مجرة تكاد لا تكون موجودة

في الفضاء الواسع من عنقود مجرات Perseus، على بعد حوالي 300 مليون سنة ضوئية من الأرض، حدّد الفلكيون أحد أكثر الأجسام غرابة في الكون المعروف. اسمها CDG-2، وهذه المجرة خافتة جداً بحيث تكاد تكون غير مرئية، مما أكسبها الاسم المعبّر عنه بـ "مجرة شبحية". ما يجعل CDG-2 استثنائية ليس ما تحتويه بل ما تفتقده: المادة المرئية. حوالي 99 في المائة من الكتلة الإجمالية للمجرة تتكون من dark matter، المادة الغامضة التي تتفاعل مع الجاذبية لكنها لا تنتج أي ضوء.

الاكتشاف، الذي تم إجراؤه باستخدام تيليسكوب Hubble الفضائي، يمثل تقدماً كبيراً في قدرة الفلكيين على اكتشاف أكثر الأجسام بعداً في الكون. CDG-2 مصنفة كمجرة منخفضة السطوع السطحي، وهي فئة من الأجسام الخافتة جداً بحيث تنتج كميات بالكاد قابلة للكشف من الضوء عبر سطحها بأكمله. من المحتمل أن توجد العديد من هذه المجرات في جميع أنحاء الكون لكنها ظلت مختبئة ببساطة لأن أدواتنا وطرق الكشف لم تكن حساسة بما يكفي للعثور عليها.

طريقة اكتشاف ذكية

العثور على مجرة تنتج ضوءاً تقريباً يتطلب تفكيراً إبداعياً. لم يكتشف فريق البحث CDG-2 من خلال البحث عن التوهج المنتشر من ضوء النجوم الذي يميز معظم اكتشافات المجرات. بدلاً من ذلك، استخدموا نهجاً مبتكراً: البحث عن تجمعات ضيقة من globular clusters.

Globular clusters هي مجموعات كثيفة وكروية من النجوم، تحتوي عادة على مئات الآلاف إلى ملايين النجوم المضغوطة في حجم صغير نسبياً. هذه التجمعات النجمية القديمة هي من بين أقدم الهياكل في الكون وتوجد عادة في مدارات حول المجرات. كانت الفكرة الرئيسية أن globular clusters، رغم خفوت المجرة المضيفة، ستظل قابلة للكشف بشكل فردي من خلال البصريات الحادة لـ Hubble.

عندما حدد الباحثون تجمعاً مريباً من أربعة globular clusters بدت أنها مرتبطة مكانياً، حققوا فيه بشكل أعمق واكتشفوا المجرة الأساسية الخافتة جداً. تمثل الـ globular clusters الأربع 16 في المائة من كل الضوء المرئي الذي تنبعثه من نظام CDG-2 بأكمله، مما يسلط الضوء على مدى قلة المادة المرئية التي تحتويها المجرة.

هيمنة dark matter

في حين تحتوي جميع المجرات على بعض dark matter، فإن النسبة في CDG-2 متطرفة. في مجرة نموذجية مثل Milky Way، تمثل dark matter حوالي 85 إلى 90 في المائة من الكتلة الإجمالية. تمثل المادة المرئية، بما في ذلك النجوم والغاز والغبار والكواكب، الـ 10 إلى 15 في المائة المتبقية. في CDG-2، تشكل المادة المرئية حوالي 1 في المائة من الكتلة الإجمالية، مما يجعلها من بين أكثر الأنظمة المهيمن عليها بـ dark matter التي تمت ملاحظتها على الإطلاق.

يثير هذا أسئلة أساسية حول تكوين وتطور المجرات. كيف تتشكل مجرة بمادة عادية قليلة جداً؟ ما العمليات الفيزيائية التي يمكن أن تزيل فعلياً جميع الغاز والنجوم بينما تترك هالة dark matter سليمة؟

يعتقد الباحثون أن الجواب يكمن في بيئة CDG-2. عنقود Perseus هو أحد أكثر عناقيد المجرات ضخامة وكثافة في الكون القريب، ويحتوي على آلاف المجرات المرتبطة بجاذبية معاً. في مثل هذه البيئات المزدحمة، تتفاعل المجرات بشكل متكرر مع بعضها البعض ومع الغاز الساخن intracluster الذي يملأ المساحة بينها.

