تلسكوب ويب الفضائي يجد المجرات التي تتحدى النظريات الفلكية

تم التأكد من وجود المجرتين الثانية والرابعة الأكثر بعدًا على الإطلاق (UNCOVER z-13 وUNCOVER z-12) باستخدام كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة من تلسكوب جيمس ويب الفضائي (NIRCam). تقع المجرات في عنقود باندورا (Abell 2744)، وتظهر هنا كأطوال موجية قريبة من الأشعة تحت الحمراء للضوء والتي تمت ترجمتها إلى ألوان الضوء المرئي. تم تحديد مقياس الصورة العنقودية الرئيسية بالثواني القوسية، وهو مقياس للمسافة الزاوية في السماء. تشير الدوائر الموجودة في الصور بالأبيض والأسود، والتي تُظهر المجرات الموجودة في نطاق مرشح NIRCam-F277W الموجود على متن تلسكوب جيمس ويب، إلى حجم فتحة يبلغ 0.32 ثانية قوسية. المصدر: الصورة العنقودية: NASA, UNCOVER (Bezanson et al., DIO: 10.48550/arXiv.2212.04026) الإدخالات: NASA, UNCOVER (Wang et al., 2023) التركيب: داني زيمبا/ ولاية بنسلفانيا

أكدت عمليات الرصد اللاحقة في عنقود باندورا وجود المجرتين الثانية والرابعة الأكثر بعدًا على الإطلاق، وهي أكبر من المجرات الأخرى الموجودة في مثل هذه المسافات القصوى.

تم اكتشاف المجرتين الثانية والرابعة الأكثر بعدًا على الإطلاق في منطقة من الفضاء تُعرف باسم مجموعة باندورا، أو أبيل 2744، وذلك باستخدام بيانات من ناسا‘س تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST). وفي متابعة صورة ميدانية عميقة للمنطقة (انظر الصورة أدناه)، أكد فريق دولي بقيادة باحثين من ولاية بنسلفانيا بعد هذه المجرات القديمة واستدل على خصائصها باستخدام بيانات طيفية جديدة – معلومات عن الضوء المنبعث عبر الطيف الكهرومغناطيسي – من JWST. على بعد حوالي 33 مليار سنة ضوئية، تقدم هذه المجرات البعيدة بشكل لا يصدق نظرة ثاقبة حول كيفية تشكل المجرات الأولى.

المظهر الفريد والأهمية

وعلى عكس المجرات الأخرى المؤكدة على هذه المسافة والتي تظهر في الصور كنقاط حمراء، فإن المجرات الجديدة أكبر حجما وتظهر مثل حبة الفول السوداني والكرة الرقيقة، وفقا للباحثين. تظهر ورقة تصف المجرات اليوم (13 نوفمبر) في المجلة رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.

يقدر علماء الفلك وجود 50000 مصدر للضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء ممثلة في هذه الصورة الميدانية العميقة لمجموعة باندورا من تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا. وقد قطع ضوءها مسافات متفاوتة ليصل إلى كاشفات التلسكوب، وهو ما يمثل اتساع الفضاء في صورة واحدة. الائتمان: العلوم: ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الكندية، إيفو لابي (سوينبورن)، راشيل بيزانسون (جامعة بيتسبرغ)، معالجة الصور: أليسا باغان (STScI)

قال المؤلف الأول بينجي وانغ، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة بنسلفانيا: “لا يُعرف سوى القليل جدًا عن الكون المبكر، والطريقة الوحيدة للتعرف على ذلك الوقت واختبار نظرياتنا حول تكوين المجرات ونموها المبكر هي من خلال هذه المجرات البعيدة جدًا”. كلية الدولة إيبرلي للعلوم وعضو في فريق JWST UNCOVER (ملاحظات Ultradeep NIRSpec وNIRCam قبل عصر إعادة التأين) التي أجرت البحث. “قبل تحليلنا، كنا نعرف فقط ثلاث مجرات مؤكدة على هذه المسافة القصوى. لقد كشفت دراسة هذه المجرات الجديدة وخصائصها عن تنوع المجرات في الكون المبكر ومدى ما يمكن تعلمه منها.

رؤى في الكون المبكر

ولأن الضوء المنبعث من هذه المجرات كان عليه أن يسافر لفترة طويلة للوصول إلى الأرض، فإنه يوفر نافذة على الماضي. ويقدر فريق البحث أن الضوء الذي اكتشفه تلسكوب جيمس ويب الفضائي انبعث من المجرتين عندما كان عمر الكون حوالي 330 مليون سنة، وسافر لحوالي 13.4 مليار سنة ضوئية للوصول إلى تلسكوب جيمس ويب الفضائي. لكن الباحثين قالوا إن المجرات حاليا أقرب إلى 33 مليار سنة ضوئية من الأرض بسبب توسع الكون خلال هذه الفترة.

