בקטנה: סיפורם המרתק של הקוואזרים, העצמים הבהירים ביקום ומהעתיקים שבו, שלמרות גילם המופלג עדיין מסוגלים לספק תגליות מפתיעות.
אותות מן השמיים
קרל ג'נסקי, פיזיקאי ומהנדס מערכות רדיו במעבדות "בל" שבניו ג'רזי, קיבל בשנת 1932 במסגרת פרויקט להקמת מערכת רדיו-טלפון טרנס-אטלנטית, את המשימה לחקור ולסווג מקורות הפרעה אפשריים לשיטת תקשורת זו. המערכת תוכננה לעבוד בתחום הספקטרום המכונה "גלים קצרים" (וגם "ת"ג – תדר גבוה"), בתדר 20.5MHz. בתחום זה גלי הרדיו מוחזרים משכבת האטמוספירה הגבוהה, הנקראת יונוספירה, ואינם עוברים אל החלל, ולכן ניתן להשתמש בו לטווחים ארוכים – ולמעשה, מכל נקודה לכל נקודה על פני כדור הארץ. לצורך המשימה בנה ג'נסקי אנטנה שקוטרה כ-30 מטרים וגובהה 6 מטרים, שהותקנה על גבי בסיס מסתובב ב-360 מעלות לשם קליטת גלי רדיו בתחום הנ"ל, מתקן שקיבל את הכינוי "הסחרחרה של ג'נסקי". לאחר מספר חודשי האזנה והקלטה של אותות מכיוונים רבים, סיווג ג'נסקי את אותות ההפרעות הנקלטים לשלושה סוגים: סופות רעמים קרובות, סופות רעמים רחוקות, ורעש רקע יציב ממקור לא ידוע.
ג'נסקי הקדיש כמעט שנה לחקר הסוג השלישי של ההפרעה. הוא הבחין שעוצמתו של זה משתנה במחזוריות יומית ולכן הניח שאות זה מגיע מן השמש, כחלק מספקטרום הקרינה האלקטרומגנטית שלה. אולם, לאחר מספר חודשי מעקב, התברר שמקור האות נע לאיטו הרחק מן השמש; למעשה, זמן המחזור הנמדד של האות היה 23 שעות ו-56 דקות, שווה למשכה של היממה הכוכבית (Sidereal day) הקצרה בארבע דקות מן היממה השמשית (Solar day).
מה ההבדל בין השתיים? היממה השמשית, המוכרת לנו מחיי היום-יום ומשכה 24 שעות, נמדדת לפי הזמן מצהרי יום אחד עד צהרי היום הבא אחריו, כלומר, בין שני מועדים עוקבים של הופעת השמש בנקודה הגבוהה ביותר בשמיים. אולם, בזמן זה נע כדור הארץ במסלולו סביב השמש מרחק זוויתי של כמעט מעלה אחת (יום אחד מתוך 365 ימים בשנה הוא בערך 0.986 מעלות מתוך 360 המהוות את המסלול המלא). לכן, מיקום השמש ביחס לכדור הארץ משתנה קצת ועליו להסתובב מעט יותר מסיבוב מלא (כארבע דקות) כדי שאותה נקודה בכדור הארץ תימצא שוב בצהרי היום. לעומת זאת, יממה כוכבית נמדדת ביחס לכוכבים קבועים בשמיים ("כוכבי השבת"). כלומר, הזמן החולף מצפייה בכוכב מסוים במיקום מוגדר בלילה אחד, לצפייה בו באותו מיקום בלילה העוקב. זמן זה קצר יותר מן היממה השמשית, משום שמרחקם של הכוכבים מאתנו גדול בהרבה מזה של השמש, ולכן השפעת תנועת כדור הארץ במסלולו ביממה אחת על מיקומו ביחס אליהם זניחה.
ג'נסקי הבין מתוך המדידות שערך שמקור האות אינו בשמש, אלא מרוחק הרבה יותר. הוא השווה את מיקומו הנמדד במועדים שונים עם מפות אסטרונומיות והגיע למסקנה שמקורו בגלקסיית שביל החלב, ושיא עוצמתו נמדד בתצפית לכיוון מרכזה, בקבוצת הכוכבים "מזל קשת" (Sagittarius). תגליתו של ג'נסקי זכתה לפרסום מידי בעיתונות, כמו גם בכתבי עת מקצועיים של הנדסת הרדיו, ואסטרונומים אחדים ביקשו להמשיך ולחקור את תגליותיו. אולם, מכיוון שג'נסקי לא היה אסטרונום, כמו גם העובדה שתגליתו התפרסמה בשיאם של ימי השפל הכלכלי הגדול, תקופה שבה תקציבי המחקר המדעי היו מדולדלים ממילא, מוסדות מחקר ומצפי כוכבים היססו לקחת את הסיכון שבתחום מחקר חדש. גם מעבדות "בל" דחו את הצעתו של ג'נסקי להקים אנטנה גדולה נוספת לצורך המשך המחקר, בנימוק שהאותות שנתגלו לא ישפיעו על תפקוד מערכת הרדיו-טלפון. ג'נסקי עבר לעבוד בפרויקט אחר ולא עסק עוד ברדיו-אסטרונומיה, אך כיום הוא נחשב לאחד ממייסדי התחום, ויחידת המידה לעוצמת מקור רדיו שמימי נקראת על שמו.
