مجرات غريبة في الكون المبكر تشكّلت بفعل نجوم ضخمة عجيبة

لماذا بدا الكون المبكر غريباً إلى هذا الحد

عندما ينظر علماء الفلك عبر مليارات السنين الضوئية، فإنهم ينظرون إلى الماضي، وما يرونه لا يتطابق مع المجرات الحلزونية والإهليلجية المرتبة التي تملأ جوارنا الكوني. تبدو مجرات الكون المبكر، والنجوم المتوهجة داخلها، أكثر غرابة بشكل ملحوظ، وقد أراد الباحثون منذ زمن طويل معرفة السبب. يتناول فريق في جامعة يوتا هذا السؤال من زاوية غير معتادة: فبدلاً من التركيز فقط على أخفت الأجسام وأبعدها التي يستطيع هابل رصدها، يدرسون نجوماً قريبة تعمل كبدائل للنجوم القديمة.

بدأت أقدم النجوم في الكون في التشكّل بعد نحو 100 مليون سنة من الانفجار العظيم. عاشت بسرعة، وماتت صغيرة، ونثرت العناصر التي صنعتها عائدة إلى الفضاء، حيث أُعيد تدوير تلك المواد إلى أجيال لاحقة من النجوم. وعلى طول الطريق، أعادت تشكيل المجرات التي استضافتها، وهي عملية تغذية راجعة لا يزال علماء الفلك يعملون على نمذجتها بالتفصيل.

طريق مختصر قريب إلى الماضي السحيق

بقيادة غريس تيلفورد، الأستاذة المساعدة في الفيزياء وعالمة الفلك في جامعة يوتا، نفّذ الفريق مسحاً يُسمى «خزان نجوم O الفقيرة جداً بالمعادن»، أو TEMPOS. وبدلاً من محاولة التقاط الضوء الخافت لنجوم تألقت قبل أكثر من 13 مليار سنة، فحص المسح نجوماً في مجرات قريبة نسبياً تشترك في خصائص فيزيائية مهمة مع نظيراتها القديمة.

اعتمدت الأرصاد على الضوء فوق البنفسجي المنبعث من تلك النجوم، والذي رُصد بواسطة مطياف أصول الكون (Cosmic Origins Spectrograph) على متن تلسكوب هابل الفضائي. يوفر الإشعاع فوق البنفسجي نافذة حاسمة على أسخن النجوم وأكثرها ضخامة، ويحجبه معظمه الغلاف الجوي للأرض، وهذا بالضبط سبب أهمية موقع هابل فوق الغلاف الجوي لهذا النوع من العمل.

قراءة بصمات النجوم القديمة

في علم الفلك، وصف نجم بأنه فقير بالمعادن لا يعني أنه يفتقر إلى الحديد أو النيكل بالمعنى اليومي. بل يعني أن النجم يحتوي فقط على كميات ضئيلة من أي عنصر أثقل من الهيليوم. كان الكون الوليد مكوّناً بالكامل تقريباً من الهيدروجين والهيليوم، لذا لم يكن لدى النجوم الأولى تقريباً أي عناصر أثقل للعمل بها. ومن خلال تحديد مواقع نجوم محلية ذات محتوى معدني منخفض مماثل، يجمع فريق تيلفورد مجموعة بيانات تتيح دراسة فيزياء تلك الظروف عن كثب، وهو أمر يستحيل فعله مباشرةً لأجسام تقع عند حافة الكون المرئي.

التأثير الهائل للنجوم الضخمة

النجوم التي يستهدفها TEMPOS ضخمة، وهذه السمة مهمة للغاية في كيفية تطور المجرات. يوضح تيلفورد أن نجوماً كهذه تحترق بحرارة عالية جداً وسطوع شديد، وتستهلك وقودها بسرعة وتنهي حياتها القصيرة بانفجارات مستعر أعظم تودع قدراً كبيراً من الطاقة والمواد في الغاز المحيط بها. ومن خلال تلك العملية، تسخّن الغاز المحيط وتنظّم مقدار ما يبقى منه بارداً بما يكفي لينهار ويشكّل نجوماً جديدة، فتحكم فعلياً المسار التطوري للمجرات المضيفة لها.

هذا الدور التنظيمي هو أحد أسباب اختلاف الكون المبكر كثيراً عن الكون الذي نعيش فيه. فعندما تكون النجوم الضخمة شائعة، يمكنها أن تكبح أو تحفّز تشكّل النجوم في موجات متتالية، تاركةً المجرات بأشكال وألوان وتجمعات نجمية غير معتادة. لذا فإن فهم كيفية تصرف الأجيال الأولى من النجوم يترجم مباشرةً إلى فهم كيفية تجمّع المجرات الأولى.