وقال جويل ليجا، الأستاذ المساعد في علم الفلك والفيزياء الفلكية في ولاية بنسلفانيا وعضو في UNCOVER: “الضوء الصادر من هذه المجرات قديم، أقدم من الأرض بحوالي ثلاث مرات”. “تشبه هذه المجرات المبكرة المنارات، حيث ينفجر الضوء عبر غاز الهيدروجين الرقيق جدًا الذي كان يشكل الكون المبكر. ومن خلال ضوءها فقط يمكننا أن نبدأ في فهم الفيزياء الغريبة التي حكمت المجرة بالقرب من الفجر الكوني.

باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، اكتشف العلماء مجرتين بعيدتين في مجموعة باندورا، مما يوفر رؤى جديدة حول الكون المبكر. هذه المجرات، الفريدة من حيث الحجم والمظهر، تتحدى فهمنا لتكوين المجرات في بداية الكون. الائتمان: ناسا

ومن الجدير بالذكر أن المجرتين أكبر بكثير من المجرات الثلاث الموجودة سابقًا على هذه المسافات البعيدة. أحدهما أكبر بست مرات على الأقل ويبلغ عرضه حوالي 2000 سنة ضوئية. للمقارنة، درب التبانة يبلغ عرض المجرة حوالي 100.000 سنة ضوئية، لكن يعتقد وانغ أن الكون المبكر كان مضغوطًا للغاية، لذلك من المدهش أن تكون المجرة بهذا الحجم.

وقال وانغ: “المجرات المكتشفة سابقًا على هذه المسافات هي مصادر نقطية، فهي تظهر كنقطة في صورنا”. “لكن واحدة منا تبدو ممدودة، تقريبًا مثل حبة الفول السوداني، والأخرى تبدو مثل كرة رقيقة. ومن غير الواضح ما إذا كان الاختلاف في الحجم يرجع إلى كيفية تشكل النجوم أو ما حدث لها بعد تشكلها، لكن التنوع في خصائص المجرات مثير للاهتمام حقًا. ومن المتوقع أن تكون هذه المجرات المبكرة قد تشكلت من مواد مماثلة، لكنها تظهر بالفعل علامات على أنها مختلفة تمامًا عن بعضها البعض.

مناهج البحث العلمي

كانت المجرتان من بين 60 ألف مصدر للضوء في عنقود باندورا تم اكتشافها في واحدة من أولى صور الحقل العميق التي التقطها تلسكوب جيمس ويب الفضائي خلال عام 2022، وهو العام الأول من العمليات العلمية. تم اختيار هذه المنطقة من الفضاء جزئيًا لأنها تقع خلف العديد من مجموعات المجرات التي تخلق تأثير تكبير طبيعي يسمى عدسة الجاذبية. تعمل قوة الجاذبية للكتلة المجمعة للعناقيد على تشويه الفضاء المحيط بها، مما يؤدي إلى تركيز وتضخيم أي ضوء يمر بالقرب منها وتوفير رؤية مكبرة خلف العناقيد.

وفي غضون أشهر، قام فريق UNCOVER بتضييق نطاق مصادر الضوء البالغ عددها 60.000 إلى 700 مصدر مرشح لمتابعة الدراسة، ويعتقد أن ثمانية منها يمكن أن تكون من بين المجرات الأولى. بعد ذلك، أشار تلسكوب جيمس ويب الفضائي مرة أخرى إلى عنقود باندورا، مسجلًا أطياف المرشحين، وهو نوع من بصمات الأصابع التي توضح بالتفصيل كمية الضوء المنبعث عند كل طول موجي.

وقال ليجا: “تستخدم عدة فرق مختلفة أساليب مختلفة للبحث عن هذه المجرات القديمة، ولكل منها نقاط القوة والضعف الخاصة بها”. “حقيقة أننا نشير إلى هذه العدسة المكبرة العملاقة في الفضاء تعطينا نافذة عميقة بشكل لا يصدق، لكنها نافذة صغيرة جدًا لذا كنا نرمي النرد. لم يكن العديد من المرشحين حاسمين، وكان واحد منهم على الأقل حالة خطأ في تحديد الهوية، فقد كان شيئًا أقرب بكثير ويحاكي مجرة ​​بعيدة. لكننا كنا محظوظين، واتضح أن اثنتان منهما هما هذه المجرات القديمة. إنه أمر لا يصدق.”

الخصائص والآثار

استخدم الباحثون أيضًا نماذج تفصيلية لاستنتاج خصائص هذه المجرات المبكرة عندما بعثت الضوء الذي اكتشفه تلسكوب جيمس ويب الفضائي. وكما توقع الباحثون، كانت المجرتان شابتين، وكان تركيبهما يحتوي على القليل من المعادن، وكانتا تنموان بسرعة وتشكلان النجوم بشكل نشط.

