ويب يكتشف مجرات قديمة تتحدى التفسير

ناسا‘س تلسكوب جيمس ويب الفضائي كشفت عن أجسام غامضة في الكون المبكر تتحدى النظريات الحالية للمجرات والكواكب الهائلة. ثقب اسود تطور.

تحتوي هذه الأجسام على نجوم قديمة وثقوب سوداء ضخمة، أكبر بكثير من المتوقع، مما يشير إلى شكل سريع وغير تقليدي لتكوين المجرات المبكرة. تسلط النتائج الضوء على التناقضات الكبيرة مع النماذج الحالية، وتشير الخصائص الفريدة للأجسام إلى تاريخ كوني مبكر معقد.

اكتشاف مذهل في بداية الكون

أكد اكتشاف حديث لتلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لوكالة ناسا أن الأجسام المضيئة الحمراء للغاية التي تم اكتشافها سابقًا في الكون المبكر تتحدى الأفكار الراسخة حول أصول وتطور المجرات وثقوبها السوداء الهائلة.

بقيادة باحثين من ولاية بنسلفانيا وباستخدام أداة NIRSpec على JWST كجزء من مسح RUBIES، حدد الفريق الدولي ثلاثة أجسام غامضة يعود تاريخها إلى 600-800 مليون سنة بعد الانفجار العظيم، في وقت كان فيه عمر الكون 5% فقط من عمره الحالي. وأعلنوا عن الاكتشاف في 27 يونيو في مجلة رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.

قام العلماء بتحليل القياسات الطيفية، أو شدة أطوال الموجات المختلفة للضوء المنبعث من الأجسام. ووجد تحليلهم بصمات لنجوم “قديمة”، عمرها مئات الملايين من السنين، وهي أقدم بكثير مما كان متوقعًا في الكون الشاب.

يقدم تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) نافذة على الماضي البعيد للكون، حيث يلتقط صورًا لأولى المجرات والنجوم في الكون والتي تشكلت منذ أكثر من 13.5 مليار سنة. حقوق الصورة: وكالة ناسا-مركز جودارد لعلوم الفضاء، أدريانا م. جوتيريز (مختبر سي آي)

اكتشافات غير متوقعة في التطور المجري

وقال الباحثون إنهم فوجئوا أيضًا باكتشاف علامات لثقوب سوداء هائلة الكتلة في نفس الأجسام، ويقدرون أنها أكبر بمقدار 100 إلى 1000 مرة من الثقب الأسود الهائل الكتلة في مجرتنا. درب التبانةولا يُتوقع حدوث أي من ذلك في النماذج الحالية لنمو المجرات وتشكل الثقوب السوداء الهائلة، والتي تتوقع نمو المجرات وثقوبها السوداء معًا على مدى مليارات السنين من تاريخ الكون.

قال بينجي وانج، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة ولاية بنسلفانيا والمؤلف الرئيسي للدراسة: “لقد أكدنا أن هذه الأجسام تبدو مليئة بالنجوم القديمة – التي يبلغ عمرها مئات الملايين من السنين – في كون يبلغ عمره 600-800 مليون سنة فقط. ومن اللافت للنظر أن هذه الأجسام تحمل الرقم القياسي لأقدم بصمات ضوء النجوم القديم”. “كان من غير المتوقع تمامًا العثور على نجوم قديمة في كون صغير جدًا. كانت النماذج القياسية لعلم الكونيات وتكوين المجرات ناجحة بشكل لا يصدق، ومع ذلك، فإن هذه الأجسام المضيئة لا تتناسب بشكل مريح مع هذه النظريات”.

اكتشف الباحثون الأجسام الضخمة لأول مرة في يوليو 2022، عندما تم إصدار مجموعة البيانات الأولية من JWST. نشر الفريق ورقة بحثية في طبيعة وبعد عدة أشهر تم الإعلان عن وجود هذه الأشياء.

التحديات في المراقبة الكونية

في ذلك الوقت، اشتبه الباحثون في أن هذه الأجسام عبارة عن مجرات، لكنهم تابعوا تحليلهم من خلال أخذ الأطياف لفهم المسافات الحقيقية للأجسام بشكل أفضل، بالإضافة إلى المصادر التي تغذي ضوءها الهائل.

ثم استخدم الباحثون البيانات الجديدة لرسم صورة أوضح لشكل المجرات وما بداخلها. ولم يؤكد الفريق أن هذه المجرات كانت في الواقع مجرات قريبة من بداية الزمن فحسب، بل وجدوا أيضًا أدلة على وجود ثقوب سوداء هائلة الحجم بشكل مدهش وسكان قديمين بشكل مدهش من النجوم.

