اكتشاف أكسجين في أقدم مجرة معروفة للكون

توصل علماء الفلك إلى اكتشاف مفاجئ للأكسجين وعناصر مثل المعادن الثقيلة في أبعد مجرة معروفة. تبعد المجرة 13.4 مليار سنة ضوئية، مما يعني أنها تشكلت في الأيام الأولى للكون.

يعتقد علماء الفلك أن الانفجار العظيم خلق الكون قبل 13.8 مليار سنة.

تم اكتشاف المجرة البعيدة الكبيرة والمضيئة بشكل غير عادي، والتي تسمى JADES-GS-Z14-0، في البداية تم اكتشافها في يناير 2024 باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، الذي يرصد الكون بالأشعة تحت الحمراء التي لا تراها العين البشرية. يمكن للمرصد الفضائي أن ينظر بفعالية إلى الوراء عبر الزمن إلى بداية حقبة غامضة تسمى الفجر الكوني، أو أول بضع مئات من ملايين السنين بعد الانفجار العظيم عندما ولدت المجرات الأولى، لأنه يستطيع رصد الضوء الذي سافر لمليارات السنين عبر الفضاء إلى الأرض.

لقد استغرق الضوء الصادر من JADES-GS-Z14-0 13.4 مليار سنة ليصل إلى زاويتنا من الكون، لذا فإن ويب والمراصد الأخرى مثل ALMA، أو مصفوفة أتاكاما المليمترية الكبيرة/المصفوفة دون المليمترية في صحراء أتاكاما في تشيلي، ترى المجرة كما كانت عندما كان عمر الكون حوالي 300 مليون سنة فقط.

عندما استخدم علماء الفلك مصفوفة ALMA لمتابعة ملاحظات ويب الأولية، ذُهلوا عندما وجدوا وجود الأكسجين والمعادن الثقيلة لأن وجودها يشير إلى أن المجرات تشكلت بسرعة أكبر من المتوقع في بدايات الكون.

نُشرت نتائج اكتشافات ALMA يوم الخميس في دراسات منفصلة في المجلة الفيزيائية الفلكية وعلم الفلك والفيزياء الفلكية.

قال ساندر شوس، المؤلف الرئيسي لدراسة المجلة الفيزيائية الفلكية والمرشح للدكتوراه في مرصد ليدن في جامعة ليدن في هولندا، في بيان: "الأمر يشبه العثور على مراهق حيث تتوقع فقط الأطفال". وأضاف: "تُظهر النتائج أن المجرة قد تشكلت بسرعة كبيرة وتنضج بسرعة أيضاً، مما يضيف إلى مجموعة متزايدة من الأدلة على أن تشكل المجرات يحدث أسرع بكثير مما كان متوقعاً."

وتدفع حقيقة أن JADES-GS-Z14-0 كانت محمّلة بالعناصر الثقيلة علماء الفلك إلى التساؤل عن شكل بعض المجرات الأولى - بالإضافة إلى عدد المجرات الأخرى التي قد يعثرون عليها باستخدام Webb و ALMA.

لقد ثبت أن جوانب متعددة من JADES-GS-Z14-0، بما في ذلك حجمها الكبير وسطوعها، كانت غير متوقعة. وقال شوس إنه مع مسح ويب لـ 700 مجرة بعيدة، اتضح أن هذه المجرة هي ثالث ألمع المجرات على الرغم من كونها الأبعد. لكن من المتوقع أن تكون المجرات الأقدم أصغر حجماً وأكثر خفوتاً لأن الكون كان أصغر بكثير في ذلك الوقت.

Loading image...

قال شوس في رسالة بالبريد الإلكتروني: بشكل عام، تختلف المجرات في هذه المرحلة المبكرة من الكون اختلافاً كبيراً عن المجرات الشهيرة التي نعرفها من الصور الجميلة التي التقطها هابل و JWST. "إنها أكثر انضغاطاً وغنية بالغازات وفوضوية/مضطربة. الظروف أكثر تطرفاً لأن الكثير من النجوم تتشكل بسرعة في حجم صغير."

