ويب يكشف عن عملاق الكون المبكر

تظهر الصور التفصيلية لإحدى المجرات الأولى أن النمو في بداية الكون كان أسرع بكثير مما كان يعتقد في البداية.

يستمتع علماء الفلك حاليًا بفترة مثمرة من الاكتشافات، حيث يقومون بالتحقيق في العديد من أسرار الكون المبكر.

لقد أدى الإطلاق الناجح لتلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST)، وهو خليفة تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا، إلى دفع حدود ما يمكننا رؤيته.

تدخل الملاحظات الآن أول 500 مليون سنة بعد الانفجار الكبير عندما كان عمر الكون أقل من خمسة بالمائة من عمره الحالي. بالنسبة للبشر، هذه المرة ستضع الكون بقوة في مرحلة الطفل الصغير.

ومع ذلك، فإن المجرات التي نرصدها ليست بالتأكيد طفولية، حيث تكشف الملاحظات الجديدة عن مجرات أكثر ضخامة ونضجًا مما كان متوقعًا سابقًا في مثل هذه الأوقات المبكرة، مما يساعد على إعادة كتابة فهمنا لتكوين المجرات وتطورها.

قام فريق البحث الدولي التابع لنا مؤخرًا بإجراء ملاحظات تفصيلية غير مسبوقة لواحدة من أقدم المجرات المعروفة – والتي يطلق عليها اسم Gz9p3، ونُشرت الآن في علم الفلك الطبيعة.

اسمها يأتي من التعاون الزجاجي (اسم فريق البحث الدولي لدينا) وحقيقة أن المجرة لديها انزياح أحمر قدره z=9.3 حيث يعد الانزياح الأحمر إحدى الطرق لوصف المسافة إلى جسم ما – ومن هنا G وz9p3.

Gz9p3، ألمع مجرة ​​مندمجة معروفة في أول 500 مليون سنة من عمر الكون (تم رصدها من خلال تلسكوب جيمس ويب الفضائي). اليسار: يُظهر التصوير المباشر نواة مزدوجة داخل المنطقة الوسطى. على اليمين: تكشف ملامح مقطع الضوء عن بنية متكتلة ممدودة ناتجة عن اندماج المجرات. الائتمان: ناسا

منذ عامين فقط، ظهر Gz9p3 كنقطة ضوء واحدة من خلال تلسكوب هابل الفضائي. ولكن باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي يمكننا أن نلاحظ هذا الجسم كما كان بعد 510 مليون سنة الانفجار العظيم، منذ حوالي 13 مليار سنة.

لقد وجدنا أن Gz9p3 كان أكثر ضخامة ونضجًا بكثير مما كان متوقعًا لمثل هذا الكون الشاب، ويحتوي بالفعل على عدة مليارات من النجوم.

إلى حد بعيد، كان الجسم الأكثر ضخامة الذي تم تأكيده منذ ذلك الوقت، وقد تم حسابه على أنه أكبر بعشر مرات من أي مجرة ​​أخرى تم اكتشافها في وقت مبكر من الكون.

تشير هذه النتائج مجتمعة إلى أنه لكي تصل المجرة إلى هذا الحجم، يجب أن تكون النجوم قد تطورت بشكل أسرع وأكثر كفاءة مما كنا نعتقد في البداية.

اندماج المجرات الأكثر بعدًا في الكون المبكر

ليست Gz9p3 ضخمة فحسب، بل إن شكلها المعقد يحددها على الفور كواحدة من أقدم عمليات اندماج المجرات التي شهدناها على الإطلاق.

يُظهر تصوير JWST للمجرة شكلاً مورفولوجيًا يرتبط عادةً بمجرتين متفاعلتين. ولم ينته الاندماج لأننا مازلنا نرى مكونين.

عندما يجتمع جسمان ضخمان بهذا الشكل، فإنهما يتخلصان من بعض المادة في هذه العملية. لذا، فإن هذه المادة المهملة تشير إلى أن ما لاحظناه هو أحد أبعد عمليات الاندماج على الإطلاق.

يستخدم تلسكوب جيمس ويب – أكبر وأقوى جهاز من نوعه تم إطلاقه إلى الفضاء – مرآة أولية بطول 6.5 متر، مصنوعة من 18 مرآة سداسية، ومغطاة بطبقة من الذهب لإنتاج بعض من أقدم الصور للكون. حقوق الصورة: ناسا GSFC/CIL/أدريانا مانريكي جوتيريز

بعد ذلك، بحثت دراستنا بشكل أعمق، لوصف تجمعات النجوم التي تشكل المجرات المندمجة. باستخدام JWST، تمكنا من فحص طيف المجرة، يقسم الضوء بنفس الطريقة التي يقسم بها المنشور الضوء الأبيض إلى قوس قزح.

عند استخدام التصوير وحده، فإن معظم الدراسات التي أجريت على هذه الأجسام البعيدة جدًا تظهر فقط نجومًا صغيرة جدًا لأن النجوم الأصغر سنًا تكون أكثر سطوعًا وبالتالي يهيمن ضوءها على بيانات التصوير.

على سبيل المثال، فإن مجموعة سكانية شابة لامعة نشأت عن اندماج المجرة، عمرها أقل من بضعة ملايين من السنين، تتفوق على مجموعة سكانية أكبر سنًا يزيد عمرها بالفعل عن 100 مليون سنة.

