الكون الرضيع لا علاقة له بالكون الذي نراه اليوم. في البداية كانت مظلمة: لا نجوم أو مجرات ، فقط حساء سماوي يغلي. ولكن بعد مئات الملايين من السنين بعد الانفجار العظيم ، تشكلت المجرات الأولى – كيف هو لغز بالضبط – وأطلقت سلسلة تطورية ملأت الكون بالمجرات ، بما في ذلك مجرتنا درب التبانة.
الآن ، اكتشف علماء الفلك الذين يحدقون في الماضي البعيد المجرات المبكرة التي ربما تكون قد ظهرت إلى الوجود في وقت مبكر ونمت بشكل أسرع من المتوقع.
الضوء المنبعث من بعض هذه المجرات الذي شاهدته وكالة ناسا تلسكوب جيمس ويب الفضائي، عبرت الكون لنحو 13.4 مليار سنة قبل أن تصطدم بمرايا الآلة المطلية بالذهب. على الرغم من أن JWST كان يعمل بكامل طاقته فقط لمدة ستة أشهر تقريبًا ، إلا أن ملاحظاته تكشف بالفعل عن الأيام الأولى من تاريخ المجرة. ما لا يقل عن مجرتين اكتشفهما JWST أبعد من أي شيء رأيناه من قبل ، وقد رصد التلسكوب مرشحين آخرين مثيرين للاهتمام في انتظار التأكيد.
“نرى كيف بدت المجرات في وقت كان عمر الكون فيه 300 إلى 400 مليون سنة فقط ،” جين ريجبيعالِم مشروع التعدين في JWST ، قال لقاعة محاضرات مزدحمة اجتماع الشتاء لهذا العام ال الجمعية الفلكية الأمريكية في سياتل.
تستخدم عدة فرق تلسكوب جيمس ويب (JWST) للنظر في الظلام البدائي ، حيث يمكن أن تكشف المجرات القديمة عن معلومات جديدة حول قصة خلق الكون. تبدأ هذه القصة بانفجار منذ حوالي 13.7 مليار سنة ، والنجوم والكواكب والأشخاص الذين يسكنون الكون اليوم هم نتاج مليارات ومليارات السنين من التطور الكوني. لكن جذورهم زرعت في الطفولة الكونية ، مخبأة وراء حجاب من الغبار. تم تصميم JWST ، مع عينها الحساسة للغاية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء ، لاختراق هذا الحجاب.
يسعد علماء الفلك بالنجاحات المبكرة لـ JWST ، وهم حريصون على معرفة المدى الذي يمكن أن يراه. بالفعل ، المجرات التي تتلألأ في بداية الزمن تحمل ألغازًا جديدة.
وقالت ناسا: “هناك الكثير – كثير جدًا ، كبير جدًا ، ساطع جدًا ، حار جدًا ، ناضج جدًا ومبكر جدًا”. جون ماذرقال العالم الرئيسي في مشروع JWST ، في اجتماع AAS في سياتل.
انظر من خلال المكان والزمان
التلسكوبات مثل JWST مثل آلات الزمن. عندما ينظرون إلى مسافات بعيدة ، فإنهم أيضًا ينظرون إلى الوراء في الوقت المناسب. يكشف الضوء الملتقط عن الأشياء كما ظهرت عند اللمعان لأول مرة ، أحيانًا منذ ملايين أو مليارات السنين.
عندما ينتقل الضوء عبر كون متوسع ، يتمدد إلى أطوال موجية أطول وأكثر احمرارًا. يمكن لعلماء الفلك قياس مدى هذا الامتداد ، المسمى الانزياح الأحمر ، والذي يمكن استخدامه لحساب مسافة الجسم. الانزياح الأحمر العالي يعني أن الجسم بعيد جدًا.
تعد دراسة الأجسام الكونية ذات الانزياح الأحمر العالي إحدى أولويات JWST. يقع التلسكوب على بعد مليون ميل من الأرض ، ويرى الأشعة تحت الحمراء ، مما يجعله مثاليًا لاكتشاف أطوال موجية أطول وأكثر احمرارًا من الضوء. تجبر المجرات التي رصدها JWST بالفعل علماء الفلك على إعادة التفكير بالضبط فيما يشكل انزياحًا أحمر مرتفعًا أو “عالي z”.
