יקום נולד: טומוגרפיה קדמונית

בשל אותו משולש יחסים שנסקר במאמר הקודם, יהיו השמים מוארים בקרינה של 21 סנטימטר או חשוכים יותר מקרינת הרקע, כתלות בזמן ובמקום. תופעה נוספת שצופים צריכים להביא בחשבון היא ההסחה של הפוטונים לאורכי גל ארוכים יותר, שהביאה ההתפשטות הקוסמית. מאז תחילת העידן האפל גדל היקום פי 1,000 בקוטרו, ולכן פוטון של 21 סנטימטר שנפלט באותו זמן, יגיע לכדור הארץ באורך גל של 210 מטר. פוטון שנפלט לקראת סוף העידן האפל מוסח לאורך גל של מטר אחד עד שני מטרים.

זהו טווח אורכי גל המצוי בתחום גלי הרדיו של הספקטרום האלקטרומגנטי. הפליטה יכולה להיקלט באמצעות מערך אנטנות לתדירות נמוכה, כמו אלו המשמשות לשידורי רדיו וטלוויזיה. כמה קבוצות מחקר עוסקות כיום בבניית מערכים כאלה. מערך השדה "מילורה" (MWA) שבמערב אוסטרליה יכלול 8,000 אנטנות מפוזרות בשטח שקוטרו קילומטר וחצי ורגישוֹת לאורכי גל של מטר עד 3.7 מטרים. למערך יכולת הפרדה זוויתית של כמה דקות-קשת, המתאימות לקנה מידה פיזיקלי של כשלושה מיליון שנות אור בזמן העידן האפל. יוזמות נוספות בתכנון הן מערך התדרים הנמוכים (LOFAR), טלסקופ המבנה הקדמון (PaST) ובעתיד הרחוק יותר, מערך הקילומטר הרבוע (SKA).

מערכים אלו יסרקו תדרים כדי למפות את הקרינה של 21 סנטימטר בתקופות שונות בהיסטוריה הקוסמית. האסטרונומים יוכלו להרכיב מפה תלת-ממדית של התפלגות המימן הניטרלי. הם יוכלו לצפות כיצד הבדלי צפיפות קלים ביקום בשיעור של חלק אחד ל-100,000 (כמו בקרינת הרקע הקוסמית) הלכו והתעצמו בכמה סדרי גודל. באזורים שצפיפותם גבוהה יותר, אנו מקווים לראות גלקסיות המתחילות לקבל צורה וליצור בועות של מימן מיונן. הבועות יתרבו ויתמזגו עד שלבסוף ינקו את החלל הבין-גלקטי ממימן ניטרלי.

חדות קווי המתאר של הבועות תענה לשאלה מה גרם ליינון מחדש, כוכבים כבדים או חורים שחורים? כוכבים כבדים משחררים את רוב האנרגיה שלהם בתחום האור האולטרה-סגול, קרינה שהמימן הבין-גלקטי ממסך בקלות, ואילו חורים שחורים יוצרים בעיקר קרני-x, החודרות עמוק אל תוך הגז. לכן חורים שחורים יוצרים קווי מתאר מטושטשים יותר.

מפת הקרינה באורך גל של 21 סנטימטר צפויה לתת יותר מידע מכל מפה קודמת בקוסמולוגיה, ובכלל זה מפת קרינת הרקע הקוסמית. ישנן כמה סיבות לכך. ראשית, בעוד קרינת הרקע הקוסמית מספקת תמונה דו-ממדית, מאחר שנוצרה ברגע יחיד בזמן (כשהיקום התקרר אל מתחת ל-3,000 קלוין), מפת 21 הסנטימטר תהיה, כאמור, תלת-ממדית. שנית, קרינת הרקע היא מטושטשת מעט, מכיוון שהיא לא שוחררה בו-בזמן בכל מקום. היקום עבר עידן ביניים שבו הוא לא היה אטוּם למעבר קרינה ולא שקוף, כמעין ערפל שהלך והתפוגג בהדרגה.

