ויותר. זה עשוי לגרום לגלקסיה מרוחקת להיראות אדומה בהשוואה לגלקסיה זהה אחרת המופיעה בקרבת מקום, אבל אנחנו יכולים לכמת בדיוק איך.

יחסית לגלקסיה סמוכה, האור מגלקסיה מרוחקת יימתח, אך אם נחיל "גורם מתיחה" על האור שאנו רואים, נוכל להבין שכל אורכי הגל נמתחים על ידי אותו גורם כפל. אם תחלק את אורך הגל של האור מהגלקסיה הרחוקה ב"גורם המתיחה" הזה - שהוא רק (1 +ז), איפהזהוא ההסטה לאדום של העצם - אתה משחזר בדיוק איך הגלקסיה הזו הייתה נראית לו הייתה ממוקמת בקרבת מקום. אז אתה יודע ש"אדום ומת" אינו אופציה, כך שבאופן טבעי תדביק כל "אדום" שנותר שנצפה בספקטרום של אותה גלקסיה לאבק, שכן אבק חוסם אור כחול, אבל מאפשר לאור אדום לעבור הרבה יותר בקלות .

התרשמותו של אמן זה מהליבה המאובקת של העצם ההיברידי של גלקסיה-קוואזאר, GNz7q, מציגה חור שחור סופר-מאסיבי וגדל במרכזה של גלקסיה עשירה באבק היוצרים כוכבים חדשים בקליפ של כ-1600 מסות שמש בשווי של כוכבים לכל היותר. שנה: שיעור שהוא בערך פי 3000 מזה של שביל החלב. אם גלקסיות ה-JWST המוקדמות "זוהמות" על ידי גרעין גלקטי פעיל, זה יכול להיות מקור להטיה של המסות המתקבלות בהתחלה עבור גלקסיות אלה.

אַשׁרַאי: ESA/האבל, נ. בארטמן

במילים אחרות, הסיפור הפשוט הוא ש:

  • כוכבים עושים אור,
  • אבק חוסם חלק מהאור (יותר מאורך הגל הקצר יותר, האור הכחול יותר ופחות האור האדום באורך הגל הארוך יותר),
  • ואז האור הזה עובר דרך היקום, כשכל אורכי הגל של האור עוברים הסטה לאדום על ידי אותו "גורם מתיחה" עד שנצפה בהם.

הסיפור הפשוט הזה עבד טוב מאוד עבור רוב הגלקסיות, כאשר רק גלקסיות פעילות - או גלקסיות עם הזנה פעילה של חור שחור סופר-מסיבי במרכזן - כגון AGNs או קוואזרים, בעלות מקור "נוסף" משמעותי של אור בנוסף לכוכבים.

ועם כל זה בחשבון, אנחנו מוכנים להסתכל על מה ש-JWST ראה בתחילה כשפקחה את עיניה על היקום הרחוק. בנוסף לתצוגות טובות יותר ומפורטות יותר של עצמים שכבר ידענו שהם שם בחוץ, הוא גילה מספר עצום של עצמים שהיו רחוקים מדי - כלומר, שהאור שלהם היה באורך גל ארוך מדי, עקב הסטה לאדום קוסמולוגית - מכדי שזוהו. ולמד לפני יכולות האינפרא אדום הייחודיות של JWST. כמה מהאובייקטים האלה היו בקנה אחד עם מה שציפינו: חלש וכחול מהותי, מלא באוכלוסיות צעירות של כוכבים שהתפתחו לאחרונה.

אבל העצמים הבהירים ביותר שמצאנו במרחקים קוסמיים גדולים היו גלקסיות הנקודה האדומה הקטנה (LRD), והן כלל לא תאמו את הציפיות שלנו.

שלוש מהגלקסיות "הנקודה האדומה הקטנה" שהתגלו על ידי JWST, מוצגות עם הבהירות שלהן (ציר y) כפונקציה של אורך הגל שלהן (ציר x). באורכי גל קצרים, הבהירות נשארת בלתי תלויה באורך גל, אך באורכי גל ארוכים, הבהירות עולה ככל שאורך הגל הולך וגדל.

אַשׁרַאי: D. Kocevski et al., Astrophysical Journal Letters accepted/arXiv:2404.03576, 2025

ה-LRDs הללו לא היו דומים לכל סוג אחר של אובייקטים שאי פעם ראינו קודם לכן. כשמסתכלים על האור שהם מייצרים - כלומר, כשמחלקים את ההשפעות של ההיסט לאדום - מגלים שהספקטרום של האור שטוח באולטרה סגול, אבל אז עולה באורכי גל ארוכים באופטי ואל האינפרא אדום. הספקטרום של הגלקסיות הללו מכיל קווי פליטה רחבים, המצביעים על סוג כלשהו של מקור אנרגטי המסוגל לעורר מספר עצום של אטומים. הם גם בשפע מאוד: מייצגים 20% מכל מקורות קווי הפליטה הרחבים ביקום שנמצאו כשהיקום היה רק ​​בן 1.2 מיליארד שנים או פחות.

