ما مدى ضخامة أول انفجارات نجمية في الكون؟ بحث جديد يقدّم إجابته

البحث عن أولى نجوم الكون

أمضى علماء الفلك عقوداً في توجيه تلسكوباتهم أعمق فأعمق في الزمن الكوني، وكل تحسين كشف عن شيء أغرب من سابقه. ومع ذلك، ظلّ هدف واحد يرفض بعناد أن يُظهر نفسه: نجوم الجمهرة الثالثة، أول جيل من النجوم يضيء الكون.

يُعتقد أن هذه الأجرام تكثّفت من غاز لا يحتوي إلا على الهيدروجين والهيليوم — دون أي عناصر أثقل من هذين، والتي يسميها علماء الفلك مجتمعةً "معادن". وكان من شأن هذا التركيب البدائي أن يجعل سلوكها مختلفاً تماماً عن أي شيء يلمع اليوم. وتذهب النظرية السائدة إلى أنها نمت إلى أحجام هائلة وأنهت حياتها بعنف.

تتناول ورقة بحثية أولية جديدة من إعداد تاي بونغ جيون، الباحث في مركز الحدود الكونية بجامعة تكساس في أوستن، سؤالاً بسيطاً ظاهرياً: إلى أي مدى يمكن أن تكون تلك الانفجارات النجمية البدائية قد بلغت من الضخامة، وهل هناك أي فرصة واقعية لأن يرصد تلسكوب جيمس ويب الفضائي إحداها؟ الورقة متاحة على arXiv ولم تكتمل مراجعتها من الأقران بعد.

ما الذي يجعل نجوم الجمهرة الثالثة بهذا الإبهام

غاز بدائي، نجوم هائلة

تُعرَّف نجوم الجمهرة الثالثة بما تفتقر إليه. فقد تشكّلت بالكامل من الهيدروجين والهيليوم، ولم يكن لديها قط إمكانية الوصول إلى العناصر الأثقل التي ورثتها أجيال النجوم اللاحقة عن أسلافها المحتضرة. وفي كون اليوم، تعمل تلك العناصر الأثقل كمشعّات فعّالة، ما يسمح لسحب الغاز بالتخلص من حرارتها والتفتت إلى العديد من النجوم الصغيرة. وبدونها، كانت السحب الأولى ستجد صعوبة في التفكك، مما يفضّل تشكّل عدد قليل من الأجرام الأكثر ضخامة بكثير.

هذه هي النظرية. أما الرصد فقد أثبت أنه أكثر تعقيداً. فقد كشف تلسكوب جيمس ويب عن مؤشرات على هذه الانفجارات النجمية البدائية — وعلى نحو غير متوقع، في أزمنة متأخرة كثيراً عما كانت النماذج المكتوبة قبل إطلاق التلسكوب تتوقعه. وتُظهر بعض المجرات القريبة من نهاية حقبة إعادة التأين سمات يبدو أنها تنشأ من هذه الانفجارات النجمية الخالية من المعادن، لكنها تظهر متأخرة بمئات الملايين من السنين عن الموعد المتوقع.

فخّان يجب أن تنجو منهما سحب الغاز المبكرة

لكي تستمر انفجارات الجمهرة الثالثة النجمية لفترة كافية لتتوافق مع ما يرصده تلسكوب جيمس ويب، كان على سحب الغاز التي أنشأتها أن تمرّ عبر ثقب إبرة ضيق. كان لا بد من تجنّب فخّين وجوديين:

• الانهيار المبكر: لم يكن مسموحاً لسحب الهيدروجين والهيليوم أن تنهار إلى الداخل وتشتعل في وقت مبكر جداً.
• التلوث بالمعادن: كان على السحب أن تنجو من التلوث بالعناصر الثقيلة التي تنثرها المستعرات العظمى المجاورة.

ويصعب تحقيق كل من هذين القيدين في البيئة الفوضوية للكون المبكر، وهما معاً يساعدان في تفسير سبب احتمال استغراق النجوم الأولى وقتاً أطول بكثير للظهور مما توحي به النماذج البسيطة.

لماذا يقود الغاز البارد كل شيء

الهيدروجين الجزيئي كمبرّد وحيد

في الكون البدائي، لم يكن بوسع الغاز أن ينهار تحت تأثير جاذبيته إلا إذا وجد طريقة ليبرد. فبمجرد أن تصبح السحابة كثيفة بما يكفي، كانت تسخن — وكانت تلك الحرارة تجبرها على التمدد إلى الخارج مرة أخرى. وكان المبرّد الوحيد المتاح هو الهيدروجين الجزيئي (H2). وقد كان هذا الجزيء محورياً في تشكّل النجوم الأولى: إذ سمح للمادة المظلمة بجذب ما يكفي من الغاز معاً بدرجة كافية ليشتعِل الاندماج النووي أخيراً.