وقال ليجا: “تشكلت العناصر الأولى في نوى النجوم المبكرة من خلال عملية الاندماج”. “من المنطقي أن هذه المجرات المبكرة لم يكن لديها عناصر ثقيلة مثل المعادن لأنها كانت من أوائل المصانع التي قامت ببناء تلك العناصر الثقيلة. وبطبيعة الحال، يجب أن تكون صغيرة وتتشكل النجوم لتكون المجرات الأولى، ولكن تأكيد هذه الخصائص هو اختبار أساسي مهم لنماذجنا ويساعد في تأكيد النموذج الكامل للمجرات. الانفجار العظيم نظرية.”

وأشار الباحثون إلى أنه، إلى جانب عدسة الجاذبية، يجب أن تكون أدوات الأشعة تحت الحمراء القوية في تلسكوب جيمس ويب الفضائي قادرة على اكتشاف المجرات على مسافة أبعد، إذا كانت موجودة.

وقال ليجا: “كانت لدينا نافذة صغيرة جدًا على هذه المنطقة، ولم نرصد أي شيء خارج هاتين المجرتين، على الرغم من أن تلسكوب جيمس ويب الفضائي لديه القدرة”. “وهذا قد يعني أن المجرات لم تتشكل قبل ذلك الوقت، وأننا لن نجد أي شيء أبعد. أو قد يعني ذلك أننا لم يحالفنا الحظ بما فيه الكفاية بسبب نافذتنا الصغيرة.

كان هذا العمل نتيجة لاقتراح ناجح تم تقديمه إلى ناسا يقترح كيفية استخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي خلال عامه الأول من العمليات العلمية. في الدورات الثلاث الأولى من التقديمات، تلقت ناسا مقترحات أكثر بأربعة إلى عشرة أضعاف مما يسمح به وقت المراقبة المتاح على التلسكوب، وكان عليها اختيار جزء فقط من تلك المقترحات.

قال ليجا: “كان فريقنا متحمسًا للغاية وفوجئ قليلاً عندما تم قبول اقتراحنا”. “لقد اشتمل الأمر على التنسيق، والعمل البشري السريع، وتوجيه التلسكوب إلى نفس الشيء مرتين، وهو أمر كثير يمكن طلبه من التلسكوب في عامه الأول. كان هناك الكثير من الضغط لأنه لم يكن أمامنا سوى بضعة أشهر لتحديد الأشياء التي يجب متابعتها. ولكن تم إنشاء تلسكوب جيمس ويب الفضائي للعثور على هذه المجرات الأولى، ومن المثير جدًا القيام بذلك الآن.

المرجع: “الكشف: إلقاء الضوء على الكون المبكر — تأكيد JWST/NIRSpec لـ z> 12 مجرة” بقلم بينجي وانج، 冰洁 王، سيجي فوجيموتو، إيفو لابي، لوكاس جيه. فورتاك، تيم بي ميلر، ديفيد جيه. سيتون، آدي زيترين، حكيم عتيق، راشيل بيزانسون، غابرييل برامر، جويل ليجا، باسكال أ. أوش، سيدونا إتش. برايس، إيرينا تشيميرينسكا، سام إي. كاتلر، براتيكا ديال، بيتر فان دوكوم، أندي دي جولدينج، جيني إي. جرين، واي. فوداموتو، جوراف خلار، فاسيلي كوكوريف، دانيلو مارشيسيني، ريتشارد بان، جون آر ويفر، كاثرين إي ويتاكر وكريستينا سي ويليامز، 13 نوفمبر 2023، رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.
دوى: 10.3847/2041-8213/acfe07

وبالإضافة إلى ولاية بنسلفانيا، يضم الفريق باحثين من جامعة تكساس أوستن، وجامعة سوينبيرن للتكنولوجيا في أستراليا، وجامعة بن غوريون في النقب في إسرائيل، وجامعة بن غوريون في النقب في إسرائيل. جامعة ييل، جامعة بيتسبرغ، جامعة السوربون في فرنسا، جامعة كوبنهاجن في الدنمارك، جامعة جنيف في سويسرا، جامعة ماساتشوستس، جامعة جرونينجن في هولندا، جامعة برينستونوجامعة واسيدا في اليابان وجامعة تافتس والمختبر الوطني لأبحاث علم الفلك البصري بالأشعة تحت الحمراء (NOIR).

تم دعم هذا العمل من قبل وكالة ناسا، ومؤسسة العلوم الثنائية الأمريكية الإسرائيلية، ومؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية، ووزارة العلوم والتكنولوجيا الإسرائيلية، والمركز الوطني الفرنسي لدراسات الفضاء، والمعهد الوطني الفرنسي لعلوم الأرض وعلم الفلك، ومركز الأبحاث. مؤسسة التقدم العلمي، ومجلس البحوث الهولندي، والمفوضية الأوروبية وجامعة جرونينجن في التمويل المشترك لبرنامج روزاليند فرانكلين، والمرصد الفلكي الوطني في اليابان، ومختبر NOIR.