جيمس ويب: اكتشاف مجراتٍ مبكرة وفلكيون يحاولون فك طلاسم هذا الكشف
موقع للعلم
2023-01-31 03:31
بقلم: جوناثان أوكالاجان
صار الباحثون على قناعةٍ بأن هذا التلسكوب لمح مجموعةً غير متوقعة من المجرات المبكرة التي يعود تاريخها إلى بدايات الكون.. وهم يسعون جاهدين الآن لاستكشاف انعكاسات ذلك على فهمنا للكون، بعد نجاح «تلسكوب جيمس ويب الفضائي» في اكتشاف مجراتٍ مبكرة.. فلكيون يحاولون فك طلاسم هذا الكشف، صورٌ التقطها «تلسكوب جيمس ويب الفضائي» لعنقود «أبل 2744» المجرِّي العملاق على اثنتين من أبعد المجرات التي رُصِدَت حتى وقتنا هذا، المجرتان غير واقعتين داخل العنقود، بل تقعان خلفه على مسافةٍ كبيرة منه تُقدَّر بمليارات كثيرة من السنين الضوئية، نشأت المجرة المُشار إليها برقم (1) بعد مرور 450 مليون سنة فقط على الانفجار العظيم، أما المجرة المُشار إليها برقم (2) فقد نشأت بعد مرور 350 مليون سنة فقط على الانفجار العظيم، ورغم صغر حجمهما مقارنةً بمجرتنا درب التبانة، يفوق حجمهما وسطوعهما التنبؤات المستمدة من نماذج تحظى بإجماع عن تكوُّن المجرات في الكون المبكر. Credit: Science: NASA, ESA, CSA, Tommaso Treu (UCLA); Image Processing: Zolt G. Levay (STScI)
لا تتوقف الجهود التي يبذلها الفلكيون من أجل تحقيق أحد أهدافهم المهمة، وهو فهم النجوم والمجرات الأولى التي أضاءت الكون، ورغم ذلك لا يزال الغموض هو سيد الموقف، لكن كل كشفٍ يحققونه من آنٍ إلى آخر يزيدهم قربًا من هدفهم.
ذاك هو الاستنتاج شبه الحتمي الذي استُخلص من عمليات الرصد الأولية التي أُجريت باستخدام «تلسكوب جيمس ويب الفضائي» James Webb Space Telescope (JWST)، وتجدر الإشارة إلى أن هذا التلسكوب تبلغ تكلفته 10 مليارات دولار أمريكي، وقد بدأ عملياته العلمية في شهر يوليو، والتلسكوب مُصممٌ ليلمح الوهج الخافت للأشعة تحت الحمراء المنبعث من أقدم الأجرام المضيئة في الكون، لذا يصل بنطاق رؤيته إلى فترة المئة مليون سنة الأولى بعد الانفجار العظيم، ما يُتيح له الحصول على بياناتٍ أكبر كمًّا وأكثر دقةً عن مجراتٍ حديثة النشأة مقارنةً بالبيانات التي يحصل عليها أي مرصد آخر حتى وقتنا هذا، ولكن تبيَّن أنَّ مجموعة «صور المجرات حديثة النشأة» التي التقطها التلسكوب فاقت بكثيرٍ توقعات معظم الباحثين، ببساطة، يُمكن القول إنَّ المجرات المبكرة المحتملة تظهر في الصور بأعداد تتجاوز التنبؤات؛ ذلك لأنه عُثِر على العشرات منها إلى الآن، لكن تفسير هذه الوفرة قد يستدعي إدخال تعديلاتٍ جوهرية على النماذج الكونية السائدة، أو بعبارةٍ أخرى، إجراء تغييراتٍ قد تتضمن تَكوُّن المجرات الأولى في زمن أقرب، أو سطوع نجومها بدرجةٍ أشد، بل لعل طبيعة المادة المظلمة أو الطاقة المظلمة أشد تعقيدًا وغموضًا مما كان يُعتقَد في السابق.
