בכוכבי שביל החלב, היסטוריה של אלימות | מגזין קוונטה

מאוחר בערב של 5 באוקטובר 1923, אדווין האבל ישב ליד עינית טלסקופ הוקר במצפה הכוכבים הר וילסון, על גבי ההרים המשקיפים על אגן לוס אנג'לס. הוא צפה בחפץ בשמי הצפון. לעין בלתי מזוינת, זה נראה כמו כתם קלוש. אבל דרך טלסקופ זה התחדד לאליפסה מבריקה שנקראת ערפילית אנדרומדה. כדי ליישב ויכוח על גודל שביל החלב - שאז נחשב היקום כולו - האבל היה צריך לקבוע את המרחק של אנדרומדה מאיתנו.

בשדה הראייה של הטלסקופ, אנדרומדה הייתה ענקית. האבל לכד בסבלנות מספר חשיפות המכסות לוחות צילום רבים מזכוכית, ובשעות המוקדמות של ה-6 באוקטובר, הוא ביצע חשיפה של 45 דקות על לוח זכוכית קטן ושרטט "N" שם ראה שלושה כוכבים חדשים, או נובות. אבל כשהשווה את התמונה שלו עם תצלומים שצולמו על ידי אסטרונומים אחרים, הוא הבין שאחת מהנובות החדשות שלו היא למעשה כוכב משתנה של קפאיד - סוג של כוכב שניתן להשתמש בו למדידת מרחקים אסטרונומיים.

הוא גירד "N" אחד וכתב "VAR!"

האבל השתמש בכוכב הפועם הזה כדי לחשב שאנדרומדה נמצאת במרחק של מיליון שנות אור מכדור הארץ, מרחק גדול בהרבה מקוטר שביל החלב (הוא היה מעט רחוק; אנדרומדה נמצאת במרחק של כ-1 מיליון שנות אור). והוא הבין כי אנדרומדה אינה רק ערפילית אלא "יקום אי" שלם - גלקסיה נבדלת משלנו.

עם התפצלות הקוסמוס לגלקסיה ביתית וליקום גדול יותר, המחקר של הבית הסופי שלנו - וכיצד הוא מתקיים בתוך היקום הזה - יכול להתחיל ברצינות. כעת, מאה שנה לאחר מכן, אסטרונומים עדיין מגלים תגליות בלתי צפויות לגבי האי הקוסמי היחיד שאי פעם נתגורר בו. הם עשויים להיות מסוגלים להסביר חלק מהמאפיינים של שביל החלב על ידי דמיון מחדש כיצד הוא נוצר וגדל ביקום המוקדם, על ידי בחינת צורתו הלא אחידה ועל ידי לימוד יכולתו ליצור כוכבי לכת. התוצאות האחרונות, שהצטברו במהלך ארבע השנים האחרונות, מציירות כעת תמונה של הבית שלנו כמקום ייחודי, בזמן ייחודי.

התמזל מזלנו, כך נראה, לחיות ליד כוכב שקט במיוחד בשוליים הרגועים של גלקסיה בגיל העמידה, בעלת נטייה מוזרה, מתפתלת בצורה רופפת, שנותרה ברובה לבדה במשך רוב שנות קיומה.

יקום האי שלנו

משטח כדור הארץ - אם אתה נמצא במקום חשוך מאוד - אתה יכול לראות רק את הפס הבהיר של הדיסק הגלקטי של שביל החלב, קצה-על. אבל הגלקסיה בה אנו חיים היא הרבה יותר מסובכת.

חור שחור סופר מסיבי מתפתל במרכזו, מוקף ב"בליטה", קשר של כוכבים המכיל כמה מתושבי הכוכבים העתיקים ביותר בגלקסיה. לאחר מכן מגיעה "הדיסקה הדקה" - המבנה שאנו יכולים לראות - שבה רוב כוכבי שביל החלב, כולל השמש, מחולקים לזרועות ספירליות ענקיות. הדיסקה הדקה עטופה ב"דיסק עבה" רחב יותר, המכילה כוכבים ישנים יותר שפרוסים יותר. לבסוף, הילה כדורית בעיקרה מקיפה את המבנים הללו; הוא עשוי בעיקר מחומר אפל, אך מכיל גם כוכבים וגז חם מפוזר.

