שמיים זרועי גלקסיות

בלילות קיץ חשוכים במיוחד, בעיקר במדבר, הרחק מאורות העיר, במקומות שבהם הלחות נמוכה והשמיים צלולים, אפשר לראות שביל של אור שמתרומם מכיוון האופק הדרומי ודועך ככל שמבטנו עולה. לכתם האור המוארך הזה יש שמות רבים. העמים הפיניים והאסטוניים קראו לו "הדרך של הציפורים", מכיוון שראו שהציפורים נודדות דרומה בעקבות אותו אור בשמיים. היוונים כינו אותו "שביל החלב", ומהשם הזה נגזרה המילה "גלקסיה (גלקסיאס – עשוי חלב). כיום אנו קוראים גלקסיות לכל הקבוצות העצומות של הכוכבים שמרכיבים את היקום שלנו. אחת מהן היא שביל החלב, הגלקסיה שלנו שאנחנו רואים בשמי לילה.

מערכת השמש שלנו נמצאת בערך בשני שליש הדרך בין מרכז גלקסיית שביל החלב לקצה שלה, כוכב אחד מתוך כמאתיים מיליארד כוכבים שרק מעטים מאוד מהם אנו יכולים לראות בעין בלתי מזוינת. הגלקסיה בנויה כדיסק שטוח ורחב ובו כמה זרועות סלילוניות בהירות וביניהן ענני גז ואבק אפלים.

במרכז הגלקסיה נמצא אזור כדורי, מעין בליטה בלב הדיסק, שם נמצאים כוכבים עתיקים יחסית. כשאנחנו מביטים דרומה בשמי הקיץ אנחנו רואים את מרכז הגלקסיה – האזור שבו נמצא ריכוז הכוכבים הגבוה ביותר, ואנו יכולים לחזות בענני האבק הכהים שמסתירים מאתנו חלק מהאור של מאות מיליארדי הכוכבים.

קרובים רחוקים

כל הכוכבים שאנחנו רואים בעינינו בשמי הלילה נמצאים בגלקסיה שלנו, במרחק שלא עולה על כמה אלפי שנות אור מאתנו. בלילות חשוכים במיוחד אפשר להבחין גם בכתמי אור ערפיליים עמומים מאוד שנראים שונה מהכוכבים הסובבים אותם. בטלסקופים המתקדמים והרגישים ביותר לאור ניתן לזהות מיליארדי כתמי אור כאלה. אלו הן גלקסיות אחרות. חלקן קטנות משביל החלב ואחרות מכילות מאות מונים יותר כוכבים. ביקום הנראה יש כמאתיים מיליארד גלקסיות.

קוטר הדיסקה של שביל החלב הוא כ-180-100 אלף שנות אור ועוביה כאלפיים שנות אור. במרכז הגלקסיה נמצא חור שחור עצום, מסיבי פי מיליונים רבים מהשמש שלנו. המסה שלו היא רק חלק מזערי מהמסה של מיליארדי הכוכבים הנוספים במרכז הגלקסיה, שיחד מחזיקים בכוח המשיכה שלהם את כל הכוכבים, והאבק והגז המסתובבים סביבם בגלקסיה, כמו מערכת שמש עצומה.

בגלל הגודל העצום של הגלקסיה, השמש שלנו משלימה הקפה סביבה פעם במאתיים מיליון שנה. בפעם הקודמת שהשמש שלנו הייתה בצד הזה של הגלקסיה, הדינוזאורים רק החלו לתפוס את מקומם כצורת החיים הדומיננטית על פני כדור הארץ.

הגלקסיה הגדולה הקרובה ביותר אלינו, אנדרומדה, נמצאת כ-2.5 מיליוני שנות אור מאתנו. עוד כמה גלקסיות גמדיות מקיפות את שביל החלב ומכילות מיליוני כוכבים. הגלקסיות הרחוקות ביותר שנצפו בטלסקופים נמצאות מיליארדי שנות אור מאתנו, והאור שמגיע אלינו מהן כיום נוצר כשהיקום עוד היה צעיר, בן כמה מאות מיליוני שנים בלבד, והכוכבים הראשונים רק הופיעו.