تبدأ المجرات عادةً من غيوم غازية ضخمة تنهار وتدور، وتمتلئ بالنجوم الفتية التي تتكون إلى حد كبير من عناصر خفيفة مثل الهيليوم والهيدروجين. ومع تطور النجوم بمرور الوقت، فإنها تخلق عناصر أثقل مثل الأكسجين والمعادن التي تنتشر في جميع أنحاء المجرة مع انفجار النجوم في نهاية عمرها. وفي المقابل، تؤدي العناصر المنطلقة من النجوم المحتضرة إلى تكوين المزيد من النجوم وكذلك الكواكب التي تدور حولها.

لكن لا شيء في JADES-GS-Z14-0 يناسب هذا النموذج. وبدلاً من ذلك، تحتوي المجرة على عناصر ثقيلة أكثر بعشرة أضعاف مما كان متوقعاً، كما قال مؤلفو الدراسة.

وقال د. ستيفانو كارنياني: "تنتج هذه العناصر عن النجوم الضخمة، وتشير الكمية الكبيرة من الأكسجين إلى أن عدة أجيال من النجوم الضخمة قد ولدت وماتت بالفعل". ستيفانو كارنياني، الأستاذ المساعد في معهد سكولا نورمال سوبيريوريور في بيزا بإيطاليا، والمؤلف الرئيسي لدراسة علم الفلك والفيزياء الفلكية، في بيان. "في الختام (JADES-GS-Z14-0) أكثر نضجاً مما كان متوقعاً وهذه النتائج تشير إلى أن الجيل الأول من المجرات قد جمع كتلته بسرعة كبيرة."

مكَّن استخدام ALMA الباحثين أيضاً من تأكيد مسافة المجرة، التي تم قياسها في الأصل باستخدام Webb، وتنقيح قياساتهم. وقال ريتشارد بوينز، الأستاذ المشارك في جامعة ليدن والمؤلف المشارك في الدراسة في مجلة الفيزياء الفلكية، إنه يمكن استخدام كلا التلسكوبين معاً لدراسة تشكل وتطور المجرات الأولى.

وقال غيرغو بوبينغ، عالم الفلك في المرصد الجنوبي الأوروبي في المركز الإقليمي الأوروبي ALMA، في بيان: "لقد فوجئت حقاً بهذا الاكتشاف الواضح للأكسجين في JADES-GS-Z14-0". لم يشارك بوبينغ في أي من الدراستين.

"إنها تشير إلى أن المجرات يمكن أن تتشكل بسرعة أكبر بعد الانفجار العظيم مما كان يُعتقد سابقاً. تُظهر هذه النتيجة الدور المهم الذي تلعبه ALMA في الكشف عن الظروف التي تشكلت فيها المجرات الأولى في كوننا."

وقال كارنياني إنه في حين يمكن لويب أن يساعد في تحديد المجرات البعيدة للغاية، يمكن لـ ALMA أن يكبّر لدراسة الغاز والغبار داخلها من خلال الكشف عن الضوء الذي ينبعث منها بالأشعة تحت الحمراء البعيدة. يمكن أن تساعد دراسة مثل هذه المجرات في تسليط الضوء على العديد من الألغاز المتبقية من الفجر الكوني، مثل ما حدث بعد فترة وجيزة من بداية الكون وهويات الأجرام السماوية الأولى التي ظهرت.

ويعتقد مؤلفو الدراسة أن المجرات المبكرة ربما تكون قد شكلت المزيد من النجوم على نطاق أكثر ضخامة مما كان متوقعاً، مما سيؤثر أيضاً على سطوع المجرة بشكل عام.

وقال شوس: "الأمر أشبه بالشموع المحترقة: يمكن أن يكون لديك شموع ذات فتيل عريض ذات لهب ساطع (النجوم الضخمة) أو يمكن أن يكون لديك شموع تحترق ببطء وكفاءة (النجوم العادية)".

وأضاف أن هناك حاجة إلى المزيد من الملاحظات لفهم ما يراه الباحثون بالضبط.

وقال كارنياني إن الفريق يريد تحديد ما إذا كانت المجرة وتطورها السريع فريدة من نوعها حقاً، أو إذا كان هناك المزيد من أمثالها في الكون المبكر، حيث أن جرم سماوي واحد لا يكفي لتأسيس نموذج جديد لتكوين المجرات.