כדי ליצור מפות של מבנים אלה, אסטרונומים פונים לכוכבים בודדים. הרכבו של כל כוכב מתעד את מקום הולדתו, גילו ומרכיבי הלידה שלו, כך שלימוד אור הכוכבים מאפשר סוג של קרטוגרפיה גלקטית - כמו גם גנאלוגיה. על ידי מיקומו של כוכבים בזמן ובמקום, אסטרונומים יכולים לשחזר את ההיסטוריה ולהסיק כיצד נבנתה שביל החלב, חלק אחר חלק, במשך מיליארדי שנים.

המאמץ הגדול הראשון לחקור את היווצרותו של שביל החלב הקדמוני החל בשנות ה-1960, כאשר אולין אגן, דונלד לינדן-בל ואלן סנדייג', שהיה תלמידו לשעבר של אדווין האבל, טענו כי הגלקסיה קרסה מענן גז מסתובב. במשך זמן רב לאחר מכן, אסטרונומים חשבו שהמבנה הראשון שצץ בגלקסיה שלנו הוא ההילה, ואחריו דיסק כוכבים בוהק וצפוף. ככל שטלסקופים חזקים יותר נכנסו לאינטרנט, אסטרונומים בנו מפות מדויקות יותר ויותר והחלו לשכלל את הרעיונות שלהם לגבי האופן שבו הגלקסיה התאחדה.

הכל השתנה בשנת 2016, כאשר הנתונים הראשונים מהלוויין Gaia של סוכנות החלל האירופית חזרו לכדור הארץ. גאיה מודדת במדויק את נתיביהם של מיליוני כוכבים ברחבי הגלקסיה, ומאפשרת לאסטרונומים ללמוד היכן ממוקמים הכוכבים הללו, כיצד הם נעים בחלל ובאיזו מהירות הם הולכים. עם גאיה, אסטרונומים יכולים לצייר תמונה חדה יותר של שביל החלב - כזו שחשפה הפתעות רבות.

הבליטה אינה כדורית אלא בצורת בוטנים, והיא חלק מפס גדול יותר המשתרע על אמצע הגלקסיה שלנו. הגלקסיה עצמה מעוותת כמו שוליים של כובע בוקרים מוכה. הדיסק העבה גם הוא מתרחב, הולך וגדל לכיוון הקצוות, וייתכן שהוא נוצר לפני ההילה. אסטרונומים אפילו לא בטוחים כמה זרועות ספירליות באמת יש לגלקסיה.

המפה של יקום האי שלנו אינה מסודרת כפי שנראתה פעם. גם לא רגוע.

"אם אתה מסתכל על תמונה מסורתית של שביל החלב, יש לך את ההילה הכדורית הנחמדה הזו ודיסק יפה שנראה רגיל, והכל די מיושב ונייח. אבל מה שאנחנו יודעים עכשיו זה שהגלקסיה הזו נמצאת במצב של חוסר שיווי משקל", אמר צ'רלי קונרוי, אסטרונום במרכז הרווארד-סמית'סוניאן לאסטרופיזיקה. "התמונה הזו של זה שהוא פשוט ומסודר היטב נזרקה ממש בשנתיים האחרונות."

מפה חדשה של שביל החלב

שלוש שנים לאחר שאדווין האבל הבין כי אנדרומדה היא גלקסיה בפני עצמה, הוא ואסטרונומים אחרים היו עסוקים בהדמיה ובסיווג מאות יקומי איים. נראה היה שהגלקסיות הללו קיימות בכמה צורות וגדלים רווחים, אז האבל פיתח ערכת סיווג בסיסית הידועה בשם דיאגרמת המזלג הכוונון: היא מחלקת את הגלקסיות לשתי קטגוריות, אליפטיות וספירלות.

אסטרונומים עדיין משתמשים בתוכנית זו כדי לסווג גלקסיות, כולל שלנו. לעת עתה, שביל החלב הוא ספירלה, עם זרועות המהוות את המשתלה העיקרית לכוכבים (ולכן כוכבי לכת). במשך חצי מאה, אסטרונומים חשבו שישנן ארבע זרועות עיקריות - זרועות קשת, אוריון, פרסאוס וזרועות סיגנוס (אנו חיים בשלוח קטן יותר, הנקרא ללא דמיון הזרוע המקומית). אבל מדידות חדשות של כוכבים ענקיים וחפצים אחרים מציירות תמונה אחרת, והאסטרונומים כבר לא מסכימים על מספר הזרועות או הגדלים שלהן, או אפילו אם הגלקסיה שלנו היא כדור מוזר בין איים.