قال جويل ليجا، الأستاذ المساعد في علم الفلك والفيزياء الفلكية في جامعة ولاية بنسلفانيا والمؤلف المشارك في البحثين: “إنه أمر محير للغاية. يمكنك جعل هذا يتناسب بشكل غير مريح مع نموذجنا الحالي للكون، ولكن فقط إذا استحضرنا بعض التكوينات الغريبة والسريعة بشكل جنوني في بداية الزمن. هذه، بلا شك، المجموعة الأكثر غرابة وإثارة للاهتمام من الأجسام التي رأيتها في حياتي المهنية”.

تم تصميم تلسكوب جيمس ويب لرصد الظواهر التي حدثت بعد الانفجار العظيم مباشرة، باستخدام قدراته المتقدمة في مجال الأشعة تحت الحمراء للتجسس عبر الغبار الكوني واكتشاف الهياكل المخفية في الفضاء. حقوق النشر: نورثروب جرومان

أسرار الهياكل المجرية القديمة

تم تجهيز تلسكوب جيمس ويب بأجهزة استشعار بالأشعة تحت الحمراء قادرة على اكتشاف الضوء المنبعث من أقدم النجوم والمجرات. وقال ليجا إن هذا التلسكوب يسمح للعلماء برؤية ما حدث في الماضي قبل حوالي 13.5 مليار سنة، أي بالقرب من بداية الكون كما نعرفه.

أحد التحديات التي تواجه تحليل الضوء القديم هو أنه قد يكون من الصعب التمييز بين أنواع الأجسام التي ربما أصدرت الضوء. وفي حالة هذه الأجسام المبكرة، فإنها تتميز بخصائص واضحة لكل من الثقوب السوداء الهائلة الكتلة والنجوم القديمة. ومع ذلك، أوضح وانج أنه ليس من الواضح بعد مقدار الضوء المرصود الذي يأتي من كل منهما – مما يعني أن هذه قد تكون مجرات مبكرة قديمة بشكل غير متوقع وأكثر كتلة حتى من مجرتنا درب التبانة، وتتشكل في وقت أبكر بكثير مما تتوقعه النماذج، أو قد تكون مجرات ذات كتلة أكثر طبيعية مع ثقوب سوداء “ضخمة للغاية”، أكبر بحوالي 100 إلى 1000 مرة من مثل هذه المجرة اليوم.

قال وانج: “إن التمييز بين الضوء المنبعث من مادة تسقط في ثقب أسود والضوء المنبعث من النجوم في هذه الأجسام الصغيرة البعيدة أمر صعب للغاية. إن عدم القدرة على معرفة الفرق في مجموعة البيانات الحالية يترك مجالًا واسعًا لتفسير هذه الأجسام المثيرة للاهتمام. بصراحة، إنه لأمر مثير أن يظل الكثير من هذا اللغز دون حل”.

وبعيدًا عن كتلتها وعمرها غير القابلين للتفسير، فإذا كان جزء من الضوء صادرًا بالفعل عن ثقوب سوداء هائلة الكتلة، فإنها ليست ثقوبًا سوداء هائلة الكتلة عادية. فهي تنتج فوتونات فوق بنفسجية أكثر بكثير مما كان متوقعًا، وتفتقر الأجسام المماثلة التي تمت دراستها بأدوات أخرى إلى السمات المميزة للثقوب السوداء الهائلة الكتلة، مثل الغبار الساخن وانبعاث الأشعة السينية الساطعة. ولكن ربما يكون الأمر الأكثر إثارة للدهشة، كما قال الباحثون، هو مدى ضخامتها.

قال ليجا: “عادة ما تقترن الثقوب السوداء الهائلة بالمجرات. تنمو معًا وتمر بكل تجارب حياتها الرئيسية معًا. ولكن هنا، لدينا ثقب أسود بالغ مكتمل النمو يعيش داخل ما يجب أن تكون مجرة ​​وليدة. هذا لا معنى له حقًا، لأن هذه الأشياء يجب أن تنمو معًا، أو على الأقل هذا ما كنا نعتقده”.

كما حير الباحثون الحجم الصغير للغاية لهذه الأنظمة، التي لا يتجاوز قطرها بضع مئات من السنين الضوئية، أي ما يقرب من ألف مرة أصغر من مجرتنا درب التبانة. ويبلغ عدد النجوم في هذه الأنظمة ما يقرب من عدد النجوم في مجرتنا درب التبانة ــ حيث يتراوح عدد النجوم في هذه الأنظمة بين عشرة مليارات وتريليون نجم ــ ولكنها محصورة في حجم أصغر من مجرة ​​درب التبانة بنحو ألف مرة.