ومن بين أكثر المجرات المبكرة المحتملة التي رصدها «تلسكوب جيمس ويب الفضائي» إثارةً للاهتمام، تمكَّنت مجرتان من اجتياز مرحلة التدقيق الإضافي بنجاحٍ، وهو ما من شأنه أن يُعزز شكوك العلماء في أن معرفتنا بالتاريخ الكوني يعتريها الكثير من القصور، ويعود تاريخ المجرتين في وقت اكتشافهما إلى ما بعد الانفجار العظيم بفترةٍ تتراوح بين 350 مليون سنة و450 مليون سنة، وبذلك فهما معدودتان أقدم من جميع المجرات الأخرى المعروفة من قبل، ويُشار إلى أن الفضل في اكتشاف المجرتين يرجع إلى فريقين مختلفين، أحدهما بقيادة روهان نايدو، الذي يعمل حاليًّا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، والآخر بقيادة ماركو كاستيلانو من مرصد روما الفلكي في إيطاليا، وفي بداية الأمر، نُشرت الورقتان البحثيتان المتعلقتان بهذا الكشف على خادم المسودات الأولية «أركايف دوت أورج» arXiv.org، لكنهما الآن تخطَّتا العقبة الأساسية المتمثلة في ضرورة خضوعهما لمراجعة الأقران، إذ نُشرت كلتاهما في دورية «أستروفيزيكال جورنال ليترز» Astrophysical Journal Letters في أواخر شهري نوفمبر وأكتوبر الماضيين، على الترتيب، وهذا أكثر من مجرد حدث رسمي مهم؛ لأن بعض المشكلات المبكرة المتعلقة بجودة المعايرة فيما يتعلق بأدوات «تلسكوب جيمس ويب الفضائي» كانت قد أججت المخاوف لدى الفلكيين من أن تكون هذه النتائج قد استندت إلى حساباتٍ خطأ للمسافة الحقيقية التي تفصل بين الأرض وهاتين المجرتين، ما يجعلهما مجرد مجرتين حديثتين خادعتين لا تنتميان إلى زُمرة مجرات بدايات الكون إلا بالمظهر فقط، ولكن بعد خضوع المجرتين لمراجعةٍ دقيقةٍ من الأقران، يقول كاستيلانو: "يمكننا القول بقدرٍ كبير من الثقة إن المعايرة لا تمثل مشكلةً فيما يتعلق بهاتين المجرتين، إنهما مرشحتان بقوة، وقد استطعنا أخيرًا حل مشكلات المعايرة"، لكن الأمر سيتطلب إجراء عمليات رصد إضافية للتأكد تمامًا من مسافتيهما اللتين بلغتا مستوىً قياسيًّا.
منذ ذلك الحين، عثر الفلكيون على العديد من المجرات المبكرة المحتملة الأخرى، التي يبدو أن عُمر بعضها يعود إلى ما بعد الانفجار العظيم بنحو 200 مليون سنة، يُشار إلى أنه قبل إطلاق «تلسكوب جيمس ويب الفضائي» لم يكن أحدٌ يعرف ما إذا كان من الوارد أصلًا أن تكون بعض المجرات قد تكوَّنت في وقتٍ مبكر جدًّا كهذا من تاريخ الكون الذي يبلغ 13.8 مليار سنة؛ إذ اعتُقد أن المادة حينذاك كانت لا تزال تتحد بهدوء مكوِّنةً التكتلات المرتبطة بفعل الجاذبية واللازمة لنشوء مجموعات كبيرة من النجوم، وعن ذلك قال جارث إلينجورث -الفلكي بجامعة كاليفورنيا في مدينة سانتا كروز- خلال مؤتمرٍ صحفي عقدته وكالة ناسا لإعلان تثبُّت مراجعة الأقران من صحة الاستنتاجات التي تفيد بأن المجرتين الأوليين مرشحتان: "من هنا نتساءل: هل نفهم بحقٍّ الأطوار المبكرة لتكوُّن هذه المجرات؟ هذا يثير لدى العلماء النظريين الكثير من التساؤلات".
ويتمحور أحد أبرز تلك التساؤلات حول الكيفية التي وجَّهت بها المادة المظلمة نشوء المجرات بالتحديد؛ فعلى مدار مئات آلاف السنين القليلة الأولى التي أعقبت الانفجار العظيم، كان الكون ساخنًا بشدة إلى حد أن الجاذبية عجزت عن تجميع المادة الطبيعية معًا لتكوين كتلٍ مجرية أولية كبيرة، لكن هذه "لم تكن مشكلةً للمادة المظلمة، إذ لا تتفاعل عبر قوى كهرومغناطيسية"، على حد قول خورخي بِناروبيا، اختصاصي علم الكونيات بجامعة إدنبرة في اسكتلندا، بل إن الجاذبية وحدها هي التي تتحكم في هذه المادة غير المرئية، وهو ما يُستدل منه على أنه في غضون لحظات فقط من حدوث الانفجار العظيم، حين كانت الفوضى الأولية هي المهيمنة على كل شيء آخر، بدأت الجاذبية على الفور في تجميع المادة المظلمة في كتلٍ ضخمة تُعرَف باسم الهالات، ويُعتقد أن هالات المادة المظلمة هذه كانت بمنزلة مصارف جذبوية للمادة العادية، وبذلك وضعت بذرة النشوء اللاحق للمجرات في الكون المبكر، والحركات الدالة التي تتحركها النجوم الخاضعة لتوجيه هذه الهالات تكشف عن صمودها حتى يومنا هذا، ومن ثم فإن هذه الهالات لا تزال تحيط بالمجرات على غرار مجرتنا، وهي بمنزلة نحَّاتين مهيبين -وغير مرئيين في الوقت ذاته- للكون الحديث.