אנו משלימים הקפה ב-200 מיליון שנה. הדמיה של גלקסיית שביל החלב | צילום: Science Photo Library

אנחנו על המפה

כבר ביוון העתיקה נעשו ניסיונות להבין מהו אותו שביל בהיר בשמיים. בהיעדר טלסקופים לא הייתה אפשרות לקבוע אם שביל החלב עשוי מכוכבים רחוקים כל כך שקשה להבדיל ביניהם והאור שלהם יוצר רצף בהיר, או שמא יש כאן תופעה הרבה יותר קרובה שמתרחשת בתוך האטמוספרה או בין כדור הארץ לירח. שביל החלב נראה זהה במקומות שונים על כדור הארץ, גם אם לאו דווקא באותו גובה מהאופק, כך שכבר היוונים הסיקו שהוא רחוק מאוד מפני כדור הארץ.

במאה ה-17, באמצעות הטלסקופ שבנה, הצליח גלילאו גליליי לזהות ששביל החלב אכן מורכב מכוכבים רבים, ופתח את הדרך למחקרים אסטרונומיים רבים. ב-1750 העלה האסטרונום האנגלי תומס רייט (Wright) את ההשערה שהגלקסיה מורכבת מכוכבים שמקיפים מרכז משותף של כוח משיכה מרכזי – כמו מערכת השמש אבל בקנה מידה הרבה יותר גדול. הניחוש שלו היה נכון, ו-35 שנה לאחר מכן ניסה ויליאם הרשל (Herschel) למפות את צורת הגלקסיה על ידי ספירת הכוכבים שאפשר לראות בכיוונים שונים בשמיים.

האסטרונומים של ראשית המאה ה-20 כבר ידעו לבנות מודלים מדויקים יותר של צורת שביל החלב וגודלו, על פי מדידות יותר ויותר מדויקות של המרחקים לכוכבים רבים בגלקסיה.

מיפוי הגלקסיה, והוויכוח בין האסטרונומים על צורתה ועל מקומה של מערכת השמש בתוך שביל החלב, היו רק ההתחלה. התעלומה הלכה וגדלה כשאסטרונומים החלו לחקור את התופעה שהייתה ידועה אז כ"ערפילית סלילונית".

בהדרגה התגלו בשמיים יותר ויותר ערפיליות. המפורסמות ביותר, שהיה אפשר לראות עוד בימי קדם, היו ערפילית אנדרומדה ו"העננים המגלניים". איש לא ידע להסביר עדיין ממה הן עשויות. האם אלה ענני גז קטנים ועמומים בתוך הגלקסיה שלנו? האם אלו קבוצות כוכבים רחוקות כל כך שהאור המגיע מהן נראה לנו חלש ומעורפל?

כבר באמצע המאה ה-18 ניחש רייט את התשובה הנכונה: הערפיליות מורכבות מכוכבים רבים, כמו הגלקסיה שלנו, והן נפרדות ורחוקות ממנה. הפילוסוף עמנואל קנט (Kant) קרא לקבוצות אלו "יקומי אִי", בשל ההנחה של רייט שהן מבודדות.

ככל שהטכנולוגיה התקדמה החלו לצוץ עדויות בעד ונגד תיאוריית יקומי האי. עם השיפור באיכות הטלסקופים יכלו אסטרונומים להבחין ביותר ויותר פרטים באנדרומדה: כוכבים בהירים מאוד שהיו חלק מהערפילית, וכן פסים חשוכים וזרועות מוארות בערפיליות שהזכירו מאוד את מבנה הגלקסיה שלנו.

היקום "מתרחב"

אסטרונומים רבים סירבו לקבל את התיאוריה והניחו שגלקסיית שביל החלב היא היקום כולו ושהערפיליות הסלילוניות הן חלק מהגלקסיה. טיעוניהם נשמעו משכנעים: אילו אנדרומדה הייתה גדולה כמו שביל החלב, הרי שהמרחק שלה משביל החלב צריך לעמוד על מיליוני שנות אור – מרחקים שנראו אז בלתי נתפסים.

היו גם תצפיות שהראו שערפילית הגלגל אכן מסתובבת בשמיים בתדירות שניתן למדוד. גלקסיה בגודל של אלפי שנות אור מסתובבת לאט מכדי שאפשר יהיה להבחין בסיבובה על פני שנים בודדות או אפילו אלפי שנים. אם התצפיות האלו נכונות היה ברור שהערפילית הזאת לא יכולה להיות גלקסיה רחוקה.

