كيف تهز المجرات الصغيرة العملاقة فهمنا للكون المبكر

تقول رسالة إيريكا: “انظر إلى هذا”. إنها تتأمل الصور الأولى من تلسكوب جيمس ويب الفضائي الجديد (JWST).

إنه يوليو 2022 ، بالكاد بعد أسبوع من إطلاق تلك الصور الأولى من التلسكوب الثوري الفائق. خمسة وعشرون عامًا قيد الإعداد ، أقوى بمئة إلى ألف مرة من أي تلسكوب سابق ، واحدة من أكبر التجارب العلمية وأكثرها طموحًا في تاريخ البشرية: من الصعب عدم التحدث بصيغ التفضيل ، وكل هذا صحيح.

استغرق بناء التلسكوب عقودًا ، لأنه كان لا بد من جعله قابلاً للطي ليتم وضعه على قمة صاروخ وإرساله إلى برودة الفضاء ، على بعد 1.5 مليون كيلومتر من الأرض. هنا ، بعيدًا عن الوهج الحراري للأرض ، يمكن لـ JWST اكتشاف أضعف ضوء الأشعة تحت الحمراء من الكون البعيد.

لم أكن أعلم أن من بين الصور نقطة حمراء صغيرة ستغير فهمنا لكيفية تشكل المجرات الأولى بعد الانفجار العظيم. بعد شهور من التحليل ، قمت وزملائي بنشر نتائجنا في دورية Nature.

اصطياد أنواع جديدة من المجرات

أنا وإيريكا نبحث عن أنواع جديدة من المجرات. المجرات التي فاتها تلسكوب هابل الفضائي العظيم ، حتى بعد عقود من مسح السماء.

هي وأنا نعود 15 سنة إلى الوراء. التقينا عندما كانت طالبة في السنة الأولى في كلية الفنون الحرة في كاليفورنيا وكنت طالبة دكتوراة حديثة التخرج مباشرة من الجامعة ، وبدأت للتو أول حفلة لي كباحثة في لوس أنجلوس. كان JWST مجرد شائعة بعيدة.

بطريقة ما ، بعد سنوات عديدة ، تقاطعت مساراتنا مرة أخرى ، والآن نجد أنا والأستاذة المساعدة إيريكا نيلسون من جامعة كولورادو أنفسنا في قمة الرمح ونهاجم البيانات الأولى لـ JWST حقيقي جدًا.

اقرأ المزيد: قام خبيران بتفكيك الصور الأولى لتلسكوب جيمس ويب الفضائي ، وشرح ما تعلمناه بالفعل

“الأجسام الطائرة المجهولة” ، تسمي المجرات الجديدة ، ويمكنني قراءة ابتسامة عملاقة بين السطور: “الأجسام المسطحة حمراء للغاية” ، لأنها تبدو جميعًا مثل الصحون الطائرة. تظهر في الصور الملونة حمراء جدًا لأن كل الضوء يخرج من الأشعة تحت الحمراء ، بينما المجرات غير مرئية بأطوال موجية يمكن للبشر رؤيتها.

الأشعة تحت الحمراء هي القوة الخارقة لـ JWST ، مما يسمح لها بالتجسس على المجرات الأبعد. الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي من النجوم والمجرات الأولى التي تشكلت بعد الانفجار العظيم تمدد بفعل تمدد الكون أثناء انتقاله نحونا ، لذلك بحلول الوقت الذي يصل فيه الضوء إلينا نراه كضوء الأشعة تحت الحمراء.

مجرات ضخمة مستحيلة في وقت مبكر بشكل مستحيل

تبدو كل مجرات إيريكا مثل الصحون ، ما عدا واحدة. أحدق في النقطة الحمراء الصغيرة على الشاشة. هذا ليس جسم غامض. ثم تصدمني: هذا شيء مختلف تمامًا. أكثر أهمية.

قمت بتشغيل برنامج التحليل على الوخز الصغير وهو يبصق رقمين: المسافة 13.1 مليار سنة ضوئية ، كتلة 100 مليار نجمة ، وكدت أقوم بصق قهوتي. اكتشفنا المستحيل للتو. مجرات ضخمة مستحيلة في وقت مبكر بشكل مستحيل.

على هذه المسافة ، استغرق الضوء 13 مليار سنة للوصول إلينا ، لذلك نحن نرى المجرات في وقت كان عمر الكون 700 مليون سنة فقط ، بالكاد 5٪ من عمره الحالي البالغ 13.8 مليار سنة. إذا كان هذا صحيحًا ، فإن هذه المجرة قد تكونت عددًا من النجوم مثل مجرتنا درب التبانة الحالية. في وقت قياسي.