من عمالقة النوع O إلى رياح وولف-رايت

تُعدّ نجوم النوع O من بين الأكبر والأكثر سطوعاً في الكون، وتعيش حياة قصيرة بمعايير النجوم. وبعضها، عند اقترابه من نهاية وجوده، يتحول إلى نجوم وولف-رايت، التي تقذف كميات هائلة من الكتلة إلى الفضاء عبر رياح نجمية قوية. تجرّد تلك الرياح الطبقات الخارجية للنجوم وتكشف مناطقها الداخلية الساخنة. وتساعد أرصاد أنظمة وولف-رايت، بما في ذلك الأزواج الثنائية، علماء الفلك على فهم فقدان الكتلة المكثف الذي يشكّل الفصول الأخيرة من حياة النجوم الضخمة والإثراء الكيميائي الذي تتركه خلفها.

نظرة هابل الطويلة إلى الماضي

كان النظر إلى أبعد مدى ممكن في الزمن الكوني مهمة محورية لتلسكوب هابل الفضائي منذ مسحه العميق الأول عام 1995. وحتى في تلك الصور المبكرة، بدت المجرات البعيدة الصغيرة غريبة، لا تتطابق تماماً مع المجرات التي نراها أقرب إلى ديارنا. أثار هذا التباين سؤالاً من نوع «أيهما أولاً، الدجاجة أم البيضة» لا يزال يحرّك البحث: هل تشكّلت النجوم أولاً، أم المجرات؟

تشير الأدلة إلى أن النجوم جاءت أولاً. كانت النجوم الأولى على الأرجح وحوشاً، تشكّلت من خزانات الهيدروجين الهائلة المتاحة في الكون الوليد، وكانت أكبر من الشمس بأكثر من عشر مرات. وقد عنى حجمها وسطوعها الهائلان أنها عاشت بشراسة وماتت بسرعة، فبذرت الكون بعناصر أثقل ومهّدت الطريق للمجرات التي تلتها. شكّلت نجوم الجيل الثالث (Population III)، كما يُعرف هذا الجيل الأول، بعد بضع مئات من ملايين السنين من الانفجار العظيم، وهي غير مرئية فعلياً اليوم لأنها اختفت منذ زمن بعيد.

لماذا يهم هذا في تطور المجرات

من خلال تحديد نجوم O المحلية الفقيرة بالمعادن ودراسة أطيافها فوق البنفسجية، يجمع فريق TEMPOS شيئاً أشبه بمكتبة مرجعية، مجموعة من الأجسام القريبة التي يمكن أن تُفيد سلوكياتها المقيسة نماذجَ أقدم جيل نجمي. وتمنح النماذج المبنية على نجوم مماثلة علماء الفلك وسيلة للاستدلال بشأن نجوم لا يمكنهم رصدها مباشرة أبداً.

• نماذج أفضل لنجوم الجيل الثالث: توفر نجوم O القريبة الفقيرة بالمعادن معايير قابلة للقياس للكتلة ودرجة الحرارة ومعدلات فقدان الكتلة يمكن تحجيمها لتناسب الجيل النجمي الأول.
• صورة أوضح لتجمّع المجرات: لأن النجوم الضخمة تنظّم الغاز المتاح لتشكّل النجوم، فإن سلوكها يشكّل متى وأين تبني المجرات نجومها الجديدة.
• تفسير محسّن للأرصاد البعيدة: عندما يلتقط هابل وخلفاؤه ضوء المجرات البعيدة، تساعد النماذج المستنيرة بـ TEMPOS في تفسير ما يُرى.
• جسر عبر الزمن الكوني: يربط المسح بين نجوم يمكن دراستها بتفصيل دقيق اليوم والنجوم التي يتعذر الوصول إليها والتي شكّلت المجرات الأولى في الكون.

الطريق إلى الأمام

تُستخدم مجموعة بيانات TEMPOS لتمييز النجوم الجديرة بدراسة فيزيائية فلكية أعمق، ويضيف كل هدف جديد تفاصيل إلى صورة متزايدة الدقة لكيفية تصرف النجوم الضخمة الفقيرة بالمعادن. ولا يقتصر هذا العمل على إشباع الفضول بشأن الماضي السحيق؛ بل يصقل أيضاً الأدوات النظرية التي يستخدمها علماء الفلك لتفسير كل صورة جديدة من صور الحقول العميقة، من أرشيف هابل إلى المراصد المستقبلية.

يبقى الكون المبكر مكاناً غريباً في مخيلتنا، كوناً من نجوم هائلة قصيرة العمر أضاءت انفجاراتها المجرات الفتية وأثرت الغاز حولها. ويعمل تيلفورد وزملاؤها على جعل تلك الغرابة مقروءة، نجماً بنجم، باستخدام أقرب نظائر متاحة لإعادة بناء فصل من تاريخ الكون انتهى قبل وقت طويل من تشكّل مجرة درب التبانة.

يستند هذا المقال إلى تقرير من Universe Today. اقرأ المقال الأصلي.