"למרבה הפלא, כמעט אף גלקסיות חיצוניות לא מציגות ארבע ספירלות המשתרעות ממרכזיהן לאזורים החיצוניים שלהן", שו יה, אסטרונום עם מצפה ההרים הסגולים של סין, אמר באימייל.

כדי להתחקות אחר הזרועות הספירליות של שביל החלב, Ye ועמיתיו השתמשו בגאיה ובטלסקופי רדיו קרקעיים כדי לחפש כוכבים צעירים. הם גילו שבדומה לגלקסיות ספירליות אחרות, לשביל החלב יש רק שתי זרועות עיקריות, פרסאוס ונורמה. מספר זרועות ארוכות ולא סדירות מתפתלות גם סביב הליבה שלה, כולל הזרועות הקנטאורוס, קשת, קארינה, החיצונית והמקומית. נראה שלפחות בצורתו, שביל החלב עשוי להיות דומה יותר לאיים קוסמיים מרוחקים מכפי שאסטרונומים חשבו.

"חקר שביל החלב בצורת ספירלה עשוי לגלות אם הוא ייחודי בין מיליארדי הגלקסיות ביקום הנצפה", כתב יי.

חופים קוסמיים

המחקר של האבל על אנדרומדה והכוכב המשתנה שלה נבע מיריבות העזה שלו עם אסטרונום מפורסם אחר בהר וילסון, הארלו שאפלי. האסטרונומית של הרווארד הנרייטה סוואן לוויט הייתה חלוצה בשימוש בכוכבים משתנים של קפאיד למדידת מרחקים, ובשיטתה חישבה שאפלי שקוטרו של שביל החלב הוא 300,000 שנות אור - טענה מדהימה ב-1919, כאשר רוב האסטרונומים האמינו שהשמש היא במרכז הגלקסיה, וכי כל הגלקסיה השתרעה על פני 3,000 שנות אור. לפיכך, שאפלי התעקש ש"ערפיליות ספירליות" אחרות חייבות להיות ענני גז ולא גלקסיות נפרדות, מכיוון שגודלן אומר שהן רחוקות באופן בלתי נתפס.

האבל בתורו כתב את מדידות הכוכבים המשתנות שלו ושכנע את כולם כי אנדרומדה היא אכן גלקסיה נפרדת. "הנה המכתב שהרס את היקום שלי", אמר שאפלי לאחר שראה את הנתונים של האבל.

עם זאת, במונחים של מרחקים אסטרונומיים, שאפלי לא היה כל כך רחוק. במאה שחלפה, אסטרונומים חישבו כי הבליטה של ​​שביל החלב היא בקוטר של כ-12,000 שנות אור, שהדיסק משתרע על פני 120,000 שנות אור, וכי הילה של החומר האפל וצבירי כוכבים עתיקים משתרעת על מאות אלפי שנות אור. כל כיוון.

תצפית לאחרונה גילה שכמה כוכבי הילה מפוזרים במרחק של מיליון שנות אור משם - באמצע הדרך לאנדרומדה - מה שמרמז שההילה, ולכן הגלקסיה, אינה ממש יקום אי בפני עצמו.

אסטרונומים בראשות ג'סי האן, סטודנט לתואר שני במרכז הרווארד-סמית'סוניאן לאסטרופיזיקה, קבע לאחרונה שהילה הכוכבית אינה כדורית, כפי שהניחו זמן רב, אלא מעוצבת כמו כדורגל. בעבודה פורסם ב-14 בספטמבר, האן וצוותו גם הראו שהילת החומר האפל עשויה להיות מוטה בכ-25 מעלות, מה שגורם לכל הגלקסיה להיראות מעוותת.

ולמרות שזה אולי נראה מוזר מספיק, ההטיה עצמה עשויה להיות עדות לעבר האלים של שביל החלב.