תגלית נוספת הייתה התפרצות של נובה בערפילית אנדרומדה, שבמשך כמה ימים הייתה בהירה יותר מהערפילית עצמה. באותה תקופה תופעת הנובה, שבה כוכב מתבהר פתאום לכמה ימים, הייתה מוכרת היטב והעובדה שנובה בודדת הייתה בהירה יותר מכל אנדרומדה נתפסה כעדות לכך שאנדרומדה לא יכולה להיות גלקסיה רחוקה. הרי נובה לא יכולה להאיר יותר ממיליארדי שמשות.

הוויכוח בין שני המחנות הגיע לשיאו ב-1920, כשהארלו שאפלי (Shapley), שטען שגלקסיית שביל החלב מכילה את כל הכוכבים והערפיליות שניתן לראות, התייצב לעימות פומבי מול הבר קרטיס (Curtis) שדגל בתיאוריית יקומי האי של רייט וקאנט. בדיון, שנערך במוזיאון הסמית'סוניאן בוושינגטון הבירה, ניסו שני הצדדים לשכנע את קהל האסטרונומים ואת הקהילה המדעית בצדקתם. אם שביל החלב היא הגלקסיה היחידה, אזי גודלה, שעומד על כמה עשרות אלפי שנות אור, הוא גודלו של היקום. לעומת זאת, אם כל אחת מהערפיליות, שחלקן קטנות ועמומות מאוד, היא גלקסיה שלמה, המרחק בינינו לבינן חייב להיות מיליוני או מיליארדים של שנות אור, והיקום הרבה יותר גדול. הדיון היה לא רק על טבען של הערפיליות, אלא על גודלו של היקום כולו.

חלק מהראיות שהציג שאפלי הופרכו בסופו של דבר. התברר שהמדידה של סיבוב גלקסיית הגלגל נבעה משגיאת מכשירים. הנובה שהתגלתה בערפילית אנדרומדה הייתה למעשה סופרנובה – תהליך הקריסה של כוכב מסיבי – שאכן יכולה להיות בהירה יותר מגלקסיה שלמה. למעשה, הגילוי של כמה נובות שהתפרצו בתוך אנדרומדה העניק חיזוק נוסף לתיאוריה של קרטיס. הוא טען שקצב הופעת הנובות בגלקסיה שלנו ידוע, והופעה של כל כך הרבה נובות בתוך הערפילית מעיד שהיא בעצמה גלקסיה שלמה, נפרדת משביל החלב.

בסופו של דבר מדידות מדויקות של המרחקים של כוכבים בתוך ערפיליות שכנות הראו שהן אכן רחוקות מאיתנו מיליוני שנות אור. הערפיליות הסלילוניות הוכתרו לבסוף כגלקסיות סלילוניות והיקום גדל מיליוני מונים.

שביל החלב נגד שאר היקום. הבר קרטיס (מימין) והרלו שייפלי - נציגי הצדדים בוויכוח הגדול | צילומים: Science Photo Library

גלקסיות מכל סוג וצורה

האסטרונום אדווין האבל (Hubble), שערך את מדידות המרחקים הללו, גם פיתח סיווג של גלקסיות שונות לפי צורתן. הסיווג הזה מסייע עד היום להבחין בין סוגים שונים של גלקסיות, שמעידים גם על ההרכב שלהן, ההיסטוריה של היווצרותן והתפתחותן לאורך זמן.

גלקסיות סלילוניות, כמו שביל החלב שלנו, הן הסוג המפורסם ביותר: כשאנחנו חושבים על גלקסיה מיד עולה בדעתנו תמונה של זרועות סלילוניות היוצאות ממרכז בהיר. הזרועות האלו הן אזורים שבהם נוצרים כוכבים – יש בהן יחסית הרבה כוכבים צעירים ובהירים. בין הזרועות יש נתיבים של גז ואבק שבולעים את האור ונראים לנו כהים יותר. במרכז הגלקסיות הללו יש אזור כדורי שבו הכוכבים צפופים במיוחד, ורובם עתיקים הרבה יותר מאלה שבזרועות.