זו הסיבה, בתחילה, החפצים הללו היו לכאורה פוטנציאליים "לשבור את היקום" כפי שאנו מכירים אותו. אם הדברים הבאים היו נכונים:

  • כוכבים יוצרים אור,
  • אבק חוסם חלק מהאור הזה,
  • שהאור עובר דרך היקום,
  • ומתחלף לאדום תוך כדי נסיעה,

אז הדרך היחידה להסביר את הבהירות של ה-LRD האלה תהיה מסות כוכבים גדולות במיוחד בתוך הגלקסיות האלה. אבל זו בעיה, מכיוון שלוקח זמן למבנים להיווצר ולחומר להתמוטט ביקום, ולעצמים מסיביים יותר נדרשות פרקי זמן ארוכים יותר להצטבר. אם ה-LRD האלה היו מצייתים להנחות שהצגנו זה עתה, אז היו:

  • יותר מדי חפצים,
  • שהיו בהירים מדי,
  • עם יותר מדי כוכבים,
  • ויותר מדי מסה בתוכם,

לתמונה הנוכחית שלנו של היקום להסביר. זו הסיבה שהיו כל כך הרבה טענות, במיוחד בימים הראשונים של JWST ב-2022 ו-2023, שהנקודות האדומות הקטנות האלה שברו את היקום.

כאשר נכלל גם האור של לא רק כוכבים, אלא גם מהחור השחור המרכזי והסופר-מאסיבי, ניתן סוף סוף להסביר את הבהירות הנוספת על מה שצפוי מהגלקסיות המוקדמות הללו. השאלה מדוע יש להם את השפע שיש להם, שעדיין אינו תואם מעט ממודלים תיאורטיים, עדיין נותרה בעינה.

אַשׁרַאי: K. Chworowsky et al., Astronomical Journal, 2024

אבל האם היקום באמת נשבר? או שמא התעלמנו מהיבט כלשהו של האסטרופיזיקה בהנחותינו לגבי ה-LRDs הללו?

במדע - באופן כללי - עלינו להיות מאוד סקפטיים לגבי כל תצפית שמתנגשת עם הציפיות שלנו. אנו חייבים לעצמנו, ולשאר הקהילה המדעית, לחפש בצורה ממצה אחר השפעות פוטנציאליות שעדיין לא חשבנו עליהן. אחד ההסברים הסבירים ל"בהירות מוגברת" של ה-LRD הללו היה שרק חלק מהאור הגיע מכוכבים, כאשר השאר מקורו בחור שחור סופר-מסיבי פעיל במרכז הגלקסיה: אנלוגי של קוואזר או AGN.

אסטרונומים רבים מיהרו לדחות הצעה כזו מסיבה פשוטה: כבר צפינו בקוואזרים וב-AGNs בתקופות מאוחרות ביקום: כשהיקום היה בערך 1 מיליארד שנים ומעלה. ידענו כמה יש בנקודות שונות בזמן הקוסמי, מה שמאפשר לנו להסיק מה יהיה השפע של מערכות דמויות קוואזרים ודמויות AGN אפילו מוקדם יותר. עם זאת, כשהתצפיות הגיעו, צפיפות המספר של ה-LRDs שמצאנו הייתה גבוהה פי עשרה בערך מהאקסטרפולציות של קוואזרים בהירים ואף בשפע יתר חמור יותר בהשוואה לאוכלוסיית ה-AGNs הידועה.

על ידי שילוב נתונים של צביר פנדורה, Abell 2744, מ-JWST אינפרא אדום וממצפי החלל הרגישים לקרני רנטגן, מדענים הצליחו לזהות מספר גלקסיות עדשות, כולל אחת שפולטת כמויות עצומות של אור רנטגן ממוקדמות מאוד. בהיסטוריה של היקום, למרות שיש לו מעט מאוד אור אולטרה סגול/אופטי/אינפרא אדום. חור שחור "מסיבי" זה מכיל מידע מרכזי על היווצרותם וצמיחתם של חורים שחורים.