מקורות רדיו דמויי כוכבים
בשנות ה-50 החל מדע הרדיו-אסטרונומיה להתעורר מחדש. אסטרונומים במדינות שונות החלו להשתמש באנטנות צלחת גדולות שכונו "רדיו-טלסקופים" לצורך חקר מקורות רדיו שמימיים וזיהויים עם כוכבים נראים. הם חקרו שוב את מקורות הרדיו של גלקסיית שביל החלב וגילו נוספים מחוץ לה. חלק ממקורות אותות הרדיו שהתגלו לא תאמו במיקומם לשום גרם שמיים בתחום האור הנראה; הללו קיבלו את הכינוי "מקורות רדיו דמויי כוכבים", באנגלית "Quasi-Stellar Radio Sources" ובקיצור ,Quasars הם הקוואזרים, כיוון שהאותות הגיעו ממיקומים מוגדרים בשמיים, כאילו היו כוכבים. לאחר שנים של מחקר, התברר שמקורות אלה פולטים קרינה אלקטרומגנטית בתחום נרחב, ולא רק של גלי רדיו. הסיבה להיווצרות קרינה זו היא קיומם של חלקיקים תת-אטומיים (פרוטונים ואלקטרונים) המואצים למהירויות הקרובות למהירות האור (הנקראות יחסותיות, משום שהשפעות תורת היחסות הופכות למשמעותיות בהן). עם זאת, טיבם של הקוואזרים לא היה ברור עד שנת 1963, אז הצליחו הרדיו-אסטרונום האוסטרלי ג'ון בולטון והאסטרונום ההולנדי מרטין שמידט לזהות את מיקומו של "3C 273 ", אחד משני הקוואזרים הראשונים שנתגלו. באמצעות הטלסקופ האופטי שבהר פלומר בקליפורניה (טלסקופ בקוטר חמישה מטרים, שהיה הגדול בעולם בזמנו) הצליחו השניים לצפות בעצם כזה ולנתח את ספקטרום האור הנפלט ממנו. שמידט זיהה שקווי הספקטרום של 3 C 273 היו בעצם תואמים לספקטרום של אטום המימן, אך מוסטים לאדום בשיעור של 15.8% מזה הנמדד על פני כדור הארץ. חוק האבל, על שמו של האסטרונום אדווין האבל, קובע שמידת ההיסט לאדום של אורן של גלקסיות מרוחקות (אלה שמרחקן לפחות 33 מיליון שנות אור מאיתנו) עולה ביחס למרחקן ומהווה מדד למהירות התרחקותן, שגם היא הולכת ועולה. לפי מדידותיו של שמידט, 3C 273  נמצא במרחק של כ-2.5 מיליארד שנות אור, ומתרחק במהירות של כ-47,000 ק"מ לשניה.
בהמשך למחקרו של שמידט, הצליחו אסטרונומים נוספים לצפות בקוואזרים בתחום האור הנראה. הקוואזרים פעילים בגלקסיות אשר במרכזן נמצא חור שחור המכונה "סופר מסיבי", שמסתו נעה בין מספר מיליוני ועד מיליארדי מסות שמש. חורים שחורים אלה שואבים לתוכם בקצב עצום חומר הנמצא בקרבתם ונע סביבם באזור המכונה "דיסקת הספיחה"; קצב זה יכול להגיע עד מספר מסות שמש בשנה. החומר הנופל לעבר החור השחור נע במסלול ספירלי, מואץ למהירויות גבוהות עקב כוח משיכתו העצום של החור השחור, וחלקיקיו מתחככים זה בזה בעוצמה גבוהה ומתחממים לטמפרטורה של מיליוני מעלות צלסיוס, הגורמת להם לפלוט קרינה בתחום תדר רחב ובעוצמה גבוהה. קרינה זו מאיצה את החלקיקים התת-אטומיים ויוצרת שני "סילונות פליטה" הנעים במהירויות יחסותיות, ומגיעים לאורך של אלפי עד עשרות אלפי שנות אור בניצב למישור הגלקסיה. סילונות אלו של חלקיקים מואצים הם הפולטים את גלי הרדיו וקרינה בתחומים נוספים, המאפיינים את הקוואזרים.