במהלך תקופה זו, התפזרה הקרינה לאורך מרחקים קצרים והטביעה חותם דק על קרינת הרקע הקוסמית. לעומת זאת, כשקרינת 21 הסנטימטר נפלטה מאטומי המימן, דבר לא הפריע את התקדמותה בחלל, וכך היא משקפת את התפלגות הגז ללא טשטוש. סיבה שלישית היא המידע שנושאת קרינת הרקע. קרינה זו נושאת מידע על צפיפות החומר שהיווה את הזרעים לגלקסיות, ואילו קרינת 21 הסנטימטר תמפה גם את זרעי הגלקסיות וגם את השפעת הגלקסיות על סביבתן, מיד ברגע שנוצרו.

אתגרים שמימיים

כדי לגלות את אותות הקרינה באורך גל של 21 סנטימטר, יהיה צורך להתגבר על כמה אתגרים. ראשית, יש לסנן את שידורי הרדיו בפס רחב ובתדירויות נמוכות על פני כדור הארץ. שנית, יהיה צורך לטפל בפליטת גלי הרדיו מן הגלקסיה שלנו, פליטה חזקה פי 10,000 ויותר מן האותות שיתקבלו מעידן היינון-מחדש.

 למרבה המזל, צורת הרעש הגלקטי אחידה פחות או יותר באורכי גל קרובים זה לזה, ואילו אותות קרינת 21 הסנטימטר משתנים עם אורך הגל לפי המבנה המרחבי של הבועות המיוננות. הבדל זה יאפשר לחלץ את אותות הקרינה מתוך הרעש הגלקטי. אסטרונומים יוכלו להשוות את מפות 21 הסנטימטר עם תמונות שהתקבלו באמצעים אחרים, כמו JWST. הגלקסיות הנראות באור אינפרה-אדום אמורות להתאים לבועות היונים המפוזרות במרחבי המימן הניטרלי.

מלבד האתגרים התצפיתיים שהזכרנו, ישנן עוד כמה משימות העומדות בפני התיאורטיקנים. בראש ובראשונה, הם יצטרכו להריץ הדמיות מחשב גדולות יותר - כדי שיוכלו לעקוב אחר אירועים בנפח גדול דיו להיות מדגם סטטיסטי מייצג של היקום (ברוחב מיליארד שנות אור), וברזולוציה גבוהה דיה - כדי לעקוב גם אחר גלקסיות גמדיות. ההדמיות יצטרכו גם לעקוב אחר התקדמות הקרינה המייננת מן הגלקסיות אל הגז שמסביב, תהליך שההדמיות תיארו עד כה רק תיאור גס מאוד. ייתכן מאוד שהתצפיתנים יבחינו ביינון מחדש, עוד לפני שהתיאורטיקנים יצליחו לחזות מה בדיוק הם אמורים לראות.

לפזר את הערפל

המאמץ המשולב - הניסויי והתיאורטי כאחד - אמור לפזר קצת מן הערפל השורר בכמה סוגיות מטרידות בתיאוריה של היווצרות גלקסיות. סוגיה אחת כזו נוגעת לחורים השחורים המסיביים שבמרכזי הגלקסיות. בעשר השנים האחרונות הבינו אסטרונומים שכמעט בכל גלקסיה ביקום היום, ובכלל זה בשביל החלב, יש חור שחור מסיבי.

על פי הסברה החורים השחורים האלה בולעים גז במהלך אירועים המתרחשים כשגלקסיות מתמזגות. כשזה קורה, זורח הגז הקורס בעוצמה גבוהה הרבה יותר מכל שאר הגלקסיה, ויוצר קווזר. סקירת השמים הדיגיטלית על שם סלואן גילתה שקווזרים בעלי חורים שחורים בגודל של יותר ממיליארד מסות שמש היו קיימים כבר בגיל הקוסמי של מיליארד שנה. כיצד נוצרו חורים שחורים כה מסיביים כה מוקדם? ומדוע הפסיקו לגדול?

סוגיה נוספת נוגעת להתפלגות הגודל של גלקסיות. התיאורטיקנים סבורים שהקרינה האולטרה-סגולה, שפלטו גלקסיות גמדיות בתקופת היינון מחדש, חיממה את הגז הקוסמי ודיכאה את היווצרותן של גלקסיות חדשות בעלות מסה נמוכה. כיצד התפתח מצב זה עם הזמן? אילו מהגלקסיות הגמדיות שאנו רואים היום היו קיימות כבר בהתחלה? אלו הן רק כמה מן השאלות הרבות שהתשובות להן מצויות בעידן האפל.