“المنارات الكونية” – ويب يكشف أسرار الضوء الأول للكون

تكشف عمليات رصد تلسكوب جيمس ويب الفضائي الرائدة عن الدور المحوري للمجرات منخفضة الكتلة في إعادة التأين للكون المبكر، مما يتحدى نظريات التطور الكوني الموجودة.

حصل العلماء الذين يعملون مع بيانات من تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا (JWST) على أول أطياف كاملة لبعض من أقدم ضوء النجوم في الكون. توفر الصور أوضح صورة حتى الآن للمجرات حديثة الولادة ذات الكتلة المنخفضة للغاية، والتي تكونت بعد أقل من مليار سنة من الانفجار الكبير، وتشير إلى أن المجرات الصغيرة لها دور مركزي في قصة الأصل الكوني.

وقد نشر الفريق الدولي من الباحثين، بما في ذلك اثنان من علماء الفيزياء الفلكية في ولاية بنسلفانيا، نتائجهم مؤخرًا في المجلة طبيعة. تكشف الأطياف عن بعض الضوء المرئي الأول من فترة في الكون تُعرف باسم إعادة التأين، والتي كانت مدعومة بوصول النجوم والمجرات الأولى.

قدمت الصور الميدانية العميقة التي التقطها تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا اللمحات الأولى للمجرات الخافتة للغاية التي حددها الباحثون كمرشحين أقوياء للأجسام التي أثارت إعادة تأين الكون. مصدر الصورة: حكيم عتيق/جامعة السوربون/JWST

الكون البدائي: الانتقال من الظلام إلى النور

وأوضح جويل ليجا، الأستاذ المساعد في علم الفلك والفيزياء الفلكية في ولاية بنسلفانيا ومؤلف الورقة البحثية، أن المادة الطبيعية في الكون بدأت كضباب حار وكثيف يتكون بالكامل تقريبًا من نواة الهيدروجين والهيليوم. ومع توسعها وتبريدها، بدأت البروتونات والإلكترونات المنفردة في الترابط، لتشكل الهيدروجين المحايد لأول مرة. وبعد ذلك بحوالي 500 إلى 900 مليون سنة الانفجار العظيمبدأ الهيدروجين المحايد – الذي ساد في بدايات الكون – في الانفصال مرة أخرى إلى غاز متأين، مما حفز تكوين النجوم والمجرات ورفع الضباب البدائي حتى يتمكن الضوء من السفر دون عوائق عبر الكون لأول مرة.

وقال ليجا: “لقد تم تشغيل شيء ما وبدأ في ضخ فوتونات ذات طاقة عالية جدًا في الفراغ بين المجرات”. “عملت هذه المصادر مثل المنارات الكونية التي أحرقت ضباب الهيدروجين المحايد. ومهما كان هذا، فقد كان نشيطًا ومستمرًا جدًا، لدرجة أن الكون بأكمله أصبح متأينًا مرة أخرى.

رواد المجرة: دور المجرات منخفضة الكتلة

من خلال تحليل أطياف المجرات الصغيرة ذات الكتلة المنخفضة، أثبت العلماء أن المجرات الصغيرة كانت مرشحة قوية لـ “الشيء” الذي أدى إلى إعادة تأين الكون عن طريق تسخين الغاز البدائي الكثيف حولها وتأيين الهيدروجين الذي كان محايدًا في السابق.

وقال ليجا: “إذا كانت المجرات الأخرى منخفضة الكتلة في الكون شائعة وحيوية مثل هذه، فإننا نعتقد أننا وصلنا أخيرًا إلى المنارات التي أحرقت الضباب الكوني”. “لقد كانت نجومًا نشطة بشكل لا يصدق في العديد والعديد من المجرات الصغيرة.”

وأضاف ليجا أنه من المتوقع أن تكون غالبية المجرات في بداية الكون صغيرة نسبيًا، مما يجعل دراسة ترددها وخصائصها أمرًا صعبًا للغاية. بفضل الإنجاز التكنولوجي الذي أصبح ممكنا بفضل المزيج الفريد من حساسية تلسكوب جيمس ويب الفضائي وتأثير عدسة الجاذبية لمجموعة أبيل 2744 – المجرات القريبة التي تعمل مثل المكبرات الكونية، وتشويه الفضاء وتضخيم ضوء المجرات الخلفية – أصبح من الممكن الآن تحديد وفرة المجرات الصغيرة وخصائصها المؤينة خلال المليار سنة الأولى من عمر الكون.