يمكن لهذه التفاعلات أن تغير بشكل درامي تكوين المجرة من خلال عدة آليات:

  • يحدث ram pressure stripping عندما تتحرك مجرة عبر الغاز الساخن intracluster، الذي يعمل مثل الريح القوية التي تنفخ بعيداً عن إمدادات الغاز من المجرة. بدون غاز، لا يمكن للمجرة أن تشكل نجوماً جديدة
  • يمكن لقوى tidal الجاذبية من المجرات الضخمة القريبة أن تسحب جسدياً النجوم والغاز من مجرة أصغر، وتعيد توزيعها في الوسط intergalactic
  • يؤدي الإزعاج من خلال الاجتماعات القريبة المتكررة مع المجرات الأخرى تدريجياً إلى تسخين وطرد المادة من المجرة على مدى مليارات السنين

خلص الباحثون إلى أن الكثير من الهيدروجين الغازي في CDG-2، المادة الخام اللازمة لتكوين النجوم، تم سحبها على الأرجح من خلال تفاعلات الجاذبية مع مجرات أخرى في عنقود Perseus المزدحم. على مدى مليارات السنين، تم تفريغ المجرة بشكل أساسي من مادتها المرئية بينما ظلت هالة dark matter، التي تمتد بكثير وأقوى جاذبياً، سليمة إلى حد كبير.

ما تخبرنا به CDG-2 عن dark matter

يوفر وجود CDG-2 قيوداً قيمة على طبيعة dark matter نفسها. تتنبأ نماذج dark matter النظرية المختلفة بتوزيعات وكثافات مختلفة من dark matter في هياكل على نطاق المجرة. كائن يتكون تقريباً بالكامل من dark matter، مع مساهمات قليلة جداً ومربكة من المادة baryonic (العادية)، يوفر حالة اختبار نظيفة بشكل غير عادي لهذه النماذج.

إذا كان dark matter يتصرف كما توقعه نموذج cold dark matter القياسي، فيجب أن تظهر مجرات مثل CDG-2 خصائص محددة من حيث توزيع الكتلة والحجم والتأثير الجاذبي على الأجسام المحيطة. الانحرافات عن هذه التنبؤات يمكن أن تشير إلى نماذج dark matter بديلة، بما في ذلك نظريات warm dark matter أو self-interacting dark matter.

تساهم CDG-2 أيضاً في النقاش الجاري حول ما يسمى مشكلة الأقمار الصناعية المفقودة. تتنبأ النماذج الكونية القياسية بأن عناقيد المجرات الكبيرة يجب أن تحتوي على هياكل صغيرة مهيمن عليها بـ dark matter أكثر بكثير مما لاحظه الفلكيون. إذا كانت العديد من هذه الهياكل المتنبأ بها عبارة عن مجرات شبحية مماثلة لـ CDG-2، خافتة جداً للكشف عنها بالطرق التقليدية، فقد يكون التناقض بين النظرية والملاحظة أصغر مما كان يُعتقد سابقاً.

نهج جديد للعثور على مجرات مختبئة

لتقنية الكشف المستخدمة في العثور على CDG-2 آثار تتجاوز بكثير هذا الاكتشاف الواحد. من خلال إثبات أن globular clusters يمكن أن تكون بمثابة علامات موثوقة لتحديد المجرات فائقة الضعف، وفر فريق البحث المجتمع الفلكي بإستراتيجية بحث جديدة.

Globular clusters مضيئة بما يكفي للكشف عنها على مسافات كبيرة، حتى عندما تكون المجرة التي تدور حولها خافتة جداً بحيث لا يمكن رؤيتها مباشرة. يمكن لدراسات منتظمة من سكان globular clusters في عناقيد المجرات أن تكشف عن سكان كبار من المجرات الشبحية التي ظلت تختبئ في الأفق، غير مكتشفة من قبل الدراسات التي تعتمد على الكشف عن ضوء النجوم المنتشر.

الملاحظات المستقبلية مع تيليسكوب James Webb الفضائي، الذي لديه حساسية أكبر في الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء، يمكن أن تمتد هذا البحث إلى أجسام أكثر خفتاناً وأبعد. مزيج من التصوير البصري الحاد لـ Hubble وقدرات الأشعة تحت الحمراء لـ JWST يوفر الفلكيين بمجموعة أدوات قوية لرسم خريطة الهياكل المخفية للكون.

الآثار على علم الكونيات

اكتشاف CDG-2 يضيف قطعة أخرى إلى اللغز المعقد لكيفية تنظيم الكون على أكبر نطاقاته. تمثل dark matter حوالي 27 في المائة من محتوى الكون الكلي للكتلة والطاقة، وتظل من بين أقل المكونات المفهومة للكون. كل ملاحظة جديدة تقيد خصائصها وسلوكها تقرب العلماء بشكل متدرج نحو فهم ما هي dark matter فعلياً.

قد تكون المجرات الشبحية مثل CDG-2 أكثر شيوعاً بكثير مما تشير إليه المسوحات الحالية. إذا ثبت ذلك، فهذا يعني أن جزءاً كبيراً من هياكل المجرات بالكون غير مرئي بشكل أساسي، قابل للكشف فقط من خلال آثاره الجاذبية والحضور العرضي لـ globular clusters التي تتشبث بـ halo dark matter الخاص بهم. قد يكون الكون أكثر سكاناً بالمجرات من التعداد المرئي، مع معظم محتواه من المجرات ملفوفاً بالظلام.

هذه المقالة مبنية على تقارير من Science Daily. اقرأ المقالة الأصلية.