“المنارة الكونية” – يفتح الويب أسرار الضوء الأول للكون

تكشف ملاحظات تلسكوب جيمس ويب الفضائي عن دور رئيسي للمجرات منخفضة الكتلة في إعادة تأين الكون المبكر، مما يتحدى النظريات الحالية للتطور الكوني.

حصل العلماء الذين يعملون مع بيانات من تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا (JWST) على أول طيف كامل من ضوء النجوم الأقدم في الكون. توفر الصور صورة واضحة للمجرات حديثة الولادة ذات الكتلة المنخفضة جدًا، والتي تشكلت خلال مليار سنة بعد الانفجار الكبير، وتشير إلى أن المجرات الصغيرة لها دور مركزي في قصة الأصل الكوني.

قام فريق دولي من الباحثين، بما في ذلك اثنان من علماء الفيزياء الفلكية في ولاية بنسلفانيا، بنشر نتائجهم مؤخرًا في المجلة طبيعة. تكشف الأطياف عن أول ضوء مرئي من فترة في الكون تعرف باسم إعادة التأين، مدفوعة بوصول النجوم والمجرات المبكرة.

قدمت الصور ذات المجال العميق التي التقطها تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا أول لمحة عن المجرات الخافتة للغاية التي حددها الباحثون كمرشحين أقوياء للمادة التي غذت إعادة تأين الكون. المصدر: 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 تتكون بالكامل تقريبًا من نواة الهيدروجين والهيليوم في ضباب ساخن وكثيف. ومع توسعه وتبريده، تبدأ البروتونات والإلكترونات الفردية في الارتباط، لتشكل الهيدروجين المحايد لأول مرة. ثم بعد حوالي 500 إلى 900 مليون سنة .الانفجار العظيمبدأ الهيدروجين المحايد – الذي سيطر على الكون المبكر – بالانقسام مرة أخرى إلى غاز متأين، مما أدى إلى تكوين النجوم والمجرات ورفع الضباب البدائي حتى يتمكن الضوء من السفر دون عوائق عبر الكون لأول مرة.

وقال ليجا: “لقد حدث شيء ما في الفراغ بين المجرات وبدأ في إصدار فوتونات عالية الطاقة للغاية”. “عملت هذه المصادر مثل المنارات الكونية التي أحرقت ضبابًا من الهيدروجين المحايد. ومهما كان، فقد كان نشطًا ومستمرًا لدرجة أن الكون بأكمله قد أعيد تأينه.

أسلاف المجرة: دور المجرات منخفضة الكتلة

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

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

وأضاف ليجا أنه من المتوقع أن تكون معظم المجرات في بداية الكون صغيرة نسبيًا، مما يجعل دراسة ترددها وخصائصها أكثر صعوبة. بفضل الإنجاز التقني الذي أصبح ممكنًا بفضل مزيج فريد من مستشعر JWST وتأثير عدسة الجاذبية لمجموعة Abel 2744، يمكن الآن تحديد المجرات القريبة مثل المكبرات الكونية، وتشويه الفضاء وتضخيم ضوء المجرات الخلفية. المجرات الصغيرة وخصائصها المؤينة في المليار سنة الأولى من عمر الكون.

وقال حكيم أديك، عالم الفيزياء الفلكية في جامعة السوربون والباحث في معهد باريس للفيزياء الفلكية والمؤلف الأول للورقة البحثية: “وجدنا أن عدد المجرات الصغيرة فاق عدد المجرات الضخمة بنسبة مائة إلى واحد خلال عصر إعادة تنظيم الكون”. في الافراج. “تكشف هذه الملاحظات الجديدة أيضًا أن هذه المجرات الصغيرة أنتجت كميات كبيرة من الفوتونات المؤينة، أي أربعة أضعاف القيم الأساسية التي تعتبر عادةً للمجرات البعيدة. وهذا يعني أن التدفق الإجمالي للفوتونات المؤينة المنبعثة من هذه المجرات يتجاوز 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 تحتوي على مجرات أصغر وأكثر بعدًا. قام باحثون من ولاية بنسلفانيا بتحليل جميع نقاط الضوء الصغيرة في الدراسة لفهم خصائص المادة وكتلها ومسافاتها المحتملة. وأوضح ليجا أنه تم بعد ذلك استخدام هذا التحليل للتوجيه، كما أدت ملاحظات JWST الأكثر تفصيلاً إلى الاكتشاف.

قبل هذه الاكتشافات، كانت هناك عدة فرضيات حددت مصادر أخرى مسؤولة عن إعادة التأين الكوني، مثل الثقوب السوداء فائقة الكتلة؛ والمجرات الضخمة 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 أمر صعب بشكل خاص، نظرا لانخفاض سطوعها، لكن النتائج الجديدة تقدم دليلا واضحا على أن المجرات منخفضة الكتلة لعبت دورا مهما في إعادة تنظيم الكون.

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

المرجع: حكيم أديك، إيفو لابي، لوكاس ج. فوردوك، إيرينا تشيميرينسكا، سيجي فوجيموتو، ديفيد ج. سيتون، تيم ب. “معظم الفوتونات التي تعيد تأين الكون تأتي من المجرات القزمة” بقلم ميلر، باسكال أوش، راشيل بيسانسون سيدونا إتش. برايس، براتيكا ديال، آدي زيثرين، فاسيلي كوكوريف، جون ر. ويفر، غابرييل برامر، بيتر فان دوكوم، كريستينا سي. ويليامز، سام إي. كاتلر، روبرت فيلدمان، يوشينوبو فوتاموتو، جيني إي. جرين، جويل ليجا، مايكل ف. ماسيدا، آدم موسين، ريتشارد بان، كيسي بوبوفيتش، إيريكا ج. نيلسون، تيميا ناناياكارا، دانيال ب. ستارك، ماورو ستيفانون، كاثرين أ. سوس، وبينجي وانغ، وكاثرين إي. ويتاكر، 28 فبراير 2024 طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07043-6

بينجزي وانج، باحث ما بعد الدكتوراه في الفيزياء الفلكية، هو المؤلف المشارك الآخر للدراسة في ولاية بنسلفانيا. تتوفر قائمة كاملة بالمؤلفين ومؤسساتهم في الورقة المنشورة. يقر 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، والمفوضية الأوروبية، ومشروع روزاليند فرانكلين التابع لجامعة كولومبيا. جرونينجن. ، مؤسسة العلوم الثنائية الأمريكية الإسرائيلية، مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (NSF)، وزارة العلوم والتكنولوجيا، إسرائيل و NOIRLabويديره اتحاد الجامعات للبحوث الفلكية بموجب اتفاقية تعاون مع NSF.