وأوضح ليجا أنه إذا أخذنا مجرة ​​درب التبانة وضغطناها إلى حجم المجرات التي عثرنا عليها، فإن أقرب نجم سيكون موجودًا تقريبًا في نظامنا الشمسي. أما الثقب الأسود الهائل في مركز مجرة ​​درب التبانة، والذي يبعد حوالي 26000 سنة ضوئية، فلن يبعد عن الأرض سوى حوالي 26 سنة ضوئية، وسيكون مرئيًا في السماء كعمود عملاق من الضوء.

“قال ليجا: “كانت هذه المجرات المبكرة مليئة بالنجوم – النجوم التي يجب أن تكون قد تشكلت بطريقة لم نشهدها من قبل، في ظل ظروف لم نتوقعها أبدًا خلال فترة لم نتوقع رؤيتها فيها أبدًا. ولسبب ما، توقف الكون عن صنع أشياء مثل هذه بعد بضعة مليارات من السنين فقط. إنها فريدة من نوعها في الكون المبكر”.

ويأمل الباحثون في متابعة المزيد من الملاحظات، والتي قالوا إنها قد تساعد في تفسير بعض ألغاز الأجسام. ويخططون لأخذ أطياف أعمق من خلال توجيه التلسكوب نحو الأجسام لفترات طويلة من الزمن، وهو ما سيساعد في فك تشابك الانبعاثات من النجوم والثقب الأسود الهائل المحتمل من خلال تحديد توقيعات الامتصاص المحددة التي قد تكون موجودة في كل منها.

“هناك طريقة أخرى يمكننا من خلالها تحقيق اختراق، وهذه هي الفكرة الصحيحة”، كما قال ليجا. “لدينا كل هذه القطع من اللغز ولا يمكن حلها إلا إذا تجاهلنا حقيقة أن بعضها قد ينكسر. هذه المشكلة قابلة للحل بضربة عبقرية ظلت بعيدة المنال حتى الآن بالنسبة لنا، وجميع زملائنا والمجتمع العلمي بأكمله”.

مرجع: “RUBIES: تطورت مجموعات النجوم ذات تواريخ التكوين الممتدة عند z ∼ 7–8 في المجرات الضخمة المرشحة التي تم تحديدها باستخدام JWST/NIRSpec” بقلم Bingjie Wang، 冰洁 王، Joel Leja، Anna de Graaff، Gabriel B. Brammer، Andrea Weibel، Pieter van Dokkum، Josephine FW Baggen، Katherine A. Suess، Jenny E. Greene، Rachel Bezanson، Nikko J. Cleri، Michaela Hirschmann، Ivo Labbé، Jorryt Matthee، Ian McConachie، Rohan P. Naidu، Erica Nelson، Pascal A. Oesch، David J. Setton وChristina C. Williams، 26 يونيو 2024، رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad55f7

حصل وانج وليجا على تمويل من برنامج المراقبين العامين التابع لوكالة ناسا. كما تم دعم البحث من قبل المعهد الدولي لعلوم الفضاء في برن. ويستند العمل جزئيًا إلى الملاحظات التي تم إجراؤها باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لوكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية ووكالة الفضاء الكندية. تم إجراء الحسابات اللازمة للبحث على حاسوب رور العملاق التابع لمعهد علوم الحوسبة والبيانات بجامعة ولاية بنسلفانيا.

ومن بين المؤلفين المشاركين في البحث آنا دي جراف من معهد ماكس بلانك لعلم الفلك في ألمانيا؛ وجابرييل برامر من مركز الفجر الكوني ومعهد نيلز بور؛ وأندريا فيبل وباسكال أوش من جامعة جنيف؛ ونيكو كليري وميكايلا هيرشمان وبيتر فان دوكوم وروهان نايدو من جامعة جنيف. جامعة ييل؛ إيفو لابي من جامعة ستانفورد؛ جوريت ماثي وجيني جرين من جامعة برينستونإيان ماكوناتشي وراشيل بيزانسون من جامعة بيتسبرغ؛ وجوزفين باجن من جامعة تكساس إيه آند إم؛ وكاثرين سوس من مرصد سوفيرني في سويسرا؛ وديفيد سيتون من معهد كافلي للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا؛ وإيريكا نيلسون من جامعة كولورادو؛ وكريستينا ويليامز من مختبر أبحاث علم الفلك البصري بالأشعة تحت الحمراء الوطني التابع للمؤسسة الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة وجامعة أريزونا.