ونجاح «تلسكوب جيمس ويب الفضائي» في اكتشاف المجرات المبكرة بسرعة ربما يضع فهمنا للكيفية التي تتكون بها هذه الهالات على المحك، وقد يُوحي بأنها بلغت كتلةً هائلةً في توقيتٍ أكثر بكورًا مما هو متوقع، وأحد تفسيرات ذلك قد يتضمن طبيعة المادة المظلمة نفسها، إذ وجد بعض العلماء النظريين أن إخضاع المادة المظلمة لمعالجاتٍ بسيطة تتفاعل فيها المادة المظلمة مع نفسها ومع المادة العادية فقط عبر الجاذبية يُمكن أن يوفر استنساخًا دقيقًا للبنية الكونية واسعة النطاق، لكن البساطة ليست مضمونةً في الطبيعة؛ ففي الواقع، يُمكن أن تتفاعل المادة المظلمة مع نفسها بسبب قوةٍ لا تزال مجهولةً حتى الآن، ولعل ذلك يحدث عبر جُسيم غير موجود في نموذج الفيزياء القياسي الحالي، ومن الوارد أن يكون هذا قد أدى إلى زيادة معدل السرعة التي نمت بها الهالات، كما يمكن أن يكون تفسيرًا للكيفية التي استطاعت بها المجرات الكبيرة الساطعة أن تنشأ بهذه السرعة.
لكن ثمة فرضية أخرى، وهي أن الهالات ببساطة أكثر كفاءةً في اجتذاب المادة العادية لتُغذِّي تَكوُّن النجوم، يقول بِناروبيا موضحًا: "أعتقد أن هذا يعطينا على الأرجح فكرةً عن كيفية تَكوُّن النجوم في هالات المادة المظلمة في وقتٍ مبكر"، تُنتج مجرتنا في الوقت الحاضر نجومًا بمعدل تقريبي يُقدر بنجمٍ واحد في كل عام، لكن الورقة البحثية التي أعدها كاستيلانو ترجح أن معدلات تَكوُّن النجوم لا بد أن تكون أعلى 20 مرة على أقل تقدير في المجرتين المرشحتين اللتين اكتشفهما هو ونايدو، وتفترض مسودة بحثية أخرى مستمدة من كشوفات «تلسكوب جيمس ويب الفضائي» أن مجراتٍ بحجم مجرة درب التبانة يُمكن أن تكون قد نشأت بعد الانفجار العظيم بنصف مليار سنة فقط، وهو سيناريو ربما يستدعي أن تكون معدلات تكوُّن النجوم أعلى 10 مرات أصلًا من تقديرات كاستيلانو، ولكن وفقًا لمايكل بويلان-كولتشين، اختصاصي علم الكونيات بجامعة تكساس في مدينة أوستن الأمريكية، تتجاوز هذه المعدلات الهائلة لتكوُّن النجوم حدود المُمكن فيزيائيًّا، إذ يقول: "إذا صحَّت هذه القيم، فسيلزم أن تحوِّل ]المجرات[ كل كتلتها إلى نجوم وتُكوِّن النجوم بأسرع وتيرة ممكنة".