وهنا يصبح التسلسل الزمني محرجاً. ففي مراحل لاحقة من التاريخ الكوني، كان الهيدروجين الجزيئي أكثر وفرة. ومن الناحية النظرية، كان ينبغي أن يجعل ذلك تشكّل نجوم الجمهرة الثالثة أسهل لا أصعب — ولأن تلك النجوم قصيرة العمر، كان ينبغي أن تكون قد انطفأت قبل الأزمنة التي يرصدها تلسكوب جيمس ويب الآن بكثير.

تجنّب التلوث بالمستعرات العظمى

الفخ الثاني كيميائي. فعندما يموت نجم ضخم، ينثر عناصر أثقل في محيطه. وأي سحابة بدائية تنجرف قريبة جداً من انفجار كهذا ستُثرى بالمعادن، ولن يعود تشكّل النجوم اللاحق فيها مؤهلاً ليكون من الجمهرة الثالثة. لذا فإن الحفاظ على السحب الأولى معزولة عن حطام المستعرات العظمى المجاورة يُعدّ شرطاً ضرورياً، لا تفصيلاً ثانوياً.

إشعاع ليمان-فيرنر كآلية تأخير

إذا كانت المشكلة هي وفرة الهيدروجين الجزيئي، فإن أحد الحلول الممكنة هو إزالة بعضه — والكون يوفّر آلية لذلك. يتكوّن إشعاع ليمان-فيرنر (LW) من فوتونات فوق بنفسجية ناعمة تفكّك الهيدروجين الجزيئي عند التلامس، فتحوّله إلى هيدروجين ذرّي.

وبانتزاع H2 من منطقة ما، يزيل إشعاع ليمان-فيرنر المبرّد ذاته الذي تعتمد عليه تلك السحب. وهذا يبطئ عملية التبريد، ويؤجّل بالتالي الانهيار الجravيتي. وبالفعل، يمكن لخلفية قوية بما يكفي من فوتونات ليمان-فيرنر أن تُبقي الغاز البدائي في حالة تعليق، فتدفع تشكّل نجوم الجمهرة الثالثة إلى أزمنة لاحقة وتقرّب التنبؤات النظرية من ما يرصده تلسكوب جيمس ويب فعلاً.

ما يمكن لتلسكوب جيمس ويب تأكيده وما لا يمكنه

تكمن قوة تلسكوب جيمس ويب في قدرته على النظر إلى الوراء نحو فجر الكون، لكن الأدلة المجمّعة حتى الآن تظل غير مباشرة. فعلماء الفلك لا يرون نجوم الجمهرة الثالثة فردية؛ بل يقرؤون بصمات في مجرات قريبة من نهاية حقبة إعادة التأين ويسألون ما إذا كانت الانفجارات النجمية البدائية قادرة على تفسيرها. ويتطلب تأكيد هذا التشخيص استبعاد تفسيرات أخرى — تجمّعات نجمية مُثراة، أو توزيعات كتلية أولية غير معتادة، أو سلوك غير متوقع للغبار.

يؤطّر تحليل جيون السؤال من حيث الحدود الفيزيائية: بالنظر إلى قيود التبريد، والبيئة الإشعاعية، وخطر التلوث، إلى أي مدى يمكن لانفجار نجمي من الجيل الأول أن ينمو بشكل معقول؟ إن وجود سقف واضح — أو غيابه — سيمنح الراصدين هدفاً ملموساً وطريقة لاختبار النماذج المتنافسة مقابل بيانات حقيقية.

الطريق إلى الأمام

يقف البحث عن نجوم الجمهرة الثالثة عند تقاطع النظرية وقدرة الأدوات. ويمكن لنماذج أفضل لكيفية تشكيل إشعاع ليمان-فيرنر لتشكّل النجوم المبكر أن تخبر علماء الفلك أين ينظرون ومتى كان ينبغي أن تظهر الانفجارات النجمية الأولى. وفي الوقت نفسه، تواصل أرصاد تلسكوب جيمس ويب الأعمق إضافة نقاط بيانات يجب أن يصمد أمامها أي نموذج قابل للحياة.

وفي الوقت الحالي، تظل أولى نجوم الكون تنبؤاً نظرياً لا مشاهدة مؤكدة. لكن كل دراسة جديدة تضيّق النافذة — واحتمال أن تكون تلك الانفجارات النجمية الهائلة الخالية من المعادن قد تركت آثاراً قابلة للرصد بعد مئات الملايين من السنين هو بالضبط نوع الأحجية التي تُبقي هذا المجال يعمل.

استناداً إلى تقرير من Universe Today. اقرأ المقال الأصلي.