העצמים הבהירים ביקום
עוצמת האנרגיה הנפלטת מן הקוואזרים הופכת אותם לעצמים הבהירים ביותר ביקום מבחינת עוצמה מוחלטת (עוצמה מוחלטת באסטרונומיה מוגדרת כעוצמת האור של העצם ממרחק של 10 פארסק, או 32.6 שנות אור. לו היה 3C 273  נמצא במרחק זה מכדור הארץ, עוצמתו הנראית לנו הייתה בערך כמו של השמש. העוצמה הנראית, לעומת זאת, היא עוצמת האור הנקלט בתצפית מכדור הארץ) עוצמתם של הקוואזרים שנתגלו נעה בין פי 10 לפי 100,000 מעוצמת האור של כל כוכבי שביל החלב יחד). בהמשך המחקר נתגלה שרק 10% מן הגלקסיות בעלות גרעין פעיל (Active Galactic Nucleus) הכולל חור שחור סופר מסיבי ומנגנון פליטת אנרגיה הנוצרת עקב נפילת חומר לתוכו פולטות גלי רדיו. הם קיבלו את הכינוי "QSO" או "עצמים דמויי כוכבים" (Quasi Stellar Objects) אולם השם ההיסטורי נותר בשימוש עד ימינו. חלק מן הקוואזרים מכונים "בלאזארים" והללו הם בעלי עוצמת האור המוחלטת הגבוהה ביותר. לפי אחת הסברות, הללו הם קוואזרים שאחד מסילוני הפליטה שלהם מכוון ישירות אלינו, ועיקר הפליטה שלהם הוא בתחום הנראה או בסביבתו, ולכן מתקבלת עוצמה זו.
היקום המשתנה ומפתיע ללא הרף
הקוואזרים הם מהעצמים המרוחקים ביותר מאיתנו ביקום, ובשל כך בין העתיקים ביותר. לדוגמה,ULAS J1120+0641 , שנתגלה ב-2011, מרוחק מאיתנו 12.9 מיליארד שנות אור, והוא נראה כפי שהיה כ-770 מיליון שנים לאחר המפץ הגדול (אורו הנראה יצא לדרכו כ-8 מיליארד שנים לפני תחילת היווצרות מערכת השמש). לכן, עד לפני מספר שנים מקובל היה לחשוב שהקוואזרים הם תופעה האופיינית ליקום המוקדם. בנוסף, מרבית התהליכים והאירועים האסטרונומיים והקוסמולוגיים נמשכים הרבה מעבר לתוחלת חייו של אדם ואנו רגילים לתמונת יקום יציבה, לפחות כשמדובר בסקאלות זמן של שנים עד עשרות שנים. ואולם, תצפיות שנערכו בשנים האחרונות גילו מספר התרחשויות מפתיעות ומהירות בפעילותם של קוואזרים, המלמדות דברים חדשים על טיבם.
בשנת 2003 מדדו אסטרונומים בפרויקט SDSS – Sloan Digital Sky Survey (סקר השמיים הדיגיטלי ע"ש סלואן) את הספקטרום של הקוואזר J1011+5442 ובמיוחד את עוצמת הקו הספקטרלי, המכונה "מימן אלפא" ואשר ממנו ניתן להעריך את קצב נפילת החומר אל תוך החור השחור. הם חזרו על המדידה בתחילת 2015, ולהפתעתם גילו שעוצמת האור של הקוואזר ירדה בשיעור ניכר – ולפי החישוב קצב נפילת החומר אל החור השחור קטן פי 50. לפי עוצמת וספקטרום האור הנמדד, הקוואזר נראה כעת כגלקסיה רגילה.
בתחילה חיפשו האסטרונומים הסבר נוסף לשינוי המהיר בבהירות הקוואזר, ואחת האפשרויות שהועלו הייתה שענן גז בין-כוכבי נע בצורה כלשהי וחסם את קו הראייה בינו לכדור הארץ. נתונים שנאספו מטלסקופים נוספים במהלך השנים 2013 ו-2014 הראו שמרבית השינוי בבהירות הקוואזר התרחש בשנתיים אלה. לדברי החוקרים, מאוד בלתי סביר שענן גז בין-כוכבי נע מהר מספיק כדי לגרום לשינוי קיצוני זה בתוך שנתיים.