وحيث يوجد واحد ، يوجد المزيد. بعد يوم واحد وجدت ستة.

الحلقة المفقودة لعلم الفلك؟

هل يمكن أن نكتشف الحلقة المفقودة لعلم الفلك؟ كان هناك لغز طويل الأمد في تكوين المجرات. عندما ننظر إلى الفضاء ونعود بالزمن إلى الوراء ، نرى “جثث” مجرات مكتملة التكوين وناضجة تظهر على ما يبدو من العدم بعد حوالي 1.5 مليار سنة من الانفجار العظيم.

اقرأ المزيد: هل يعثر تلسكوب جيمس ويب الفضائي على أبعد المجرات أو أقدمها أو أصغرها أو أولها؟ عالم فلك يشرح

توقفت هذه المجرات عن تشكيل النجوم. المجرات الميتة ، نسميها ، وبعض علماء الفلك مهووسون بها. تشير الأعمار النجمية لهذه المجرات الميتة إلى أنه لا بد أنها تشكلت في وقت مبكر جدًا في الكون ، لكن هابل لم يتمكن أبدًا من تحديد مراحل حياتها المبكرة.

المجرات الميتة المبكرة هي مخلوقات غريبة حقًا ، حيث تحزم العديد من النجوم مثل مجرة ​​درب التبانة ، ولكن بحجم أصغر 30 مرة. تخيل شخصًا بالغًا يزن 100 كيلوغرام ، لكنه يقف بطول 6 سم. نقاطنا الحمراء الصغيرة غريبة بنفس القدر. إنها تشبه نسخًا صغيرة من نفس المجرات ، تزن أيضًا 100 كيلوغرام ، بارتفاع 6 سم.

الكثير من النجوم ، مبكر جدًا

ومع ذلك ، هناك مشكلة. هذه النقاط الحمراء الصغيرة بها عدد كبير جدًا من النجوم ، مبكرًا جدًا. تتكون النجوم من غاز الهيدروجين ، وتقدم النظرية الكونية الأساسية (“الانفجار العظيم”) تنبؤات صعبة حول كمية الغاز المتاحة لتكوين النجوم.

لإنتاج هذه المجرات بهذه السرعة ، تحتاج تقريبًا إلى تحويل كل الغاز الموجود في الكون إلى نجوم بكفاءة تقارب 100٪. وهذا صعب للغاية ، وهو المصطلح العلمي لكلمة المستحيل. يمكن أن يغير هذا الاكتشاف فهمنا لكيفية تشكل أقدم المجرات في الكون.

المعنى الضمني هو أن هناك قناة مختلفة ، مسار سريع ، ينتج المجرات الوحشية بسرعة كبيرة ، وبكفاءة عالية. مسار سريع لأعلى 1٪.

بطريقة ما ، يمكن اعتبار كل من هؤلاء المرشحين “بجعة سوداء”. إن تأكيد حتى واحد من شأنه أن يستبعد نموذجنا الحالي “كل البجع أبيض” لتشكيل المجرات ، حيث تنمو جميع المجرات المبكرة ببطء وتدريجي.

فحص بصمات الأصابع

تتمثل الخطوة الأولى لحل هذا اللغز في تأكيد المسافات باستخدام التحليل الطيفي ، حيث نضع ضوء كل من هذه المجرات من خلال منشور ، ونقسمه إلى بصمة تشبه قوس قزح. سيخبرنا هذا المسافة بدقة 0.1٪.

ستخبرنا أيضًا بما ينتج الضوء ، سواء كانت نجومًا أو أي شيء آخر أكثر غرابة.

عن طريق الصدفة ، منذ حوالي شهر ، استهدف JWST بالفعل واحدة من المجرات الست الضخمة المرشحة واتضح أنه نجم كوازار صغير بعيد. الكوازار هو ظاهرة تحدث عندما يسقط الغاز في ثقب أسود هائل في مركز المجرة ويبدأ في التألق اللامع.

هذا مثير حقًا من ناحية ، لأن أصل الثقوب السوداء الهائلة في المجرات غير مفهوم أيضًا ، والعثور على النجوم الزائفة الصغيرة قد يكون مفتاحًا فقط. من ناحية أخرى ، يمكن للكوازارات أن تتفوق على مجرتها المضيفة بأكملها ، لذلك من المستحيل معرفة عدد النجوم الموجودة وما إذا كانت المجرة ضخمة حقًا.

هل يمكن أن يكون هذا هو الجواب لكل منهم؟ الكوازارات الصغيرة في كل مكان؟ ربما لا ، لكن الأمر سيستغرق عامًا آخر لاستكشاف المجرات المتبقية ومعرفة ذلك.

بجعة سوداء واحدة للأسفل ، وخمسة متبقية.