הפרעה בגלקסיה

עידנים לפני האבל ישב ליד העינית, עידנים לפני שהשמש נולדה, הרבה לפני שביל החלב היה קיים, המפץ הגדול קרע את כל החומר ופיזר אותו ללא הבחנה ברחבי הקוסמוס שנולד. הגלקסיות הראשונות נוצרו בסופו של דבר מפיסות דטריטוס אקראי, והחלו רצף של 13 מיליארד שנה שהוביל אלינו. אסטרונומים מתווכחים על המורכבויות של האופן שבו האירועים הללו התפתחו, אבל הם יודעים שהגלקסיה בה אנו חיים כעת גדלה באמצעות תהליך מורכב שכלל מיזוגים ורכישות.

ברחבי היקום, גלקסיות מתנגשות ומתערבבות באסונות עצומים בלתי נתפסים. הטלסקופ על שמו של אדווין האבל לוכד את הפילאפים הקוסמיים האלה כל הזמן. ולמרות שהוא רגוע יחסית היום, שביל החלב אינו יוצא מן הכלל: על ידי סינון הרישומים הארכיאולוגיים שנשמרו על ידי כוכבים, זרמי גז, מה שנקרא צבירים כדוריים של אלפי עד מיליוני כוכבים, ואפילו הצללים של גלקסיות ננסיות נטרפות, מדענים לומדים יותר על האופן שבו שביל החלב התפתח.

הרמזים הראשונים לאלימות הגיעו כאשר אסטרונומים שהציצו דרך הטלסקופ הקומות 200 אינץ' במצפה הכוכבים של פאלומר (שהאבל היה הראשון להשתמש בו) מצאו ראיות ב-1992 ששביל החלב קורע חלק מהצבירים הכדוריים בהילה שלו. סקר שמיים דיגיטלי של סלואן אישר את התצפית, וטלסקופי רדיו מאוחר יותר גילו שהגלקסיה גם שואפת זרמי גז קרובים.

עד אמצע 2018, אסטרונומים הבינו ששביל החלב התמזג עם כמה גלקסיות קטנות לאורך חייו, אבל רובם היו אירועים קטנים. המיזוג האחרון הגדול ביותר, לפני 10 מיליארד שנים, היה כרוך בגלקסיה האליפטית הגמדית של מזל קשת, שתרמה זרמי גז וקבוצות כוכבים להילה הכוכבית של שביל החלב. אבל אסטרונומים לא הבינו לגמרי את העצמים האלה עד שהלוויין גאיה פרסם את מערך הנתונים השני שלו ב-2018.

כאשר אסטרונומים בדקו את התנועות והמיקומים המפורטים של כמיליארד כוכבים, הופיעו סימנים להפרעה גדולה בגלקסיה - הם ראו שברים גלקטיים בהילה. שם, כמה כוכבים מסתובבים בזוויות קיצוניות והרכבים שונים משל אחרים, מה שמצביע על כך שמקורם במקום אחר.

אסטרונומים לקחו את הכוכבים המוזרים האלה כעדות להתנגשות טיטאנית בין שביל החלב לגלקסיה אחרת. המיזוג, שקרה כנראה לפני בין 8 מיליארד ל-11 מיליארד שנים, היה משבש בצורה קטסטרופלית את שביל החלב הצעיר, קורע את הגלקסיה השנייה לגזרים, ומעורר סופת אש של היווצרות כוכבים חדשים.

שרידי הגלקסיה המתנגשת נקראים כעת Gaia-Sausage-Enceladus, תוצאה של שני צוותים שגילו באופן עצמאי את שרידי המיזוג. צוות אחד קרא לו על שם האלוהות היוונית גאיה, האם הקדמונית של כדור הארץ ושל כל החיים, ובנה אנצלדוס. השני הבחין שהשאריות נראות כמו נקניק. (כמה אסטרונומים מחלוקת שהגלקסיה הנכנסת הייתה היחידה המעורבת, מה שמציע במקום זאת שהתנגשויות קטנות יותר לאורך תקופה ארוכה יותר יכלו לגרום למבנים שאנו רואים כעת.)

המיזוג שינה הכל: מהלך ההילה של שביל החלב, הבליטה הפנימית והדיסק הפחוס.