ההפתעה שבתגלית לא הייתה עצם דעיכתו של הקוואזר. ידוע היה מזה זמן שחורים שחורים שואבים לתוכם חומר הנמצא בקרבה מספקת אליהם, אולם כשסביבתם "מתנקה" התהליך נפסק, ואז הם נבלעים ברקע וקשה לגלותם, כיוון שאין יותר פליטת קרינה מחומר הנופל אליהם. ההערכה הייתה שתהליך זה נמשך אלפי עד עשרות אלפי שנים. העובדה שחור שחור סופר מסיבי כילה את החומר בדיסקת הספיחה שלו בתוך מספר שנים בודדות היא זו שמפתיעה. עובדה זו מעידה על מימדיו הקטנים יחסית של העצם שבמרכז הגלקסיה. כדי שתופעה זו תתרחש בזמן כה קצר יחסית, עליה להיות אחידה בכל תחום השפעתו, ולכן קוטרו המחושב של אותו חור שחור סופר מסיבי, היוצר את הקוואזר, יהיה מעט גדול יותר מזה של מערכת השמש לכל היותר.
תצפיות נוספות שנערכו בשנים האחרונות במסגרת פרויקטים אסטרונומיים אחרים גילו שעוד 11 קוואזרים דעכו בטווח זמן של מספר שנים. אך כשם שהתגלו קוואזרים ש"נכבו" התגלו גם כאלה שלפתע "נדלקו": תצפיות של הSDSS- ושל פרויקט אסטרונומי נוסף ,Pan-STARRS ,גילו חמש גלקסיות ידועות שהפכו בשנים האחרונות לקוואזרים, מתוכם אחת (022556.07+003026.7) שנצפתה דועכת זמן קצר לפני כן, אך החלה להאיר שוב, כל זה בפרק זמן של שנים ספורות.
הערכת האסטרונומים היא שכל גלקסיה שבמרכזה חור שחור סופר מסיבי אפשרי שהייתה בעבר קוואזר, או שתהפוך בעתיד להיות כזה – תלוי בכמות החומר הנמצא בקרבת החור השחור שיכול להישאב אל דיסקת הספיחה שלו. כאן המקום לחזור אל תגליתו של קרל ג'נסקי: בשנת 1974 ערכו האסטרונומים ברוס באליק ורוברט בראון תצפיות חוזרות לכיוון ממנו זיהה ג'נסקי את מקור גלי הרדיו השמימי, במרכז שביל החלב. הם גילו שמקור האות מגיע מעצם בעל בהירות גבוהה אך מימדים קטנים יחסית, ונתנו לו את הכינוי Sagittarius A* כשה-* בשם מציינת את העובדה שמקור הקרינה שלו הוא פליטת אור כתוצאה מעירור אטומים, תופעה דומה למה שמתרחש בחומר הנופל אל חורים שחורים. תצפיות נוספות בשנת 2002 אישרו שמדובר ככל הנראה בחור שחור סופר מסיבי, שמסתו בין 4.0 ל-4.7 מיליון מסות שמש, וקוטרו כ-6.7 מיליארד ק"מ, פחות מקוטר מסלולו של כוכב הלכת רהב (נפטון) סביב השמש. אם כן, גם במרכז גלקסיית שביל החלב קיים חור שחור סופר מסיבי, כזה המסוגל ליצור קוואזר, אולם כעת הוא כבוי כיוון שאין מסביבו דיסקת ספיחה. יתכן בהחלט שבעברה הרחוק של הגלקסיה הוא שאב לתוכו חומר ונראה כקוואזר. יתכן גם שבעוד 3-5 מיליארד שנים, כשגלקסיות אנדרומדה ושביל החלב יתמזגו לאחת, יגיע לסביבתו חומר חדש, והגלקסיה החדשה תיהפך לקוואזר רב עוצמה שייראה עם הזמן ברחבי היקום.

מקורות והרחבה:

• Karl Guthe Jansky
• What is a Quasar
• Quasars: brightest objects in the universe
• The MKI and the discovery of Quasars
• Most distant Quasar found
• Quasar
• Sagittarius A*
• A distant Quasar is moving violently to its next stage of life
• The case of the missing quasar
• Quiet quasar has apparently eaten its fill
• Astronomers catch a Quasar shutting off
• The discovery of the first “changing look” Quasar: new insights into the physics & phenomenology of AGN
• The case of the disappearing Quasars
• Quasars in distant galaxies caught switching on suddenly
• A systematic search for changing-look Quasars in SDSS

קרדיט לתמונה: ESO/M. Kornmesser

עריכה לשונית: שלומי ג'מו