وثمة احتمالٌ ربما يكون أكثر وجاهةً وهو أن النجوم كانت أكثر كفاءةً بطريقةٍ ما أو بأخرى في التجميع التراكمي للكتلة في الكون المبكر، وهذا من شأنه أن يؤدي إلى تكوين نجوم أضخم حجمًا وأشد سطوعًا، ما يزيد من فرص التقاط «تلكسوب جيمس ويب الفضائي» لها بسبب زيادة درجة مرئيتها لعدساته، وعن ذلك يقول ستيفن ويلكينس، الفلكي بجامعة ساسكس في إنجلترا: "ربما تُنشئ حمولةً كاملة من نجوم فائقة الضخامة فحسب"، ويُمكن أن تكون هذه نجومًا من النوع الذي يُطلَق عليه "نجوم المجموعة الثالثة"، التي يُفترَض أنها أولى النجوم في الكون، صحيحٌ أن الفلكيين لم يرصدوا إلى الآن نجومًا كهذه رصدًا قاطعًا، ولكن يتوافر الكثير من الأدلة الظرفية على وجودها، فنظرًا إلى أن نجوم المجموعة الثالثة نشأت من غازي الهيدروجين والهيليوم الأوليين اللذَين كانا منتشرَين في الكون المبكر، تفتقر هذه المجموعة إلى العناصر الأثقل، ما يسمح لها ببلوغ أحجامٍ ضخمة، أكبر من حجم شمسنا بمئات المرات، ولكن على غرار الشموع الأشد سطوعًا والأقصر عُمرًا، ربما تكون ضخامة هذه النجوم سببًا في محدودية عمرها بحيث لا يتجاوز بضعة ملايين من السنين، ما يجعل اكتشافها في الوقت الحاضر مهمةً صعبة.
ورغم ذلك، فمن الوارد أن بعض المجرات الأبعد التي اكتشفها بالفعل «تلسكوب جيمس ويب الفضائي» -بل وحتى تلك الأكثر قِدمًا التي ربما تُكتشف لاحقًا- تحوي أدلةً على وجود نجوم المجموعة الثالثة، ويُمكن أن يُعزى سطوع هذه المجرات إلى مثل هذه النجوم، التي يُفترض أنها أشد سخونةً وسطوعًا من نجوم المجموعة الأولى ونجوم المجموعة الثانية (التي من بينها شمسنا)، اللتين تملآن كوننا الحديث، وعن ذلك يقول دانييل والين، اختصاصي علم الكونيات بجامعة بورتسموث في إنجلترا: "هذه الاحتمالية قائمةٌ بكل تأكيد"، ولمعرفة ذلك على وجه اليقين، سيحتاج «تلسكوب جيمس ويب الفضائي» إلى إجراء متابعةٍ رصدية طيفية لهاتين المجرتين المحتملتين الأبعد، وتلك عمليةٌ تستغرق وقتًا طويلًا؛ إذ يتعين فيها تجميع طيفٍ شبيه بقوس قزح من الضوء المنبعث من مجرةٍ لتحديد العناصر الكيميائية الموجودة في النجوم المُكوِّنة لها، ويؤكد والين أن إحدى العلامات المميزة الواضحة لنجوم المجموعة الثالثة يُمكن أن تتمثل في سمةٍ طيفيةٍ محددةٍ للهيليوم لا يُمكن أن تنشأ إلا داخل النجوم التي تتجاوز حرارتها نحو 100 ألف درجة مئوية، ويردف قائلًا: "ربما سيكون هذا دليلًا على وجود نجم ضخم من نجوم المجموعة الثالثة".
من المقرر أن تبدأ عمليات المتابعة الرصدية الإضافية هذه في وقتٍ قريب، وتجدر الإشارة إلى أن فريقًا يضم جيهان كارتالتيبي، الفلكية بمعهد روتشستر للتكنولوجيا، قد حصل على تصريحٍ باستخدام «تلسكوب جيمس ويب الفضائي» بعض الوقت من أجل المتابعة الرصدية لحفنةٍ من المجرات المبكرة المحتملة التي عُثِر عليها في «المسح العلمي المبكر للتطور الكوني» (يُعرف اختصارًا باسم «سيرز» CEERS)، الذي تشارك فيه كارتالتيبي باحثةً رئيسية، وتتميز هذه المجرات المحتملة بمستوياتٍ عالية من الانزياح نحو الأحمر، وهو امتدادٌ للأطوال الموجية لضوء هذه المجرات نتيجة توسُّع الكون عبر الزمن الكوني، ولهذا السبب فإن المتابعة الرصدية الطيفية التي تشارك فيها كارتالتيبي لا تقتصر على كونها استكشافًا مهمًّا للمجموعات النجمية في المجرات، بل هي أيضًا استقصاءٌ جديد لكشف الحقائق حول عمرها الكوني، وعن ذلك تقول كارتالتيبي إنها تأمل أن تتيح القياسات للفلكيين "فهم معدلات تَكُّون النجوم وعمرها"، هذا البرنامج، الذي من المتوقع ألا يبدأ قبل أواخر شهر ديسمبر، سيُتيح للمشاركين فيه استخدام «تلسكوب جيمس ويب الفضائي» ثمانيَ ساعاتٍ من أجل الحصول على أطياف من ثلاث مجرات مستهدفة، ومن المتوقع إطلاق المزيد من هذه النوعية من البرامج مستقبلًا.