גלקסיות אליפטיות הן הסוג השני שהאבל סיווג. אין להן זרועות סלילוניות והן נראות במבט ראשון כאילו כל מה שיש בהן זו הבליטה המרכזית ותו לאו. אולם מחקרים עדכניים מראים שהגלקסיות האליפטיות אינן סתם בליטה מרכזית שאיבדה את זרועותיה, ושתהליכי ההיווצרות של הגלקסיות הרבה יותר מורכבים. גלקסיות אליפטיות יכולות להיות הרבה יותר גדולות מאחיותיהן הסלילוניות, והן מכילות בעיקר כוכבים זקנים ורק מעט אזורים של יצירת כוכבים חדשים.

הסוג השלישי הוא גלקסיות חסרות סיווג והן כוללות את כל הצורות המוזרות שאינן נופלות לאחת משתי הקטגוריות הראשונות. דווקא הן מגלות לנו הכי הרבה על האבולוציה של הגלקסיות. בדרך כלל הן מקבלות את הצורות המוזרות שלהן בזמן התנגשות עם גלקסיות שכנות.

זרועות סלילוניות היוצאות ממרכז בהיר. הגלקסיה הסלילונית אנדרומדה שעמדה במוקד הוויכוח הגדול | צילום: Science Photo Library

במסלול התנגשות

בגלל המסה האדירה שלהן, גלקסיות מפעילות כוח משיכה חזק גם במרחק של מאות אלפי שנות אור. למעשה, די במעבר קרוב מספיק של גלקסיות שכנות כדי לשנות לגמרי את צורתן.

אמנם התנועות האלה אורכות מאות מיליוני שנים, אבל אפשר למצוא דוגמאות רבות של בשלבים שונים של אינטראקציה עם גלקסיה שכנה. גלקסיות גדולות "אוכלות" גלקסיות קטנות מהן, גלקסיות עוברות זו דרך זו ומייצרות עיוותים בצפיפות ובפיזור של הכוכבים והגז שבהן; גלקסיות שכנות יכולות לגרום לזליגה של כוכבים וגז אחת לתוך השנייה אפילו בלי מגע ישיר ביניהן. יש אינספור דוגמאות. אפילו הגלקסיה שלנו עלולה להתנגש בעוד כמה מיליארדי שנים בגלקסיית אנדרומדה, שמתקרבת אלינו כבר עכשיו.

למעשה, התנגשות של גלקסיות היא חלק בלתי נפרד מהתפתחותן. כוח המשיכה בין גלקסיות יכול ליצור גלים של צפיפות גבוהה שנעים דרך הגז הדליל של הגלקסיה ויכולים להביא אותו לצפיפות גבוהה מספיק בשביל שיתחיל לקרוס לתוך עצמו. התוצאה היא צפיפות גבוהה של גז וייצור של כוכבים חדשים.

התנגשות כזו יכולה גם להכניס גז וכוכבים למרכז הגלקסיה ולהזין את החור השחור שבמרכזה, וכך לגרום לפליטה של קרינה בעוצמות אדירות שאפשר למדוד מהקצה השני של היקום. כך נוצרות "גלקסיות פעילות", שיכולות לפלוט קרני רנטגן וגלי רדיו למרחקים עצומים. אפשר לגלות גלקסיות פעילות רחוק יותר מכל גוף אחר ביקום הנראה.

לבסוף, קיימות גם גלקסיות גמדיות, המכילות "רק" כמה מיליארדי כוכבים ויכולות להקיף גלקסיות גדולות יותר במסלולים של מיליארדי שנים. לגלקסיית שביל החלב יש כמה גלקסיות גמדיות המקיפות אותה, כגון העננים המגלניים שאפשר לראות אפילו בעין בלתי מזוינת בלילות חשוכים במיוחד, אבל רק מחצי הכדור הדרומי.

אם כך, גלקסיית שביל החלב שלנו, המכילה כל כך הרבה כוכבים, גדולה עד כדי כך שבמשך שנים היה נראה שהיא כל היקום כולו. כיום אנו יודעים שהיא רק אחת מתוך מאות מיליארדי גלקסיות ביקום עצום לאין שיעור, שכל אחת מהן מכילה מאות מיליארדי כוכבים. חשבו על זה בפעם הבאה שתבלו ליל קיץ חשוך מתחת לאורו של שביל החלב.