باستخدام تقنية التحليل الطيفي يمكننا إنتاج مثل هذه الملاحظات التفصيلية، بحيث يمكن التمييز بين المجموعتين.

نماذج جديدة من الكون المبكر

لم يكن من المتوقع وجود مثل هذا العدد الكبير من السكان الأكبر سنًا بالنظر إلى كيفية تشكل النجوم المبكرة حتى تتقدم في السن بما يكفي بحلول هذا الوقت الكوني. إن التحليل الطيفي مفصل للغاية، حيث يمكننا رؤية السمات الدقيقة للنجوم القديمة التي تخبرنا أن هناك أكثر مما تعتقد.

تكشف عناصر محددة تم اكتشافها في الطيف (بما في ذلك السيليكون والكربون والحديد) أن هذه المجموعة الأكبر سناً يجب أن تكون موجودة لإثراء المجرة بوفرة من المواد الكيميائية.

ليس حجم المجرات هو ما يثير الدهشة فحسب، بل أيضًا السرعة التي نمت بها إلى هذه الحالة الناضجة كيميائيًا.

توفر هذه الملاحظات دليلاً على تراكم سريع وفعال للنجوم والمعادن في أعقاب الانفجار الكبير مباشرة، ويرتبط ذلك باندماجات المجرات المستمرة، مما يدل على أن المجرات الضخمة التي تحتوي على عدة مليارات من النجوم كانت موجودة في وقت أبكر مما كان متوقعًا.

توفر الملاحظات دليلاً على تراكم سريع وفعال للنجوم والمعادن في أعقاب الانفجار الكبير مباشرة. حقوق الصورة: ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، جينيفر لوتز (STScI)، مات ماونتن (STScI)، أنطون إم. كويكيمور (STScI)، فريق HFF (STScI)

المجرات المعزولة تبني سكانها من النجوم فى الموقع ومع ذلك، من خلال مخزونها المحدود من الغاز، يمكن أن يكون هذا طريقة بطيئة لنمو المجرات.

يمكن للتفاعلات بين المجرات أن تجتذب تدفقات جديدة من الغاز النقي، مما يوفر الوقود اللازم لتكوين النجوم بسرعة، كما توفر عمليات الاندماج قناة أكثر سرعة لتراكم الكتلة ونموها.

تحمل أكبر المجرات في كوننا الحديث تاريخًا من الاندماجات، بما في ذلك اندماجنا درب التبانة والتي نمت إلى حجمها الحالي من خلال عمليات الاندماج المتعاقبة مع المجرات الأصغر.

تظهر هذه الملاحظات لـ Gz9p3 أن المجرات كانت قادرة على تجميع الكتلة بسرعة في بداية الكون من خلال عمليات الاندماج، مع كفاءة تكوين النجوم أعلى مما توقعنا.

هذه الملاحظات وغيرها باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي تدفع علماء الفيزياء الفلكية إلى تعديل نماذجهم للسنوات الأولى للكون.

علم الكونيات لدينا ليس بالضرورة خاطئًا، لكن فهمنا لمدى سرعة تشكل المجرات ربما يكون خاطئًا، لأنها أكبر حجمًا مما كنا نعتقد أنه ممكن.

تأتي هذه النتائج الجديدة في توقيت جيد حيث نقترب من علامة السنتين للملاحظات العلمية التي تم إجراؤها باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي.

مع تزايد العدد الإجمالي للمجرات المرصودة، ينتقل علماء الفلك الذين يدرسون الكون المبكر من مرحلة الاكتشاف إلى فترة تكون لدينا فيها عينات كبيرة بما يكفي لبدء بناء وتحسين نماذج جديدة.

لم يكن هناك وقت أكثر إثارة لفهم أسرار الكون المبكر.

المرجع: “مجرة متفاعلة ضخمة بعد 510 مليون سنة من الانفجار الكبير” بقلم كريستان بوييت، ميشيل ترينتي، نيشا ليثوكاواليت، أنطونيلو كالابرو، بنيامين ميثا، غيدو روبرتس بورساني، نيكولو دالماسو، ليلان يانغ، باولا سانتيني، توماسو تريو، تاكر جونز. ، ألينا هنري، شارلوت أ. ماسون، تاكاهيرو موريشيتا، ثيميا ناناياكارا، نامراتا روي، شين وانغ، أدريانو فونتانا، إميليانو ميرلين، ماركو كاستيلانو، دييغو باريس، ماروشا براداتش، مات مالكان، دانيلو مارشيسيني، سارة ماسكيا، كارل جليزبروك، لورا بينتيريتشي. ، إيروس فانزيلا وبينيديتا فولكاني، 7 مارس 2024، علم الفلك الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41550-024-02218-7

قاد الدراسة الدكتور كيت بوييت مع فريق يضم البروفيسور ميشيل ترينتي وبنجامين ميثا و نيكولو دالماسو أيضا من جامعة ملبورن و مركز ARC للتميز لجميع فيزياء السماء الفلكية في 3 أبعاد (ASTRO 3D). يتكون فريق البحث الدولي 27 مؤلفًا من 19 مؤسسة في أستراليا وتايلاند وإيطاليا والولايات المتحدة الأمريكية واليابان والدنمارك والصين.