כעת, אסטרונומים משתמשים בכלים שונים כדי להבין את התזמון של הגירוי גאיה-נקניק-אנצלדוס וכיצד שביל החלב התינוק גדל כתוצאה מכך.

במארס 2022, מאושנג שיאנג ו הנס-וולטר ריקס של מכון מקס פלנק לאסטרונומיה התחיל בהגדרת שביל החלב 1.0, הפרוטו-גלקסיה שהתקיימה לפני כל מיזוג. הם עשו זאת באמצעות עתיקות כוכבים ענקיים שהם קטנים יותר מהשמש, ואשר ניצלו את דלק המימן שלהם וכעת הם מתנפחים. הבהירות של כוכב תת-ענק תואמת את גילו, והאור שלו משמש כטביעת אצבע של חומר הלידה שלו. כששיאנג וריקס השתמשו ברמזים האלה כדי להסיק את היסטוריות הנדידה של רבע מיליון כוכבי תת-ענק, הם גילו שהדיסק העבה נוצר מוקדם מהצפוי בתיאוריות היווצרות הגלקסיות - לפני 13 מיליארד שנה, בקושי מצמוץ עין לאחר המפץ הגדול .

תיאוריות קוסמולוגיות פופולריות טוענות שהיה צריך לקחת יותר זמן עד שמבנים כה גדולים ומוגדרים היטב להיווצר לאחר המפץ הגדול. ובכל זאת הם המשיכו לקצוץ בתצפיות של טלסקופ החלל ג'יימס ווב בגלקסיות רחוקות, אמר רוזמרי וייז, אסטרופיזיקאי באוניברסיטת ג'ונס הופקינס.

"אתה יכול לקשר איך אנחנו חושבים שהגלקסיה שלנו נוצרה עם מה ש-JWST רואה. האם נוכל לקבל תמונה קוהרנטית של איך נוצרה גלקסיה? האם הגלקסיה שלנו אופיינית?" היא אמרה.

ייתכן שהדיסק העבה היה קיים לפני המיזוג הראשי, אבל הדיסק הדק עלה בקנה אחד עם הגעתם של גאיה-נקניק-אנצלדוס, שיאנג וריקס מצאו. תהליך ההרכבה הדו-צדדי הזה, המייצר דיסקים כוכביים מובהקים, עשוי להיות נפוץ, והוא עשוי להיות חיוני להיווצרות כוכבים. שיעורי הילודה ירדו מאז הטירוף הזה, אבל שביל החלב עדיין מייצר בערך 10 עד 20 כוכבים חדשים בשנה.

יושי (לוסי) לו, שזה עתה עבר מאוניברסיטת קולומביה למוזיאון האמריקאי להיסטוריה של הטבע, רצה להבין את ההיסטוריה של הדיסק הגלקטי וכיצד היא השתנתה עם הזמן. כדי לעשות זאת, היא חקרה כיצד שינויים כימיים לאורך חייהם של כוכבים יכולים לעזור לזהות את מיקומי הלידה שלהם. היא התמקדה בכוכבים נפוחים ותת-ענק דומים, ובעבודה חדשה שלא פורסמה, היא גילתה שתת-ענקים עשירים במתכות - אלה עם שפע של יסודות כבדים יותר מהליום - החלו לצמוח ברצינות סביב התקופה של מיזוג גאיה-נקניק-אנצלדוס, לפני 11 מיליארד עד 8 מיליארד שנים.

העדויות לגאיה-נקניק-אנצלדוס ממשיכות להיערם. אבל מה שאסטרונומים עדיין לא מבינים הוא מדוע המצב רגוע מאז. ההיסטוריה הכימית וההיסטוריה המבנית של שביל החלב נראים לא טיפוסיים, אמר לו.

לאנדרומדה, למשל, יש היסטוריה הרבה יותר אלימה משביל החלב. זה יהיה מוזר שהגלקסיה שלנו תישאר לבד כל כך הרבה זמן, בהתחשב בהיסטוריה של גלקסיות אחרות ובמודל הקוסמולוגי הרווח שאומר שגלקסיות גדלות על ידי התנפצות זו בזו, אמר וייז. "ההיסטוריה של המיזוג היא יוצאת דופן, וההיסטוריה של ההרכבה. אם אנחנו באמת יוצאי דופן ביקום... הייתי אומר שזו עדיין שאלה פתוחה", אמרה.