وثمة أفكارٌ أخرى أكثر إثارةً للاهتمام؛ ففي حال اكتشف «تلسكوب جيمس ويب الفضائي» أن الطفرة المبكرة الواضحة في معدل تكوُّن المجرات الضخمة قد انحسرت على نحوٍ مفاجئ في حِقَبٍ كونية لاحقة، فقد يُوحي ذلك بأن الكون كان يزداد توسعًا بوتيرةٍ أسرع مما هو متوقع حينذاك، ربما أسرع مرتين مما تنبأت به تقديرات حالية تحظى بإجماع، وفق ما يقول نيكولا مينسي، عالِم الفلك بمرصد روما الفلكي، ويُمكن ربط هذا بتأثير شكلٍ معين (وافتراضي تمامًا حتى الآن) من أشكال الطاقة المظلمة، التي تمثل القوة الغامضة والمُلغزة التي تدفع فيما يبدو باتجاه التوسع المتسارع للكون، وتُفرِد بعض النماذج التخيلية للطاقة المظلمة حيزًا لتذبذب تأثير تلك الطاقة عبر الزمن الكوني، وإذا ما ثبُتت صحة مثل هذه النماذج، فإن ذلك يوحي بأن تأثير الطاقة المظلمة على توسع الكون في أعقاب الانفجار العظيم بفترةٍ قصيرة ربما كان أشد بكثير من تأثيرها في الوقت الحاضر، ويقول مينسي إن النتائج الأولية المستمدة من «تلسكوب جيمس ويب الفضائي» "متناقضة فيما يبدو مع معظم النماذج المنطقية التي درسناها إلى الآن"، وتحديدًا نموذج «لامدا للمادة المظلمة الباردة» النظري، الذي يتضمن أفضل التقديرات الحالية التي توصَّل إليها اختصاصيو علم الكونيات حول خصائص المادة المظلمة والطاقة المظلمة وما تُحدثه تلك الخصائص من تأثيراتٍ في تطور الكون.
وفي حين تبدو هذه الأفكار غير محتملة، فإنه لا يمكن استبعادها تمامًا مع استمرار علماء الفلك في سعيهم إلى فهم شيوع المجرات المحتملة في الكون المبكر، فمن الوارد أن يتضح لهم أن بعض تلك المجرات مجرد سراب، أو بعبارةٍ أخرى، مجرات أكثر قربًا تتوارى في هيئة مجراتٍ أكثر بُعدًا نظرًا لاحتوائها على كمياتٍ ضخمة من الغبار، ما يتسبَّب أيضًا في انزياح ضوئها نحو الأحمر، لكنَّ المتابعة الرصدية الأولية لإحدى مجرتي كاستيلانو ونايدو عن طريق استخدام «مصفوفة مرصد أتاكاما المليمتري/دون المليمتري الكبير» (ALMA) في تشيلي أشارت إلى محدودية الأدلة التي تُثبت هذا المحتوى العالي من الغبار، يقول كاستيلانو: "رغم أن النتائج التي تحققت باستخدام «مصفوفة مرصد أتاكاما المليمتري/دون المليمتري الكبير» مثيرةٌ للاهتمام، يُعد «تلسكوب جيمس ويب الفضائي» الأداة الوحيدة التي بمقدورها تقديم إجاباتٍ حاسمة حول هذه المجرات".
وربما يُمكن إجراء متابعات رصدية إضافية لمجراتٍ كهذه في السنة الأولى من عمليات «تلسكوب جيمس ويب الفضائي» العلمية، التي يُطلَق عليها «الدورة الأولى»، وتستمر حتى يونيو 2023، وربما تظهر نتائج أكثر إثارةً للاهتمام في السنة الثانية من عملياته العلمية، أي «الدورة الثانية»، التي يمكن للفلكيين الآن أن يقترحوا برامج لها حتى موعد أقصاه السابع والعشرون من يناير 2023، يقول إلينجورث: "المتابعة الطيفية باستخدام «تلسكوب جيمس ويب الفضائي» ضرورية، ومن المرجح أن تكون هي المطلب الرئيسي فيما يتعلق برصد المجرات البعيدة في الدورة الثانية، نحن نواجه مشكلةً حقيقيةً تحمل في طياتها السؤال التالي: من أين جاءت هذه الأشياء الساطعة بحق السماء؟ لم تَرِد في قصص الأطفال القصيرة، يتعين علينا بالفعل أن نفهم ما يحدث هنا".