קרדיטים: צילום רנטגן: NASA/CXC/SAO/Ákos Bogdán; אינפרא אדום: NASA/ESA/CSA/STScI; עיבוד תמונה: NASA/CXC/SAO/L. Frattare & K. Arcand; אנימציה: אי סיגל

אבל זה לא בהכרח אומר שלא היו חורים שחורים סופר-מסיביים פעילים שתורמים לבהירות של ה-LRD האלה; זה יכול גם אומר שמשהו מתקלקל באקסטרפולציות הנאיביות שלנו. ואכן - משורת ראיות אחרת לגמרי - יש משהו שמתקלקל: ההשלכה לפיה חורים שחורים סופר-מסיביים הם רק כ-0.1% מסיביים כמו המסה הכוללת של כוכבים בתוך הגלקסיה שמאכלסת את החור השחור העל-מסיבי. כפי שהיההוצג לראשונה בסוף 2023, חורים שחורים סופר-מסיביים יכולים להיות הרבה יותר מסיביים, בהשוואה למסת הכוכבים בתוך הגלקסיות שלהם, במיליארד השנים הראשונות של ההיסטוריה הקוסמית מאשר רק 0.1% ממסת הכוכבים הכוללת.

JWST חשף, במיוחד בשלבים הראשונים של ההיסטוריה הקוסמית, את: חורים שחורים שהם מסיביים יותר מ-0.1% בלבד ממסת הכוכבים הכוללת של הגלקסיה. לגלקסיות מוקדמות רבות יש חורים שחורים סופר-מאסיביים שהם כ-1% מסיביים מהמסה הכוללת של הכוכבים, בחלק מהגלקסיות המוקדמות יש חורים שחורים סופר-מאסיביים שהם כ-10% מסיביים כמו סך המסה הכוכבית, וכןיש לו חור שחור סופר מסיבי שהוא מסיבי בדיוק כמו כל הכוכבים בתוכו גם יחד. במילים אחרות, בהשוואה לכוכבים בתוך גלקסיה, החור השחור העל-מסיבי יכול להיות הרבה יותר חשוב לבהירות הכללית של עצם מאשר אפילו בקוואזרים או AGN שנראו בתקופה האחרונה.

כאשר הנתונים ממגוון של גלקסיות "נקודה אדומה קטנה" מפורקים למרכיב המסה הכוכבית שלהן לעומת הרכיב הנובע מחור שחור סופר מסיבי פעיל, יחסי המסה של מסת הכוכבים הכוללת של הגלקסיה בהשוואה למסה של החור השחור הסופר מסיבי יכולים להיות נָחוּשׁ. רבים, ואולי אפילו רוב, מהחורים השחורים הללו מתגלים כמסיביים באופן משמעותי: בהרבה יותר מ-0.1% מהמסה של מרכיב הכוכבים.

אַשׁרַאי: D. Kocevski et al., Astrophysical Journal Letters accepted/arXiv:2404.03576, 2025

אז ייתכן שה-LRD האלה, או לפחות חלק מה-LRDs האלה, לא מקבלים את כל האור שלהם מכוכבים, אלא שחורים שחורים פעילים משפרים את הבהירות שלהם. בכך, הם בסופו של דבר מרמים אותנו - אם נישאר מחוייבים להנחות הנאיביות שלנו - לחשוב שאנחנו חיים ביקום שלא מסתדר.

זה רעיון שאולי נשמע לך הגיוני, אבל הוא גם עשוי להישמע לך מגוחך; איך רעיון "נשמע" אינו בהכרח בורר טוב אם הוא נכון או לא. במקום זאת, מה שאתה רוצה לעשות הוא למדוד מדגם גדול של האובייקטים הרלוונטיים - ה-LRDs, במקרה זה - בדיוק מספיק כדי שתוכל ללמוד על המאפיינים שלהם, ולקבוע אם ההסבר הפוטנציאלי הזה בר-קיימא או לא.

זה בדיוק מהמחקר שבוצע על ידי שיתוף פעולה גדול של מדענים העובדים עם נתוני JWST, בראשות דייל קוצ'בסקי, רק הושלם. הם ערכו מפקד של LRDs ממגוון תוכניות תצפית של JWST, כולל CEERS, JADES, NGDEEP, PRIMER-UDS, PRIMER-COS ו-UNCOVER. מ-1.1 מיליארד השנים הראשונות של ההיסטוריה הקוסמית, הם זיהו 341 LRDs, וחשפו כמות עצומה של מידע עליהם: מידע שיכול להראות אם פעילות של חור שחור סופר-מסיבי יכולה להחזיר את העצמים האלה בקנה אחד עם התמונה שלנו של איך היקום גדל. .

תמונה זו מציגה 15 מתוך 341 גלקסיות "נקודה אדומה קטנה" שזוהו עד כה שהתגלו ביקום הרחוק על ידי JWST. הגלקסיות הללו מציגות תכונות דומות, אך קיימות רק בשלב מוקדם מאוד בהיסטוריה הקוסמית; אין דוגמאות ידועות לגלקסיות כאלה בקרבת מקום או בזמנים מאוחרים.