وقال حكيم عتيق، عالم الفيزياء الفلكية في جامعة السوربون، والباحث في معهد باريس للفيزياء الفلكية والمؤلف الأول للورقة البحثية، في بيان صحفي: “لقد وجدنا أن عدد المجرات الصغيرة يفوق عدد المجرات الضخمة بنحو مائة إلى واحد خلال هذه الحقبة من إعادة تأين الكون”. “تكشف هذه الملاحظات الجديدة أيضًا أن هذه المجرات الصغيرة أنتجت كمية كبيرة من الفوتونات المؤينة، تتجاوز أربعة أضعاف القيم الأساسية المفترضة عادةً للمجرات البعيدة. وهذا يعني أن التدفق الإجمالي للفوتونات المؤينة المنبعثة من هذه المجرات يتجاوز بكثير العتبة المطلوبة لإعادة التأين.

رسم التطور الكوني: الاتجاهات المستقبلية

قاد فريق ولاية بنسلفانيا عملية النمذجة الخاصة بمسح UNCOVER، الذي استهدف مجموعة المجرات الكبيرة في المقدمة والتي قامت بتصوير المجرات الأصغر والأبعد. قام الباحثون في ولاية بنسلفانيا بتحليل جميع نقاط الضوء الصغيرة في المسح لفهم خصائص الجسم بالإضافة إلى كتلته ومسافاته المحتملة. وأوضح ليجا أن هذا التحليل تم استخدامه بعد ذلك لتوجيه ملاحظات JWST الأكثر تفصيلاً والتي أدت إلى هذا الاكتشاف.

قبل هذه النتائج، كان هناك عدد من الفرضيات التي حددت مصادر أخرى مسؤولة عن إعادة التأين الكوني، مثل الثقوب السوداء فائقة الكتلة؛ المجرات الكبيرة التي تزيد كتلتها عن مليار كتلة شمسية؛ والمجرات الصغيرة التي تقل كتلتها عن مليار كتلة شمسية. وقال الباحثون إن تأكيد الفرضية المتعلقة بالمجرات منخفضة الكتلة أثبت صعوبة خاصة، نظرا لانخفاض سطوعها، لكن النتائج الجديدة تقدم أوضح دليل حتى الآن على أن المجرات منخفضة الكتلة لعبت دورا مركزيا في إعادة تأين الكون.

ويريد الباحثون الآن توسيع نطاق الدراسة إلى نطاق أوسع للتأكد من أن الموقع المحدد الذي قاموا بتحليله يمثل متوسط ​​توزيع المجرات في الكون. وبعيدًا عن عملية إعادة التأين، توفر ملاحظاتهم نظرة ثاقبة لعملية تكوين النجوم المبكرة، وكيف نشأت المجرات من الغاز البدائي، وكيف تطورت إلى الكون الذي نعرفه اليوم.

المرجع: “معظم الفوتونات التي أعادت تأين الكون جاءت من المجرات القزمة” بقلم حكيم عتيق، إيفو لابي، لوكاس ج. سيدونا إتش. برايس، براتيكا ديال، آدي زيترين، فاسيلي كوكوريف، جون آر. ويفر، غابرييل برامر، بيتر فان دوكوم، كريستينا سي. ويليامز، سام إي. كاتلر، روبرت فيلدمان، يوشينوبو فوداموتو، جيني إي. جرين، جويل ليجا، مايكل في. ماسيدا، وآدم موزين، وريتشارد بان، وكيسي بابوفيتش، وإريكا جيه. نيلسون، وثيميا ناناياكارا، ودانيال بي. ستارك، وماورو ستيفانون، وكاثرين أ. سوس، وبينججي وانج، وكاثرين إي. ويتاكر، 28 فبراير 2024، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07043-6

بينجي وانج، باحث ما بعد الدكتوراه في الفيزياء الفلكية، هو المؤلف المشارك الآخر في الدراسة من ولاية بنسلفانيا. تتوفر قائمة كاملة بالمؤلفين ومؤسساتهم على الورقة المنشورة. يعترف الباحثون بالتمويل والدعم من المركز الوطني الفرنسي للدراسات الفضائية، والبرنامج الوطني لعلم الكونيات والمجرات، وCEA، ومركز الفجر الكوني، ومؤسسة البحوث الوطنية الدنماركية، ومجلس البحوث الأسترالي، وNOW، وبرنامج روزاليند فرانكلين للصندوق المشترك التابع للمفوضية الأوروبية وجامعة جرونينجن. مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية-الإسرائيلية، مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (NSF)، وزارة العلوم والتكنولوجيا، إسرائيل و NOIRLabوالذي يديره اتحاد الجامعات لأبحاث علم الفلك بموجب اتفاقية تعاون مع NSF.