يكتب “JWST غيّر تمامًا تعريفنا لـ high-z” جويدو روبرتس بورساني من جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس ، في رسالة بريد إلكتروني. في عام 2015 ، كما يقول ، كانت قيم الانزياح الأحمر في أبعد المجرات المعروفة تبلغ 8 أو 9 تلسكوب هابل الفضائي هدف مجرة سميت فيما بعد GN-z11 حول الانزياح الأحمر 11 ودفع المجرات الأولى إلى الوراء في الزمن.
يقول روبرتس بورساني: “لقد تجاوزت JWST الآن ذلك” ، وتم نقل حدود الانزياح الأحمر إلى قيم 12 أو 13 ، وهو ما يعادل حوالي 13.3 أو 13.4 مليار سنة.
بحثا عن اللون الأحمر
لعقود من الزمان ، تسابق علماء الفلك للعثور على أكثر المجرات انزياحًا باللون الأحمر ، أولاً مع هابل و تلسكوبات سبيتزر الفضائية، والآن مع JWST. لطالما كانت المنافسة بين الفريقين المتنافسين لتحديد صاحب الرقم القياسي شرسة للغاية ، على الرغم من أن ذلك قد يتغير. متي بحيرة إيما كورتيسقدم عالم الفيزياء الفلكية من جامعة هيرتفوردشاير في إنجلترا ، مجرات جديدة قياسية خلال ذلك لقاء علمي في ديسمبر ل معهد علوم تلسكوب الفضاء في بالتيمور ، تلهث قاعة الفلكيين بأكملها بفرح.
“Nous sommes passés à un régime complètement nouveau – c’est la première fois que nous avons la confirmation de quelque chose de plus loin que Hubble ne pouvait voir, et ce n’est que le début”, a déclaré Curtis-Lake, membre ال المسح المتقدم العميق خارج المجرة JWST (JADES) تعاون ورواية القصص ناشيونال جيوغرافيك.
خلال فصل الصيف ، قام JADES بمسح جزء مدروس جيدًا من السماء الجنوبية ، وهو جزء من الأيقونة مجال هابل شديد العمق– للمجرات البدائية. تم فحص صائدي المجرات التابعين للتعاون أولاً كل 100000 مجرة في صورة واحدة التقطتها كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة من JWST. يمكن لهذه الأداة قياس الانزياحات الحمراء المقدرة بناءً على الضوء من المجرة المرئي من خلال مرشحات مختلفة. ثم وجهوا أداة أخرى ، مطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة من JWST ، إلى أكثر الأهداف إثارة للاهتمام.
يمكن لمقياس الطيف أن يكشف عن انزياح أحمر دقيق للمجرة – وبالتالي عمره والمسافة – بناءً على الانقطاعات المميزة في طيف الضوء من المجرات. يقول أحد أعضاء فريق JADES إن هذه القياسات الطيفية أكثر دقة برانت روبرتسون من جامعة كاليفورنيا ، سانتا كروز ، ولهذا اعتبرها علماء الفلك تأكيدًا للانزياح الأحمر للمجرة.
كيرتس ليك وروبرتسون وزملائهم مسافات مؤكدة لأربع مجرات التي سكنت الكون البدائي عندما كان عمرها 300 أو 400 مليون سنة فقط. كما تم التجسس على اثنين منهم ، على الرغم من أنهما بغيضين عن بعد ، من قبل هابل. الاثنان الآخران أبعدان عن أي شيء يمكن أن يراه هابل ، مع انزياح أحمر يبلغ 12.6 و 13.2. تتكون هذه المجرات إلى حد كبير من عناصر أخف مثل الهيدروجين والهيليوم لأنها كانت موجودة قبل أن تتشكل كميات كبيرة من العناصر الثقيلة.
تقول كورتيس ليك: “إنهم نوع من الأطفال الصغار في عالم لم يبدأ بالفعل بعد”.
عائلة من المجرات البدائية
يعمل علماء الفلك على مسح آخر مبكر للمجرة ، وهو علم التطور الكوني المنشور المسبق (CEERS) ، أعلنت التأكيدات المزيد من المجرات في اجتماع AASالعديد منها يقع بين الانزياح الأحمر 8 و 9. الأول فسيفساء CEERSتُعد الصورة المركبة المكونة من 690 صورة فردية والتي توضح تفاصيل رقعة من السماء بالقرب من الانحناء في قبضة Big Dipper ، أكبر صورة استقصائية لمجرة JWST تم إصدارها حتى الآن.
“ستقضي الكثير من الوقت في تكبير هذه الصور ،” ستيف فنكلستين من جامعة تكساس – أوستن حذر علماء الفلك في بالتيمور. “هناك الكثير من المرح يمكنك الاستمتاع به.”