אַשׁרַאי: D. Kocevski et al., Astrophysical Journal Letters accepted/arXiv:2404.03576, 2025

אז מה הם למדו על חפצי הנקודה האדומה הקטנה האלה? טון, כולל:

  • שלפחות בסביבות 70-80% יש בהחלט חורים שחורים המצטברים,
  • שהם כמעט נעלמים כשמסתכלים יותר מ-1.2 מיליארד שנים אחרי המפץ הגדול,
  • אבל הם מגיעים לשיא כ-900 מיליון שנים אחרי המפץ הגדול,
  • ואז הם פחות בשפע אחורה,
  • אך נמצאו די מזמן, לפחות עד כ-400 מיליון שנים לאחר המפץ הגדול.

ה-LRDs שכן מכילים עדויות לפעילות של חורים שחורים סופר-מסיביים מציגים גם כמה מהראיות החזקות ביותר לחורים שחורים "מאסיביים": כאשר המסה המשוערת של החור השחור העל-מאסיבי היא יותר מ-0.1% מסך המסה הכוכבית של הגלקסיה.

עם זאת, נראה כי LRDs אלה הם משהו ייחודי בהשוואה לאובייקטים ידועים אחרים. האם יש להם טורוסים מאובקים המקיפים אותם כמו קוואזרים ו-AGNs ידועים? אנחנו לא יודעים; אין ראיות תצפיתיות המצביעות על כך שהתשובה היא "כן", אבל אנחנו לא יכולים לשלול אותה. מתוך 341 גלקסיות LRD שנבחרו עד כה, רק שתיים מהן מציגות פליטת קרני רנטגן: מה שהופך אותן ל-LRDs הראשונות שידוע כי פולטות אותן. וכאשר אתה מסתכל על האור שהם מייצרים, האור "האולטרה סגול השטוח, מסגרת מנוחה" חייב להיות בשל כוכבים בתוך הגלקסיה המארחת, בעוד שאור "עולה באורכי גל ארוכים, מסגרת מנוחה אופטית ואינפרא אדום" חייבת לנבוע מהתרומות מהחורים השחורים העל-מסיביים הפעילים שבתוכם.

בתוך כל אחת מגלקסיות "הנקודה האדומה הקטנה" שנצפו ביקום המוקדם (בעיקר על ידי JWST), נראה שיש גם רכיב UV-rest-frame שנשלט על ידי כוכבים, וגם רכיב אופטי/IR שנשלט על ידי הפעילות מחור שחור סופר מסיבי. על ידי הבנה וכימות של התרומות משניהם, אפשר להבין את מסת הכוכבים ומסת החורים השחורים של הגלקסיה.

אַשׁרַאי: D. Kocevski et al., Astrophysical Journal Letters accepted/arXiv:2404.03576, 2025

זה החלק המרכזי בסיפור: זה שמאפשר לנו לפתור את החידה. אם אנחנו יודעים שלנקודות האדומות הקטנות הללו יש תרומות מכוכבים בתוך הגלקסיה וגם מפעילות החור השחור המרכזי. מכיוון שאתה יכול לכמת אילו מרכיבים של האור שאתה צופה (האולטרה-סגול השטוח, בעל מסגרת מנוחה) נגרמים על ידי הכוכבים ב-LRDs אלה בהשוואה לרכיבים (האופטי העולה, המנוחה האופטי והאינפרא אדום) הנגרמים על ידי החור השחור הפעיל, אתה יכול לעשות הערכות עבור:

  • המסה הכוכבית של כל גלקסיה,
  • מסת החור השחור המרכזי בכל גלקסיה,

ואז לקבוע גם עד כמה מסיבית הגלקסיה וגם עד כמה "מסיבית" כל חור שחור הוא.

רק על ידי איסוף נתונים אלה וביצוע ניתוח כזה נוכל להסיק את המסקנה הסופית: האם ה-LRDs הללו אכן "שוברים את היקום", או שמא המאפיינים הנמדדים כעת יותר במדויק של ה-LRDs הללו תואמים את הקונקורדנציה קוסמולוגיה משמשת לתיאור שאר היקום. כפי שאפשר לנחש, הקוסמולוגיה שרדה, ואת הגלקסיות הקטנה של הנקודה האדומה שאנו רואים ניתן להסביר על ידי מרכיב כוכבי פלוס מרכיב חור שחור פעיל, ולא על ידי כוכבים ואבק בלבד. כעת כשהיקום בטוח, הצעדים הבאים יהיו ללמוד יותר על טבעם של אובייקטי LRD אלה, לחקור את היווצרותם, התפתחותם, תכונותיהם ואופי היעלמותם ככל שהזמן יעבור והיקום גדל: מינקותו לתוך בגרות קוסמית.

הירשם לניוזלטר Starts With a Bang

טייל ביקום עם ד"ר איתן סיגל כשהוא עונה על השאלות הגדולות מכולם