הולדתו של אי חדש

אפילו כשאסטרונומים מחברים את העבר של הגלקסיה, אחרים חוקרים כיצד שכונות הגלקסיה עשויות להיות שונות זו מזו כמו ערים ופרברים - אפשרות שמעלה את השאלה כיצד כוכבי לכת (ואולי חיים) מופצים ברחבי הגלקסיה.

כאן, סביב כוכב מסוים אחד בזרוע המקומית, נוצרו שמונה כוכבי לכת מסביב לשמש - ארבעה סלעיים וארבעה גזים. אבל זרועות אחרות עשויות להיות שונות. סביבות אלו עשויות לייצר אוכלוסיות שונות של כוכבים וכוכבי לכת באותה דרך שבה מתפתחים החי והצומח המתמחים ביבשות עם ביוספרות שונות.

"אולי חיים יכולים להתעורר רק בגלקסיה שקטה באמת. אולי החיים יכולים להתעורר רק סביב כוכב שקט באמת", אמר ג'סי כריסטיאנסן, אסטרונום במכון הטכנולוגי של קליפורניה, החוקר את התנאים הגלקטיים והשפעותיהם על בניית כוכבי לכת. "זה כל כך קשה עם המדגם הסטטיסטי הזה של אחד; כל דבר [בגלקסיה שלנו] יכול להיות חשוב, או שום דבר לא יכול להיות חשוב."

מאה שנה אחרי שאדווין האבל שרבט "VAR!" על צלחת זכוכית, מגוון הגלקסיות הנפתרות בשדה הראייה של JWST משנה את מה שאנו יודעים על הקוסמוס ועל מקומנו בו. בדיוק כפי שאנו יכולים להשתמש בשביל החלב כמצפה אסטרופיזי כדי להבין את היקום הרחב יותר, אנו יכולים גם להשתמש ביקום הרחב ובמיליארדי הגלקסיות שלו כדי להבין את הבית שלנו וכיצד נוצרנו.

אסטרונומים ממשיכים לקחת עמוד מתוך ספר המשחקים של האבל ולבחון את אנדרומדה, האליפסה הקלושה בשמי הצפון. כפי שגאיה עשתה קרוב יותר לבית, המכשיר הספקטרוסקופי של אנרגיה אפלה במצפה הכוכבים הלאומי Kitt Peak ימדוד כוכבים בודדים באנדרומדה ויבדוק את תנועותיהם, הגיל והשפע הכימי שלהם. וייס מתכנן גם לחקור כוכבים בודדים בגלקסיה הסמוכה, באמצעות טלסקופ סובארו במאונה קיה.

פעולה זו תספק מבט חדש על העבר של אנדרומדה והשוואה חדשה לגלקסיה שלנו. הוא גם יציע הצצה קלה לעתיד הרחוק מאוד. הגלקסיה שלנו תהרוס בסופו של דבר שתי גלקסיות קטנות בקרבת מקום, הענן המגלן הגדול והקטן, שצועקות על פני החלל לכיווננו. הגלקסיה שלנו כבר מתחילה לעכל אותם.

"אם היינו צופים בכל זה בעוד מיליארד שנים, זה היה נראה הרבה יותר מבולגן", אמר קונרוי. "אנחנו פשוט נמצאים בתקופה שבה הדברים שקטים יחסית."

בשלב הבא, גם אנדרומדה תבוא להצטרף אלינו. הגלקסיה המשתרעת על לוחות הזכוכית של אדווין האבל לא תהיה עוד יקום של אי. אנדרומדה ושביל החלב יכנסו זה לכיוון השני, והילות הכוכבים שלהם מסתחררות יחד. לאורך טווחי זמן המנוגדים להבנה, הדיסקים גם יתלכדו, יחממו גז קר ויגרמו לו להתעבות ולהצית כוכבים חדשים. בשולי כל מבנה שייבנה לאחר מכן, יצוצו שמשות חדשות, ואיתם כוכבי לכת חדשים. אבל לעת עתה, הכל שקט, כאן על הזרוע המקומית של הגלקסיה היחידה שאי פעם נדע.