على الرغم من عدم وجود أي من مجرات CEERS المؤكدة بعيدة مثل المجرات الأربعة التي رصدها JADES ، إلا أن المجرة غير المؤكدة التي لا يزال علماء الفلك يدرسونها يمكن أن تكون بعيدة للغاية. يظهر المرشح على أنه وصمة عار عند الانزياح الأحمر المقدر بـ 16، مما يعني أنه يمكن أن يكون شابًا وبعيدًا بشكل لا يصدق. كشف الفريق أيضًا عن مجرة على شكل طماطم يقدر في الانزياح الأحمر 12تُعرف الآن باسم Maisie Galaxy بعد ابنة Finkelstein.
وأوضح في حفل لم الشمل: “لقد كان مرشحًا صالحًا حقًا ، وكان الأمر يستحق الكتابة عنه في عيد ميلاد ابنتي ، لذا فهي مجرة مايسي” ، بالتيمور.
تنتظر كلتا المجرتين تأكيدًا طيفيًا ، وفي غضون ذلك ، تنشغل فرق أخرى بتحديد مرشحين للانزياح الأحمر العالي بين الصور المبكرة الأخرى لـ JWST. أحد هذه الفرق بقيادة هاوجينغ يان من جامعة ميسوري ، تدعي أنها رصدت 87 مجرة تمتد من 11 إلى 20 مجرة. هؤلاء المرشحون ينتظرون أيضا تأكيدا.
وقال يان للصحفيين في اجتماع AAS: “أراهن بمبلغ 20 دولارًا وبيرة – بيرة كبيرة جدًا – أن معدل النجاح يجب أن يتجاوز 50 بالمائة”.
يقول يان إنه إذا تبين أن جزءًا صغيرًا من هذه المجرات المرشحة بعيدًا كما كان متوقعًا في الأصل ، فإنه “يجب إعادة النظر في صورتنا المتميزة سابقًا لتشكيل المجرات في الكون المبكر”.
اختبر قوانين الطبيعة
للوهلة الأولى ، يبدو أن الكون المبكر كان أكثر إبداعًا في تصنيع النجوم والمجرات مما توقعه العلماء.
كتب روبرتس بورساني: “المجرات التي نجدها في هذه الانزياحات الحمراء أكثر عددًا مما توقعنا بناءً على الملاحظات السابقة ، كما أنها أكثر إشراقًا مما توقعنا في هذه الانزياحات الحمراء”. “لمطابقة هذه الصورة” الجديدة “، يجب أن تكون المجرات قد بدأت في التشكل في وقت أبكر وأسرع مما كان يُعتقد سابقًا.”
روبرتس بورساني هو عضو في الزجاج- JWST التعاون ، وهو يبحث أيضًا عن المجرات ذات الانزياح الأحمر العالي ودراستها لفهم التطور الكوني. درس تعاون GLASS رقعة من السماء تقع خلف مجموعة ضخمة من المجرات ، واكتشف الفريق بالفعل حفنة من المجرات التي تبدو بدائية ، أكثر مما توقعته المحاكاة. قال روبرتس بورساني لعلماء الفلك في بالتيمور: “هناك شيء غريب بعض الشيء”.
لكنه يقول إن هناك طرقًا لشرح التخمة الظاهرة دون كسر القوانين المعمول بها حاليًا في الكون. يمكن للتلسكوبات مثل JWST فقط تصوير مناطق صغيرة من السماء في وقت واحد ، لذلك بالصدفة يمكن للفرق دراسة أجزاء من السماء مليئة بشكل غير عادي بالمجرات. الاحتمال الآخر هو أن هذه المجرات المبكرة كانت ببساطة أكثر إشراقًا مما كان متوقعًا ، ربما لأن تكوين النجوم عمل بشكل مختلف عما كان يُعتقد سابقًا. التفسير الثالث هو أن التقديرات المستندة إلى ملاحظات هابل غير مكتملة بسبب محدودية قدرات هابل على الرصد ، وربما لأسباب غير مبررة حتى الآن ، أن الكون المبكر كان أكثر كفاءة مما كان متوقعًا في إشعال الأضواء.
يمكن العثور على إجابات لهذه الأسئلة في الدراسات المستقبلية. حتى الآن ، كما يقول فينكلشتاين ، أظهر تلسكوب جيمس ويب الفلكيين أن الكون المبكر كان “مليئًا بالنجوم أكثر مما كنا نظن!”